CN113289066A - 一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种修复骨缺损的复合材料，由聚乳酸、羟基磷灰石和锂盐制备而成；其中聚乳酸和羟基磷灰石的质量比为(7～9):(1～3)，锂盐的质量分数为0.5～1％。本发明还提供了以该复合材料为原料通过3D打印制成的可降解骨缺损修复支架，本发明支架能够诱导成骨活性，促进骨修复，同时兼具有优异的力学强度和生物相容性，综合性能优异，在骨修复领域具有优异的应用前景。

Description

一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种修复骨缺损的复合材料及其制 备方法。
背景技术
骨是一种动态的血管化组织，通常以高硬度和适度的自愈力为特征，但 创伤、感染和肿瘤的切除往往造成较大尺寸的骨缺损，仅造成临界骨缺损的 骨折就已经占到了所有骨折的5-10％，一旦骨缺损超过了临界值便丧失了自 愈的可能。
骨缺损的治疗往往需要植入替代物来修复，但作为治愈金标准的自体骨 移植由于数量有限、取骨痛苦、供体部位疼痛和功能异常等局限，往往难以 实施，而同种异体骨移植物虽来源广泛，但生物活性低且易产生病原体感染 和免疫排斥。除此以外，在过去的几十年里，人们制造了金属、陶瓷和聚合 物等各种材料支架简单的充当骨头的替代品，填充进缺损部位，但这些支架 成骨活性低、组织相容性差、降解速率慢，难以取得令人满意的效果。为解 决以上难题，近年来致力于开发人工骨移植替代品的骨组织工程学已成为修 复骨组织和重建骨再生的新选择。
骨组织工程是一种新颖且有前景的治疗骨缺损的方法，它通过在三维多 孔支架上诱导因子或特定细胞，以自然的方式启动组织再生。当下超过60％ 的骨缺损研究都集中于颅骨的修复，而只有30％的研究关注承重骨，因为承 重骨的修复对移植物的机械性能要求更高；优异的机械性能是对骨组织工程 修复支架材料的关键要求之一。
聚乳酸(polylactic acid，PLA)是一种可在一两年内降解，无毒副的高 分子材料，有与本体骨骼(2-12MPa)相似的抗压强度(2-39MPa)，且质量 轻、射线可穿透、生物相容性好，熔点175℃，不需要复杂的加热设备即可 进行加工，适合做移植物的基质材料，有巨大的临床应用潜力。但人工聚合 物材料虽然力学等方面性能优秀，但存在生物活性低的缺点。因此，在实际 作为骨组织修复材料应用时，聚合物材料还往往需要与活性物质复合。
尽管羟基磷灰石、锂盐等促进骨传导、骨诱导的能力已初露头角，但是， 在与聚乳酸等聚合物基体进行复合时，如何在保证其生物活性不被破坏的同 时，保留聚合物基体优异的机械性能，同时还具有优异的生物相容性以满足 骨组织修复材料的要求，仍然是本领域的技术难点。
因此，目前亟需提供一种兼具生物相容性好、机械性能好，而且能够有 效诱导骨修复的综合性能的骨组织修复支架材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法，以及 一种兼具优异的生物相容性、机械性能和骨修复能力的骨组织工程支架。
本发明提供了一种修复骨缺损的复合材料，它由聚乳酸、羟基磷灰石和 锂盐制备而成；所述聚乳酸和羟基磷灰石的质量比为(7～9):(1～3)；锂盐的质 量分数为0.5～1％；优选地，所述聚乳酸和羟基磷灰石的质量比为7:3；锂盐 的质量分数为1％。
进一步地，所述羟基磷灰石是纳米羟基磷灰石，所述锂盐是氯化锂或碳 酸锂，优选为氯化锂。
本发明还提供了上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)有机溶剂溶解聚乳酸得到溶液；
(2)有机溶剂溶解羟基磷灰石，加入锂盐搅拌分散得到悬浮液；
(3)将步骤(2)的悬浮液加入步骤(1)的溶液中，搅拌得到复合材料 乳液。
进一步地，步骤(1)所述有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷，优选为二氯 甲烷；和/或步骤(2)所述有机溶剂为丙酮。
更进一步地，步骤(1)得到溶液后静置48小时；和/或步骤(2)所述 搅拌分散为磁力搅拌24小时；和/或步骤(3)所述搅拌为超声搅拌2小时。
进一步地，上述制备方法还包括如下步骤：将复合材料乳液干燥除去溶 剂，得到复合材料；优选地，所述干燥是：复合材料乳液室温挥发1周后， 再50℃真空干燥48小时。
本发明还提供了一种骨缺损修复支架，它是以权利要求上述复合材料为 原料制备而成。
进一步地，上述制备方法是3D打印，优选地，所述3D打印是熔融层积 成型技术3D打印技术。
进一步地，上述支架的最大压缩应力不低于20MPa。
实验结果表明，本发明的复合支架具有优异的生物相容性、机械性能， 具有诱导成骨活性，促进骨修复的作用，在骨修复领域具有优异的应用前景。
本发明所述最大压缩应力指在压缩试验中试样直至破裂(脆性材料)或产 生屈服(非脆性材料)时所承受的压缩应力。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段， 在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、 替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步 的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。 凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为(A)本发明粉碎后的复合材料颗粒的光学显微镜观察图片；(B)本 发明复合材料丝材的扫描电镜观察图片；(C)本发明3D打印复合材料支架 的扫描电镜观察图片与宏观照片。
图2为本发明支架材料的细胞毒性实验结果。
图3为本发明复合材料支架和实施例1支架材料的压缩性能测试结果。
图4为本发明实施例1、实施例2支架和未掺锂支架的碱性磷酸酶显色结果。
图5为本发明实施例1支架的促进骨修复实验结果。
具体实施方式
PLA购于济南岱罡生物公司，平均分子量200000。
纳米羟基磷灰石由国家生物医学材料工程技术研究中心提供，颗粒直径 50nm。
氯化锂购于成都市科隆化学品有限公司，无水、分析纯(AR)级。
除另有说明外，其余原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
实施例1、本发明复合材料和支架的制备
成分配比：PLA与n-HA的质量比例为7:3。无水氯化锂粉末掺入比例为 总质量的1％。
1.十倍体积的二氯甲烷(DCM)溶解PLA，静置48小时。
2.丙酮溶解n-HA：4000转离心n-HA悬液4分钟后弃掉上清。加入等两 倍体积丙酮，搅拌、震荡5分钟后800功率下超声5分钟，离心去上清，此 过程重复三次。然后加入十倍体积的丙酮，800功率下超声2h后，放入磁力 搅拌子，中间速度下搅拌过夜。
3.材料湿法复合：在第2步获得的n-HA丙酮的悬浮液中加入无水氯化 锂粉末，磁力搅拌子以中间速度下搅拌24小时。与第二步获得的PLA DCM 溶液混合,在800功率超声下搅拌2小时,获得混合材料乳液。
4.复合材料的获得：混合液在专业的通风橱中室温挥发一周，之后放入 真空干燥箱中，温度设置为50摄氏度，抽真空干燥48小时后获得干燥的掺 锂PLA/n-HA复合材料。
5.将制得的复合材料放入高速粉碎机中，粉碎2分钟立即停止，待粉碎 机温度下降后继续粉碎，防止粉碎机温度升高引起材料融化。待样品完全粉 碎为白色粉末后，停止粉碎。
6.启动拉丝机，拉丝机材料仓温度设置为160摄氏度，挤出头温度设置 为165摄氏度。待拉丝机材料仓温度上升至160摄氏度时，将第六步获得的 复合材料粉末倒入材料仓中，挤出直径为1.75±0.05mm的长丝，收集挤出头 挤出的丝材。
7.使用SolidWorks软件(法国达索系统公司)建立三维对象模型，然后使 用Simplify 3D切片软件(美国辛辛那提公司)规划打印路径。每层厚度0.2mm， 打印速度60mm/s。最后导入熔融层积成型技术(FDM)打印机进行3D打印。
8.在FDM打印机平台涂抹可水洗专用打印胶后，将第七步收集的丝材放 入FDM打印机，启动3D打印机，以第7步设置的参数，开启3D打印，收 取打印样品，得到本发明的骨修复支架。
实施例2、本发明复合材料和支架的制备
成分配比：PLA与n-HA的质量比例为7:3。无水氯化锂粉末掺入比例为 总质量的0.5％。
制备方法同实施例1。
实施例3、本发明复合材料和支架的制备
成分配比：PLA与n-HA的质量比例为8:2。无水氯化锂粉末掺入比例为 总质量的1％。
制备方法同实施例1。
实施例4、本发明复合材料和支架的制备
成分配比：PLA与n-HA的质量比例为9:1。无水氯化锂粉末掺入比例为 总质量的1％。
制备方法同实施例1。
以下通过实验例证明本发明复合材料的有益效果。
试验例1、本发明复合材料、支架的结构
1、实验方法
用光镜观察实施例1粉碎获得的复合材料颗粒，扫描电镜观察复合材料 丝材和3D打印的复合材料支架。
2、实验结果
如图1所示，可以观察到复合材料、复合支架的表面均匀分布有羟基磷 灰石，支架可见清晰的孔径结构。无论是扫描电镜还是宏观照片，都可以观 察到本发明的复合材料支架结构精细，有利于骨细胞的附着和生长。
实验例2、本发明支架的生物相容性
1、实验方法
以实施例1、2制得的支架为实验样品，并按照实施例同样的方法制备得 到氯化锂添加量为2％、3％、4％、5％、10％的支架作为对比例。细胞计数试 剂盒-8(CCK-8,Dojindo，日本)用于检测支架对细胞活性的影响。96孔板每 孔加10ul CCK8溶液，37℃孵育2h,450nm用酶标仪(Thermo Scientific,China, Shanghai)测定吸光度。
2、实验结果
如图2所示，锂盐添加量为2％及以上时，复合支架展现出细胞毒性， 尤其是高于4％时，细胞毒性较大，生物相容性很差。上述结果证明复合材 料支架负载骨髓间充质干细胞时，复合材料中的锂盐比例在1％以内时无细 胞抑制作用，具有良好的生物相容性。
实验例3、本发明支架的机械性能表征
1、实验方法
以PLA与n-HA按照质量比9:1，8:2，7:3、6:4、5:5，参照实施例的制 备方法，制备得到掺锂量1％的PLA/n-HA复合材料。采用电子万能试验机 (INSTRON,USA)对打印支架的机械性能进行了测试。标准圆柱(Ф6.5× 13mm)支架以1mm/min的速度受力。检验掺锂(1％)复合支架的机械性能。
2、实验结果
测试结果发现，PLA与n-HA比例为9:1，8:2，7:3时复合材料为弹性材 料，力学强度优异(图3)；比例为6:4及5:5时复合材料为脆性材料，机械 性能差。因此，PLA与n-HA的比例在(7～9):(1～3)的范围内更优。
而由于n-HA是公认具有骨诱导和引导的活性物质，提高n-HA的含量 将更有利于骨诱导作用，7:3的比例为既尽量增加了活性n-HA的比例，又兼 顾力学强度的最佳比例。
本发明实施例1的PLA与n-HA比例为7:3，掺锂量为1％的复合支架 材料，抗压强度高达24.69MPa，机械性能优异(图3)，且3D打印复合支架 为弹性样品，压缩前后未发生碎裂，可满足模拟承重骨的力学需求。
实验例4、本发明支架的促进骨修复效果验证
1、实验方法
首先体外实验，根据CCK8结果筛选了1％掺锂浓度以上不利于骨髓间 充质干细胞的增殖，因此选取掺锂0.5％与1％两个浓度与未掺锂的对照组相 比进行体外培养碱性磷酸酶检测。三组3D打印支架于24孔板中孵育兔骨髓 间充质干细胞，每两天换液，共孵育4天。使用PBS缓冲液清洗2遍，多聚 甲醛固定30分钟，继续使用PBS缓冲液清洗2遍后每孔加入碱性磷酸酶显 色液(碧云天生物公司，上海)避光染色6小时后采集图片。
其次，体内实验。备皮后逐层切开，暴露新西兰兔(四川达硕实验动物 公司，成都)股骨干，使用内径5mm的环钻(天天美齿科公司，长沙)于 股骨干钻孔后，植入3D打印支架，缝合后饲养一个月。取材后置入4％多聚 甲醛中固定一周，使用micro-CT(Quantum GX，USA)采集数据。
以未掺锂的空白支架作为对照组，该支架除未添加锂盐外，其余制备方 法同实施例1。
2、实验结果
体外实验证实掺锂后的3D支架上的染色强度强于对照组，说明掺锂支 架的碱性磷酸酶表达高于未掺锂对照组，而碱性磷酸酶的表达代表了成骨能 力。对比染色可见，掺锂1％浓度的成骨能力优于0.5％浓度(图4)。故选取 掺锂1％浓度的支架(实施例1的支架)与对照组进行体内实验，打印支架 植入兔股骨干一个月后，CT可见掺锂组新生骨的高密度影明显高于对照组 (图5)。体内、体外实验证明本发明复合材料支架具有良好的成骨能力。
综上，本发明提供了一种修复骨缺损的复合材料，由聚乳酸、羟基磷灰 石和锂盐制备而成。本发明还提供了以该复合材料为原料通过3D打印制成 的骨缺损修复支架，具有优异的机械强度和生物相容性，能够有效诱导成骨 活性，促进骨修复，是一种综合性能非常优异的材料，在骨修复领域具有优 异的应用前景。

Claims (10)

1.一种修复骨缺损的复合材料，其特征在于，它由聚乳酸、羟基磷灰石和锂盐制备而成；所述聚乳酸和羟基磷灰石的质量比为(7～9):(1～3)；锂盐的质量分数为0.5～1％。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述聚乳酸和羟基磷灰石的质量比为7:3；锂盐的质量分数为1％。
3.如权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，所述羟基磷灰石是纳米羟基磷灰石，所述锂盐是氯化锂或碳酸锂，优选为氯化锂。
4.权利要求1～3任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)有机溶剂溶解聚乳酸得到溶液；
(2)有机溶剂溶解羟基磷灰石，加入锂盐搅拌分散得到悬浮液；
(3)将步骤(2)的悬浮液加入步骤(1)的溶液中，搅拌得到复合材料乳液。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷，优选为二氯甲烷；和/或步骤(2)所述有机溶剂为丙酮。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)得到溶液后静置48小时；和/或步骤(2)所述搅拌分散为磁力搅拌24小时；和/或步骤(3)所述搅拌为超声搅拌2小时。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：将复合材料乳液干燥除去溶剂，得到复合材料。
8.一种骨缺损修复支架，其特征在于，它是以权利要求1～3所述的复合材料为原料制备而成。
9.如权利要求8所述的修复支架，其特征在于，所述制备方法是3D打印。
10.如权利要求8或9所述的支架，其特征在于，它的最大压缩应力不低于20MPa。
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