CN116942909A - 一种胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种胶原蛋白‑生物陶瓷复合人工骨及其制备方法与应用。该人工骨具有优异的生物活性、降解性能、出色的力学性能和稳定性。用于骨组织修复时，其高孔隙率有利于成骨细胞和营养物质的迁移和传输，促进新骨形成，且随着时间的推移，人工骨将逐步降解吸收，并被新骨代替。本发明的复合人工骨具有促进骨组织再生、制作工艺简单，成本较低，适宜大规模生产等优点，可被广泛应用于临床应用中。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学材料和可植入医疗器械技术领域，特别是涉及一种胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨以及其制备方法。
背景技术
近年来，疾病、创伤和衰老导致骨缺损或骨损伤的患者日益增加，作为骨缺损治疗的“金标准”的自体骨存在着来源短缺、疾病传播感染的风险，寻找替代自体骨的理想的人工骨修复材料迫在眉睫；与此同时，随着医美整形领域的发展，其对人工骨的需求越来越高。针对这种情况，需要开发更加安全有效的人工骨修复材料，以满足医疗行业和医美行业的需求。
在骨缺损填充生物医用材料领域，为了克服自体骨和异体骨移植所带来的问题，人工骨材料的使用一直备受关注。例如纯的羟基磷灰石和β-磷酸三钙等具有优异的生物相容性、骨传导性和生物活性，但是它们脆性大、韧性差，容易从植入部位脱落，不适用于上颌的牙齿修复，大大限制了其在临床中的应用；再如由天然或合成可生物降解聚合物制成的骨胶，具有优异的生物降解性、抗菌性和可塑性，为骨缺损和骨损伤的治疗提供了一种新的选择。但由于它生物活性低、稳定性差，其在临床应用中受到一定的限制；血小板富集质（PRP）和干细胞治疗是一种新型的骨替代产品，具有从人体血液和骨髓中分离出的高生物学活性，但其疗效存在个体差异和安全性争议，并且获得大量干细胞困难，治疗周期长，成本高昂，因此推广和应用受到了限制。
1995年报道的羟基磷灰石与胶原结合进行协同作用得到的有分级结构的复合物，为仿生的骨修复材料提供了重要思路。因此，本发明创新地将胶原蛋白与生物陶瓷相结合，制成一种胶原蛋白复合人工骨。该胶原蛋白人工骨不仅制备工艺简单，还具优异的生物相容性和生物降解性，而且还具有高的生物活性和高孔隙率，适用范围广泛，是一种非常安全且成本低的材料。因此，胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨有望成为新一代骨修复材料，以应对骨缺损和骨损伤方面的临床需求。
发明内容
为了实现上述目的，优化胶原基材料，本发明实施例提供了一种胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨，不仅具有优异的生物相容性和生物降解性，而且具有适用范围广、生产工艺简单等优点。本发明在第一方面提供了一种制备胶原蛋白材料的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将0.0001-0.1 g/mL的胶原蛋白配置于酸性溶液中，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀，得到一定浓度，混合均匀的胶原蛋白溶液。
本发明在第二方面提供了本发明第一方面所述方法制得的胶原蛋白材料。
本发明在第三方面提供了本发明第二方面所述的胶原蛋白材料在制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨中的应用。
本发明在第四方面提供了一种制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将生物陶瓷加入到胶原蛋白中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（2）在-80 ℃至-10 ℃中将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥得到胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
本发明在第五方面还提供了一种制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将0.0001-0.1 g/mL的胶原蛋白配置于酸性溶液中，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（4）在-80 ℃至-10 ℃中将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥得到胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
本发明在第六方面提供了本发明第四或第五方面所述方法制得的胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
本发明在第七方面提供了本发明第六方面所述的胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨在制造骨植入物中的应用。
本发明的优势及其优秀的各项性能和出色的技术应用效果至少包含以下几点：
（1）采用的胶原溶液浓度为0.0001-0.1 g/mL，此范围的胶原浓度下，胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的生物相容性和机械强度优良，该材料的孔隙率和孔径大小都能满足骨细胞的粘附、增殖和分化所需的条件，有利于促进新骨生成和修复。此外，在该胶原蛋白浓度范围内还能促进血管生成和减少炎症反应，对骨修复和再生也有帮助；
（2）生物陶瓷可选择磷酸三钙、羟基磷灰石、硅酸钙、碳酸钙、硅酸钙、硅酸钙镁、生物玻璃、煅烧牛骨、煅烧猪骨、珊瑚和贝壳等无机生物活性矿物材料的至少一种。在制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨时，选好合适的骨粉非常重要，需要根据实际情况的不同来选择骨粉，尽量选择高质量、高纯度、纯天然来源，并经过适当加工的骨粉；
（3）采用粒径为0.1 µm-2 mm的生物陶瓷与胶原蛋白溶液混合，该粒径大小下的骨粉既可以填充较大的空洞或缺陷并提供支撑，也可以更好地适应形态，并促进新骨生长，也可以弥补骨缺损而不影响局部解剖结构和功能，吸收速度也更快；
（4）在-80 ℃至-10 ℃中对胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再进行冷冻干燥，不仅可以除去样品中多余的溶剂，并且为胶原蛋白人工骨提供适当的孔隙率，有利于促进填充位置的骨生长。
附图说明
图1为实施例一胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品图。
图2为实施例二胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品图。
图3为实施例三胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品图。
图4为实施例四胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品图。
图5为实施例五胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品图。
图6为实施例一胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的SEM图。
图7为实施例二胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的SEM图。
图8为实施例三胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的SEM图。
图9为对实施例二上、下部分别进行热重分析，以测得样品沉降情况及生物陶瓷及胶原的比例（左图为上部分，右图为下部分）。
具体实施方式
如上所述，本发明在第一方面提供了一种制备胶原蛋白溶液的方法所述方法包括如下步骤：
（1）将0.0001-0.1 g/mL（例如0.05 g/mL）的胶原蛋白配置于酸性溶液中，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀（例如6000 rpm），得到一定浓度，混合均匀的胶原蛋白溶液。
在一些优选的实施方式中，在步骤（1）中胶原蛋白指I型胶原蛋白含量80%及以上的原料，其来源可以是猪真皮胶原蛋白、猪跟腱胶原蛋白、牛真皮胶原蛋白、牛跟腱胶原蛋白、鱼胶原蛋白，或其任意组合。
在一些优选的实施方式中，步骤（1）中的所述酸液选盐酸水溶液、硝酸水溶液和乙酸水溶液，优选的是乙酸水溶液。
在一些优选的实施方式中，步骤（1）中所述胶原溶液中酸液的浓度为0.01至0.5 M（例如0.05、0.15、0.25或0.35 M）。
在一些优选的实施方式中，所述含酸性溶液的加入采用在缓慢滴加的同时，不断地搅拌的方式进行。
本发明在第二方面提供了本发明第一方面所述方法制得的制得的胶原蛋白溶液。
本发明在第三方面提供了本发明第一方面所述方法制得的或者本发明第二方面所述的胶原蛋白溶液在制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨中的应用。
本发明在第四方面提供了一种制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将生物陶瓷加入到胶原蛋白中（例如质量比为胶原：骨粉=1：5、1：15、1：25），充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（2）在-80 ℃至-10 ℃中（例如-20 ℃、-60 ℃、-80 ℃）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥得到胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
在一些优选的实施方式中，所述胶原蛋白溶液为本发明第一方面所述的方法制得。
在一些优选的实施方式中，在步骤（1）中生物陶瓷，其粉体粒径为0.1 µm-2 mm。优选的是10 µm-1000 µm，胶原蛋白与生物陶瓷的质量比为1：1-1：50，优选的是1：3-1：20。
在一些优选的实施方式中，步骤（3）中的预冷温度为-80 ℃至-10 ℃，优选的是-20 ℃至-60 ℃。
本发明在第五方面还提供了一种制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将0.0001-0.1 g/mL的胶原蛋白配置于酸性溶液中，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（4）在-80 ℃至-10 ℃中将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥得到胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
在一些优选的实施方式中，在步骤（1）中胶原蛋白指I型胶原蛋白含量80%及以上的原料，其来源可以是猪真皮胶原蛋白、猪跟腱胶原蛋白、牛真皮胶原蛋白、牛跟腱胶原蛋白、鱼胶原蛋白，或其任意组合。
在一些优选的实施方式中，步骤（1）中的所述酸液选盐酸水溶液、硝酸水溶液和乙酸水溶液，优选的是乙酸水溶液。
在一些优选的实施方式中，步骤（1）中所述胶原溶液中酸液的浓度为0.01至0.5M。在一些优选的实施方式中，所述含酸性溶液的加入采用在缓慢滴加的同时，不断地搅拌的方式进行。
在一些优选的实施方式中，在步骤（1）中生物陶瓷，其粉体粒径为0.1 µm-2 mm。优选的是10 µm-1000 µm，胶原蛋白与生物陶瓷的质量比为1：1-1：50，优选的是1：3-1：20。
在一些优选的实施方式中，步骤（4）的预冷温度为-80 ℃至-10 ℃，优选的是-60℃至-20℃。
本发明在第六方面提供了本发明第四或第五方面所述方法制得的胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
本发明在第七方面提供了本发明第六方面所述的胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨在制造骨植入物中的应用。
在本发明中，本发明人至少在如下方面进行了改进并取得了相应的技术效果：
（1）生物陶瓷选择磷酸三钙、羟基磷灰石、硅酸钙、碳酸钙、硅酸钙、硅酸钙镁、生物玻璃、煅烧牛骨、煅烧猪骨、珊瑚和贝壳等无机生物活性矿物材料的至少一种。优选生物活性玻璃45S5、β-TCP、煅烧牛骨、煅烧猪骨，生物活性玻璃45S5是一种可生物降解的材料，可以通过极小孔径的微孔结构，促进新生骨细胞的沉积和增殖，从而达到骨修复和再生的效果，也可以通过释放钠离子来抑制细菌的生长，在使用过程中能有效地预防感染并降低手术后感染风险，并且具有良好的力学性能和可塑性；
（2）采用了I型胶原蛋白，I型胶原蛋白生物相容性高，在人体内没有过敏反应或排斥反应。具有I型胶原蛋白的人工骨具有优良的支架结构，能够保持所需形态和结构稳定，而且该类人工骨会与周围组织融合，形成全新的骨组织和血管系统，具有优秀的骨再生性能。它具有很好的材料可塑性和可吸收性，也可以通过不同的方法（如生物印刷术）制造成多种形种态的骨材料，以符合患者所需的要求；
（3）采用胶原溶液浓度为0.0001至0.1 g/ml，在此范围下，整体溶液粘度更加适中，更有利于胶原溶液自组装为胶原蛋白溶液，而且在该浓度范围，该材料的孔隙率和孔径有利于骨细胞的粘附、增殖和分化，有利于促进新骨生成和修复；
（4）采用粒径为0.1 µm-2 mm的生物陶瓷与胶原蛋白溶液混合，该目数下的骨粉更接近自然骨颗粒的大小，能够更好地模拟自然骨组织的结构，提高材料的生物活性。也可以影响人工骨材料的孔隙率和孔径分布，从而影响细胞的增殖和附着能力，形成合适的孔洞大小和分布，促进细胞在材料内部的生长和定植。该目数下的骨粉以提供足够的支撑，避免人工骨移位或折断，有助于人工骨的修复和再生；
（5）采用了4 ℃对胶原蛋白进行在良溶剂下的溶胀，因采用了胶原蛋白的良溶剂，故在低温下即可完成溶胀，避免破坏胶原蛋白的活性，减少了温度较高下溶剂挥发以及毒性等风险；
（6）采用低温对复合材料进行预冷，再冷冻干燥，既为材料提供了一定的孔隙率，也去除了材料中残留的杂质。
实施例
下文将通过实施例的形式对本发明进行举例说明，但是本发明的保护范围不应被理解为限于这些实施例。
实施例一：
（1）使用0.15 M乙酸溶液制备1 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：5计算得到45S5质量，选用生物陶瓷粒径为150-500微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷12 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥24 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联36 h，得到产品。
实施例二：
（1）使用0.05 M乙酸溶液制备3 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：15计算得到β-TCP质量，选用生物陶瓷粒径为10-150微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷24 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥48 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联12 h，得到产品。
实施例二胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的热重分析数据列于下表1。
表1 实施例二胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的热重分析数据
| 样品 | 150 ℃ | 550 ℃ | ∆m | 胶原：骨粉 |
| 样品上部 | 5.53 mg | 4.86 mg | 0.67 mg | 0.14 |
| 样品下部 | 6.84 mg | 6.04 mg | 0.80 mg | 0.13 |
实施例三：
（1）使用0.25 M乙酸溶液制备5 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：25计算得到牛骨粉末质量，选用生物陶瓷粒径为500-1000微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷48 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥72 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联48 h，得到产品。
实施例四：
（1）使用0.25 M乙酸溶液制备0.1 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：30计算得到45S5质量，选用生物陶瓷粒径为150-500微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷24 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥24 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联12 h，得到产品。
实施例五：
（1）使用0.01 M乙酸溶液制备3 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：20计算得到猪骨粉末质量，选用生物陶瓷粒径为500-1000微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷48 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥60 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联48 h，得到产品。
实施例一、二、三、四和五中胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的密度及pH值数据列于下表。
表2 实施例一、二、三、四和五中胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨样品的密度及pH值数据
| 样品 | 质量/ g | 密度/ kg·m3 | pH |
| 实施例一 | 0.0469 | 200.43 | 7.0 |
| 实施例二 | 0.0772 | 220.95 | 7.7 |
| 实施例三 | 0.0772 | 227.83 | 7.7 |
| 实施例四 | 0.0782 | 253.73 | 6.3 |
| 实施例五 | 0.0745 | 228.74 | 7.1 |
实施例六：
（1）使用0.5 M乙酸溶液制备5 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：5计算得到猪骨粉末质量，选用生物陶瓷粒径为10-150微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷60 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥72 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联48 h，得到产品。
实施例七：
（1）使用0.2 M乙酸溶液制备0.1 %浓度的胶原溶液，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）以1：25计算得到β-TCP质量，选用生物陶瓷粒径为500-1000微米；
（4）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（5）将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷12 h，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥60 h；
（6）将得到的产品在真空烘箱真空热交联24 h，得到产品。
Claims (6)
1.一种制备胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨的方法，其特征在于，由胶原蛋白和生物陶瓷组成，具有三维连通多孔结构。所述制备方法包括如下步骤：
（1）将0.0001-0.1 g/mL的胶原蛋白配置于酸性溶液中，在4 ℃下搅拌数小时，使其充分吸水溶胀；
（2）充分溶胀后，在冰水浴的条件下，用高速分散器打散均匀；
（3）将生物陶瓷加入到胶原蛋白溶液中，充分打散，混合均匀，得到胶原蛋白-生物陶瓷初产物；
（4）在-80 ℃至-10 ℃中将胶原蛋白-生物陶瓷初产物进行预冷，再在冷冻干燥装置中进行冷冻干燥得到胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，胶原蛋白指I型胶原蛋白含量80%及以上的原料，其来源可以是猪真皮胶原蛋白、猪跟腱胶原蛋白、牛真皮胶原蛋白、牛跟腱胶原蛋白、鱼胶原蛋白，或其任意组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的酸性溶液为乙酸水溶液、盐酸水溶液或硝酸水溶液，或其任意组合，所述酸性溶液的浓度为0.01至0.5 M。
4.根据权利要求1所述的生物陶瓷，其包括磷酸三钙、羟基磷灰石、硅酸钙、碳酸钙、硅酸钙镁、生物玻璃、煅烧牛骨、煅烧猪骨、珊瑚和贝壳等无机生物活性矿物材料的至少一种。
5.根据权利要求1和4所述的生物陶瓷，其粉体粒径为0.1 µm-2 mm。
6.根据权利要求1、4所述的方法，其特征在于，胶原蛋白与生物陶瓷的质量比为1：1至1：50。
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| CN202310974824.8A CN116942909A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种胶原蛋白-生物陶瓷复合人工骨及其制备方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117679556A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-12 | 淄博职业学院 | 钛合金表面生物活性薄膜的制备方法 |
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2023
- 2023-08-04 CN CN202310974824.8A patent/CN116942909A/zh active Pending
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