CN1302820C

CN1302820C - TiO2增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架及其制备方法

Info

Publication number: CN1302820C
Application number: CNB2005100103456A
Authority: CN
Inventors: 郑玉峰; 李莉; 徐晓雪; 李超
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: CN1739812A

Abstract

TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架及其制备方法，它涉及一种骨组织支架及其制备方法。为了解决现有可降解支架材料的酸性降解产物有可能对细胞的活性产生不利影响，同时其亲水性、细胞相容性、力学强度等均尚待改进的缺陷，本发明的骨组织支架由pHEMA、TiO₂纳米颗粒和HA构成，pHEMA中加入TiO₂纳米颗粒形成支架材料，支架材料的内外表面上沉积有HA层，制备方法为：采用光致交联盐沥滤方法或采用熔化成型微粒沥滤法制备支架材料；将支架材料浸到含有尿素的HA盐酸溶液中，加热；然后进行矿化处理。本发明的骨组织支架无致畸、致癌等不良反应以及任何毒副作用，且pHEMA不降解，无降解产物，不会对细胞活性造成影响。

Description

TiO2增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种骨组织支架及其制备方法，具体涉及一种可用于各种原因造成的骨缺损的修复及替代的TiO₂纳米颗粒增强大孔隙聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架及其制备方法。

背景技术

由各种原因导致的骨缺损的发病率较高，最常见的治疗方法是植入人工骨支架材料，一般为三维多孔材料。用于骨组织工程的三维支架材料应满足以下几个要求：(1)具有良好的生物相容性和生物降解性；(2)具有传导性，利于细胞粘附和增殖；(3)有一定强度，能对抗外力；(4)易于塑形，可根据需要加工成各种形状和大小。考虑到传统支架材料需要进行二次手术的问题，目前国内外研究较多的是聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物(PLGA)等可降解支架材料。这些材料其酸性降解产物有可能对细胞的活性产生不利影响，同时其亲水性、细胞相容性、力学强度等均尚待改进。

鉴于单一材料存在缺点，目前开发纳米复合材料成为支架材料研究的重点方向之一。中国专利200410052984.4中涉及了一种将水凝胶复合到多孔组织工程支架中的方法，使支架同时具备良好的机械性能和生物相容性。而将高分子材料和金属材料结合的复合材料，综合多种材料的优点，在组织工程化人工骨方面具有创新性和实用性，可在临床医学方面实现大范围应用。

化学水凝胶材料近年已经被广泛的应用于生物医学中，尤其是人工合成的聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)在眼科修复(隐形眼镜和眼内透镜)方面已经应用多年，另外澳洲首创的世界首例人工眼角膜(已正式批量生产)也是完全由pHEMA构成的。最新的研究表明，pHEMA有望在血管修复、药物释放体系和组织替代等领域应用取得突破。TiO₂是金属元素Ti的氧化物中在生物体中唯一稳定的物质，TiO₂具有很好的细胞相容性和组织相容性。HA是一种生物活性材料，在生物特性方面具有良好的生物相容性，也是骨组织的主要成分。所以从生物相容性讲，pHEMA、TiO₂和HA都是十分优秀的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有可降解支架材料的酸性降解产物有可能对细胞的活性产生不利影响，同时其亲水性、细胞相容性、力学强度等均尚待改进的缺陷，提供一种TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架，它由聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)、TiO₂纳米颗粒和羟基磷灰石(Ca₅(PO₄)₃(OH)，HA)构成，聚甲基丙烯酸羟乙酯中加入质量百分数为1～20％的TiO₂纳米颗粒形成支架材料，支架材料的内外表面上沉积有1～10μm的羟基磷灰石层。

本发明的TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架可以按照下述两种方法进行制备。

方法一：a、采用光致交联盐沥滤方法制备三维多孔的聚甲基丙烯酸羟乙酯，并加入TiO₂纳米颗粒，得到TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

方法二：a、通过溶胶凝胶法制备大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯，然后加入TiO₂纳米颗粒，采用熔化成型微粒沥滤法制备TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

本发明在具有三维连通大孔结构的pHEMA骨支架材料中加入TiO₂纳米颗粒，在增强其强度的同时，还能参与骨形成，与Ca²⁺结合形成的钛酸钙成为骨组织的一部分。并在大孔结构的pHEMA骨支架材料内外表面通过钙化处理沉积一层HA，使其诱导骨组织的生长，与骨形成牢固的化学结构，并与体内的组织环境交互作用，实现骨组织的进一步生长，使植入材料能与体内组织达到很好的连接，从而实现骨组织的完美修复。

本发明TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架构成中的三维连通大孔结构的聚合物pHEMA，其孔径范围为100～1000μm，孔隙率在70％以上。

上述形成TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA中，TiO₂纳米颗粒与pHEMA分子共价键结合，TiO₂纳米颗粒尺寸为10～50nm，其质量百分数为1～20％。

上述骨组织支架加有TiO₂纳米颗粒，提高其强度和韧性，并易于塑形加工。可根据骨损伤部位形貌或骨修复的需要，加工成各种形状和大小，如立方体、片状、圆柱体、球体等，也可再进一步加工成其他复杂形状。

本发明将聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)、TiO₂纳米颗粒和羟基磷灰石(Ca₅(PO₄)₃(OH)，HA)三种生物相容性良好的生物材料利用纳米技术和化学工艺进行完美组合，做成骨组织支架，无致畸、致癌等不良反应以及任何毒副作用，且pHEMA不降解，无降解产物，不会对细胞活性造成影响。而同时加入TiO₂纳米颗粒和沉积HA都使支架力学性能提高，能起到支撑作用，沉积的HA能诱导新骨更快更多的生成。因此这是一种符合骨组织细胞生长、分化、以及骨组织器官生物力学要求的骨组织支架材料。在指(趾)骨、胫骨、椎骨、尺骨、桡骨等骨损伤修复方面以及在口腔与颌面外科等方面具有很大应用潜力。

附图说明

图1为本发明的TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA骨组织支架整体结构图，图2为TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架材料的局部剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和2所示，实施方式的TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架由聚甲基丙烯酸羟乙酯1、TiO₂纳米颗粒2和羟基磷灰石3构成，聚甲基丙烯酸羟乙酯1中加入TiO₂纳米颗粒2形成支架材料，支架材料的内外表面上沉积有羟基磷灰石层3。本实施方式中所述聚甲基丙烯酸羟乙酯具有三维连通大孔结构，孔径范围为100～1000μm，孔隙率在70％以上；TiO₂纳米颗粒的尺寸为10～50nm，加入的质量百分数为1～20％；羟基磷灰石层的厚度为1～10μm。

具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤制备TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架：a、采用光致交联盐沥滤方法制备三维多孔的聚甲基丙烯酸羟乙酯，并加入TiO₂纳米颗粒，得到TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

本实施方式中所述聚甲基丙烯酸羟乙酯具有三维连通大孔结构，孔径范围为100～1000μm，孔隙率在70％以上；TiO₂纳米颗粒的尺寸为10～50nm，加入的质量百分数为1～20％；尿素的浓度为2mol/l。

具体实施方式三：本实施方式按照如下步骤制备TiO₂纳米颗粒增强大孔隙pHEMA骨组织支架：a、通过溶胶凝胶法制备大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯，然后加入TiO₂纳米颗粒，采用熔化成型微粒沥滤法制备TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

具体实施方式四：本实施方式是这样实现的：

(1)采用光致交联盐沥滤技术(Biomaterials 21(2000)2163-2169，Preparationof macroporous poly(2-hydroxyethyl methacrylate)hydrogels by enhanced phaseseparation)制备三维多孔的pHEMA，并加入TiO₂纳米颗粒：

a、取lg光致引发剂(BAPO)溶于二氯甲烷中，然后分别加入加热到粘稠状的pHEMA(0.5ml/g)和80wt.％、粒度为300～500μm的NaCl晶体，同时加入5wt.％、粒度为20nm的TiO₂纳米颗粒；b、将上述混合物倒入圆柱状聚乙烯铸型中，置于UV养护室中，用365nm的UV射线(15W)照射30min；c、将所得产物在150ml水中浸泡72h，每隔2h换一次水；d、将水凝胶在70℃下干燥12h，在真空条件下干燥48h，然后置于水中保存，所得到三维多孔骨支架的孔隙直径范围为300～500μm，孔隙率大约为70％。

(2)将制备好的TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA浸到含有高浓度尿素(2M)的HA盐酸溶液中，溶液pH值为2.5。将溶液从室温下逐渐加热到90～95℃，控制加热速率为0.3℃/min，不搅拌。随着温度的升高，尿素开始分解，溶液的pH值也逐渐上升至8。然后在95℃的温度下矿化处理12h，在pHEMA表面及孔隙内部形成了大约7μm的磷酸钙层。

将此骨组织支架加工成适宜的形状和大小，杀菌消毒后植入到兔子的头盖骨缺损部位，同时植入传统的骨组织支架。1～2个月后同时取出，比较观察发现，pHEMA支架四周及内部形成的片状新骨比传统支架形成的量多，骨缺损范围比传统支架明显要小，最终新骨完全填充骨缺损区域，与宿主骨自然连接。通过力学测试系统测得此骨组织支架的弹性模量比传统支架提高很多，因此在形成的大量新骨中起到了支撑作用。

具体实施方式五：本实施方式是这样实现的：

(1)制备TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA方法同具体实施方式三，其中TiO₂纳米颗粒用量为10wt.％，粒度为30nm。

(2)将制备好的TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA浸到含有高浓度尿素(2M)的HA盐酸溶液中，溶液pH值为3。将溶液从室温下逐渐加热到90～95℃，控制加热速率为0.5℃/min，不搅拌。随着温度的升高，尿素开始分解，溶液的pH值也逐渐上升至8。然后在95℃的条件下矿化处理l0h，在pHEMA表面及孔隙内部形成了大约5μm的磷酸钙层。

将此骨组织支架加工成适宜的形状和大小，杀菌消毒后植入到兔子的趾骨缺损部位，同时植入传统的骨组织支架。1～2个月定期比较观察发现，pHEMA支架四周及内部形成的片状新骨比传统支架形成的量多，骨缺损范围比传统支架明显要小，最终新骨完全填充骨缺损区域，与宿主骨自然连接。通过力学测试系统测得此骨组织支架的弹性模量为40Gpa，比传统支架提高很多，与自然骨接近，因此在形成的大量新骨中起到了支撑作用。

具体实施方式六：本实施方式是这样实现的：

(1)采用熔化成型微粒沥滤法制备TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA：

通过溶胶凝胶法(Polymer 46(2005)1865-1877，Structural characteristics andproperties of silica/poly(2-hydroxyethylmethacrylate)(PHEMA)nanocompositesprepared by mixing colloidalsilica or tetraethyloxysilane(TEOS)with PHEMA)在pHEMA中加入TiO₂纳米颗粒(直径为15nm)：将HEMA单体与甲醇按照1∶8的重量比混合，然后向其中加入20wt.％TiO₂溶胶，将上述混合物装入一个封闭的反应容器中，在60℃的条件下反应72h，反应结束后进行干燥。

将制备好的pHEMA切成16mm的圆片，放在直径为18mm的黄铜铸型中，其底部已铺有一层NaCl晶体(尺寸为200～300μm)，在pHEMA上再撒一层NaCl晶体，质量为0.9g。先在20～30Mpa、180℃的条件下进行热压1min，然后在50～60Mpa、180℃的条件下热压30s。热压后，取出，浸于水中一天，每2小时换水一次，得到孔隙直径为200～300μm、孔隙率大约是90％的骨组织支架。

(2)TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的pHEMA钙化处理与具体实施方式四相同；

将此骨组织支架加工成适宜的形状和大小，杀菌消毒后植入到兔子的椎骨缺损部位，同时植入传统的骨组织支架。1～2个月定期比较观察发现，pHEMA支架四周及内部形成的片状新骨比传统支架形成的量多，骨缺损范围比传统支架明显要小，最终新骨完全填充骨缺损区域，与宿主骨自然连接。通过力学测试系统测得此骨组织支架的弹性模量为40GPa，比传统支架提高很多，与自然骨接近，因此在形成的大量新骨中起到了支撑作用。

Claims

1、TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架，其特征在于骨组织支架由聚甲基丙烯酸羟乙酯、TiO₂纳米颗粒和羟基磷灰石构成，聚甲基丙烯酸羟乙酯中加入质量百分数为1～20％的TiO₂纳米颗粒形成支架材料，支架材料的内外表面上沉积有1～10μm的羟基磷灰石层。

2、根据权利要求1所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架，其特征在于聚甲基丙烯酸羟乙酯具有三维连通大孔结构，孔径范围为100～1000μm，孔隙率在70％以上。

3、根据权利要求1所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架，其特征在于TiO₂纳米颗粒的尺寸为10～50nm。

4、权利要求1所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于它按照如下步骤进行制备：a、采用光致交联盐沥滤方法制备三维多孔的聚甲基丙烯酸羟乙酯，并加入TiO₂纳米颗粒，得到TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

5、根据权利要求4所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于TiO₂纳米颗粒的尺寸为10～50nm，加入的质量百分数为1～20％。

6、根据权利要求4所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于尿素的浓度为2mol/l。

7、权利要求1所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于它按照如下步骤进行制备：a、通过溶胶凝胶法制备大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯，然后加入TiO₂纳米颗粒，采用熔化成型微粒沥滤法制备TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料；b、将TiO₂纳米颗粒增强的三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料浸到含有尿素的羟基磷灰石盐酸溶液中，溶液pH值为1～5，将溶液从室温逐渐加热到90～100℃，控制加热速率为0.1～0.5℃/min，不搅拌；c、然后在95～100℃的条件下进行矿化处理，得到内外表面沉积有厚度为1～10μm羟基磷灰石层的TiO₂纳米颗粒增强三维连通大孔聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架材料。

8、根据权利要求7所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于TiO₂纳米颗粒的尺寸为10～50nm，加入的质量百分数为1～20％。

9、根据权利要求7所述的TiO₂增强聚甲基丙烯酸羟乙酯骨组织支架的制备方法，其特征在于尿素的浓度为2mol/l。