CN113491789B - 一种支架材料的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种支架材料的制备方法，包括以下步骤：1)将锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸在乙醇中溶解后进行第一次煅烧，获得生物玻璃粉末；2)将生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇混合后注入模具中压制成支架前体，再进行第二次煅烧，即得支架材料。本发明进一步提供了一种支架材料及其应用。本发明提供的一种支架材料的制备方法，将具备生物学效应的Sr离子合成至骨组织工程支架中，显著提升骨组织再生效果，可针对于骨质疏松情况下的骨缺损进行再生修复。

Description

一种支架材料的制备及其应用
技术领域
本发明属于医用材料的技术领域，涉及一种支架材料的制备及应用，具体涉及一种支架材料的制备方法及在骨质疏松骨组织中的用途。
背景技术
口腔颌面部是人体重要的区域，其中深部的颌骨系统构成了颌面部的基础，起着重要的生理作用。然而外伤、感染、肿瘤等因素都将造成骨组织的缺损。目前，骨质疏松症是广泛存在于中老年龄群体中的一大疾病，有研究表明在该状态下机体内的骨强度降低，骨组织受损后其再生能力明显下降。因此针对骨质疏松患者的骨缺损修复就成为一大问题。
目前针对颌面部骨组织的缺损主要利用组织工程支架材料进行修复，并且取得了一定的效果。其中，介孔生物活性玻璃支架材料(Mesoporous Bioactive Glass，MBG)应用较为成熟。然而，在针对某些特殊疾病导致的骨代谢疾病中(例如骨质疏松)，MBG的骨诱导性不足，较难以支撑起良好的骨修复效果。因此，随着研究的进展，采用各种利于骨组织再生的生长因子例如骨形成蛋白BMP等结合至支架材料当中等得到一定应用。然而，该制备方法繁杂、费用较高，同时其运用过程中存在可能的局部生长因子浓度不足、失活等问题制约着其在临床广泛的应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于克服现有采用生长因子改性支架相对繁琐等不足，通过提供一种支架材料的制备方法，利用简单的物理化学方法对支架材料进行离子改性，作为骨支架材料用于对骨质疏松情况进行骨缺损修复。同时，本发明还创建包含上述支架材料的骨质疏松骨组织缺损模型，用于评估骨缺损修复效果。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种支架材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸在乙醇中溶解后进行第一次煅烧，获得生物玻璃粉末；
2)将步骤1)中获得的生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇混合后注入模具中压制成支架前体，再进行第二次煅烧，即得支架材料。
优选地，步骤1)中，所述锶化物为SrCl2.6H2O。
所述锶化物中的锶离子(Sr)是机体内存在的一种微量元素，对于骨组织代谢具有重要作用。Sr不仅能促进成骨细胞的增殖，同时对于破骨细胞有明显的抑制作，临床中针对骨质疏松的药物之一雷尼酸锶中起着重要作用的成分之一就是Sr元素。
优选地，步骤1)中，所述P123为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，所述P123的分子式为PEO-PPO-PEO，所述P123的CAS号为106392-12-5，可作为成孔剂，用于制造出疏松多孔结构。
更优选地，所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物的数均分子量为5600-6000，所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷的含量分别占30-31％、39-40％、30-31％。
优选地，步骤1)中，所述硝酸钙为Ca(NO3)2·4H2O。
优选地，步骤1)中，所述盐酸为0.5-1.5M(mol/L)的盐酸水溶液。所述盐酸水溶液中的溶质HCl为市售的浓盐酸。
优选地，步骤1)中，所述锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸、乙醇加入的重量之比为1.3-1.4:7-9:13-14:2.5-3.0:1.4-1.5:1.5-2.5:120。
更优选地，所述锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸、乙醇加入的重量之比为1.34:8:13.4:2.8:1.46:2:120。
优选地，步骤1)中，所述溶解为在室温下充分搅拌溶解。所述室温为20-30℃。
优选地，步骤1)中，所述第一次煅烧的温度为650-750℃。优选地，步骤1)中，所述第一次煅烧的时间为4-6小时，优选为5小时。
优选地，步骤2)中，所述生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇加入的重量之比为1:0.1-0.3:0.5-1.5。更优选地，所述生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇加入的重量之比为1:0.2:1。
优选地，步骤2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为53000-55000。所述聚乙烯吡咯烷酮的CAS号为9003-39-8。
优选地，步骤2)中，所述聚乙二醇的数均分子量为5800-6200。所述聚乙二醇的CAS号为25322-68-3。
优选地，步骤2)中，所述模具的形状呈圆柱体，所述圆柱体的直径为4-6mm。
优选地，步骤2)中，所述压制的压力为4-6MPa，优选为5MPa。
优选地，步骤2)中，所述第二次煅烧的温度为580-620℃。
优选地，步骤2)中，所述第二次煅烧的时间为4-6小时，优选为5小时。
本发明第二方面提供一种支架材料，由上述制备方法制得。
本发明第三方面提供一种支架材料在骨质疏松骨组织中作为骨支架的用途。
所述骨质疏松骨组织为具有骨质疏松的人体的全身骨组织。骨质疏松会对全身骨组织产生影响。
优选地，所述骨质疏松骨组织为具有骨质疏松的人体的口腔颌面部的骨组织。骨质疏松将会导致口腔颌面部骨组织修复能力下降。
本发明第四方面提供一种骨质疏松临界缺损模型，包含有上述支架材料。
本发明第五方面提供一种骨质疏松临界缺损模型的构建方法，在实验鼠的骨组织上制造骨缺损，采用上述支架材料进行填充修复。
所述实验鼠的骨组织通过对实验鼠麻醉后切开实验鼠的皮肤、筋膜后暴露。所述支架材料进行填充修复后要对实验鼠的皮肤进行缝合。所述实验鼠的切开部位为脑正中，所述实验鼠的切开为钝性分离。
优选地，所述实验鼠为双侧卵巢切除后12周的雌性SD大鼠。
优选地，进行填充修复的所述支架材料的直径为4.5-5.5mm，优选为5mm。
本发明第六方面提供上述骨质疏松临界缺损模型在检验骨质疏松情况下骨缺损修复效果的用途。
如上所述，本发明提供的一种骨支架材料的制备方法，充分利用Sr离子的生物作用，将具备生物学效应的Sr离子合成至骨组织工程支架中，制备Sr离子修饰的生物活性玻璃支架材料，能够提高其成骨活力，显著提升骨组织再生效果，可针对于骨质疏松情况下的骨缺损进行再生修复，推进其在临床上的应用。
附图说明
图1a、1b显示为骨质疏松临界缺损模型图，其中，图1a为采用本发明制备负载Sr离子的支架材料填充修复实验鼠的颅骨缺损模型示意图，图1b为从左到右分别采用单纯MBG支架材料、本发明制备负载Sr离子的支架材料填充修复实验鼠的颅骨缺损模型示意图。
图2a、2b显示为骨质疏松临界缺损模型修复术后效果比较图，其中，图2a为单纯MBG支架材料修复效果图，图2b为本发明制备负载Sr离子的支架材料修复效果图。
图3a、3b显示为采用CT测定结果进行新生骨组织定量分析结果比较图，其中，图3a为单纯MBG支架材料与负载Sr离子的支架材料的CT测定的相对骨体积The ratio of bonevolume to total volume(BV/TV)比较图，图3b为单纯MBG支架材料与负载Sr离子的支架材料的CT测定的骨小梁厚度Trabecular thickness(Tb.Th)比较图。
图4a、4b、4c、4d显示为采用HE染色检测新生骨组织情况图，其中，图4a为采用单纯MBG支架材料进行骨缺损修复的HE染色图，图4b为采用Sr离子修饰的支架材料进行骨缺损修复的HE染色图，图4c为图4a中黑框目标区域放大图，图4d为图4b中黑框目标区域放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
室温下将1.34gSrCl2.6H2O、8g P123、13.4g正硅酸乙酯、2.8gCa(NO3)2·4H2O、1.46g磷酸三乙酯、2g1mol/L盐酸在120g乙醇中充分搅拌溶解。将所得到的溶液在700℃煅烧5小时，获得生物玻璃粉末样品1#。其中，P123作为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，其数均分子量为5800，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷的含量分别占30.1％、39.8％、30.1％。
将生物玻璃粉末样品1#与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇以重量比为1:0.2:1进行混合后注入直径为5mm的圆柱体模具中，在5MPa的压力下压制成支架前体，再在600℃煅烧5小时，即得支架材料样品1#。其中，聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为54000，聚乙二醇的数均分子量为6000。
实施例2
室温下将1.36gSrCl2.6H2O、8.2g P123、13.6g正硅酸乙酯、2.7gCa(NO3)2·4H2O、1.44g磷酸三乙酯、2.1g1mol/L盐酸在120g乙醇中充分搅拌溶解。将所得到的溶液在750℃煅烧4.5小时，获得生物玻璃粉末样品2#。其中，P123作为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，其数均分子量为5900，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷的含量分别占30.3％、39.4％、30.3％。
将生物玻璃粉末样品2#与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇以重量比为1:0.25:1进行混合后注入直径为5mm的圆柱体模具中，在5MPa的压力下压制成支架前体，再在580℃煅烧4.5小时，即得支架材料样品2#。其中，聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为53000，聚乙二醇的数均分子量为6100。
实施例3
取雌性SD大鼠切除双侧卵巢后12周，麻醉后沿正中切开脑正中皮肤、筋膜，钝性分离后暴露骨组织，制造双侧骨缺损，将实施例1制备的支架材料样品1#作为骨支架材料，填充至实验鼠的颅骨缺损部位进行修复，骨缺损部分中填充的支架材料样品1#的直径为5mm，常规缝合，从而形成骨质疏松临界缺损模型1*，具体情况见图1a。
对比例1
取雌性SD大鼠切除双侧卵巢后12周，麻醉后沿正中切开脑正中皮肤、筋膜，钝性分离后暴露骨组织，制造双侧骨缺损，在实验鼠的颅骨左侧缺损部位，采用单纯MBG支架材料作为骨支架材料进行填充修复，在实验鼠的颅骨右侧缺损部位，采用实施例1制备的支架材料样品1#作为骨支架材料进行填充修复，骨缺损部分中填充的单纯MBG支架材料和支架材料样品1#的直径均为5mm，常规缝合，从而形成骨质疏松临界缺损模型2*，具体情况见图1b。
比较测试例1
将对比例1中获得的骨质疏松临界缺损模型2*，在术后2个月检测骨修复效果。在骨质疏松状态下，如图2a可知，在骨质疏松临界缺损模型2*中左侧缺损部位，采用单纯MBG支架材料修复骨缺损的能力相对不足，可见较少新生骨组织形成。如图2b可知，在骨质疏松临界缺损模型2*中右侧缺损部位，采用本发明制备的Sr离子修饰的生物活性支架材料可显著提升骨组织再生效果，骨缺损处新生骨组织明显增加。图2a、2b中，箭头代表新生骨组织。
采用CT分别测定术后2个月的骨质疏松临界缺损模型2*，将CT结果进行定量分析，由图3a可知，在骨质疏松临界缺损模型2*中，右侧缺损部位的相对骨体积The ratio ofbone volume to total volume(BV/TV)明显超过左侧缺损部位；由图3b可知，在骨质疏松临界缺损模型2*中，右侧缺损部位的骨小梁厚度Trabecular thickness(Tb.Th)也超过左侧缺损部位。可见，本发明中采用Sr离子修饰的生物活性支架材料促进骨组织再生效果显著。上述图3a、3b中，*代表p<0.05，说明两组材料新生骨组织在相对骨体积以及骨小梁厚度上具有统计学意义。
采用HE染色分别检测术后2个月的骨质疏松临界缺损模型2*的新生骨组织情况，检测结果见图4a、4b、4c、4d。图4a、4b、4c、4d中，箭头代表新生骨组织。由图4a、4c可知，在骨质疏松临界缺损模型2*中，采用单纯MBG支架材料在左侧缺损部位进行修复，由4b、4d可知，采用Sr离子修饰的生物活性支架材料在右侧缺损部位进行修复。两者比较可知，骨质疏松临界缺损模型2*中采用Sr离子修饰的生物活性支架材料在右侧缺损部位进行修复，显著提升了新生骨组织面积，其修复效果优于在左侧缺损部位进行修复的单纯MBG支架材料。
综上所述，本发明提供的一种支架材料的制备方法，将具备生物学效应的Sr离子合成至骨组织工程支架中，显著提升骨组织再生效果，可针对于骨质疏松情况下的骨缺损进行再生修复。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种支架材料在骨质疏松骨组织中作为骨支架的用途；所述骨质疏松骨组织为具有骨质疏松的人体的口腔颌面部的骨组织；
所述支架材料由如下制备方法制得；
所述制备方法，包括以下步骤：
1） 将锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸在乙醇中溶解后进行第一次煅烧，获得生物玻璃粉末；
2）将步骤1）中获得的生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇混合后注入模具中压制成支架前体，再进行第二次煅烧，即得支架材料；
步骤1）中，
所述锶化物为SrCl2.6H2O；
所述P123为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物；所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物的数均分子量为5600-6000，所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷的含量分别占30-31%、39-40%、30-31%；
所述硝酸钙为Ca(NO3)2·4H2O；
所述盐酸为1.0-1.5mol/L的HCl水溶液；
所述锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸、乙醇加入的重量之比为1.34:8:13.4:2.8:1.46:2:120；
所述第一次煅烧的温度为650-750℃；
所述第一次煅烧的时间为4-6小时；
步骤2）中，
所述生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇加入的重量之比为1:0.1-0.3:0.5-1.5；
所述压制的压力为4-5MPa；
所述第二次煅烧的温度为580-620℃；
所述第二次煅烧的时间为4-6小时；
步骤2）中，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为53000-55000；
步骤2）中，所述聚乙二醇的数均分子量为5800-6200；
步骤2）中，所述模具的形状呈圆柱体，所述圆柱体的直径为4-6mm。
2.一种支架材料的制备方法，包括以下步骤：
1） 将锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸在乙醇中溶解后进行第一次煅烧，获得生物玻璃粉末；
2） 将步骤1）中获得的生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇混合后注入模具中压制成支架前体，再进行第二次煅烧，即得支架材料；
步骤1）中，
所述锶化物为SrCl2.6H2O；
所述P123为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物；所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物的数均分子量为5600-6000，所述聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷的含量分别占30-31%、39-40%、30-31%；
所述硝酸钙为Ca(NO3)2·4H2O；
所述盐酸为1.0-1.5mol/L的HCl水溶液；
所述锶化物、P123、正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯、盐酸、乙醇加入的重量之比为1.34:8:13.4:2.8:1.46:2:120；
所述第一次煅烧的温度为650-750℃；
所述第一次煅烧的时间为4-6小时；
步骤2）中，
所述生物玻璃粉末与聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇加入的重量之比为1:0.1-0.3:0.5-1.5；
所述压制的压力为4-5MPa；
所述第二次煅烧的温度为580-620℃；
所述第二次煅烧的时间为4-6小时；
步骤2）中，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为53000-55000；
步骤2）中，所述聚乙二醇的数均分子量为5800-6200；
步骤2）中，所述模具的形状呈圆柱体，所述圆柱体的直径为4-6mm；
所述支架材料用于在骨质疏松骨组织中作为骨支架；所述骨质疏松骨组织为具有骨质疏松的人体的口腔颌面部的骨组织。
3.一种支架材料，根据权利要求2所述的制备方法制得。
4.一种骨质疏松临界缺损模型，包含有权利要求3所述的支架材料。
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