CN112957522B

CN112957522B - 一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架及其制备方法

Info

Publication number: CN112957522B
Application number: CN202110198032.7A
Authority: CN
Inventors: 吕永钢; 李松
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-02-22
Also published as: CN112957522A

Abstract

本发明公开了一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架材料及其制备方法。通过将镓铟锡合金与磁性二氧化硅颗粒和致孔剂均匀混合成型，再用双蒸水除去致孔剂得到多孔液态金属骨组织工程支架。该发明可以通过改变外部磁场大小调控支架内部磁性颗粒排布进而改变支架刚度，支架材料具有良好的生物相容性，可实现支架刚度的动态变化，满足骨缺损修复过程中的力学要求。

Description

一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种骨组织工程支架材料及其制备方法，特别涉及一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架及其制备方法。

背景技术

力学因素在骨组织重建中有重要的作用，影响细胞增殖、迁移、分化，细胞外基质合成，细胞因子分泌等生物学过程(Engler AJ,Sen S,Sweeney H L,Discher D E.Matrixelasticity directs stem cell lineage specification.Cell.2006；126(4):677-689)，选择适宜的基质刚度可以有利于促进干细胞介导的骨组织再生。在骨组织工程应用中，学者已经设计了多种天然或合成材料模拟天然骨形成过程中的力学性能以促进干细胞的成骨分化。天然材料包括胶原、丝素蛋白等，合成材料包括合成聚合物、生物陶瓷和金属等。例如Hsieh等(Hsieh W T,Liu Y S,Lee Y H,Rimando M G,Lin K H,Lee O K.Matrixdimensionality and stiffness cooperatively regulate osteogenesis ofmesenchymal stromal cells.Acta Biomater,2016,32:210-222)用聚丙烯酰胺制备了骨组织工程支架。这些材料的基质刚度往往是静态的，然而，在体内骨修复过程中，骨缺损修复是一个复杂而漫长的过程。随着新生骨组织的形成和重塑，缺损部位的刚度也随局部力学强度的逐渐恢复而不断变化(Metz C,Duda G N,Checa S.Towards multi-dynamicmechano-biological optimization of 3D-printed scaffolds to foster boneregeneration.Acta Biomater.2020；101:117-127)。因此，在骨修复过程中全程使用任何一种恒定不变的刚度，对于骨再生和功能重建不是一种理想的生物力学条件。设计一种具有可变力学性能的基质材料可模拟骨修复过程中的基质刚度变化，对促进干细胞的成骨分化及骨缺损修复十分重要。

目前主要利用水凝胶材料实现动态刚度变化的骨组织工程支架，可通过温度控制(Zhang J,Yang H,Abali B E,Li M,Xia Y,Haag R.Dynamic mechanics-modulatedhydrogels to regulate the differentiation of stem-cell spheroids in softmicroniches and modeling of the nonlinear behavior.Small.2019；15(30):e1901920.)、光控制(Stowers R S,Allen S C,Suggs L J.Dynamic phototuning of 3Dhydrogel stiffness.Proc Natl Acad Sci U S A.2015；112(7):1953-1958.)、磁控制(Corbin E A,Vite A,Peyster E G,et al.Tunable and reversible substratestiffness reveals a dynamic mechanosensitivity of cardiomyocytes.ACS ApplMater Interfaces.2019；11(23):20603-20614.)等不同的手段实现刚度的变化。然而，受水凝胶本身刚度低的限制，支架刚度变化范围较小，且降解速度较快，难以很好地模拟骨再生过程中的刚度变化。

发明内容

为了克服上述技术缺点，本发明的目的是提供一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架，本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架，由液态金属和磁性二氧化硅颗粒组成，将液态金属与磁性二氧化硅颗粒与致孔剂混合均匀，用双蒸水除去致孔剂形成多孔结构。无外加磁场时，内部磁性二氧化硅颗粒随机排布，当施加外部磁场时，内部磁性二氧化硅颗粒沿磁场方向定向排列，使刚度发生改变。当改变磁场大小时，磁性颗粒排布也受到调控，磁场越大，材料刚度越高。

可选择地，上述液态金属为镓铟锡合金，其中镓的比例为10-30％，铟的比例为35-45％，锡的比例为35-45％。

可选择地，上述多孔液态金属骨组织工程支架的刚度可根据临床实际需要调整，在磁场强度0-0.5T作用下，在20kPa-10 MPa范围内连续动态变化。

可选择地，上述磁性二氧化硅颗粒为经二氧化硅修饰的磁性金属材料和铁氧体微颗粒，包括但不限于铁、氧化铁、钴、镍及其合金。

可选择地，上述致孔剂为水溶性无机盐，有机化合物及高分子聚合物，包括但不限于聚乙二醇、氯化钠、蔗糖、微晶纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯及水溶性表面活性剂颗粒。

可选择地，上述磁性液态金属支架材料为多孔支架，孔径为20-400μm，可以根据实际情况，使用不同粒径的致孔剂对孔径大小进行调整。

本发明的另一目的是提供一种刚度可调的液态金属骨组织工程支架的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将镓、铟、锡按比例混合，在200-350℃条件下加热搅拌至完全均匀混合，室温下自然冷却，得到镓铟锡合金。

步骤2：在55℃加热条件下，在镓铟锡合金中加入适量磁性二氧化硅颗粒，搅拌至完全均匀混合，得到磁性液态金属。

步骤3：在55℃在加热条件下，加入致孔剂，搅拌均匀，置于模具中，室温下冷却，得到复合支架。将复合支架置于双蒸水中，除去致孔剂，用滤纸吸干水分，即得到多孔液态金属支架。

可选择地，上述磁性二氧化硅颗粒的质量分数10-50％。

可选择地，上述致孔剂为粒径20-400μm的水溶性无机盐，有机化合物及高分子聚合物，包括但不限于聚乙二醇、氯化钠、蔗糖、微晶纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯及水溶性表面活性剂颗粒。

可选择地，上述致孔剂的质量分数为40-70％。

可选择地，上述模具为根据骨缺损部位实际情况制成的正方体或圆柱体塑料或金属模具。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种刚度可调的液态金属骨组织工程支架，由液态金属和磁性二氧化硅颗粒组成，通过改变磁场的大小可以方便快捷地实现刚度在20kPa-10 MPa范围内的变化，而不是局限于水凝胶材料的刚度范围，并且这种变化是可逆的，刚度范围符合骨骼的生物力学。

2.本发明提供了一种刚度可调的液态金属骨组织工程支架的制备方法，通过在磁性颗粒表面修饰二氧化硅，避免了磁性颗粒与镓铟锡合金的电化学反应，使其适用于体内应用。

3.本发明中的一种刚度可调的液态金属骨组织工程支架为均匀的多孔结构，有利于植入体内后细胞的长入及营养物质的运输。

附图说明

图1是一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的内部结构示意图。

图2是一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的制备方法中，使用不同含量的聚乙二醇8000颗粒所制备的液态金属骨组织工程支架的孔隙率。

图3是一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的制备方法中，磁性二氧化硅颗粒质量分数为30％，聚乙二醇8000颗粒体积分数为50％所制备的支架的杨氏模量。

图4是一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架在骨组织工程中的应用示意图。

图5是刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架材料示意图：1液态金属；2磁性颗粒；3支架材料中的孔隙；4永磁铁。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

一、一种刚度可调的磁性液态金属骨组织工程支架的制备

1、称取30g镓、60g铟和60g锡置于玻璃烧杯中，加热至200℃，玻璃棒搅拌直至完全混合，得到镓铟锡合金。

2、称取粒径为100μm的铁粉2g，加入40ml双蒸水中超声5min，取1.76ml四乙氧基硅烷超声分散与80ml甲醇中，超声5min，将上述两种溶液混合，超声15min，然后加入4ml氨水，超声15min后，使用电动搅拌器继续搅拌4h。将得到的产物进行磁分离，然后用甲醇和水将产物洗涤至中性，用pH＝1的盐酸浸泡，除去未包被的铁，得到磁性二氧化硅颗粒。将得到的磁性二氧化硅颗粒洗涤至中性，干燥备用。

3、在55℃恒温条件下，在镓铟锡合金中加入质量分数为30％的磁性二氧化硅，搅拌至混合均匀，得到磁性液态金属。

4、然后加入40-70％体积分数的粒径为325-380μm聚乙二醇8000颗粒致孔剂，搅拌至均匀。将得到的混合物置于圆柱形模具中，室温下冷却，得到圆柱形支架(支架的直径和大小可以根据临床骨缺损大小进行调整)。将圆柱形支架置于双蒸水中，除去聚乙二醇颗粒，用滤纸吸干水分，即得到多孔磁性液态金属。孔径大小约为300-400μm，孔隙率与加入致孔剂的比例有关：致孔剂为40％时，孔隙率为34.0±2.6％；致孔剂为50％时，孔隙率为44.1±3.2％；致孔剂为60％时，孔隙率为53.9±4.0％；致孔剂为70％时，孔隙率为64.3±3.1％。

二、检测一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的刚度调控

为证明所制备的刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的刚度受磁场大小的调控，选取0.1T、0.2T和0.4T的永磁铁作为外加磁场，利用日本岛津公司AG-X10KN电子万能试验机进行压缩测试，在三种不同磁场下的杨氏模量分别为1256±43kPa、1516±129kPa和1942.9±152kPa，证明刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的刚度可以随外加磁场的不同发生变化。在实际应用中，可以根据需要调整磁场大小以得到理想的刚度。

Claims

1.一种刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架，由液态金属和磁性二氧化硅颗粒构成，其特征在于：所述液态金属为镓铟锡合金，与磁性二氧化硅颗粒和致孔剂均匀混合成型后，置于双蒸水中除去致孔剂形成三维多孔结构，通过不同强度外加磁场调控磁性二氧化硅颗粒定向排布，改变多孔液态金属骨组织工程支架刚度；所述镓铟锡合金中镓的比例为10-30%，铟的比例为35-45%，锡的比例为35-45%，磁场强度为0-0.5 T，多孔液态金属骨组织工程支架的刚度在20 kPa-10 MPa连续动态变化，根据临床实际需要调整；

所述磁性二氧化硅颗粒为经二氧化硅修饰的具有磁响应能力的磁性金属材料，包括但不限于铁、氧化铁、钴、镍及其合金；所述致孔剂为粒径20-400 μm的水溶性无机盐、有机化合物，包括但不限于聚乙二醇、氯化钠、蔗糖、微晶纤维素、聚乙烯吡咯烷酮或聚氨酯。

2.如权利要求1所述的刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架，其特征在于：所述多孔结构的平均孔径为20-400μm，根据临床实际需要调整。

3.一种制备权利要求1或2所述的刚度可调的多孔液态金属骨组织工程支架的方法，包括下述步骤：

1) 将镓、铟、锡按比例混合，加热温度至200-350℃，搅拌至完全均匀混合，得到镓铟锡合金;

2) 在55℃加热条件下，在步骤1)得到的镓铟锡合金中加入10-50%的磁性二氧化硅颗粒，搅拌至完全均匀混合，得到磁性液态金属;

3) 在55℃加热条件下，在步骤2)得到的磁性液态金属中加入适量致孔剂，搅拌均匀，置于模具中，室温下冷却，得到复合支架;

将复合支架置于双蒸水中，除去致孔剂，用滤纸吸干水分，得到多孔液态金属骨组织工程支架。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述镓铟锡合金的熔点通过调整镓、铟、锡的比例改变，镓、铟、锡的比例应使得到的镓铟锡合金熔点不低于37℃。

5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述致孔剂的质量分数为40-70%。

6.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述模具为根据骨缺损部位实际情况制成的正方体或圆柱体的塑料或金属模具。