CN1718250A - 一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法，属于生物医用材料或生物复合材料技术领域。工艺包括：润滑层制备、生物活性层制备、多层结构水凝胶制备，将PVA/生物活性成分复合溶液注入在圆柱状或矩形的模具中，再注入PVA溶液，施加压力压实；注入PVA润滑层溶液，加压压实；将上述模具置于－10～－40℃的冰箱中，经反复冷冻—熔融2～8次，得到仿生多层结构软骨植入材料。优点在于：得到的软骨植入材料表层为耐磨润滑层，中间层为受力层，底层为骨生物活性连接层，在无水对磨时表面摩擦系数小于0.1，弹性模量大于15MPa，达到天然软骨的性能，实现了在满足软骨植入材料高的生物力学性能要求的同时，赋予其优异的表面润滑性和生物活性连接性。

Description

一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料或生物复合材料技术领域，特别是提供了一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法。

背景技术

在生物体中，软骨组织承受骨骼传导的负荷，能够吸收震荡，起到缓冲挤压应力和剪切应力以及减小关节面运动时的摩擦和磨损的作用。软骨由软骨细胞和基质组成，正常的成熟软骨细胞代谢缓慢，生长分化能力低。软骨组织一旦发生损伤或病变，其自身修复和自愈能力极其有限，必须进行关节软骨的修复和移植。软骨组织疾病是临床骨外科的常见现象，据统计我国每年大约有10万名是由软骨病变引起的关节病患者。目前临床上关节软骨的治疗主要采用自体或异体软骨移植和关节假体置换，但异体软骨移植存在供体来源有限、潜在传染病毒和免疫排斥等问题，因此必须研究和开发具有优异生物力学性能和替代软骨功能的人工软骨材料和植入体来满足关节软骨治疗的需求。

目前研究较多的人工软骨材料主要有金属-超高分子量聚乙烯对磨关节假体、硅橡胶、聚氨酯关节软垫材料、聚乙烯醇水凝胶等。这些软骨假体虽然在一定程度上能起到替代软骨的作用，但还存在易磨损松动、界面润滑性差、缺乏生物活性等不足，尤其在成分和结构上的单一性，很难真正实现代替软骨功能。例如，采用辐射交联和冷冻-熔融交联等方法可得到高结晶度的聚乙烯醇水凝胶弹性体，具有优异的强度、弹性和延展性能，以及良好的生物相容性、高含水量、多微孔组织和水透过性，其理化性能和生物学性能比其它人工合成材料更接近生物组织，是一种较理想的软骨替代材料。但PVA水凝胶表面光滑，没有生物活性，作为软骨假体植入关节部位时与骨基底的结合性能差，影响了软骨的固定和修复功能，我们采用PVA与生物活性羟基磷灰石复合来解决这个问题(有关技术已获得国家发明专利授权)，但同时又带来导致PVA润滑性下降的问题；而且现有的提高软骨假体表面润滑性的方法又可能使其生物力学性能下降。如何赋予软骨植入材料高的生物力学性能，同时使其具有优异的表面润滑性和生物活性连接性，这是国内外均没有解决的难题。

众所周知，成熟的关节软骨根据结构和功能变化可分为浅表层、中层、深层和钙化层。其中浅表层的细胞呈梭形，长轴平行于关节面，胶原纤维沿切线方向排列，主要承受剪切负荷和润滑作用；中层和深层的软骨细胞渐呈椭圆形、圆形、直至柱形，胶原纤维粗大且垂直方向排列，主要承受挤压负荷；钙化层的钙化基质和深层的部分纵向纤维起着将关节软骨面牢固地固定在软骨下骨质上的作用。其不同层次的结构和功能保证了软骨的生物力学性能和生理功能。为此，本发明根据天然软骨的结构，提出了一种表层为耐磨润滑层，中间层为受力层，底层为骨生物活性连接层的新型仿生多层结构软骨植入材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法，通过该方法可以获得一种表层为耐磨润滑层，中间层为受力层，底层为骨生物活性连接层的仿生多层结构复合水凝胶人工软骨植入材料，从根本上解决了现有水凝胶软骨材料难以同时满足润滑性、生物活性和生物力学性能的问题，使人工软骨材料在结构和功能上与天然软骨更接近。

本发明的制备工艺如下：

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在85～95℃恒温水浴或110～150MPa压力锅中溶于的二次蒸馏水中，配制为重量百分比浓度为15～30％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：分别在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、壳聚糖、透明质酸或透明质酸钠(HA)，其中聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖加入量为PVA重量的5～40％，壳聚糖应在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小时后在加入PVA溶液中；HA先溶于生理盐水中配制为均匀溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的浓度为0.1～3％重量百分比。上述混合溶液在85～95℃下充分搅拌后，静置12～48小时或真空排气2～8小时，至气泡完全排除(溶液II)。

c、生物活性层制备：分别采用羟基磷灰石、珊瑚羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃和同种异体骨的颗粒或块体与PVA水溶液复合，可采用以下方法之一(1)分别将羟基磷灰石、珊瑚羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃和同种异体骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量为PVA重量的5～20％，并用超声分散仪处理1～5小时以上，得到均匀悬浮溶液III。(2)在剧烈搅拌下将重量百分比浓度为2％～20％的乙醇钙溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比为1.0～3.0配制成浓度H₃PO₄无水乙醇溶液，振荡搅拌均匀后，缓慢滴加到上述PVA溶液中，充分搅拌反应后得到PVA/纳米羟基磷灰石或PVA/纳米磷酸三钙复合溶液(溶液III)。(3)分别将多孔状羟基磷灰石，珊瑚羟基磷灰石，β-磷酸三钙，生物活性玻璃和同种异体骨等块体切割为正方体或圆柱体状，置于带活塞的模具中，注入PVA溶液并用活塞作用将其完全充满多孔材料中，得到液-固复合的混合溶液(溶液III)。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入在圆柱状或矩形的模具中，厚度为0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的压力压实；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为0.05～5mm，加压压实。

e、将上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷冻3～24小时，然后于15～40℃溶融2～10小时，经反复冷冻-熔融2～8次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：：

采用本发明提供的制备方法，可以得到一种表层为耐磨润滑层，中间层为受力层，底层为骨生物活性连接层的新型仿生多层结构软骨植入材料，与天然软骨的结构和功能相似，其不同层次的结构和功能保证了软骨的生物力学性能和生理功能，采用本方法得到的软骨植入材料的在无水对磨时表面摩擦系数可小于0.1，弹性模量可大于15Mpa，达到甚至超过天然软骨的性能；植入动物软骨8周后，可观察到有骨组织长入软骨植入体中，即软骨材料与骨基底形成了牢固的骨连接，实现了在满足软骨植入材料高的生物力学性能要求的同时，赋予其优异的表面润滑性和生物活性连接性。此外采用本方法所得到的多层材料，层与层之间紧密结合，在本体材料破坏前，各层之间不会明显分界或剥离，具有很好的结构和性能稳定性。

具体实施方式

实施例1

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在90℃恒温水浴中，配制为重量百分比浓度为15％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量为PVA重量的10％，混合溶液在90℃下充分搅拌后，静置24小时，至气泡完全排除后得到溶液II。

c、生物活性层制备：将珊瑚羟基磷灰石研磨至30μm以下，加入至90℃PVA水溶液中，珊瑚羟基磷灰石的含量为PVA重量的10％，并用超声分散仪处理3小时，得到均匀悬浮溶液III。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入在圆柱状或方形的模具中，厚度为1mm，施加0.3的压力压实；再注入溶液I，厚度2mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为0.5mm，加压压实。

e、将上述模具置入-20℃的冰箱中，冷冻6小时，然后于25℃溶融8小时，经反复冷冻-熔融4次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

实施例2

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在95℃恒温水浴中，配制为重量百分比浓度为30％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：将壳聚糖在0.5％的稀乙酸溶液中溶解24小时后，加入PVA溶液中，壳聚糖加入量为PVA重量的8％；将混合溶液在95℃下充分搅拌后，真空排气6小时，至气泡完全排除，得到溶液II。

c、生物活性层制备：将生物活性玻璃研磨至30μm以下，加入至95℃PVA水溶液中，其含量为PVA重量的15％，用超声分散仪处理5小时以上，得到均匀悬浮溶液III。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入在圆柱状的模具中，厚度为3mm，施加3Mpa的压力压实；再注入溶液I，厚度5mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为1mm，加压压实。

e、将上述模具置入-30℃的冰箱中，冷冻4小时，然后于30℃溶融10小时，经反复冷冻-熔融6次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

实施例3

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在125MPa压力锅中溶于的二次蒸馏水中，配制为重量百分比浓度为20％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：将透明质酸(HA)溶于生理盐水中配制为均匀溶液，加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的浓度为0.15％重量百分比。上述混合溶液在95℃下充分搅拌后，静置48小时，至气泡完全排除后得到溶液II。

c、生物活性层制备：在剧烈搅拌下将重量百分比浓度为5％的乙醇钙溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比为2.0配制成浓度H₃P_O4无水乙醇溶液，振荡搅拌均匀后，缓慢滴加到上述PVA溶液中，充分搅拌反应后得到PVA/纳米磷酸三钙复合溶液(溶液III)。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入在矩形模具中，厚度为5mm，施加5Mpa的压力压实；再注入溶液I，厚度8mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为2mm，加压压实。

e、将上述模具置入-20℃的冰箱中，冷冻10小时，然后于25℃溶融8小时，经反复冷冻-熔融8次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

实施例4

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在115MPa压力锅中溶于的二次蒸馏水中，配制为重量百分比浓度为25％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：将透明质酸钠(HA)溶于生理盐水中配制为均匀溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的浓度为2.5％重量百分比。上述混合溶液在90℃下充分搅拌后，真空排气8小时，至气泡完全排除得到溶液II。

c、生物活性层制备：多孔状同种异体骨块体切割为正方体，置于带活塞的模具中，注入PVA溶液并用活塞作用将其完全充满多孔材料中，得到液-固复合的混合溶液(溶液III)。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入矩形模具中，厚度为8mm，施加9Mpa的压力压实；再注入溶液I，厚度15mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为5mm，加压压实。

e、将上述模具置入-35℃的冰箱中，冷冻20小时，然后于35℃溶融8小时，经反复冷冻-熔融6次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

实施例5

a、将分析纯聚乙烯醇(PVA)精制后在95℃恒温水浴中，配制为重量百分比浓度为25％的均匀水溶液(溶液I)。

b、润滑层制备：在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量为PVA重量的20％，混合溶液在95℃下充分搅拌后，真空抽气6小时，至气泡完全排除后得到溶液II。

c、生物活性层制备：生物活性层制备：在剧烈搅拌下将重量百分比浓度为5％的乙醇钙溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比为1.67配制成浓度H₃PO₄无水乙醇溶液，振荡搅拌均匀后，缓慢滴加到上述PVA溶液中，充分搅拌反应后得到PVA/纳米羟基磷灰石复合溶液(溶液III)。

d、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入圆柱状模具中，厚度为4mm，施加1MPa的压力压实；再注入溶液I，厚度为8mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为2mm，加压压实。

e、将上述模具置入-20℃的冰箱中，冷冻6小时，然后于30℃溶融8小时，经反复冷冻-熔融4次，即得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

Claims (4)

1、一种仿生多层结构软骨植入材料的制备方法，其特征在于：制备工艺为：

a、润滑层制备：分别在PVA水溶液，称为溶液I中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP、壳聚糖、透明质酸或透明质酸钠HA，其中聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖加入量为PVA重量的5～40％，壳聚糖应在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小时后在加入PVA溶液中；HA先溶于生理盐水中配制为均匀溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的浓度为0.1～3％重量百分比；上述混合溶液在85～95℃下充分搅拌后，静置12～48小时或真空排气2～8小时，至气泡完全排除得到溶液II；

b、生物活性层制备：分别采用羟基磷灰石、珊瑚羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃和同种异体骨的颗粒或块体与PVA水溶液复合，得到PVA/生物活性成分复合溶液，称为溶液III；

c、多层结构水凝胶制备：将溶液III注入在圆柱状或矩形的模具中，厚度为0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的压力压实；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加压力压实；注入溶液II，厚度为0.05～5mm，加压压实；

d、将上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷冻3～24小时，然后于15～40℃溶融2～10小时，经反复冷冻-熔融2～8次，得到一种仿生多层结构软骨植入材料。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生物活性层溶液III的制备方法为：分别将羟基磷灰石、珊瑚羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃和同种异体骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量为PVA重量的5～20％，并用超声分散仪处理1～5小时以上，得到均匀悬浮溶液III。

3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生物活性层溶液III的制备方法为：在剧烈搅拌下将重量百分比浓度为2％～20％的乙醇钙溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比为1.0～3.0配制成浓度H₃PO₄无水乙醇溶液，振荡搅拌均匀后，缓慢滴加到上述PVA溶液中，充分搅拌反应后得到PVA/纳米羟基磷灰石或PVA/纳米磷酸三钙复合溶液。

4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：生物活性层溶液III的制备方法为：分别将多孔状羟基磷灰石，珊瑚羟基磷灰石，β-磷酸三钙，生物活性玻璃和同种异体骨等块体切割为正方体或圆柱体状，置于带活塞的模具中，注入PVA溶液并在活塞作用下将其完全充满多孔材料中，得到液-固复合的混合溶液。