CN1775306A - 多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，属于生物工程及材料科学技术领域。首先制备纳米径粒羟基磷灰石，然后制备胶原溶液，在羟基磷灰石粉体中加入胶原溶液，最后将灰石和胶原的混合膏状物冷冻干燥成为多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨。用本法制备的人工骨，其成分类似天然骨，具有传导作用强、孔隙率高、孔隙交通好等优点，有利于骨细胞生长；低结晶度的纳米羟基磷灰石，有利于人工骨的降解吸收和自体骨的重建；生物相容性好，pH值中性，降解过程没有酸性反应，不会引起非感染性炎症或排斥反应，其中的胶原在被机体降解吸收的过程中可为骨细胞的长入不断腾出空间，为临床骨科手术提供了一种优质的全新骨科植入材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，用于修复骨缺损和骨裂，属于生物工程及材料科学技术领域。
背景技术
骨骼移植是仅次于输血的需求量最大的移植物，由于事故或疾病造成骨缺损是临床常见病例。目前常用的修复材料有自体骨、异体骨及人工合成材料，这些材料均在不同程度上存在不足，不能满足临床需要。如自体骨移植虽无免疫排斥反应，修复效果良好，但取材十分有限，且造成供区的骨缺损；同种异体骨移植容易引起免疫排斥反应，修复效果差，并有传染病毒性疾病的危险，而且取样、处理、存储的成本高，其应用收到很大限制；人工合成材料如聚甲丙烯酸甲酯、硫化硅橡胶等都是非降解材料，不能修复缺损区。目前研究的重点致力于找出具有良好的理化性质、生物学特性的生物材料作为骨移植物。利用磷酸钙类物质作为骨移植材料经过近百年的历史，目前仍有广泛的应用前景，但传统的磷酸钙类物质如羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)等无孔或孔径小，孔隙交通达不到骨单位内向生长的结构要求，临床应用受到一定限制。生物活性磷酸钙陶瓷具有良好的生物相容性、骨传导性、骨诱导性，因而广泛用于骨科和牙科骨修复。但由于羟基磷灰石具有陶瓷材料固有的脆性大、韧性低等缺点，不能用于负重部位骨缺损的修复。目前临床上常用的珊瑚羟基磷灰石虽然有较好的孔隙交通和足够的机械强度，但仍存在脆性大、韧性低、可降解性差、修复能力弱等缺点，只能作为骨科的填充材料。
骨组织中的有机成份主要为羟基磷灰石(HA)和胶原。生物羟基磷灰石属于生物活性陶瓷，其组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，还含有能与人体组织发生键合的羟基(-OH)基团。HA具有与骨组织相似的化学成份、晶体结构、摩擦系数、比重、导热性及绝对强度。胶原具有良好的生物相容性、低免疫原性、促进细胞粘附、生长、繁殖的功能，因而作为一种临床生物材料有许多生物医学应用。为了模仿天然骨的组成和结构，已开发出许多用于骨修复的磷酸钙陶瓷/胶原复合材料。然而，复合材料中烧结的高结晶度磷酸钙陶瓷颗粒在体内几乎不被降解吸收和重建，因而，影响了复合材料的骨修复能力。天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成的，因此为了模仿天然骨的成分、结构和特性，制备纳米羟基磷灰石/胶原复合支架材料是生物材料研究的热点之一。据报道，清华大学研制的纳米相钙磷盐胶原高分子骨复合材料具有较好的骨修复效果，但从其生产工艺及产品来看，仍存在机械强度不够、脆性大、韧性低、孔隙率低、无内连孔结构(孔隙交通差)等缺陷。内连孔结构有利于长入材料深部的血管彼此相通，以保证长入材料深部组织的营养供应。除材料与受植床的结合外，多孔结构为机体骨组织的长入、形成机械性内锁、增强植入材料的结合，为固位创造了条件。多孔表面利于血管和软组织长入，而孔径互相连通又是骨内向生长的先决条件，互相连通有利于细胞和体液在体内流动、组织代谢，骨质长入微孔和大量外骨痂共同构成牢固的“生物性固定”，微孔构成巨大表面积，为骨沉积提供良好的基质。
发明内容
本发明的目的是提出一种多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，将动物胶原与纳米粒径的羟基磷灰石结合，冷冻干燥制成高孔隙率、具有良好孔隙交通的复合人工骨，以更好地满足临床需要。
本发明提出的多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纳米径粒羟基磷灰石：
将含Ca2+的化合物溶于去离子水中，配制Ca2+浓度为0.2～0.8mol/L的溶液，边搅拌边加入含PO4 3-的化合物，使Ca与P的摩尔比为1～1.67，然后边搅拌边加入NaOH溶液至PH值为7～8，抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中90～150℃下干燥48～96小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体；
(2)制备胶原溶液：
取猪腿、牛腿或马腿的肌腱，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱浸泡于0.1％的磷酸溶液中，并加入胃蛋白酶，使每毫升磷酸溶液中的胃蛋白酶为10～15国际活性单位，充分混匀，在室温下浸泡50～100小时，将浸泡液过滤除渣，得到胶原溶液，浓度为1～1.2×10-2g/ml；
(3)在上述制备的羟基磷灰石粉体中加入胶原溶液，每毫升胶原溶液中加入0.25～0.3g羟基磷灰石粉体，充分搅拌混匀，用NaOH溶液调至PH值为7～8；
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物冷冻干燥成为多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨。
用本发明所述的方法制备的多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨，具有类似天然骨的成分；其中低结晶度的纳米羟基磷灰石，有利于人工骨的降解吸收和自体骨的重建；传导作用强；人工骨的孔隙率高，孔隙交通好，有利于骨细胞生长；该人工骨的生物相容性好，PH值为中性，降解过程中没有酸性反应，因此不会引起手术后的非感染性炎症或排斥反应，而且其中的胶原在被机体降解吸收的过程中，为骨细胞的长入不断腾出空间。
具体实施方式
本发明提出的多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，纳米径粒羟基磷灰石的制备中，将含Ca2+的化合物溶于去离子水中，配成0.2～0.8mol/L的Ca2+溶液，边搅拌边加入含磷离子(PO4 3-)的化合物，使Ca/P的摩尔比为1～1.67。然后边搅拌边加入NaOH溶液至PH值为7～8，当PH值为6时即开始出现沉淀，随着PH值的升高，沉淀越来越多，溶液越来越浑浊，待PH值升至7～8即停止NaOH的滴入。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中90～150℃下干燥，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。上述含Ca2+的化合物包括氯化钙(CaCl2)、硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)等；上述含磷离子(PO4 3-)的化合物包括磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、磷酸(H3PO4)等。胶原溶液的制备过程为，取猪腿、牛腿或马腿的肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱浸泡于0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入胃蛋白酶(10～15U/ml)，充分混匀，在室温下浸泡50～100小时，将浸泡液过滤除渣，滤液的浓度要求达到1～1.2×10-2g/ml。然后在羟基磷灰石粉体中加入胶原溶液(每ml胶原溶液中加入0.25～0.3g羟基磷灰石千粉)，充分搅拌混匀，用NaOH溶液调至PH值为7～8。将羟基磷灰石和胶原的混合膏状沉淀物冻干成为多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨。冷冻干燥的温度控制流程为：经3小时从室温降至-40℃，保温2小时，冻实后抽真空升华10小时，经4小时升温至0℃，每小时升温10℃，0℃保温4小时，经1小时升温至15℃，15℃保温1小时，经1小时升温至25℃，紧接着经1小时升温至35℃，保温5小时，去真空。
下面介绍本发明的实施例：
实施例一
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取44g CaCl2.2H2O溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入17血H3PO4，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为7.5。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中100℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的猪腿的肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1200U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.08×10-2g/ml。
(3)称取250g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为7.3。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×3cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
实施例二
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取50g CaCl2.2H2O溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入26g磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为8.0。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中98℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的牛腿的肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1000U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.18×10-2g/ml。
(3)称取280g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为7.5。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×3.5cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
实施例三
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取189g硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入68g磷酸氢二钠(Na2HPO4)，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为7.4。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中95℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的马腿肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1500U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.2×10-2g/ml。
(3)称取260g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为7.0。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×3cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
实施例四
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取189g硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入63g磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为7.2。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中98℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的猪腿肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1100U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.18×10-2g/ml。
(3)称取300g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为8.0。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×2.5cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
实施例五
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取29.4g CaCl2.2H2O溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入16g磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为7.9。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中100℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的牛腿肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1200U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.08×10-2g/ml。
(3)称取270g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为7.2。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×3cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
实施例六
(1)纳米径粒羟基磷灰石的制备
称取118g硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)溶于1000ml去离子水中，搅拌使其充分溶解，边搅拌边加入29ml H3PO4，然后边搅拌边加入1mol/L的NaOH溶液至PH值为7.2。抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中98℃下干燥48小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体。
(2)胶原溶液的制备
取经检疫后合格的马腿肌腱，仔细剔除脂肪和肌肉组织后用洗洁精洗涤去除肌腱表面的油脂，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱25g浸泡于1000ml 0.1％的磷酸(分析纯)溶液中，并加入1100U(国际单位)的胃蛋白酶，充分混匀，在室温下浸泡70～80小时，过滤除渣，使滤液的浓度达到1.18×10-2g/ml。
(3)称取275g羟基磷灰石干粉加入1000ml胶原溶液，充分搅拌混匀，用3mol/L的NaOH溶液调至PH值为8.0。
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物倒入20×10×3cm3的不锈钢托盘中，抹平，冻干成为多孔的固体即为羟基磷灰石/胶原复合人工骨。
(5)将上述人工骨裁切成2×1×2.5cm3的块状物，密封包装，钴源辐照消毒。
Claims (4)
1、一种多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)制备纳米径粒羟基磷灰石：
将含Ca2+的化合物溶于去离子水中，配制Ca2+浓度为0.2～0.8mol/L的溶液，边搅拌边加入含PO4 3-的化合物，使Ca与P的摩尔比为1～1.67，然后边搅拌边加入NaOH溶液至PH值为7～8，抽滤收集沉淀，用去离子水洗涤3次，抽滤，滤饼置于干燥箱中90～150℃下干燥48～96小时，研磨后得到粒径为纳米量级的羟基磷灰石粉体；
(2)制备胶原溶液：
取猪腿、牛腿或马腿的肌腱，用去离子水漂洗后将肌腱粉碎至颗粒度为3～6毫米，将粉碎后的肌腱浸泡于0.1％的磷酸溶液中，并加入胃蛋白酶，使每毫升磷酸溶液中的胃蛋白酶为10～15国际活性单位，充分混匀，在室温下浸泡50～100小时，将浸泡液过滤除渣，得到胶原溶液，浓度为1～1.2×10-2g/ml；
(3)在上述制备的羟基磷灰石粉体中加入胶原溶液，每毫升胶原溶液中加入0.25～0.3g羟基磷灰石粉体，充分搅拌混匀，用NaOH溶液调至PH值为7～8；
(4)将上述羟基磷灰石和胶原的混合膏状物冷冻干燥成为多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的含Ca2+的化合物为CaCl2或硝酸钙。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的为(NH4)2HPO4、Na2HPO4或H3PO4中的任何一种
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的多孔胶原复合纳米羟基磷灰石人工骨的冷冻干燥的温度控制流程为：经3小时从室温降至-40℃，保温2小时，冻实后抽真空升华10小时，经4小时升温至0℃，每小时升温10℃，0℃保温4小时，经1小时升温至15℃，15℃保温1小时，经1小时升温至25℃，紧接着经1小时升温至35℃，保温5小时，去真空。
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