CN110368521B - 三维成型的复合骨再生材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种三维成型的复合骨再生材料及其制备方法和应用。所述复合骨再生材料是以一钛网包覆碳酸钙骨水泥颗粒而形成;其中,所述碳酸钙骨水泥颗粒负载至少一种生长因子。利用三维成型技术结合电子计算机断层扫描数据(CT数据),从而可以获得一与缺损区域完美匹配的钛网结构,同时利用负载至少一种生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒填充于钛网结构内,以获得一种与缺损区域完美匹配且效果好的复合骨再生材料。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程与再生医学领域,特别涉及一种复合骨再生材料及其制备方法和应用。
背景技术
颌骨是面部外形和容貌的基础,同时承担了咀嚼等复杂生理功能,解剖形态和生物力学特征因人而异。肿瘤、外伤、先天性畸形等原因造成的颌骨大块缺损和畸形是临床亟待解决的难题。
目前,临床上以自体骨移植修复为主,然而,其他部位的自体骨在形态和结构上无法与颌骨完全匹配,难以在移植后获得良好的外形及功能。另外,获取自体骨所开辟第二术区所带来的并发症无法避免,且易造成自身其他部位的功能障碍。因此临床骨缺损修复倾向于运用组织工程策略替代自体骨移植。
目前临床上已经开始应用数字化设计制备符合患者个体缺损区域的个性化颌骨重建钛网,但仅依靠钛网可恢复颌骨外形,却难以有效再生缺损区域的颌骨。因此,也有应用钙磷材料通过3D打印应用于骨缺损,但目前钙磷类材料脆性较大,无法满足移植于颌骨缺损后的生物力学要求,同时钙磷类材料缺乏有效的骨诱导性,故再生效果有限。
因此,有必要提出一种新的复合骨再生材料,以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合骨再生材料,利用三维成型技术,结合电子计算机断层扫描数据(CT数据),从而可以获得一与缺损区域完美匹配的钛网结构,同时利用负载至少一种生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒填充于钛网结构内,以获得一种与缺损区域完美匹配且效果好的复合骨再生材料。
为了达到上述目的,根据本发明的一方面,提供一种复合骨再生材料,是以一钛网包覆碳酸钙骨水泥颗粒而形成;其中,所述碳酸钙骨水泥颗粒负载至少一种生长因子。
在本发明一实施例中,所述碳酸钙骨水泥颗粒的粒径为3~5mm。
在本发明一实施例中,所述生长因子为骨形态发生蛋白。在一较佳实施例中,所述生长因子为BMP-2。
在本发明一实施例中,每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0~3.0微克生长因子。
在本发明一实施例中,所述钛网的厚度为0.2~0.8mm。
在本发明一实施例中,所述钛网具有多个直径为1~3mm的贯穿孔。
在本发明一实施例中,所述钛网的至少一边缘上设置至少一个固定用固定孔。
根据本发明的一方面,还提供一种复合骨再生材料的制备方法,所述制备方法包括:依据缺损区域的形状三维成型钛网的步骤;准备负载至少一种生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒的步骤;以及,以所述钛网包覆所述碳酸钙骨水泥颗粒的步骤。
在本发明一较佳实施例中,在依据缺损区域的形状三维成型钛网的步骤中,以电子计算机断层扫描数据(CT数据)获得缺损区域的三维信息,然后进行模拟设计,接着通过三维有限元分析该缺损区域的生物力学特征,以获得用于三维成型所述钛网的三维信息。
在本发明一较佳实施例中,在依据缺损区域的形状三维成型钛网的步骤中,通过mimics软件进行模拟设计,通过ansys软件进行三维有限元分析优化该缺损区域的生物力学特征。
在本发明一实施例中,在准备负载至少一种生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒的步骤中,通过真空吸附将所述生长因子负载于所述碳酸钙骨水泥颗粒,使得每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0~3.0微克生长因子。
在本发明一较佳实施例中,通过真空吸附后再进行冷冻干燥,将所述生长因子负载于所述碳酸钙骨水泥颗粒。
根据本发明的另一方面,还提供上述复合骨再生材料在骨再生中的应用。
本领域技术人员可以理解的是,在本申请中,术语“生长因子”是指通过GF与特定细胞表面受体的相互作用来刺激细胞的生长和/或分化的肽和蛋白质。在本领域中生长因子的实例包括骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子β(TGFβ)、胰岛素样生长因子(IGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板衍生的生长因子(PDGF)和血管内皮细胞生长因子。
本领域技术人员可以理解的是,在本申请中,术语“骨形态发生蛋白”或“BMP”可相互交换地使用,并且是指生长分化因子的转化生长因子β(TGFβ)总科的骨形态发生蛋白(BMP)亚科的任何成员,包括BMP-2、BMP-3(也称作成骨素)、BMP-3b(也称作生长分化因子10,GDF-10)、BMP-4、BMP-5、BMP-6、BMP-7(也称作成骨蛋白-1,OP-1)、BMP-8(也称作成骨蛋白-2,OP-2)、BMP-9、BMP-10、BMP-11(也称作生长分化因子-8,GDF-8,或者肌肉生长抑制素)、BMP-12(也称作生长分化因子-7,GDF-7)、BMP-13(也称作生长分化因子6,GDF-6)、BMP-14(也称作生长分化因子5,GDF-5)和BMP-15。
在本发明中,利用三维成型技术结合电子计算机断层扫描数据(CT数据),从而可以获得一与缺损区域完美匹配的钛网结构,同时利用负载至少一种生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒填充于钛网结构内,以获得一种与缺损区域完美匹配且效果好的复合骨再生材料。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的根据缺损区域的三维信息设计钛网的示意图;
图2是根据本发明一实施例的利用三维成型制备的钛网的结构示意图;
图3是不同BMP-2与碳酸钙骨水泥颗粒负载条件下的成骨效果图;
图4是根据本发明一应用实施例的缺损区域重建的CT效果图。
具体实施方式
以下,结合具体实施方式,对本发明的技术进行详细描述。应当知道的是,以下具体实施方式仅用于帮助本领域技术人员理解本发明,而非对本发明的限制。
实施例1.颌骨截断缺损区域重建钛网设计
请参见图1,如图1中A、B、C所示的,首先根据CT数据提取颌骨截断缺损区域,通过三维模拟软件进行钛网的设计。在本实施例中,采用mimics软件进行模拟设计。本领域技术人员可以理解的是,也可以通过其他本领域中与mimics软件类似的已知软件进行模拟计算。然后,通过软件进行有限元分析。在本实施例中,通过ansys软件进行有限元分析,以优化钛网的生物力学性能。本领域技术人员可以理解的是,也可以通过其他本领域与mimics软件类似的已知软件进行有限元分析。
最终如图2所示的,获得了一与缺损区域相匹配的钛网结构。如图2所示的,所述钛网1具有多个贯穿孔11。所述贯穿孔11的直径为1~3mm,在本实施例中,所述贯穿孔11的直径为2mm。所述贯穿孔11的作用在于增加钛网1的弹性,以避免力遮挡。所述钛网10的厚度为0.2~0.8mm,可以根据实际情况具体选择。在本实施例中,所述钛网1的厚度为0.5mm。
再者,如图1中D所示的,所述钛网1的至少一边缘上设置至少一个固定用固定孔12。通过所述固定孔12可以将所述钛网1固定于缺损区域上,从而实现缺损区域修复的作用。
实施例2.筛选合适的生长因子的负载量
在本实施例中,对于负载生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒进行试验,以筛选合适的生长因子的负载量。所述碳酸钙骨水泥颗粒的粒径为3~5mm,所述生长因子为BMP-2。
在本实施例中,按BMP2/CPC的负载量为0μg/mg、0.2μg/mg、1μg/mg、3μg/mg共4组,将BMP2通过真空吸附1h,再行冷冻干燥过夜的方式负载于碳酸钙骨水泥颗粒上。获得4组碳酸钙骨水泥颗粒后,移植于小鼠背部皮下,14天后取材,然后以福尔马林溶液固定标本,行硬组织包埋、切片、染色。
结果如图3所示,负载量为0μg/mg组和0.2μg/mg组标本中未见新骨形成,1μg/mg组、3μg/mg组见新骨形成,但1μg/mg组与3μg/mg组成骨效果存在不同。1μg/mg组中虽成骨总量较3μg/mg组少(图3中B所示),具有统计学差异(*:P<0.05),但材料内部见明显成骨,成骨均匀。而3μg/mg组虽成骨总量较多,但成骨区域在材料周边,并形成“囊腔”样骨壳,成骨效果较1μg/mg组差;即,1μg/mg组在材料内部的成骨量较3μg/mg组多,具有更好的成骨效果,具有统计学差异(*:P<0.05)。
因此,本实施例确定了负载生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒的负载量:每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0~3.0微克生长因子,其中尤其以每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0微克生长因子为最佳。
应用实施例
在本实施例中,将本发明所述的复合骨再生材料进行实际应用。如图4所示的,将实施例1获得的钛网和实施例2获得的负载有生长因子的碳酸钙骨水泥颗粒所制成的复合骨再生材料移植于犬下颌骨4cm截断缺损处。如图4所示的,所述钛网包覆所述碳酸钙骨水泥颗粒,并且,钛网不需要形成封闭图形,开口部分可以由组织实现封盖即可。
在1个月后对重建位置进行再次CT扫描,以检验修复效果。如图4中A、B和C所示的,修复部位的A、B、C的截面均显示修复区域已完成颌骨连续性,仅在缺损中央区域靠下颌下缘处见低密度影。可见,本发明所述的复合骨再生材料具有良好的修复效果。
本发明已由上述相关实施例加以描述,然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是,已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地,包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
Claims (3)
1.一种三维成型的复合骨再生材料,其特征在于,所述复合骨再生材料是以一钛网包裹碳酸钙骨水泥颗粒而形成;其中,所述碳酸钙骨水泥颗粒负载至少一种活性成分,并且,所述碳酸钙骨水泥颗粒的粒径为3~5mm;所述活性成分为生长因子、外泌体、多肽、核酸中的至少一种;所述生长因子为骨形态发生蛋白;所述骨形态发生蛋白为BMP-2;每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0微克的BMP-2;
所述钛网的形状与缺损区域的形状相匹配;所述钛网具有多个直径为1~3mm的贯穿孔;所述钛网围成非封闭结构,所述钛网的开口部分由组织实现封盖,所述钛网的至少一边缘上设置至少一个固定用固定孔,通过所述固定孔将所述钛网固定于所述缺损区域上,获得与所述缺损区域匹配的复合骨再生材料,在所述复合骨再生材料的内部形成均匀分布的新骨,实现对所述缺损区域的修复。
2.如权利要求1所述的复合骨再生材料,其特征在于,所述钛网的厚度为0.2~0.8mm。
3.一种复合骨再生材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
依据缺损区域的形状三维成型钛网的步骤;所述钛网具有多个直径为1~3mm的贯穿孔;所述钛网围成非封闭结构,所述钛网的开口部分由组织实现封盖,所述钛网的至少一边缘上设置至少一个固定用固定孔,通过所述固定孔将所述钛网固定于所述缺损区域上;
准备负载至少一种活性成分的碳酸钙骨水泥颗粒的步骤;所述碳酸钙骨水泥颗粒的粒径为3~5mm;所述活性成分为生长因子、外泌体、多肽、核酸中的至少一种;所述生长因子为骨形态发生蛋白;所述骨形态发生蛋白为BMP-2;每毫克所述碳酸钙骨水泥颗粒负载1.0微克的BMP-2;以及,
以所述钛网包裹所述碳酸钙骨水泥颗粒的步骤,获得与缺损区域匹配的复合骨再生材料,在所述复合骨再生材料的内部形成均匀分布的新骨,实现对所述缺损区域的修复。
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