CN114470332A - 一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法及其应用。制备方法为先将胶原纤维支架与试剂A混合反应，胶原纤维支架浸没在试剂A中，反应温度25‑37℃，反应结束后再将胶原纤维支架与试剂B混合反应，然后在模拟体液中孵育，取出后干燥，获得抗炎促成骨矿化胶原材料。试剂A包含抗菌或促成骨的金属阳离子、聚负电解质和钙离子；试剂B为包含磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸盐中的一种或多种。此方法制备的抗炎促成骨矿化胶原材料获得纤维内外矿化的胶原支架的同时，可以通过在胶原内形成抗菌或促成骨作用的金属阳离子的难溶性盐缓慢释放阳离子促进骨缺损或骨移植修复。

Description

一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法及其应用。

背景技术

创伤、肿瘤切除和畸形矫正等因素造成的骨缺损是临床常见的难题。而骨缺损最常采用骨移植修复的方法。虽然自体骨移植是骨缺损修复的金标准，但是骨量有限，以及要求患者进行二次手术。目前人工合成的骨替代物和生物因子中，磷酸钙基生物材料(例如羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)陶瓷、磷酸钙水泥(CPC))和含BMP等活性因子的复合材料被广泛应用。然而，含BMP等活性因子的复合材料成本高昂，引入活性制剂存在生物安全性、植入部位免疫排斥、局部骨吸收及癌症风险增加等问题。再则，HA和TCP类陶瓷机械耐受性差，纯的HA或TCP陶瓷是一种生物惰性材料，难以降解或降解不可控，极大地限制了其作为骨修复材料的临床应用。越来越多的研究表明，矿化的胶原支架材料更有利于成骨细胞的黏附、增殖、分化，促进骨缺损修复，尤其是胶原纤维内矿化。

目前采用的矿化胶原主要分为单纯的胶原和矿物质混合或者胶原与矿化液反应后获得。前者通常获得胶原纤维外的胶原支架，其机械性能和成骨效果不如纤维内矿化的胶原支架。目前获得纤维内矿化的胶原支架通常采用胶原支架与含有聚电解质稳定的无定形磷酸钙矿化液反应。但是聚电解质稳定的无定形磷酸钙容易相转变，且纤维内矿化的效率低。专利CN110693724B中提到了通过含有聚电解质和钙离子的试剂A和含有磷酸根的试剂B先后处理胶原，也可以快速获得纤维内矿化的胶原，但是这种方法获得的矿化胶原支架的促成骨和抑菌效果有限。

常用的抗菌材料可分为天然抗菌材料、有机抗菌材料和无机抗菌材料三大类。无机抗菌材料具有更好的耐久性、更高的稳定性和较低的毒性，不容易引起细菌的耐药性，如银离子、铜离子、锌离子、镓离子、季铵盐等。而锌离子、镁离子、镓离子、锂离子、铝离子、铁离子、锶离子、锡离子、银离子、镧系离子等金属阳离子又能够有效的促进成骨。磷酸根、硅酸根、碳酸根、氟离子和硫酸根等阴离子也可以形成含硅酸根、碳酸根、氟离子和硫酸根的仿生矿物，具有更优异的机械性能。但是目前要在矿化胶原支架中引入这些无机离子通常都是以晶体形式与胶原简单混合或者在溶液中共沉淀，但是往往只是在胶原纤维表面或者胶原纤维外无序沉积，无法起到一个结构仿生、安全缓释的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服矿化胶原支架存在的抗菌和成骨性能欠佳、在胶原纤维内引入掺阳离子的磷酸钙晶体困难等问题，提供一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法及其应用。

本发明提供了一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，先将胶原纤维支架与试剂A混合反应，胶原纤维支架浸没在试剂A中，反应温度25-37℃，反应结束后再将胶原纤维支架与试剂B混合反应，然后在模拟体液中孵育，取出后干燥，获得抗炎促成骨矿化胶原材料；

所述的试剂A为包含抗菌或促成骨的金属阳离子、聚负电解质和钙离子的溶液；所述的抗菌或促成骨的金属阳离子为包含锌离子、镁离子、镓离子、锂离子、铝离子、铁离子、锶离子、锡离子、银离子、镧系离子中的一种或多种；；

所述的试剂B为包含磷酸盐，以及正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸盐中的一种或多种成分的溶液；所述磷酸盐为磷酸三钠、磷酸三钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种或多种。优选的，使用磷酸盐为磷酸氢二钾或磷酸氢二钠。

优选的，钙离子以易溶性钙盐的形式加入，例如可以为氯化钙和/或其水合物、氟化钙和/或其水合物、碳酸钙和/或其水合物、硝酸钙和/或其水合物、醋酸钙和/或其水合物中的一种或多种。优选使用氯化钙或硝酸钙及其水合物，具有较高的溶解度。

优选的，金属阳离子使用锌离子、镁离子、锶离子中的一种或多种，具有较优异的抗菌或促成骨潜能；优选的聚负电解质为聚天冬氨酸，具有较强的生物相容性和螯合阳离子能力。

优选的，所述的试剂A和试剂B的使用剂量体积比为1:(0.1～10)，优选为1:(0.5-2)；所述试剂A中的钙离子和抗菌或促成骨的金属阳离子的总浓度与试剂B中磷酸盐、正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸根的总浓度的摩尔比为(0.1-10)：1；优选为(0.5-2)：1；试剂A和试剂B分开储存。

优选的，所述的试剂A中聚负电解质含量为0.01-20g/L，优选为2-10g/L，其平均分子量为300-100000，优选为6000-10000；所述的聚负电解质为聚天冬氨酸、聚丙烯酸、聚乙烯基膦酸、聚谷氨酸、羧甲基壳聚糖、三偏磷酸钠、三聚磷酸钠中的一种或多种；钙离子和抗菌或促成骨的金属阳离子总浓度为0.01-10mol/L，优选为1-5mol/L。

优选的，所述的试剂B中，磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸根的总浓度为0.01-10mol/L，优选为1-5mol/L。

优选的，所述的试剂A中的抗菌或促成骨的金属阳离子以可溶性或微溶性盐形式跟钙离子一同加入，并在与试剂B混合反应过程中，在胶原纤维内与试剂B中磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、硫酸根形成难溶性盐。其中，抗菌或促成骨的金属阳离子优选锶离子、锌离子、镁离子，各自分别以氯化锶、氯化锌、氯化镁形式加入，在胶原纤维内与试剂B反应时，抗菌或促成骨的金属阳离子与磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、硫酸根形成难溶性盐，优选形成掺镁磷酸钙、掺锶磷酸钙、掺锌磷酸钙、掺镁碳酸钙、掺锌碳酸钙、掺锶碳酸钙、氟化钙中的一种或多种。

优选的，所述的试剂A和试剂B，其溶剂可以是去离子水、PBS缓冲液或Tris缓冲液，优选为去离子水，试剂A和试剂B的pH值为7-10，优选为9-9.5。

优选的，所述胶原纤维支架与试剂A混合反应时间、所述胶原纤维支架与试剂B混合反应时间以及在模拟体液中孵育时间均为5min-5d。优选的，胶原纤维支架与试剂A和试剂B的反应时间为5min-1d，模拟体液中孵育时间优选为1d-3d。优选的，胶原纤维支架与试剂A混合反应温度、所述胶原纤维支架与试剂B混合反应温度以及在模拟体液中孵育的温度均为25-37℃，优选为37℃。

优选的，所述的胶原纤维支架可以由天然未矿化胶原纤维、重组胶原纤维、脱矿骨胶原、脱矿牙本质胶原以及人造胶原纤维中的一种或多种构成，构成材料可以是粉末、固块、海绵或凝胶的形态。优选为重组的胶原纤维海绵。

优选的，所述的干燥方法可以是风干、烘干、真空干燥、冻干等，优选为冻干。

本发明得到的抗炎促成骨矿化胶原材料可用于骨缺损或者骨移植修复，如可以用于制备骨缺损或骨移植的修复材料，可以直接作为骨缺损或骨移植的修复材料。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明中的抗炎促成骨矿化胶原材料，不同于原先基于无定形磷酸钙的矿化胶原纤维支架，先后采用含金属阳离子、钙离子、聚负电解质的试剂A和含磷酸根或和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸盐，可以在胶原纤维支架的纤维内沉积各种矿物质，与原先简单无序的将掺金属阳离子的磷酸钙和胶原支架物理混合或通过掺金属阳离子的无定形磷酸钙矿化胶原不同，该制备方法通过形成掺金属阳离子的聚电解质-钙-金属阳离子复合体先进入胶原，然后再与磷酸根、正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸盐形成难溶性晶体，这样矿化的胶原支架可以缓慢的释放具有抗炎和促进成骨的金属阳离子和氟离子等阴离子，增强了矿化胶原支架的抗炎和成骨性能，并且可以改变矿化胶原支架的机械性能，而且极大程度的提高了矿化胶原支架移植材料的制备效率。

本发明的抗炎促成骨矿化胶原材料将会是极为有用的，具有极佳的合成骨缺损修复相关材料的前景，降低移植区的术后感染风险和加速缺损组织修复。

附图说明

图1为实施案例1方法制备的纤维内掺镁羟基磷灰石的矿化胶原透射电镜图；比例尺：100nm；

图2为实施案例2方法制备的纤维内掺锶羟基磷灰石的矿化胶原透射电镜图，比例尺：1μm。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施案例1

称取氯化钙、聚天冬氨酸、氯化镁、水，其重量份的成分为氯化钙1000份、聚天冬氨酸50份、氯化镁100份、水10000份，制备方法为：先将氯化钙、聚天冬氨酸溶解在去离子水中，再加入氯化镁，搅拌后调节pH至9，获得试剂A。

称取磷酸氢二钾、水，其重量份的成分：磷酸氢二钾600份、水10000份。制备方法为：先将磷酸氢二钾溶解在去离子水中，搅拌溶解，调节pH至9，获得试剂B。

取1mL鼠尾胶原原液(3g/L)在氨蒸气的碱性环境下组装为胶原凝胶，然后通过在试剂A中浸泡1h，取出后浸泡在试剂B中1h，然后在模拟体液中浸泡1d，冻干获得纤维内掺镁羟基磷灰石的矿化胶原支架，胶原纤维内含有掺镁羟基磷灰石可以释放镁离子抗炎促成骨，图1为实施案例1方法制备的纤维内掺镁羟基磷灰石的矿化胶原透射电镜图，从图中可见，本方法制备得到的胶原支架的掺镁羟基磷灰石是进入了支架的胶原纤维内，这与常见的掺镁羟基磷灰石与胶原支架简单混合，掺镁羟基磷灰石存在于支架中的胶原纤维外不同，具有更好的缓释和抗炎促成骨效果。

实施案例2

增加实施案例1中聚电解质总重量份成分为100份，降低氯化钙重量份成分为800份，将氯化镁替换为氯化锶，提高磷酸二氢钾重量成分为900份，其余条件和处理方法不变，在模拟体液中孵育3d，冻干后获得纤维内掺锶磷灰石的抗炎促成骨矿化胶原支架。图2为实施案例2方法制备的纤维内掺锶羟基磷灰石的矿化胶原透射电镜图，从图中可见，同样可以看到制备的胶原支架中，胶原纤维内外存在着掺锶的羟基磷灰石，这与掺锶羟基磷灰石与胶原支架简单混合不同，掺锶的羟基磷灰石进入胶原，可以缓慢释放锶离子，一方面抗炎，一方面促进成骨。

实施案例3

试剂A采用聚丙烯酸作为聚电解质，聚电解质总重量份成分为300份，氯化钙重量份成分为1000份，氯化锌重量份成分为200份，试剂B磷酸二氢钾重量成分为900份，氟化钠重量成分为50份，其余条件和处理方法不变，在模拟体液中孵育5d，冻干后获得抗炎促成骨矿化胶原支架。实验案例3制备的胶原支架中，胶原纤维内外存在着掺锌和氟的羟基磷灰石，掺锶氟羟基磷灰石位于胶原支架胶原纤维内，缓慢释放锌离子和氟离子，一方面抗菌抗炎，一方面促进成骨。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，先将胶原纤维支架与试剂A混合反应，胶原纤维支架浸没在试剂A中，反应温度25-37℃，反应结束后再将胶原纤维支架与试剂B混合反应，然后在模拟体液中孵育，取出后干燥，获得抗炎促成骨矿化胶原材料；

所述的试剂A为包含抗菌或促成骨的金属阳离子、聚负电解质和钙离子的溶液；所述的抗菌或促成骨的金属阳离子为包含锌离子、镁离子、镓离子、锂离子、铝离子、铁离子、锶离子、锡离子、银离子、镧系离子中的一种或多种；；

所述的试剂B为包含磷酸盐，以及正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸盐中的一种或多种成分的溶液；所述磷酸盐为磷酸三钠、磷酸三钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的试剂A和试剂B的使用剂量体积比为1:(0.1～10)，所述试剂A中的钙离子和抗菌或促成骨的金属阳离子的总浓度与试剂B中磷酸盐、正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸根的总浓度的摩尔比为(0.1-10)：1；试剂A和试剂B分开储存。

3.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的试剂A中聚负电解质含量为0.01-20g/L，其平均分子量为300-100000；所述的聚负电解质为聚天冬氨酸、聚丙烯酸、聚乙烯基膦酸、聚谷氨酸、羧甲基壳聚糖、三偏磷酸钠、三聚磷酸钠中的一种或多种；钙离子和抗菌或促成骨的金属阳离子总浓度为0.01-10mol/L。

4.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的试剂B中，磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、季铵盐、硫酸根的总浓度为0.01-10mol/L。

5.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的试剂A中的抗菌或促成骨的金属阳离子以可溶性或微溶性盐形式跟钙离子一同加入，并在与试剂B混合反应过程中，在胶原纤维内与试剂B中磷酸盐和正硅酸盐、偏硅酸盐、碳酸盐、氟离子、硫酸根形成难溶性盐。

6.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的试剂A和试剂B，其溶剂为去离子水、PBS缓冲液或Tris缓冲液，其pH值为7-10。

7.如权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述胶原纤维支架与试剂A混合反应时间、所述胶原纤维支架与试剂B混合反应时间以及在模拟体液中孵育时间均为5min-5d。

8.根据权利要求1所述的抗炎促成骨矿化胶原材料的制备方法，其特征在于，所述的胶原纤维支架由天然未矿化胶原纤维、重组胶原纤维、脱矿骨胶原、脱矿牙本质胶原以及人造胶原纤维中的一种或多种构成。

9.权利要求1-8任一项所述方法制备得到的抗炎促成骨矿化胶原材料。

10.权利要求9所述的抗炎促成骨矿化胶原材料用于制备或直接作为骨缺损或骨移植修复材料的应用。

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