CN110755691A - 一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法 - Google Patents

一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，首先，将明胶和海藻酸钠溶于超纯水中，得到明胶/海藻酸钠浆料；将58s生物活性玻璃与明胶/海藻酸钠浆料混合，搅拌均匀后放入3d打印料筒中脱泡，得到明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料；用3d打印机将浆料打印成三维多孔结构的支架，冷冻干燥处理后获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合骨修复支架；将复合骨修复支架置于聚多巴胺溶液中反应一晚，反应完成后放入硝酸银溶液中；用去离子水冲洗支架，冷冻干燥后获得能够用于骨修复的抗菌支架。本发明在进行骨修复的同时还可以达到抗菌抗感染的作用，材料来源广泛，材料的力学性能好，生物活性高，制备工艺简单易操作，在再生医学和骨修复领域的应用前景广阔。

Description

一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法
技术领域
本发明涉及骨组织工程修复及重建的技术领域，尤其是指一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法。
背景技术
随着老龄化、退行性病变、车祸等外伤引起的骨组织损伤的增多，骨缺损修复越来越受到重视，临床中通常采用自体骨移植、异体骨移植和人工骨移植等骨移植方法。自体骨移植是进行缺损修复的“金标准”，但自体骨来源有限，往往供不应求，异体骨移植有感染疾病的风险，而人工骨缺乏骨诱导活性，这些缺点和不足限制了其临床应用。因此，研究具有高生物活性和能够高效促成骨的新型再生骨缺损修复材料成为近年来的难点和热点，且具有巨大的临床需求和市场前景。生物活性玻璃是一种重要的骨组织工程的支架材料，能在体内有效促进生物矿化，释放硅、钙离子促进干细胞成骨、成血管。明胶/海藻酸钠水凝胶是由天然高分子材料混合而成，具有良好的生物相容性、组织可吸收性、低免疫原性等优点，特别是其利于和高生物活性无机粉体结合进行3D打印成型，但其力学强度比较差。3D打印能有效构建多孔生物玻璃骨组织工程支架，精确调控孔隙率、孔径等参数，赋予其较好的生物活性，修复支架通常需要具备良好的力学性质、生物相容性、骨传导性、骨诱导性，因此我们构建了明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合支架，实现材料的成骨性质。同时，支架在植入人体的过程中，往往由于前期的炎症反应而存在感染的问题，并且细菌往往在材料表面铺展成膜而使材料失效，最终导致手术的失败，因此骨修复支架表面具有良好的抗菌性质对解决临床感染问题有重要意义。其中纳米银是一种良好的抗菌物质，在一定的浓度范围内具有良好的生物相容性。
因此，采用3d打印方法构建良好的支架结构，实现支架的成骨性质，再通过表现处理实现支架的抗菌性质对建立能有效进行骨组织损伤修复的支架材料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种行之有效、科学合理的用于骨修复的抗菌支架的制备方法，通过该方法制得的抗菌支架的生物安全性好，力学性质好，具有良好的成骨性质并且表面抗菌效果好。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，包括以下步骤：
1)将海藻酸钠粉末加入到超纯水中，搅拌12-18h，使其充分溶解，得到海藻酸钠溶液；
2)将明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌2-4h至均匀，得到明胶/海藻酸钠复合浆料；
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将制得的58s生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中，搅拌2-6h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料；
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架；
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用氯化钙溶液先进行物理交联，后浸泡于戊二醛溶液中进行化学交联，最后用去离子水进行清洗并冷冻干燥处理，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架；
6)将步骤5)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中进行表面处理；
7)将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中进行浸泡，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架，即目标产物。
在步骤1)中，所述海藻酸钠溶液的质量分数为4-8％。
在步骤2)中，所述明胶占液相含量的4-10％。
在步骤3)中，所述58s生物活性玻璃的化学组成为58％SiO2-35％CaO-7％P2O5，制备的生物玻璃粒径为0.6-5微米。
在步骤3)中，所述58s生物活性玻璃的含量为10％-50％。
在步骤4)中，所述3d打印机型号为3d bioplotter，打印针头直径为0.41mm，打印速度为15-30mm/s，打印压力为1.0-3.0bar。
在步骤5)中，所述氯化钙溶液的浓度为3％-10％，该氯化钙溶液是将氯化钙粉体加入超纯水中溶解而成。
在步骤5)中，所述戊二醛溶液浓度为0.5％-2％，该戊二醛溶液是通过用超纯水对50％的戊二醛溶液进行稀释获得。
在步骤6)中，所述聚多巴胺溶液浓度为1-4mg/ml，支架浸泡时间是8-12h；其中，所述聚多巴胺溶液是通过盐酸多巴胺溶解到Tris-HCl缓冲液中，并常温自聚2-4h获得。
在步骤7)中，所述硝酸银溶液的浓度为2-200mmol/l，浸泡时间为4-8h。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明制备的抗菌支架改善了以往明胶/海藻酸钠支架力学性能不佳的缺点，制备的支架具有良好的力学性质。
2、本发明制备的抗菌支架既具有良好的成骨性质和骨修复能力，同时具有抗菌性质，可以有效地达到骨缺损修复的目的和减少手术过程中的感染问题。
3、采用生物3d打印技术，成型方便，并且可以控制材料的形状并获得较高的孔隙率，工艺精准易控，产品质量稳定，可实现个性化定制。
4.本发明制备工艺简单易操作，材料来源广泛，材料生物活性高，在再生医学和骨修复领域的应用前景广阔。
具体实施方式
下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1)将1.2g海藻酸钠粉末加入到30ml超纯水中，搅拌12h，待其充分溶解，得到海藻酸钠溶液。
2)将1.8g明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌2h，得到明胶/海藻酸钠复合浆料。
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将0.34g生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中(生物玻璃含量为10％)，搅拌6h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料。
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架，其中，支架的大小设定为10mm*10mm*4mm，打印针头直径为0.41mm，打印速度为15mm/s，打印压力为1.5bar。
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用5％氯化钙溶液先对支架进行物理交联，后浸泡于1％戊二醛溶液中进行化学交联，后用去离子水清洗3-5遍后将打印成型的支架先置于-20℃，预冻24h，再将其置于冻干机中冷冻干燥48h；获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架。
6)将0.2mg盐酸多巴胺溶解于100ml pH为8.5的Tris-HCl溶液中，并在常温下自聚2h，获得聚多巴胺溶液；将步骤5)的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中8h进行表面处理。
7)将0.3397g硝酸银溶解于1L的去离子水中(硝酸银溶液的浓度为2mmol/l)，将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中浸泡4h，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架。
实施例2
1)将1.8g海藻酸钠粉末加入到30ml超纯水中，搅拌15h，待其充分溶解，得到海藻酸钠溶液。
2)将3.0g明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌2h，得到明胶/海藻酸钠复合浆料。
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将2.06g生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中(生物玻璃含量为30％)，搅拌4h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料。
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架，其中，支架的大小设定为10mm*10mm*4mm，打印针头直径为0.41mm，打印速度为20mm/s，打印压力为1.0bar。
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用10％氯化钙溶液先对支架进行物理交联，后浸泡于0.5％戊二醛溶液中进行化学交联，后用去离子水清洗3-5遍后将打印成型的支架先置于-20℃，预冻24h，再将其置于冻干机中冷冻干燥48h；获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架。
6)将0.1mg盐酸多巴胺溶解于100ml pH为8.5的Tris-HCl溶液中，并在常温下自聚3h，获得聚多巴胺溶液；将步骤5)的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中12h进行表面处理。
7)将3.397g硝酸银溶解于1L的去离子水中(硝酸银溶液的浓度为20mmol/l)，将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中浸泡6h，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架。
实施例3
1)将2.4g海藻酸钠粉末加入到30ml超纯水中，搅拌18h，待其充分溶解，得到海藻酸钠溶液。
2)将1.2g明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌4h，得到明胶/海藻酸钠复合浆料。
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将3.6g生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中(生物玻璃含量为50％)，搅拌6h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料。
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架，其中，支架的大小设定为10mm*10mm*4mm，打印针头直径为0.41mm，打印速度为30mm/s，打印压力为3.0bar。
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用3％氯化钙溶液先对支架进行物理交联，后浸泡于2％戊二醛溶液中进行化学交联，后用去离子水清洗3-5遍后将打印成型的支架先置于-20℃，预冻24h，再将其置于冻干机中冷冻干燥48h；获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架。
6)将0.4mg盐酸多巴胺溶解于100ml pH为8.5的Tris-HCl溶液中，并在常温下自聚4h，获得聚多巴胺溶液；将步骤5)的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中10h进行表面处理。
7)将33.97g硝酸银溶解于1L的去离子水中(硝酸银溶液的浓度为200mmol/l)，将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中浸泡8h，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架。
实施例4
1)将1.3g海藻酸钠粉末加入到30ml超纯水中，搅拌12h，待其充分溶解，得到海藻酸钠溶液。
2)将3.0g明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌4h，得到明胶/海藻酸钠复合浆料。
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将1.5g生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中(生物玻璃含量为25％)，搅拌2h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料。
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架，其中，支架的大小设定为10mm*10mm*4mm，打印针头直径为0.41mm，打印速度为21mm/s，打印压力为1.5bar。
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用10％氯化钙溶液先对支架进行物理交联，后浸泡于2％戊二醛溶液中进行化学交联，后用去离子水清洗3-5遍后将打印成型的支架先置于-20℃，预冻24h，再将其置于冻干机中冷冻干燥48h；获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架。
6)将0.2mg盐酸多巴胺溶解于100ml pH为8.5的Tris-HCl溶液中，并在常温下自聚2h，获得聚多巴胺溶液；将步骤5)的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中12h进行表面处理。
7)将3.397g硝酸银溶解于1L的去离子水中(硝酸银溶液的浓度为20mmol/l)，将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中浸泡6h，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将海藻酸钠粉末加入到超纯水中，搅拌12-18h，使其充分溶解，得到海藻酸钠溶液；
2)将明胶粉末加入海藻酸钠溶液中，搅拌2-4h至均匀，得到明胶/海藻酸钠复合浆料；
3)用溶胶-凝胶法制备58s生物活性玻璃，将制得的58s生物活性玻璃加入明胶/海藻酸钠复合浆料中，搅拌2-6h至混合均匀，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料；
4)将步骤3)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合浆料倒入3d打印料筒中脱泡，在3d打印机中建模，打印浆料成型为支架；
5)将步骤4)的支架进行交联处理，用氯化钙溶液先进行物理交联，后浸泡于戊二醛溶液中进行化学交联，最后用去离子水进行清洗并冷冻干燥处理，获得明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架；
6)将步骤5)获得的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架浸泡于聚多巴胺溶液中进行表面处理；
7)将聚多巴胺溶液浸泡后的明胶/海藻酸钠/生物玻璃骨修复支架用超纯水冲洗3-5次，然后放入硝酸银溶液中进行浸泡，最终获得能够用于骨修复的抗菌支架，即目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述海藻酸钠溶液的质量分数为4-8％。
3.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，所述明胶占液相含量的4-10％。
4.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，所述58s生物活性玻璃的化学组成为58％SiO2-35％CaO-7％P2O5，制备的生物玻璃粒径为0.6-5微米。
5.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，所述58s生物活性玻璃的含量为10％-50％。
6.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，所述3d打印机型号为3d bioplotter，打印针头直径为0.41mm，打印速度为15-30mm/s，打印压力为1.0-3.0bar。
7.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，所述氯化钙溶液的浓度为3％-10％，该氯化钙溶液是将氯化钙粉体加入超纯水中溶解而成。
8.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，所述戊二醛溶液浓度为0.5％-2％，该戊二醛溶液是通过用超纯水对50％的戊二醛溶液进行稀释获得。
9.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤6)中，所述聚多巴胺溶液浓度为1-4mg/ml，支架浸泡时间是8-12h；其中，所述聚多巴胺溶液是通过盐酸多巴胺溶解到Tris-HCl缓冲液中，并常温自聚2-4h获得。
10.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的抗菌支架的制备方法，其特征在于：在步骤7)中，所述硝酸银溶液的浓度为2-200mmol/l，浸泡时间为4-8h。
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