CN109701074A - 一种骨修复支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种骨修复支架及其制备方法，属于生物医学工程技术领域。本发明的骨修复支架包含金纳米棒、β‑磷酸三钙和明胶甲基丙烯酰。本发明通过3D打印和冷冻干燥技术，将具有良好光热效应的金纳米棒和良好成骨能力的β‑磷酸三钙与明胶甲基丙烯酰进行复合，制备出具有光热效应的骨修复支架，使其具有光热抗肿瘤的能力、良好的生物相容性，以及骨修复和诱导能力，满足修复和治疗骨肿瘤缺损的目的。

Description

一种骨修复支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种骨修复支架及其制备方法，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

恶性骨肿瘤多发且难以治愈，其中以转移性骨肿瘤最为常见。65～80％的晚期前列腺癌和乳腺癌患者会出现癌症骨转移，肝癌、肺癌、肾癌以及膀胱癌的发病率也有30～40％。此外，恶性骨肿瘤还伴有骨痛、骨溶解、病理性骨折以及高血钙等多种并发症，给患者带来巨大痛苦，同时也消耗了大量的医疗资源。

目前临床治疗骨肿瘤的方法包括手术治疗、放射治疗和化疗。手术治疗是临床治疗骨肿瘤的主要手段，化疗是常用的术后辅助疗法，而手术在切除骨肿瘤之后，会造成大块的骨缺损，化疗存在严重的毒副作用，并会产生耐药性，从而导致治疗的失败，且给人身体带来很大的毒副作用。此外，多数骨肿瘤对射线不敏感，因此，设计开发新的骨肿瘤治疗方法变得非常重要且迫切。

光热治疗是利用光热材料将光能转化为热能，用局部过热引起杀伤作用和其继发效应来杀伤肿瘤细胞的一种疗法。光热治疗已经被认为是一种非常有前途的肿瘤治疗方法，它可以控制治疗的时间和治疗部位，从而避免非目标区域的损伤，它已经被成功的用于治疗各种肿瘤。

但光热治疗用于骨肿瘤的治疗还存在一些问题。纳米光热材料通过系统给药的方式在骨肿瘤处富集效率低，从而导致局部温度达不到杀伤肿瘤细胞的程度，即使纳米材料表面修饰肿瘤靶向分子，在骨肿瘤处的富集率依然不足10％。若要提高纳米材料的给药量，则可能会引起毒副作用。若要提升激光功率，则会产生例如促炎症反应等，引起严重的健康组织损伤。

目前的光热材料以纳米光热材料为主，纳米光热材料虽然有优良的光热性能，但这些材料成骨能力和力学强度差，并不具备修复骨肿瘤手术后造成的缺陷的能力，不能同时起到肿瘤治疗和缺损修复的作用；同时，纳米材料一般采用静脉注射的方式，一部分的纳米粒子会在正常组织有聚集，对正常组织具有一定损伤。因此，研发出一种具有光热治疗效应的骨修复支架能为骨肿瘤及其引起的骨缺损提供一种有效的治疗手段。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种骨修复支架及其制备方法，本发明的骨修复支架生物相容性和诱导修复能力优良，具有良好的光热治疗效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种骨修复支架，所述骨修复支架包含如下材料：金纳米棒、β-磷酸三钙和明胶甲基丙烯酰。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述骨修复支架包含如下重量份的材料：金纳米棒1～10份、β-磷酸三钙10～50份、明胶甲基丙烯酰10～50份。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述骨修复支架包含如下重量份的材料：金纳米棒1份、β-磷酸三钙49.5份、明胶甲基丙烯酰49.5份。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述金纳米棒的长度为30～50nm，宽度为10～25nm。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述β-磷酸三钙的粒径为100～200nm。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述明胶甲基丙烯酰的制备方法为：将明胶在蒸馏水中加热溶解，配制成明胶溶液，然后加入甲基丙烯酸酐反应；反应结束后，将反应液透析，然后将透析液冷冻干燥，即得明胶甲基丙烯酰。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述明胶甲基丙烯酰的制备方法为：称取明胶在蒸馏水中加热溶解，配制成质量浓度为10％的明胶溶液，然后按体积比明胶溶液：甲基丙烯酸酐＝10：0.75，加入甲基丙烯酸酐，55℃下搅拌反应6小时，反应结束，将反应液置于截留分子量为10000D的透析袋中透析7天，然后将透析液置于-80℃冷冻干燥机中冷冻干燥48小时，即得明胶甲基丙烯酰。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述金纳米棒的制备方法为：将四氯金酸三水合物溶解在蒸馏水中，配置成四氯金酸溶液；将柠檬酸钠溶解在蒸馏水中，配制成柠檬酸钠溶液；将四氯金酸溶液加入蒸馏水中稀释，氮气保护下加热回流，然后加入柠檬酸钠溶液反应，反应结束后，将反应液冷冻干燥，即得金纳米棒。

作为本发明所述骨修复支架的优选实施方式，所述金纳米棒的制备方法为：称取四氯金酸三水合物溶解在蒸馏水中，配置成浓度为1mg/mL的四氯金酸溶液，备用；称取柠檬酸钠溶解在蒸馏水中，配制成浓度为2mg/mL的柠檬酸钠溶液，备用；量取四氯金酸溶液，加入蒸馏水稀释5～10倍，然后氮气保护下加热回流，然后按体积比四氯金酸溶液：柠檬酸钠溶液＝4：1加入柠檬酸钠溶液，然后100℃反应2～3h，反应结束后，将反应液冷冻干燥即得金纳米棒。

本发明还提供了上述骨修复支架的制备方法，包括以下步骤：

(1)骨修复支架打印前驱体溶液的制备：将明胶甲基丙烯酰溶解于蒸馏水中，配制成明胶甲基丙烯酰溶液，加入光引发剂，然后按配比加入金纳米棒和β-磷酸三钙，室温下搅拌，超声分散，即得骨修复支架打印前驱体溶液；

(2)骨修复支架的打印：利用3DS Max软件，模仿临床缺损模型进行设计建模，导入3D打印机控制软件；将步骤(1)制得的骨修复支架打印前驱体溶液加入到3D打印机挤出筒内，打印后完成后，用紫外灯照射固化，冷冻干燥，即得骨修复支架。

作为本发明所述骨修复支架的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，明胶甲基丙烯酰溶液的质量浓度为10％，光引发剂的质量浓度为0.5％；搅拌速率为1000rpm，搅拌时间为60～120min，超声时间为30～60min。

作为本发明所述骨修复支架的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，打印机为挤出型生物3D打印机，打印温度设定为25～35℃，打印速度为10～30mm/s，打印压强为0.5～2kPa，打印平台温度为30～35℃，打印喷头直径为0.4～0.6mm；紫外灯波长为380nm，紫外灯照射时间为5～15min；冷冻干燥的温度为-80℃，冷冻干燥的时间为24h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过3D打印和冷冻干燥技术，将具有良好光热效应的金纳米棒和良好成骨能力的β-磷酸三钙与明胶甲基丙烯酰进行复合，制备出具有光热效应的骨修复支架，使其具有光热抗肿瘤的能力、良好的生物相容性，以及骨修复和诱导能力，满足修复和治疗骨肿瘤缺损的目的。

附图说明

图1为效果例1中细胞毒性评价结果的统计图。

图2为效果例2中细胞碱性磷酸酶活性检测结果的统计图。

图3为效果例3中光热效应测试结果的统计图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种骨修复支架，包含如下重量份的材料：金纳米棒1份、β-磷酸三钙49.5份、明胶甲基丙烯酰49.5份。

本实施例骨修复支架的制备方法为：

(1)金纳米棒的制备

称取四氯金酸三水合物溶解在蒸馏水中，配置成浓度为1mg/mL的四氯金酸溶液，备用；称取柠檬酸钠溶解在蒸馏水中，配制成浓度为2mg/mL的柠檬酸钠溶液，备用；

量取四氯金酸溶液，加入蒸馏水稀释8倍，然后用氮气保护下加热回流，然后按体积比四氯金酸溶液：柠檬酸钠溶液＝4：1加入柠檬酸钠溶液，然后100℃反应3h，反应结束后，将反应液冷冻干燥即得金纳米棒；

(2)明胶甲基丙烯酰的制备

称取明胶在蒸馏水中加热溶解，配制成质量浓度为10％的明胶溶液，然后按体积比明胶溶液：甲基丙烯酸酐＝10：0.75，加入甲基丙烯酸酐，55℃下搅拌反应6小时，反应结束，将反应液置于截留分子量为10000D的透析袋中透析7天，然后将透析液置于-80℃冷冻干燥机中冷冻干燥48小时，即得明胶甲基丙烯酰；

(3)骨修复支架的制备

称取明胶甲基丙烯酰，溶解于蒸馏水中配制成质量浓度为10％的明胶甲基丙烯酰溶液，并加入质量浓度为0.5％的光引发剂，然后按配比加入金纳米棒和β-磷酸三钙，室温下1000rpm搅拌90min，然后超声分散60min，即得骨修复支架打印前驱体溶液，备用；

利用3DS Max软件，模仿临床常见的缺损模型进行设计建模，然后导入3D打印机控制软件；将所制得的骨修复支架打印前驱体溶液加入到3D打印机的挤出筒内，打印机采用挤出型生物3D打印机，打印温度设定为35℃，打印速度为15mm/s，打印压强为0.9kPa，打印平台温度为35℃，打印喷头直径为0.4～0.6mm，打印后完成后，用380nm紫外灯照射10min固化，然后置于-80℃冷冻干燥机中冷冻干燥24h，即得一种具有光热治疗效应的骨修复支架。

实施例2

一种骨修复支架，包含如下重量份的材料：金纳米棒5份、β-磷酸三钙47.5份、明胶甲基丙烯酰47.5份。

本实施例骨修复支架的制备方法同实施例1。

实施例3

一种骨修复支架，包含如下重量份的材料：金纳米棒10份、β-磷酸三钙45份、明胶甲基丙烯酰45份。

本实施例骨修复支架的制备方法同实施例1。

实施例4

一种骨修复支架，包含如下重量份的材料：金纳米棒1份、β-磷酸三钙50份、明胶甲基丙烯酰10份。

本实施例骨修复支架的制备方法同实施例1。

实施例5

一种骨修复支架，包含如下重量份的材料：金纳米棒10份、β-磷酸三钙10份、明胶甲基丙烯酰50份。

本实施例骨修复支架的制备方法同实施例1。

效果例1本发明实施例1～5的细胞毒性的检测试验

将实施例1～5所制备的骨修复支架进行细胞毒性评价实验(按国标GB/T16886.5-2003进行实验)，control为对照组，实验组1～5分别使用实施例1～5的骨修复支架。实验结果如图1所示，其中，横坐标为培养天数，纵坐标为细胞相对增殖率。

由图1可知，实施例1～5在与成骨细胞共培养3、7、14天后，其对应的细胞相对增殖率均在85％以上，证明其具有良好的细胞相容性。

效果例2本发明实施例1～5的成骨诱导能力测试

将实验组1～5样品灭菌后，分别放入6孔板中。向每个支架上加入50000个第3代rBMSc细胞，放入细胞培养箱中培养，并隔天换培养基。在培养了7天和14天后，进行细胞碱性磷酸酶活性检测(ALP)。实验组1～5分别使用实施例1～5的骨修复支架，ALP值测试结果如图2所示，其中，横坐标为培养天数，纵坐标为ALP值。

由图2可知，实施例1～5的ALP值在第7天和第14天均大于5，证明本发明的骨修复支架均有较好的成骨能力。并且，实施例1的成骨诱导能力最佳，即当金纳米棒为1重量份、β-磷酸三钙为49.5重量份、明胶甲基丙烯酰为49.5重量份时，本发明的骨修复支架的成骨诱导能力最佳。

效果例3本发明实施例1～5的光热性能测试

将样品放在48孔细胞培养板里，采用808nm光照射3min外热成像仪(fraredimaging theromemter，A325sc，FLIR，USA)实时监测支架温度，记录数据绘制出温度随时间变化图。实验组1～5分别使用实施例1～5的骨修复支架，光热效应测试结果如图3所示。

由图3可知，实施例1～5在照射30s左右，温度均超过40℃，能达到杀死肿瘤细胞的要求，而且随照射时间的延长，材料的温度有明显的上升。说明本发明的骨修复支架具有良好的光热效应。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架包含如下材料：金纳米棒、β-磷酸三钙和明胶甲基丙烯酰。

2.如权利要求1所述的骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架包含如下重量份的材料：金纳米棒1～10份、β-磷酸三钙10～50份、明胶甲基丙烯酰10～50份。

3.如权利要求2所述的骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架包含如下重量份的材料：金纳米棒1份、β-磷酸三钙49.5份、明胶甲基丙烯酰49.5份。

4.如权利要求1～3任一项所述的骨修复支架，其特征在于，所述金纳米棒的长度为30～50nm，宽度为10～25nm。

5.如权利要求1～3任一项所述的骨修复支架，其特征在于，所述β-磷酸三钙的粒径为100～200nm。

6.如权利要求1～3任一项所述的骨修复支架，其特征在于，所述明胶甲基丙烯酰的制备方法为：将明胶在蒸馏水中加热溶解，配制成明胶溶液，然后加入甲基丙烯酸酐反应；反应结束后，将反应液透析，然后将透析液冷冻干燥，即得明胶甲基丙烯酰。

7.如权利要求1～3任一项所述的骨修复支架，其特征在于，所述金纳米棒的制备方法为：将四氯金酸三水合物溶解在蒸馏水中，配置成四氯金酸溶液；将柠檬酸钠溶解在蒸馏水中，配制成柠檬酸钠溶液；将四氯金酸溶液加入蒸馏水中稀释，氮气保护下加热回流，然后加入柠檬酸钠溶液反应，反应结束后，将反应液冷冻干燥，即得金纳米棒。

8.如权利要求1～7任一项所述的骨修复支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)骨修复支架打印前驱体溶液的制备：将明胶甲基丙烯酰溶解于蒸馏水中，配制成明胶甲基丙烯酰溶液，加入光引发剂，然后按配比加入金纳米棒和β-磷酸三钙，室温下搅拌，超声分散，即得骨修复支架打印前驱体溶液；

(2)骨修复支架的打印：利用3DS Max软件，模仿临床缺损模型进行设计建模，导入3D打印机控制软件；将步骤(1)制得的骨修复支架打印前驱体溶液加入到3D打印机挤出筒内，打印后完成后，用紫外灯照射固化，冷冻干燥，即得骨修复支架。

9.如权利要求8所述的骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，明胶甲基丙烯酰溶液的质量浓度为10％，光引发剂的质量浓度为0.5％；搅拌速率为1000rpm，搅拌时间为60～120min，超声时间为30～60min。

10.如权利要求8所述的骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，打印机为挤出型生物3D打印机，打印温度设定为25～35℃，打印速度为10～30mm/s，打印压强为0.5～2kPa，打印平台温度为30～35℃，打印喷头直径为0.4～0.6mm；紫外灯波长为380nm，紫外灯照射时间为5～15min；冷冻干燥的温度为-80℃，冷冻干燥的时间为24h。