CN114533950A

CN114533950A - 一种用于骨缺损修复的生物陶瓷-金属组合体及其制备方法

Info

Publication number: CN114533950A
Application number: CN202210171559.5A
Authority: CN
Inventors: 范存义; 周超; 卢建熙; 车顺爱; 刘珅; 卢霄; 许彬彬
Original assignee: Shanghai Sixth Peoples Hospital
Current assignee: Shanghai Sixth Peoples Hospital
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-05-27

Abstract

本发明涉及一种骨缺损修复的生物陶瓷‑金属复合体，该复合体包括内部的生物陶瓷体和外部的金属框架，生物陶瓷体是由手性多级结构钙基生物陶瓷材料粉末通过成型技术加工而成。手性多级结构钙基生物陶瓷材料是指生物陶瓷材料在制备过程中加入可溶性手性分子即不对称破缺诱导剂，诱导生物陶瓷材料在形成过程中分子出现不对称旋转，从而形成手性多级结构的钙基生物陶瓷材料。

Description

一种用于骨缺损修复的生物陶瓷-金属组合体及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用生物材料领域，具体涉及一种骨修复材料及其制备方法。

背景技术

随着交通事故、高处坠落等高能量损伤发生率日益增多，尤其是肢体大段骨缺损(通常指大于6cm)的发生率可达四肢骨创伤的15.0％。其修复一直是国际性医学难题，传统修复方法为自体骨移植、人工骨移植及同种异体骨移植，均有其各自局限性，无法完全满足临床需要，大量患者严重伤残乃至截肢，据统计此类损伤功能丧失率可达19.8％，截肢率更是高达10.4％。

传统修复方法为自体骨移植、人工骨移植及同种异体骨移植，均有其各自的局限性，无法满足临床的需要，从而导致大量患者严重的伤残、乃至截肢，给患者、家庭和社会带来了沉重的负担。骨修复材料是大段骨缺损能否成功修复的关键因素之一，理想的骨修复材料应同时满足以下条件：(1)高度的骨传导性、骨诱导性和成骨性，可降解；(2)生物安全性；(3)低痛苦，低并发症；(4)无尺寸限制，有结构性能；(5)获取方便，在手术中具有可操作性；(6)易于进行工业加工，可消毒且保存时间长；(7)低成本。

组织工程再生技术的问世，为这一重大国际临床难题的解决提供了一项重要的骨再生修复国际前沿最新技术。即采集患者自身细胞，通过培养获得足够细胞数量后，复合到能与人体相容的多孔生物材料上形成组织工程骨复合物，再植入患者体内骨缺损处进行修复，即在体外根据骨缺损形状尺寸，定制构建“造出”个性化、带有细胞活性的组织工程再生骨。

然而，这样的再生骨也还不能同时满足上述七条要求。使用天然骨的方法包括自体骨移植、同种异体骨移植、诱导膜技术、牵张成骨以及带血管的自体腓骨移植等技术，这些方法存在来源有限、疾病传播或免疫反应等问题，即便是作为金标准(gold standard)的自体骨移植也只能修复5cm以下的缺损，对长骨大段骨缺损却无能为力，使用范围严重受限。

针对长骨大段骨缺损的修复，人工骨替代材料已成为医学研究的重点。人工骨替代材料又被称为组织工程材料，主要包含金属、陶瓷和高分子三大类，其构成的复合材料也迅速发展起来。但是，目前尚未找到一种长期疗效肯定、并发症少且术后恢复功能良好的理想组织工程材料，肢体长节段骨缺损的重建仍是骨骼修复重建领域中具有挑战性的难题，尤其是兼具天然骨的力学特性和组织再生能力的生物活性骨修复材料更具挑战。

从一些专利技术的披露看，在这一领域的研究探索是非常活跃的。CN110882417A披露了“复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法，通过采用医用金属材料制备金属框架；在金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；将预制好的陶瓷浆液灌入造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；去除陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。”

CN 202184821U披露了“一种用于修复大段骨缺损的多孔陶瓷材料，由若干个多孔陶瓷块叠加而成，所述多孔陶瓷块包括圆盘型的多孔陶瓷块体，该多孔陶瓷块本体上表面的外圆周上均匀布有若干个凸起，切其中部圆周上均匀布有若干个通孔，所述多孔陶瓷快本体下表面上设有与所述凸起相对应的凹槽，多孔陶瓷块相互叠加时，一多孔陶瓷块上表面的凸起嵌于另一个多孔陶瓷块下表面凹槽中。”

CN 108404214 A披露了“一种仿生骨软骨复合体及其制备方法，仿生骨软骨复合体包括软骨层、屏障层以及软骨下骨层，所述屏障层的两侧分别于所述软骨层和软骨下骨层连接。”

CN 110478089 A披露了“一种适用于大段骨缺损修复的血管化神经化成骨活性支架，其包括主体部，所述主体部沿轴线方向同心设置有第一通道，所述主体部沿轴线方向还设置有第二通道，所述第二通道以第一通道的轴线为中心均布设置；所述主体部沿径向设置有第三通道，所述第三通道连通第一通道与第二通道，使得第一通道及第二通道输送的营养液经由第三通道在人体组织内扩散。”

CN 106361468 A披露了“一种大段骨缺损的修复系统，包括支撑支架和骨修复材料，在支撑框架上设有网格在支撑框架的外侧设有凸体，在凸体上设有螺钉孔，在螺钉孔中活动链接有螺钉，支撑框架的材质为聚合物高分子材料或金属材料，骨修复材料将支撑框架包埋，骨修复材料的主要成分是胶原蛋白、钙盐和生长因子，支撑框架的承重、支撑作用和骨修复材料促进骨再生的作用相结合，实现大段骨缺损的骨性愈合，支撑框架、凸体和螺钉均采用聚交酯共聚物或共混高分子材料与镁盐的复合物，或镁、镁基合金的金属材料制作，这些材料在人体内存在一段时间后，会被人体自动降解消失，避免了长期存在人体中而产生不良反应，甚至出现感染的危险。”

CN 111973810 A披露了“一种肢体大段骨缺损再生修复重建多孔中空管状材料，是孔道壁经涂层改性的带扇叶多孔中空管状物构成，带扇叶的多孔性中空管为力学性能优良且高度生物相容的生物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷材料，孔道壁涂层为可降解的高活性玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷组成。本发明的多孔中空管状材料可以植入到经清创后的肢体大段骨断端，可以提供持久的力学支撑、防范各种细菌、真菌等病菌微生物介入以及加快损伤再生修复，具有极大的实用价值。”

CN 104323875 A披露了“修复大段骨缺损的植骨装置，其包括形成于两骨断端之间的骨缺损区，在骨缺损区设置有两端分别与两骨断端连接的网状套管，该套管内设有成骨填充体，设有负压吸引管，该负压吸引管一端与负压吸引机连接，另一端插入所述填充体中，为该填充体成骨提供负压环境。”

CN 113181429 A披露了“一种可塑形的长段骨修复材料及生物活性因子可控缓释的骨组织工程支架的制备方法。所述长段骨修复材料按照质量份计，包括溶于有机溶剂且不溶于水的高分子材料10～40份、生物陶瓷粉体20～60份、油性溶剂50～100份、水溶性生物活性因子0.1～1份、水2～40份、乳化剂大于0小于1份。所述可塑形的长段骨修复材料通过高分子材料与生物陶瓷粉体结合，以便材料成型后具有各向异性力学特性及宏－微观结构，保持良好力学强度及仿生骨组织结构，形成具有较高孔隙率和机械强度的骨组织工程支架，解决现有的骨组织工程支架在较高的孔隙率和机械强度不能同时兼容的问题。”

CN 212788788 U披露了“一种四肢长骨节段性缺损组配式假体系统，包括第一假体，第一假体包括第一髓内短柄；第一髓内短柄包括第一连接台和第一固定柄，第一固定柄呈圆柱状、其侧表面设有螺纹；第一假体还包括轴向设在第一连接台下表面的第一节段，第一节段为自由端开口的空心柱体；还包括第三假体的第一连接部与第一节段内部空腔的结构相匹配，还包括解剖型固定板。通过对部件结构的合理设置，采取髓内短柄螺纹旋入固定复合互相垂直的解剖型固定板的髓内/髓外联合固定，术后力学可靠，最大程度保留管状骨量及其血运、为翻修手术预留活骨空间，髓内柄螺纹和粗糙接触面有利于骨整合，整体手术简单，可用于肿瘤、感染、创伤等因素导致的任意长度骨缺损的修复重建。”

CN 1025122267 A披露了“一种复合多孔结构骨修复体及其制备方法，所述骨修复体包括多孔金属支架和多孔结构填充体，多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，多孔结构填充体充满于该所有空隙中，所述制备方法将直接金属快速成型技术于冷冻干燥技术相结合，先通过结构设计于直接金属快速成型技术制造出多孔金属支架，再将混合均匀的聚合物溶液或聚合物/生物陶瓷混合溶液浇筑到多孔金属支架内，并进行冷冻干燥处理，然后进过冷冻干燥，使之形成具有微孔特征的多孔结构填充体，从而获得复合多孔结构骨修复体。”

由上述分析可见，现有技术在针对骨缺损尤其是大段骨缺损的修复材料制备中依然存在一些缺陷，如涉及金属陶瓷复合材料在烧结过程中引起的金属氧化问题、以及植入体内后与机体的相容性问题等。

本发明通过手性多级结构的生物陶瓷材料与金属框架构建的生物陶瓷-金属复合体，得到一种兼具天然骨的力学特性和组织再生能力的生物活性骨修复材料，该复合体是一种长期疗效肯定、并发症少且术后恢复功能良好的理想组织工程材料。

发明内容

第一方面，本发明提供一种骨缺损修复的生物陶瓷-金属复合体，该复合体包括内部的生物陶瓷组件和外部的金属框架，生物陶瓷组件是由手性多级结构钙基生物陶瓷材料粉末通过成型技术加工而成。

进一步，本发明所述生物陶瓷材料在制备过程中加入可溶性手性分子即不对称破缺诱导剂，诱导生物陶瓷材料在形成过程中晶体晶格出现扭曲或者旋转，从而形成手性多级结构的生物陶瓷材料。

在本发明的一个具体实施方式中，手性多级结构的钙基生物陶瓷材料包括多种钙基陶瓷，如：羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙、硼酸钙、碳酸钙、硫酸钙以及其它多种磷酸钙。

用于本发明的手性分子可以是：手性有机酸，如酒石酸、苹果酸、乳酸、樟脑磺酸、苯甘氨酸、环己基甘氨酸、氨甲环酸、顺-3-氨基环己甲酸、和/或抗坏血酸；手性氨基酸：如组氨酸、精氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、丙氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、和/或苏氨酸；手性糖类：如葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖、呋喃糖、吡喃糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖、和/或半乳糖；手性醇：如甘露醇、木糖醇、山梨醇、紫杉醇、白藜芦醇、银杏叶聚戊烯醇、(R)-(+)-1-苯基-1-丙醇、(S)-(-)-1-苯基-1-丙醇、苯丙胺醇、艾杜糖醇、2-氨基-1-丙醇、和/或半乳糖醇。手性酯类：如酒石酸二乙酯、和/或乳酸甲酯；手性盐类：如组氨醇二盐酸盐、酒石酸铵、抗坏血酸钠、肉碱盐酸盐、半胱氨酸乙酯盐酸盐、酒石酸钠、和/或酒石酸钠钾；其他手性分子：如微晶纤维素、青酶铵、谷胱甘肽、林可霉素、四环素、左旋多巴胺、联苯、和/或螺烯分子等。在本发明的一具体实施方式中，生物陶瓷在制备过程中手性分子的加入量与阳性离子的加入量有关，阳离子的加入量：手性分子的加入量为1:0.05-10，优选阳离子的加入量：手性分子的加入量为1:0.1-10，进一步优选阳离子的加入量：手性分子的加入量为1:0.1-5，更进一步优选阳离子的加入量：手性分子的加入量为1:0.2-5。(此处加入量的比例为摩尔比)

在本发明的一个具体实施方式中，手性多级结构钙基生物陶瓷的制备方法为水热反应法、高温煅烧法、溶剂热反应法等已有方法，在已有制备方法过程中加入手性分子作为不对称破缺诱导剂，获得本发明的手性多级结构钙基生物陶瓷材料。

进一步，本发明的手性多级结构钙基生物陶瓷材料通过成型技术加工成生物陶瓷组件，所述的成型技术包括模具浇筑成型、3D打印成型等；生物陶瓷模块上设计有特殊的连接结构，该结构能够使生物组件间连接紧密，无滑动、旋转和拉伸；所述的特殊连接结构可以是一种卡扣结构。

本发明的生物陶瓷-金属复合体中的金属部分是指用于固定生物陶瓷组件的外侧金属框架，该金属框架呈修复骨所需的形状，由多根金属棒/条组装而成，也可以是由连续的多孔金属网组成。所述的金属框架可以由机加工(车、铣、刨、磨)获得，也可以由金属3D打印技术获得。

在本发明的又一实施方式中，所述的金属框架是一种开放式的两个半圆筒拼合形成的圆筒状结构，两个半圆筒的其中一个长边是以可活动的连接方式固定如合页的方式，另一长边通过例如锁定开关的连接方式连接，圆筒两端开放，且圆筒具有一定可伸长空间。

第二方面，本发明提供一种骨缺损修复的生物陶瓷-金属复合体的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)、手性多级结构钙基生物陶瓷材料的制备，生物陶瓷材料在制备过程中加入可溶性手性分子即不对称破缺诱导剂，诱导生物陶瓷材料在形成过程中晶体晶格出现扭曲或者旋转，从而形成手性多级结构的生物陶瓷材料。

(2)、通过成型技术将手性多级结构钙基生物陶瓷材料加工成生物陶瓷体，所述生物陶瓷体上设计有特殊的连接结构，该结构用于模块间的连接，且能够使生物模块间连接紧密，无滑动、旋转和拉伸。

(3)、通过机加工(车、铣、刨、磨)获得或由金属3D打印技术获得金属框架，该金属框架用于装载生物陶瓷体。

(4)将(2)中的生物陶瓷体放入金属框架(3)中；

(5)合上金属框架，得到本发明的生物陶瓷-金属复合体。

用于本发明的金属框架的材料可以是医用不锈钢、医用钴基合金(为Co-Cr-Mo、Co-Cr-W-Ni等)、医用钛及其合金、医用镁合金，优选钛合金、钛镁合金。所述金属框架的形状呈缺损骨的形状，例如是圆筒状，金属框架可以制备为可打开式，便于生物陶瓷材料的填装。在本发明的一实施方式中，所述的金属框架是一种开放式的两个半圆筒拼合形成的圆筒状结构，两个半圆筒的其中一个长边是以可活动的连接方式固定如合页的方式，另一长边通过例如锁定开关的连接方式连接，圆筒两端开放，且圆筒具有一定可伸长空间。

进一步，本发明的生物陶瓷-金属复合体一方面可以作为骨缺损后的骨修复替换材料，另一方面还可以作为细胞培养基质以及药物、蛋白分子等相关因子的培养基载体，实验证明，该复合体具有优异的生物相容性、骨引导和骨诱导性、以及优异的力学性能。

本发明的生物陶瓷-金属复合体显著优点在于：本发明充分结合了生物陶瓷优异的生物相融合和生物活性以及金属框架优异的力学性能，成功克服了现有技术中金属陶瓷复合材料在烧结过程中引起的金属氧化问题。

附图说明

图1：本发明手性多级结构羟基磷灰石粉末的数码照片。

图2：本发明L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的逐级放大扫描电镜图。

图3：本发明D型手性多级结构羟基磷灰石粉末的逐级放大扫描电镜图。

图4：本发明L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的高倍透射电镜图。

图5：本发明L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的电子衍射图。

图6：本发明L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的圆二色型号图。

图7：本发明手性多级结构β-磷酸三钙粉末的扫描电镜图。

图8：本发明手性多级结构硅酸钙粉末的扫描电镜图。

图9：本发明手性多级结构硼酸钙粉末的扫描电镜图。

图10：本发明手性多级结构碳酸钙粉末的扫描电镜图。

图11：生物陶瓷体的结构示意图。

图12：金属框架的结构示意图。

图13：生物陶瓷-金属复合体的结构示意图。

图14：本发明介观结构羟基磷灰石薄膜的照片。

图15：本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜上L929细胞的粘附增殖显微镜照片。

图16：本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜上3T3细胞的粘附增殖显微镜照片。

图17：本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜用于脂肪来源的间充质干细胞的成脂分化的显微镜照片。

图18：本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜用于脂肪来源的间充质干细胞的成骨分化的显微镜照片。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行更详细的说明。实施例仅是对本发明的一种说明，并不构成对本发明的限制。实施例是实际应用例子，对于本领域的专业技术人员很容易掌握并验证。如果在本发明的基础上做出某种改变，那么其实质并不超出本发明的范围。

实施例1：手性多级结构羟基磷灰石粉末

本发明的手性多级结构羟基磷灰石粉末是在一般羟基磷灰石粉末制备过程中加入手性分子获得。制备方法示例如下：

(1)将四水合硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液A；(2)分别将手性诱导剂酒石酸(C₄H₆O₆)、溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B；(3)将磷酸二氢铵((NH₄)H₂PO4)和尿素(CH₄N₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C；

(4)室温下，在搅拌条件下将B迅速加入A中形成混合溶液，继续搅拌5分钟；

(5)室温下，在剧烈搅拌条件下将C缓慢滴加到AB混合溶液中，形成混合反应液，再继续搅拌60分钟。

(6)然后转入反应釜中，在160℃下反应12小时。反应结束后，自然冷却，离心分离，用去离子水和乙醇交替洗涤3次，然后80℃下干燥得到手性多级结构羟基磷灰石粉末。

上述过程中，各原料的加入量比例为：四水合硝酸钙、磷酸二氢铵、酒石酸、尿素和水的摩尔比为1：0.6：0.625：1.336：1658。

同时，在本实施例的制备过程中，在步骤(2)中分别采用D型、L型酒石酸分子，合成得到了手性多级结构羟基磷灰石粉末，所合成得到的手性多级结构羟基磷灰石粉末材料以下分别记为D型粉末、L型粉末(见图1-5)。

图1是本发明手性多级结构羟基磷灰石粉末的照片，图2是本发明的L型的手性多级结构羟基磷灰石粉末的逐级放大扫描电镜图，图3是本发明的D型的手性多级结构羟基磷灰石粉末的逐级放大扫描电镜图，图4是本发明的L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的高倍透射电镜图，图5是本发明的L型手性多级结构羟基磷灰石粉末的电子衍射图。

从图1可以看出，本发明的L型手性多级结构羟基磷灰石粉末肉眼观察为颗粒结构；从图2可以看出，本发明的L型手性多级结构羟基磷灰石粉末具有呈扇形排列的薄片形状的微观结构，形貌均匀，呈现出多级手性结构。

从图3可以看出，本发明的D型手性多级结构羟基磷灰石粉末具有呈交错整齐排列的花状的微观结构，形貌均匀，呈现出多级手性结构；从图4还可以看出，L型粉末中的薄片形状规整，主体部分均匀无断裂破碎，边缘形成有整齐排列且长短不一的错位排列的锯齿状结构。

另外，从图5中可以看出，该支架中的晶体结构为六方晶系，空间群为Pm/63,其对应的是羟基磷灰石的晶型结构。图6是本发明的手性多级结构羟基磷灰石粉末的圆二色光谱图，其证明了本发明的手性多级结构羟基磷灰石粉末均表现出了圆二色性，说明二者均形成有手性介观结构并具有相应的光学特性。

实施例2：手性多级结构β-磷酸三钙粉末

本发明的手性多级结构羟基磷灰石粉末示例性的通过如下制备方法获得：(1)将四水合硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液A；(2)将手性诱导剂葡萄糖(C₆H₁₂O₆)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B；

(3)将磷酸氢二钠(Na₂HPO4)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C；

(4)然后，室温下，在搅拌条件下将B迅速加入A中形成混合溶液，继续搅拌5分钟；

(5)然后，室温下，在剧烈搅拌条件下将C缓慢滴加到AB混合溶液中，形成混合反应液，再继续搅拌60分钟。

(6)然后转入反应釜中，在160℃下反应12小时。反应结束后，自然冷却，离心分离，用去离子水和乙醇交替洗涤3次，然后40℃下干燥得到手性多级结构β-磷酸三钙前驱体。

(7)然后在马弗炉中950℃煅烧2小时。最终得到手性多级结构β-磷酸三钙粉末(见图7)。

上述过程中，各原料的加入量比例为：四水合硝酸钙、磷酸氢二钠、葡萄糖和水的摩尔比为1.5：1：0.9：1725。

图7是本实施例合成的手性多级结构β-磷酸三钙粉末的扫描电镜照片。从图中可以看出β-磷酸三钙呈现薄片状结构，片与片之间错位排列，形成多级手性结构。

实施例3：手性多级结构硅酸钙粉末

本发明的手性多级结构硅酸钙粉末示例性的通过如下制备方法获得：

(1)将四水合硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液A；(2)将手性诱导剂天冬酰胺(C₄H₈N₂O₃)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B；(3)将九水合硅酸钠(Na₂(SiO₃·9H₂O))溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C；

(4)室温下，在搅拌条件下将B迅速加入A中形成混合溶液，继续搅拌8分钟；

(5)室温下，在搅拌条件下将C缓慢滴加到AB混合溶液中，形成混合反应液，再继续搅拌30分钟。

(6)然后在60℃水浴环境中静置老化14天。反应结束后，离心分离，用去离子水和乙醇交替洗涤3次，然后60℃下干燥得到手性多级结构硅酸钙粉末(见图8)。

上述过程中，各原料的加入量比例为：四水合硝酸钙、九水合硅酸钠、天冬酰胺和水的摩尔比为1：1：0.5：1280。

图8是本实施例合成的手性多级结构硅酸钙粉末的扫描电镜照片。从图中可以看出硅酸钙呈现薄片状结构，片与片之间错位排列，形成多级手性结构。

实施例4：手性多级结构硼酸钙粉末

本发明的手性多级结构硼酸钙粉末示例性的通过如下制备方法获得：

(1)将无水氯化钙(CaCl₂)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液A；

(2)将手性诱导剂蔗糖(C1₂H₂₂O₁₁)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B；

(3)将硼酸(H₃BO₃))溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C；

(4)然后，室温下，在搅拌条件下将B迅速加入A中形成混合溶液，继续搅拌6分钟；

(5)然后，室温下，在搅拌条件下将C缓慢滴加到AB混合溶液中，形成混合反应液，再继续搅拌90分钟。

(6)然后转入反应釜中，在160℃下反应24小时。反应结束后，自然冷却，离心分离，去离子水和乙醇交替洗涤3次，然后80度下干燥得到手性多级结构硼酸钙粉末(见图9)。

上述过程中，各原料的加入量比例为：无水氯化钙、硼酸、蔗糖和水的摩尔比为1.5：1：1：1530。

图9是本实施例合成的手性多级结构硼酸钙粉末的扫描电镜照片。从图中可以看出硼酸钙呈现薄片状结构，片与片之间错位排列，形成多级手性结构。

实施例5：手性多级结构碳酸钙粉末

本发明的手性多级结构碳酸钙粉末示例性的通过如下制备方法获得：

(2)将手性诱导剂苯丙氨醇(C₉H₁₃NO)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B；

(3)将碳酸钠(NaCO₃))溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C；

(4)室温下，在搅拌条件下将B迅速加入A中形成混合溶液，继续搅拌3分钟；

(6)在室温条件下静置陈化36小时。反应结束后，离心分离，去离子水和乙醇交替洗涤3次，然后40度下干燥得到手性多级结构碳酸钙粉末(见图10描电镜照片。从图中可以看出碳酸钙呈现小薄片状结构，片与片之间错位排列，螺旋组装堆叠形成多级手性结构。

上述过程中，各原料的加入量比例为：无水氯化钙、碳酸钠、苯丙氨醇和水的摩尔比为1：1：0.75：2100。

实施例6：手性多级结构的β-磷酸三钙生物陶瓷-金属复合体

本发明的手性多级结构的β-磷酸三钙生物陶瓷-金属复合体示例性的通过如下制备方法获得：

(1)选取手性多级结构的β-磷酸三钙生物陶瓷粉末，经过浇筑成型工艺加工得到手性多级结构的β-磷酸三钙生物陶瓷体；

(2)选取钛合金金属材料经过加工成型工艺得到圆筒形钛合金金属框架；

(3)将得到的钛合金圆筒形金属框架打开；

(4)然后将(1)的手性多级结构的β-磷酸三钙生物陶瓷体放入金属框架(2,3)中；

(5)合上金属框架，并锁定得到生物陶瓷-金属复合体(见图11-13)。

从图11可以看出，本实施例的生物陶瓷体的上表面和下表面分别设置有卡扣结构。通过卡扣结构可以实现组件间的紧密连接。

从图12可以看出，本实施例的金属框架是由两个半圆形筒状结构组成，两个半圆通的一条侧边通过合页进行连接，另一侧边设有锁定结构。

从图13可以看出，生物陶瓷-金属复合体既包括具有力学强度的金属骨架，也包括具有良好生物活性的生物陶瓷。

实施例7：手性多级结构的羟基磷灰石生物陶瓷-金属复合体

本发明的手性多级结构的羟基磷灰石生物陶瓷-金属复合体示例性的通过如下制备方法获得：

(1)选取手性多级结构的羟基磷灰石生物陶瓷粉末，经过浇筑成型工艺加工得到具有连接结构的手性多级结构的羟基磷灰石生物陶瓷体；

(2)选取钛合金金属材料经过加加工成型工艺得到开放式圆筒形钛合金金属框架；

(3)将得到的钛合金圆筒形金属框架打开；

(4)然后将(1)的手性多级结构的羟基磷灰石生物陶瓷体放入金属框架(2,3)中；

(5)然后，合上金属框架，并锁定得到生物陶瓷-金属复合体。

实施例8：手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷-金属复合体

本发明的手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷-金属复合体示例性的通过如下制备方法获得：

(1)选取手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷粉末，经过浇筑成型工艺加工得到具有连接结构的手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷体；

(2)选取钛镁合金金属材料经过加工成型工艺得到圆筒形钛镁合金金属框架；

(3)将得到的钛镁合金圆筒形金属框架打开；

(4)然后将(1)的手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷体放入金属框架(2,3)中；(5)然后，合上金属框架，并锁定得到生物陶瓷-金属复合体。

实施例9：手性多级结构的硅酸钙生物陶瓷-金属复合体

(1)选取磷酸八钙生物陶瓷粉末，经过浇筑成型工艺加工得到具有连接结构的手性多级结构的磷酸八钙生物陶瓷体；

(3)将得到的钛合金圆筒形金属框架打开；

(4)然后将(1)的磷酸八钙生物陶瓷体放入金属框架(2,3)中；

(5)然后，合上金属框架，并锁定得到生物陶瓷-金属复合体。

实施例10：手性多级结构的硼酸钙生物陶瓷-金属复合体

本发明的手性多级结构的硼酸钙生物陶瓷-金属复合体示例性的通过如下制备方法获得：

(1)选取手性多级结构的硼酸钙生物陶瓷粉末，经过浇筑成型工艺加工得到具有连接结构的手性多级结构的硼酸钙生物陶瓷体；

(3)将得到的钛合金圆筒形金属框架打开；

(4)然后将(1)的手性多级结构的硼酸钙生物陶瓷体放入金属框架(2,3)中；

(5)然后，合上金属框架，并锁定得到生物陶瓷-金属复合体。

实施例11：手性介观结构羟基磷灰石薄膜

本实施例提供一种手性介观结构羟基磷灰石薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)，将可溶性钙源四水合硝酸钙(Ca(NO₃)_2·4H₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液A，溶液A中四水合硝酸钙的含量为1.25mmol。

(2)，将手性诱导剂酒石酸(C₄H₆O₆)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液B，溶液B中酒石酸的含量为0.625mmol。

(3)，将可溶性磷源磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)和成核控制剂尿素(碳酰胺：CH₄N₂O)溶解在水中，充分搅拌溶解形成溶液C，溶液C中磷酸氢二铵和尿素的含量分别为0.75mmol和1.67mmol。

(4)，室温下，将溶液B迅速加入溶液A中形成混合溶液，继续搅拌10分钟，得到AB混合溶液。

(5)，室温下，在剧烈搅拌的同时将溶液C缓慢滴加到AB混合溶液中，形成混合反应液，再继续搅拌30分钟。

(6)，将混合反应液转入反应釜中，加入预处理好的基板，在180℃下反应24小时后，自然冷却，取出基板，用去离子水和乙醇交替洗涤3次，80℃条件下干燥，得到手性介观结构羟基磷灰石薄膜(见图14)。

本实施例中所用的基板为云母基板，该基板的事先经过预处理从而实现活化，其中预处理操作为：用透明胶对云母进行撕裂剥离，得到新鲜的暴露面。

上述过程中，各原料的加入量比例为：可溶性钙源、可溶性磷源、手性诱导剂、成核控制剂和水的摩尔比为1：0.6：0.5：1.336：1667。

另外，本实施例的制备过程中，在步骤S2分别采用D型、L型和Racemic型(即内消旋型，以下简写为Rac)酒石酸，合成得到了手性介观结构羟基磷灰石薄膜，所合成得到的薄膜以下分别记为D型膜、L型膜和Rac型膜。

实施例12:羟基磷灰石薄膜的细胞粘附增殖实验

本测试例中采用实施例11的D型、L型和Racemic型的手性介观结构羟基磷灰石薄膜进行细胞的粘附增殖实验，所采用的细胞株为L929细胞以及3T3细胞。

具体操作过程如下：

1)首先将灭菌消毒好的基板铺在细胞培养板的底部；

2)然后分别将分散好的上L929细胞和3T3细胞种在手性基板上，进行培养；

3)培养一段时间后，取出培养板，然后用PBS洗，用4％的PFA进行固定；

4)固定好后用PBS多洗几次，然后进行染色；

5)最后在显微镜下进行观察、拍照。

图15是本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜上L929细胞的粘附增殖显微镜照片。

如图15所示，与现有技术中的空白mica基底膜相比，本发明实施例12的手性介观结构羟基磷灰石薄膜能够选择性地促进细胞粘附和增殖，其中，L型膜有助于细胞粘附和增殖，而D型膜则不利于细胞粘附和增殖。

图16是本发明中的手性介观结构羟基磷灰石薄膜上3T3细胞的粘附增殖显微镜照片。

如图16所示，与现有技术中的空白mica基底膜相比，本发明实施例1的手性介观结构羟基磷灰石薄膜能够选择性的促进细胞粘附和增殖。L型膜有助于细胞粘附和增殖，而D型膜则不利于细胞粘附和增殖。

实施例13：

本测试例中采用实施例11的D型、L型和Racemic型的的手性介观结构羟基磷灰石薄膜进行干细胞分化实验，所采用的干细胞为脂肪来源的间充质干细胞。

具体操作过程如下：

1)首先从小鼠的腹股沟脂肪中提取脂肪来源的间充质干细胞，进行培养和孵化；

2)然后进行种植，先将灭菌消毒好的基板铺在细胞培养板的底部；

3)将分散好的上Ad-MSC细胞种在手性介观结构羟基磷灰石薄膜基板上，进行培养；

4)固定好后用PBS多洗几次，然后进行油红染色和ALP染色；

5)最后在显微镜下进行观察、拍照。

图17是本发明脂肪来源的间充质干细胞的成脂分化显微镜照片。

如图17所示，与现有技术中的空白mica基底膜相比，，本发明实施例1的手性介观结构羟基磷灰石薄膜能够选择性诱导干细胞进行分化。D型膜有助于诱导干细胞进行成脂分化，而L型膜则不利于干细胞进行成脂分化。

图18是本发明的脂肪来源的间充质干细胞的成骨分化显微镜照片。

如图18所示，与现有技术中的空白mica基底膜相比，本发明手性介观结构羟基磷灰石薄膜能够选择性诱导干细胞进行分化。L型膜有助于诱导干细胞进行成骨分化，而D型膜则不利于干细胞进行成骨分化。

Claims

1.一种骨缺损修复的生物陶瓷-金属复合体，该复合体包括内部的生物陶瓷体和外部的金属框架，所述生物陶瓷体是由手性多级结构钙基生物陶瓷材料粉末通过成型技术加工而成。

2.如权利要求1所述的生物陶瓷-金属复合体，所述的手性多级结构钙基生物陶瓷材料是指生物陶瓷材料在制备过程中加入可溶性手性分子即不对称破缺诱导剂，诱导生物陶瓷材料在形成过程中分子出现不对称旋转，从而形成手性多级结构的钙基生物陶瓷材料。

3.如权利要求2所述的生物陶瓷-金属复合体，所述手性多级结构的钙基生物陶瓷材料包括多种钙基陶瓷，如：羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙、硼酸钙、碳酸钙、硫酸钙以及其它多种磷酸钙。

4.如权利要求2或3所述的生物陶瓷-金属复合体，所述手性分子选自手性有机酸、手性氨基酸、手性糖类、手性醇、手性盐类、手性酯和其他手性分子中的一种或多种。

5.如权利要求4所述的生物陶瓷-金属复合体，其中手性有机酸选自酒石酸、苹果酸、乳酸、樟脑磺酸、苯甘氨酸、环己基甘氨酸、氨甲环酸、顺-3-氨基环己甲酸、和抗坏血酸中的一种或多种。

6.如权利要求4所述的生物陶瓷-金属复合体，其中手性氨基酸选自组氨酸、精氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、丙氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、和苏氨酸种的一种或多种。

7.如权利要求4所述的生物陶瓷-金属复合体，其中手性糖类选自葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖、呋喃糖、吡喃糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖、和半乳糖种的一种或多种。

8.如权利要求4所述的生物陶瓷-金属复合体，其中手性醇选自甘露醇、木糖醇、山梨醇、紫杉醇、白藜芦醇、银杏叶聚戊烯醇、(R)-(+)-1-苯基-1-丙醇、(S)-(-)-1-苯基-1-丙醇、苯丙胺醇、艾杜糖醇、2-氨基-1-丙醇、和半乳糖醇中的一种或多种。

9.一种骨缺损修复的生物陶瓷-金属复合体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)、手性多级结构钙基生物陶瓷材料的制备，在生物陶瓷材料制备过程中加入可溶性手性分子即不对称破缺诱导剂，诱导生物陶瓷材料在形成过程中分子出现不对称旋转，从而形成手性多级结构的钙基生物陶瓷材料。

(4)将(2)中的生物陶瓷体放入金属框架(3)中；

(5)合上金属框架，得到本发明的生物陶瓷-金属复合体。

10.如权利要求9所述的生物陶瓷-金属复合体的制备方法，其中金属框架材料可以是钛合金或钛镁合金。