CN115177414A - 一种可促进骨组织再生的颅骨修复板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可促进骨组织再生的颅骨修复板及其制备方法，属于医疗器械技术领域，该颅骨修复板具有创新的“同心圆结构”与“三层夹心结构”，通过控制结构组成，可实现成孔速率及骨融合率的可控性；矿化胶原的加入，使其在降解过程中释放出钙、磷离子，可促进成骨细胞增殖，同时降解形成孔隙，为骨组织再生融合提供空间；另一方面，磁性纳米粒子的添加可改善矿化胶原的机械性能，同时其作为微磁源可产生连续稳定的磁刺激，促进骨细胞增殖分化。

Description

一种可促进骨组织再生的颅骨修复板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可促进骨组织再生的颅骨修复板及其制备方法，属于医疗器械技术领域。
背景技术
创伤、疾病和手术切除引起的颅骨缺损不能通过自愈实现修复，临床上常采用颅骨成形术进行治疗。由于生物医学材料技术的发展，钛网、羟基磷灰石、聚醚醚酮等材料逐渐被用于人工颅骨修复。但当前人工骨修复材料普遍存在骨组织不融合的缺陷，易导致血肿、积液、感染并等并发症产生，严重时人工骨材料会限制周围骨生长导致骨畸变，甚至颅脑损伤等风险。
针对上述问题，目前已有部分解决措施，专利(CN201910202984.4)以糖基化矿化胶原、糖基化壳聚糖和PLGA为原料制备多孔可降解复合骨组织工程支架材料。羟基磷灰石和胶原是天然骨组织的重要成分，其可促进新骨生成的成骨细胞迁移和附着，但自身质地较脆、材料机械性能差，植入后在骨整合形成之前极易发生骨折。相对而言，PEEK具有良好的生物相容性和优良的力学性能，目前已成为治疗颅骨缺损的重要方法。然而，PEEK具有生物惰性，易引起不良炎症反应和免疫反应导致骨融合低下，阻碍其与骨组织的整合。目前也有相关专利(CN202210078053.X)对PEEK进行改性修饰处理，比如将含生长因子的涂层固定在PEEK材料上以提高颅骨缺损部位骨形成能力等。
发明内容
本发明的目的之一是为了解决上述的技术问题而提供一种可促进骨组织再生的颅骨修复板。
本发明的可促进骨组织再生的颅骨修复板，具有“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，如图1-3所示，颅骨修复板由胶原（COL）、羟基磷灰石（HAp）、磁性纳米Fe3O4（MNPs）和聚醚醚酮（PEEK）为原料、利用模压工艺制得，所述颅骨修复板兼具生物相容性、力学强度和促进骨组织再生的功能。
本发明以PEEK为基材，通过添加磁性矿化胶原，制得一种力学性能强、可促进骨组织再生融合的颅骨修复板。矿化胶原具有可降解性，降解过程中钙、磷离子释放，可促进成骨细胞增殖，同时降解形成孔隙，为骨组织再生融合提供空间；磁性纳米Fe3O4的添加可改善矿化胶原的机械性能，同时其作为微磁源可产生连续稳定的磁刺激，促进骨细胞增殖分化；“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，可实现成孔速率及骨融合率的可控性。故而本发明在一定程度上可以提高颅骨修复板的骨组织再生融合性，并可以有效减缓血肿、积液、感染等并发症。
本发明的目的之二在于提供上述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，该方法按照如下的操作步骤进行：
（1）颅骨修复板结构设计
将颅骨修复板设计为“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，如图1-3所示；
为更好地实现本发明，进一步的，所述“同心圆结构”由外圆环层和内圆环层组成，内圆环层由“三层夹心结构”组成，包含上层、中间层、下层结构；
为更好地实现本发明，进一步的，所述“同心圆结构”的外圆环层与内圆环层的直径比例设定在1.01~2.18，“三层夹心结构”每层的厚度设定为0.65~6.00 mm；
本发明的实施例中，无特殊说明，所述“三层夹心结构”每层的厚度设定为1mm。
（2）磁性矿化胶原的制备
将Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿COL纤维和Fe3O4成核生长，制备HAp@COL/MNPs；
为更好地实现本发明，进一步的，所述Fe3O4的粒径在20 nm ~500 nm，磁性纳米Fe3O4添加量占磁性矿化胶原质量比为0.1%~95 %；
为更好地实现本发明，进一步的，所述HAp@COL/MNPs粒径在100~600 μm；
本发明的实施例中，无特殊说明，所述磁性纳米Fe3O4粒径为35 mm。
（3）颅骨修复板的制备
将可降解性HAp@COL/MNPs和PEEK按照比例混料均匀，采用模压工艺将HAp@COL /MNPs-PEEK按照指定压力逐层冷压成型，提高压力合并定型，而后置于马弗炉中加热并成型，获得颅骨修复板；
为更好地实现本发明，进一步的，HAp@COL/MNPs添加含量为外圆环层＞中间层＞上层=下层；
为更好地实现本发明，进一步的，所述HAp@COL/MNPs与PPEK的混料质量比为：1:100~ 100:1；
更好地实现本发明，进一步的，所述可降解HAp@COL/MNPs产生的孔隙结构参数为：外圆环层孔隙率大于60 %，孔径在200~400 μm；中间层孔隙率大于40 %，孔径在400~600 μm；上下层孔隙率大于2 %，孔径在100~300 μm；
为更好地实现本发明，进一步的，所述模压工艺参数：冷压成型的压力为2~9MPa，合并定型的压力为3~11 MPa，马弗炉加热温度为340~390 ℃；
本发明的实施例中，无特殊说明，所述模压工艺参数设定为：冷压成型的压力为5MPa，合并定型的压力为8 MPa，马弗炉加热温度为380 ℃。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的颅骨修复板，其结构设计为“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构。“同心圆结构”由外圆环层和内圆环层组成，内圆环层由“三层夹心结构”组成，分为上中下三层，通过控制结构组成，可实现成孔速率及骨融合率的可控性；
(2)本发明提供的颅骨修复板，板材整体由HAp@COL /MNPs-PEEK材料组成：PEEK材料提供板材的主要力学强度；矿化胶原具有可降解性，降解过程中钙、磷离子释放，可促进成骨细胞增殖，同时降解形成孔隙，为骨组织再生融合提供空间；磁性纳米Fe3O4的添加不仅可改善矿化胶原的机械性能，其作为微磁源可产生连续稳定的磁刺激，促进骨细胞增殖分化；
(3)本发明提供的颅骨修复板，其外圆环层的HAp@COL/MNPs含量高于内圆环层，为植入初期提供较多的促成骨细胞增殖的活性物质以及骨组织生长空间，提高初期骨融合率；
(4)本发明提供的颅骨修复板，其“三层夹心结构”，分为上、中、下三层，中间层磁性矿化胶原含量多，降解后提供较多的成骨细胞增殖空间，上下层磁性矿化胶原含量少，可保证板材的力学强度。
附图说明
图1颅骨修复板示意图。
图2颅骨修复板俯视面示意图。
图3颅骨修复板剖切面示意图。
图4样品失重率测试结果。
图5样品压缩强度测试结果。
附图标记：1、外圆环层；2、内圆环层；3、三层夹心结构。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明。所述是对本发明的解释而不是限定。
下述实施例中，如无特别说明，所述浓度为质量百分浓度。
实施例1
将4.7 g Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿COL纤维和Fe3O4成核生长，制得47wt% MNPs含量的HAp@COL/MNPs。将HAp@COL/MNPs和PEEK按照比例混料均匀，其中外圆环中HAp@COL/MNPs和PEEK的质量比为7:3，HAp@COL/MNPs粒径为270~380 μm；中间层的质量比为6:4，HAp@COL/MNPs粒径为425~550 μm；上、下层的质量比为3:97，HAp@COL/MNPs粒径为180~212 μm。将上、中、下层粉料分别置于直径为30 mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后逐层置于32 mm的模具，并将外圆环层粉料均匀分布在周围，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
实施例2
将9.5g Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿COL纤维和Fe3O4成核生长，制得95 % MNPs含量的HAp@COL/MNPs。将可降解性HAp@COL/MNPs和PEEK按照比例混料均匀，其中外圆环中HAp@COL/MNPs和PEEK的质量比为100:1，HAp@COL/MNPs粒径为270~380 μm；中间层的质量比为98:2，HAp@COL/MNPs粒径为425~550 μm；上、下层的质量比为5:95，HAp@COL/MNPs粒径为180~212 μm。将上、中、下层粉料分别置于直径为30 mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后逐层置于32 mm的模具，并将外圆环层粉料均匀分布在周围，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
实施例3
将0.01 g Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿COL纤维和Fe3O4成核生长，制得0.1wt% MNPs含量的HAp@COL/MNPs。将可降解性HAp@COL/MNPs和PEEK按照比例混料均匀，其中外圆环中HAp@COL/MNPs和PEEK的质量比为100:1，HAp@COL/MNPs粒径为270~380 μm；中间层的质量比为99:1，HAp@COL/MNPs粒径为425~550 μm；上、下层的质量比为1:100，HAp@COL/MNPs粒径为180~212 μm。将上、中、下层粉料分别置于直径为14.7mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后逐层置于32 mm的模具，并将外圆环层粉料均匀分布在周围，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
对比例1
利用Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液，制得无磁性粒子的矿化胶原。将矿化胶原和PEEK按照比例混料均匀，其中外圆环中HAp@COL/MNPs和PEEK的质量比为100:1，HAp@COL/MNPs粒径为270~380 μm；中间层的质量比为99:1，HAp@COL/MNPs粒径为425~550 μm；上、下层的质量比为1:100，HAp@COL/MNPs粒径为180~212 μm。将上、中、下层粉料分别置于直径为14.7mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后逐层置于32 mm的模具，并将外圆环层粉料均匀分布在周围，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
对比例2
将Fe3O4和PEEK按照比例混料均匀，其中外圆环中Fe3O4和PEEK的质量比为7:3、中间层的质量比为6:4、上、下层的质量比为3:97。将上、中、下层粉料分别置于直径为30 mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后逐层置于32 mm的模具，并将外圆环层粉料均匀分布在周围，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
对比例3
将4.7 g Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿COL纤维和Fe3O4成核生长，制得47 % MNPs含量的HAp@COL/MNPs。将可降解性HAp@COL/MNPs和PEEK按照比例混料均匀，中间层HAp@COL/MNPs和PEEK的质量比为6:4，HAp@COL/MNPs粒径为425~550 μm；上、下层的质量比3:97，HAp@COL/MNPs粒径为180~212 μm。将上、中、下层粉料分别置于直径为32 mm的模具内，在5 MPa压力下冷压成型，然后在8 MPa压力下合并定型，最后于马弗炉中在380 ℃中加热90 min，得到颅骨修复板。
对上述实施例和对比例制备的颅骨修复板进行体外降解性、力学强度及细胞毒性等相关性能测定，具体测试方法如下：
体外降解实验：准备上述实施例和对比例制备的磁性矿化胶原，将制备好的蛋白酶K溶液（浓度为0.1mg/ml）加入样品所在的培养皿中，从而保证骨修复样本能够完全放置在溶液中。将培养皿置于37℃恒温培养箱中，每周更换新鲜酶液。分别在7、14、21、28、35、42天后取出样品，用去离子水冲洗、烘干、称重。力学测试及细胞毒性实验：参照 GB/T 1453-2005 《夹层结构或芯子平压性能试验方法》的要求进行压缩强度测试，按照GB/T16886.5《医疗器械生物学评价：体外细胞毒性试验》的要求进行体外细胞毒性测试。
实验结果（如图4-5）如下：上述实施例和对比例的颅骨修复板样品其细胞毒性反应均不大于2级，具有较好的生物相容性。对比例1无Fe3O4添加，其压缩强度相对差；对比例2无矿化胶原添加，整体力学强度较高，但是不具有可降解性，不能产生孔隙和促进细胞增生；对比例3无外圆环层设置，可以产生的促进骨组织生长的活性物质相对较少，对植入初期骨组织生长融合性促进作用相对较弱。结果表明，本发明所设计的颅骨修复板兼具力学强度和可降解性，在进行颅骨缺损修复的同时还可以促进骨组织生长，在一定程度上提高骨组织融合性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当意识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容之后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种可促进骨组织再生的颅骨修复板，其特征在于，所述颅骨修复板具有“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，“同心圆结构”包括外圆环层和内圆环层，内圆环层由“三层夹心结构”组成，包括上层和中间层以及下层结构；“同心圆结构”和“三层夹心结构”的制备由胶原、羟基磷灰石、磁性纳米Fe3O4和聚醚醚酮为共同原料构成，利用模压工艺制得，其制备方法为：
（1）将颅骨修复板设计为“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，“同心圆结构”由外圆环层和内圆环层组成，内圆环层由 “三层夹心结构”组成，包含上层、中间层和下层结构；
所述颅骨修复板的外圆环层与内圆环层的直径比例设定在1.01~2.18，“三层夹心结构”每层的厚度设定为0.65~6.00 mm；
（2）将磁性纳米Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，使Ca2+、PO4 3-沿胶原纤维和磁性纳米Fe3O4成核生长，制备磁性矿化胶原HAp@COL/MNPs；
（3）将HAp@COL/MNPs和聚醚醚酮按照比例混料均匀，采用模压工艺将物料按照指定压力逐层冷压成型，提高压力合并定型，而后置于马弗炉中加热并成型，获得颅骨修复板。
2.一种权利要求1所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将颅骨修复板设计为“同心圆结构”与“三层夹心结构”结合的复合结构，“同心圆结构”由外圆环层和内圆环层组成，内圆环层由 “三层夹心结构”组成，包含上层、中间层和下层结构；
（2）将磁性纳米Fe3O4加入到含有Ca2+、PO4 3-、胶原的乙酸溶液中，采用原位合成法根据胶原和羟基磷灰石的自组装理论使Ca2+、PO4 3-沿胶原纤维和磁性纳米Fe3O4成核生长，制备磁性矿化胶原HAp@COL/MNPs；
（3）将HAp@COL/MNPs和聚醚醚酮按照比例混料均匀，采用模压工艺将物料按照指定压力逐层冷压成型，提高压力合并定型，而后置于马弗炉中加热并成型，获得颅骨修复板。
3.根据权利要求2所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述磁性纳米Fe3O4粒径在20 nm ~500 nm，添加量占磁性矿化胶原质量比为0.1%~95 %。
4.根据权利要求2所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述HAp@COL/MNPs的粒径为50~600 μm，HAp@COL/MNPs添加含量为外圆环层＞中间层＞上层=下层。
5.根据权利要求2所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述HAp@COL/MNPs与聚醚醚酮的混料质量比为：1:100~100:1。
6.根据权利要求2所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述HAp@COL/MNPs产生的孔隙结构参数为：外圆环层孔隙率大于60 %，孔径在200~400 μm；中间层孔隙率大于40 %，孔径在400~600 μm；上层和下层孔隙率大于2 %，孔径在100~300 μm。
7.根据权利要求2所述的可促进骨组织再生的颅骨修复板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述模压工艺参数为：冷压成型的压力为2~9MPa，合并定型的压力为3~11 MPa，马弗炉加热温度为340~390 ℃，加热时间45~185 min。
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