CN110251726A - 一种复合人工骨材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合人工骨材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将PLGA溶于有机溶剂，向其中加入纳米羟基磷灰石和β‑磷酸三钙，混合均匀，制得3D打印墨水；(2)使用3D打印设备将所述的3D打印墨水低温沉积打印，冷冻干燥后制得多孔骨支架；(3)将变性淀粉溶液负压灌注入所述的多孔骨支架，经冷冻干燥后得到所述的复合人工骨材料；(4)将复合人工骨材料辐照灭菌后得到人工骨成品。本发明所述的复合人工骨材料由PLGA、纳米羟基磷灰石、β‑磷酸三钙和变性淀粉复合而成，变性淀粉在骨手术过程中可快速有效的止血，同时还可以促进成骨细胞成熟分化。

Description

一种复合人工骨材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，尤其是涉及一种复合人工骨材料及其制备方法。
背景技术
因事故或疾病所造成的大范围骨缺损是临床常见病症，目前治疗骨缺损的主要途径有自体骨、同种异体骨和人工骨材料移植。然而，由于自体骨的来源十分有限，且对患者自身供体部位形成新的骨缺损，严重限制了自体骨的应用，同种异体骨由于异体获取，使其临床应用中存在疾病传播和排斥反应的风险，所以异体骨的应用也受到很大限制。目前可降解载体与生长因子复合的材料是骨组织工程研究的热点，其中最常使用的有骨形态发生蛋白(BMP)、胶原等。纳米羟基磷灰石/胶原复合人工骨材料和天然骨的构成比例基本相同，纳米羟基磷灰石和胶原在排列上交叉在一起，其结构也与天然骨相似，其中的胶原成分可以和细胞进行信号识别，有利于细胞的黏附、增殖分化及天然生物矿物质的沉积；另一方面，纳米羟基磷灰石/胶原复合人工骨材料为多孔结构，其孔隙率十分高，这种结构有利于血管的长入，同时也有利于营养物质的流动和传送，为新骨的形成提供了优良的环境。但是胶原价格比较昂贵，来源于动物组织，容易出现排异性，临床表现为病人过敏反应和伤口易感染并发症。骨形态发生蛋白(BMP)是一种生长分化因子，可以用来促进局部骨生长，但是这种蛋白降解很快，需要大剂量才能保持其效果，导致费用昂贵；理化性质不稳定，与其它的载体混合时难以保持其活性；在缺损区域停留时间短暂。
骨手术往往造成较大的创面出血，目前临床中常用骨蜡封闭骨折断面，但骨蜡本身不被机体吸收，并且过量使用可影响骨质愈合效果。变性淀粉是将原淀粉通过物理或化学的方法改性得到的，是一种植物源材料，具有良好的生物相容性，可降解吸收，来源广泛，成本低廉。变性淀粉作为一种快速、安全、高效的止血材料，在骨手术中可以有效地减少出血量，同时还可以促进成骨细胞的增殖、成熟分化，促进骨质愈合。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种复合人工骨材料及其制备方法，制备的人工骨材料成本较低、生物相容性良好。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种复合人工骨材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)溶于有机溶剂，向其中加入纳米羟基磷灰石和β-磷酸三钙，混合均匀，制得3D打印墨水；
(2)使用3D打印设备将所述的3D打印墨水低温沉积打印，冷冻干燥后制得多孔骨支架；
(3)将变性淀粉溶液负压灌注入所述的多孔骨支架，经冷冻干燥后得到所述的复合人工骨材料；
(4)将复合人工骨材料辐照灭菌后得到人工骨成品。
进一步，所述的3D打印墨水的各组分的重量份如下：PLGA 10-20份，纳米羟基磷灰石6-24份，β-磷酸三钙4-16份。
进一步，所述的有机溶剂为1,4-二氧六环或三氯甲烷中的至少一种；所述的纳米羟基磷灰石的粒径为20-200nm。
进一步，所述的步骤(2)中水低温沉积打印的平台温度为-30～-25℃。
进一步，所述的变性淀粉溶液的质量浓度为1-10％，所述的人工骨成品中变性淀粉质量百分比为1-10％。
进一步，所述的变性淀粉溶液中的变性淀粉为醚化淀粉、预糊化淀粉或交联淀粉中的至少一种；所述醚化淀粉为羧甲基淀粉、羟烷基淀粉或阳离子淀粉中的至少一种；优选的，所述醚化淀粉为羧甲基淀粉；所述交联淀粉为交联羧甲基淀粉、交联马铃薯淀粉、交联木薯淀粉或交联玉米淀粉中的至少一种；优选的，所述交联淀粉为交联马铃薯淀粉或交联羧甲基淀粉中的至少一种。
进一步，所述的步骤(4)中辐照灭菌步骤的辐照剂量为15-75kGy；优选的，所述的步骤(4)中辐照灭菌步骤的辐照剂量为20-40kGy。
进一步，所述的多孔骨支架的孔径为200-500μm，孔隙率为50-90％。
一种3D打印墨水，该墨水由包括如下重量份的原料制成：
PLGA 10-20份，
纳米羟基磷灰石 6-24份，
β-磷酸三钙 4-16份。
一种复合人工骨材料，将所述的3D打印墨水低温沉积打印，冷冻干燥后制得多孔骨支架，将变性淀粉溶液负压灌注入所述的多孔骨支架，经冷冻干燥后得到所述的复合人工骨材料。
PLGA是经美国食品药品管理局(FDA)批准的可用于人体的生物医用材料，与纳米羟基磷灰石、β-磷酸三钙等混合制备骨支架，具有良好的骨传导性、优良的生物相容性，又有一定的初始力学强度。同时，纳米羟基磷灰石和β-磷酸三钙也可以在一定程度上中和PLGA的酸性降解产物，减少局部炎症反应。通过3D打印技术用于制备多孔骨支架，可以精确调控支架的孔径、孔隙率、连通性以及比表面积，有助于细胞黏附生长，方便营养物质供给，也可以根据患者受创部位的实际情况，提供个性化设计，实现精确治疗。
变性淀粉与血液接触后，能立即吸收血液中的水分，形成具有一定强度的凝胶，并能够增加血液黏度，浓缩凝血因子，形成结构致密的凝血混合物，从而达到快速、全面的止血效果，在发挥快速、高效止血功能的同时，还可以促进骨质愈合，促进成骨细胞成熟分化，促进BMP表达。
相对于现有技术，本发明所述的复合人工骨材料及其制备方法具有以下优势：
(1)本发明所述的复合人工骨材料由PLGA、纳米羟基磷灰石、β-磷酸三钙和变性淀粉复合而成，变性淀粉在骨手术过程中可快速有效的止血，同时还可以促进成骨细胞成熟分化，促进骨质愈合，变性淀粉降解吸收后形成多孔状人工骨材料，有利于结缔组织及血管的长入，也有利于营养物质的输入和代谢产物的输出，进一步促进骨生长。
(2)本发明所述的复合人工骨材料成本较低、生物相容性良好。
(3)本发明所述的复合人工骨材料的制备方法采用多孔骨支架中PLGA、纳米羟基磷灰石、β-磷酸三钙复合相互起协同作用，复合人工骨在机械强度上比单纯的PLGA、纳米羟基磷灰石或β-TCP人工骨有显著地提升，其硬度、韧性等生物力学方面均更有优势；低温沉积3D打印结合冷冻干燥，可通过计算机设计不同形状的框架，根据实际骨缺损形状打印出相似的结构，从而满足个体化需求，制得的多孔骨支架其大孔之间有微孔相互贯通，大孔内壁布满毛细微孔，这种结构一方面使多孔骨支架具有优良的骨诱导性和骨生成能力，另一方面有利于容纳更多的变性淀粉，使其进入骨支架内部；通过负压灌注一定粘度的变性淀粉，实现多孔骨支架与变性淀粉的复合，整个工艺为物理复合过程，无化学反应及有机溶剂参与。
附图说明
图1为本发明的多孔骨支架示意图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种复合人工骨材料的制备方法，包括如下步骤：将15g PLGA加入100mL 1,4-二氧六环中，室温搅拌24h使之完全溶解，向PLGA溶液中分别加入12g纳米羟基磷灰石和8gβ-磷酸三钙，混合均匀，加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后将质量百分比为5％的羧甲基淀粉钠负压灌注入多孔骨支架，再次在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(1号)，变性淀粉含量为2.9g，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为206μm，孔隙率为72％。
一种3D打印墨水，该墨水由包括如下重量份的原料制成：PLGA 15g，羟基磷灰石12g，β-磷酸三钙8g。
一种复合人工骨材料，将所述的3D打印墨水加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后将质量百分比为5％的羧甲基淀粉钠负压灌注入多孔骨支架，再次在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(1号)，变性淀粉含量为2.9g，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为206μm，孔隙率为72％。
实施例2
一种复合人工骨材料的制备方法，包括如下步骤：将12g PLGA加入100mL 1,4-二氧六环中，室温搅拌24h使之完全溶解，向PLGA溶液中分别加入16g纳米羟基磷灰石和2gβ-磷酸三钙，混合均匀，加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后将质量百分比为6％的羧甲基淀粉钠负压灌注入多孔骨支架，再次在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(2号)，变性淀粉含量为2.6g，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为231μm，孔隙率为80％。
一种3D打印墨水，该墨水由包括如下重量份的原料制成：PLGA 12g，羟基磷灰石16g，β-磷酸三钙2g。
一种复合人工骨材料，将所述的3D打印墨水加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后将质量百分比为6％的羧甲基淀粉钠负压灌注入多孔骨支架，再次在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(2号)，变性淀粉含量为2.6g，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为231μm，孔隙率为80％。
实施例3
一种复合人工骨材料的制备方法，包括如下步骤：将15g PLGA加入100mL 1,4-二氧六环中，室温搅拌24h使之完全溶解，向PLGA溶液中分别加入12g纳米羟基磷灰石和8gβ-磷酸三钙，混合均匀，加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(3号)，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为201μm，孔隙率为75％。
一种3D打印墨水，该墨水由包括如下重量份的原料制成：PLGA 15g，羟基磷灰石12g，β-磷酸三钙8g。
一种复合人工骨材料，将所述的3D打印墨水加入3D打印物料罐内，调节低温沉积平台温度至-30℃打印成型；将成型后的材料在-40℃，真空度小于40Pa冷冻干燥48h，制得多孔骨支架，然后经电子束辐照灭菌得到复合人工骨成品(3号)，辐照剂量为20kGy。多孔骨支架孔径为201μm，孔隙率为75％。
1号、2号、3号人工骨材料对成骨细胞增殖和分化的影响，实验结果如表1所示，含变性淀粉1号、2号人工骨材料和3号人工骨材料相比可以提高细胞生长曲线，反映成骨细胞成熟和分化的碱性磷酸酶和骨钙素明显增加。
表1人工骨材料对成骨细胞增殖和分化的影响
试样 碱性磷酸酶活性(U/dl) 骨钙素含量(μg/L)
1号 23.7 1.82
2号 22.8 1.79
3号 17.2 1.28
通过离心法测定1号、2号、3号人工骨材料的吸水倍率，吸水倍率(mL/g)＝吸水量(mL)/样品量(g)。结果如表2所示，含变性淀粉1号、2号人工骨材料的吸水倍率与3号人工骨材料相比，有显著增加。
表2人工骨材料的吸水倍率
选择普通新西兰大白兔20只，随机分为3组，每组5只，通过桡骨手术建立10mm骨缺损模型，分别将1号、2号、3号人工骨材料植入桡骨骨缺损中，通过5分钟渗血重量评估1号、2号、3号人工骨材料的止血效果，观察发现，和3号人工骨相比，1号、2号人工骨有显著的止血效果(如表3所示)，并且能促进桡骨愈合。
表3人工骨材料渗血量
试样 渗血量(g)
1号 0.071
2号 0.067
3号 0.93
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将PLGA溶于有机溶剂，向其中加入纳米羟基磷灰石和β-磷酸三钙，混合均匀，制得3D打印墨水；
(2)使用3D打印设备将所述的3D打印墨水低温沉积打印，冷冻干燥后制得多孔骨支架；
(3)将变性淀粉溶液负压灌注入所述的多孔骨支架，经冷冻干燥后得到所述的复合人工骨材料；
(4)将复合人工骨材料辐照灭菌后得到人工骨成品。
2.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的3D打印墨水的各组分的重量份如下：PLGA10-20份，纳米羟基磷灰石6-24份，β-磷酸三钙4-16份。
3.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为1,4-二氧六环或三氯甲烷中的至少一种；所述的纳米羟基磷灰石的粒径为20-200nm。
4.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中水低温沉积打印的平台温度为-30～-25℃。
5.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的变性淀粉溶液的质量浓度为1-10％，所述的人工骨成品中变性淀粉的质量百分比为1-10％。
6.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的变性淀粉溶液中的变性淀粉为醚化淀粉、预糊化淀粉或交联淀粉中的至少一种；所述醚化淀粉为羧甲基淀粉、羟烷基淀粉或阳离子淀粉中的至少一种；优选的，所述醚化淀粉为羧甲基淀粉；所述交联淀粉为交联羧甲基淀粉、交联马铃薯淀粉、交联木薯淀粉或交联玉米淀粉中的至少一种；优选的，所述交联淀粉为交联马铃薯淀粉或交联羧甲基淀粉中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中辐照灭菌步骤的辐照剂量为15-75kGy；优选的，所述的步骤(4)中辐照灭菌步骤的辐照剂量为20-40kGy。
8.根据权利要求1所述的复合人工骨材料的制备方法，其特征在于：所述的多孔骨支架的孔径为200-500μm，孔隙率为50-90％。
9.一种3D打印墨水，其特征在于：该墨水由包括如下重量份的原料制成：
PLGA 10-20份，
纳米羟基磷灰石 6-24份，
β-磷酸三钙 4-16份。
10.一种复合人工骨材料，其特征在于：将权利要求9所述的3D打印墨水低温沉积打印，冷冻干燥后制得多孔骨支架，将变性淀粉溶液负压灌注入所述的多孔骨支架，经冷冻干燥后得到所述的复合人工骨材料。
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