CN1799648A - 复合三维多孔骨组织工程支架材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合三维多孔骨组织工程支架材料及其制备方法，旨在提供一种力学性能好的复合三维多孔骨组织工程支架材料以及能够在低温和避免使用有机溶剂的情况下制备出该材料的方法。该材料由聚乳酸(PLA)、人骨基质、动物骨基质、骨基质明胶(Bone Matric Gel)以及完全脱钙骨为原料制备而成，制备方法包括将原料置于容器内，超临界处理，加压升温和压力释放步骤。本发明的复合三维多孔骨组织工程支架材料能够广泛应用于骨组织工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合三维多孔骨组织工程支架材料。
本发明还涉及一种复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法。
背景技术
常用的骨组织工程支架材料主要有人工合成材料、天然衍生材料和复合材料。人工合成材料和天然衍生材料各有优缺点，单独的成骨能力有限。为了增强材料的成骨和诱导骨能力，近年来，复合材料的研究逐步兴起。
目前，国内外常用的复合方法有溶液浇铸法、模压法、粒子沥滤法，这些方法都需要使用有机溶剂，但是有机溶剂通常难以清除，在组织培养时会对细胞产生毒性，影响组织细胞在体内形成新组织的能力。浸泡冻干法虽然避免使用有机溶剂，但是只适合于水溶性材料的制备，然而水溶性材料作为支架材料力学性能很差，不能满足骨组织工程支架材料需要，不可能作为硬骨组织的支架材料。2004年，Youngmee Jung提出一种新型模压法，该方法不使用有机溶剂，但必须经过浸析的步骤，在制备的过程中需要加热到210℃。
目前的复合方法还不能在低温和避免使用有机溶剂的情况下制备出非水溶性复合三维多孔骨组织工程支架材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够在低温和避免使用有机溶剂的情况下制备出非水溶性的复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种复合三维多孔骨组织工程支架材料。
为了解决上述技术问题，本发明的复合三维多孔骨组织工程支架材料，由聚乳酸(PLA)、人骨基质、动物骨基质、骨基质明胶(Bone Matric Gel)以及完全脱钙骨制成，所述各组分质量份数如下：
聚乳酸 30～100
人骨基质 0～70
动物骨基质 0～70
骨基质明胶 0～60
完全脱钙骨 0～60。
所述各组分采用粉状，其中人骨基质、动物骨基质优选其冻干粉。所述冻干粉采用现有技术制备。
一种复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将原料聚乳酸(PLA)、人骨基质、动物骨基质、骨基质明胶(Bone MatricGel)以及完全脱钙骨置于实际所需的模具形状的容器内；
(2)超临界处理：将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将零度以下的二氧化碳压进反应釜内；
(3)加压升温：增加反应釜内压力达到7.31～30MPa，升高反应釜内温度达到32～65℃；
(4)压力释放：经过30～120分钟后，释放压力，使反应釜内压力降至大气压力。
优选方案：所述释放压力是通过排气方式释放压力，所述排气速率为0.1MPa/min～10MPa/min。
所述容器优选方块状、园片状、球形、半球形、梯形或契形。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明的复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法，不需要使用有机溶剂，操作温度低、无毒、传质快、材料易成型、无残留物质，过程简单，可操作性强。
(2)本发明的复合三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，具有良好的的力学性能。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明的复合三维多孔骨组织工程支架材料及其制备方法作进一步详细描述。
实施例1
将粉状原料置于方块状的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-1℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到7.31MPa，升高反应釜内温度达到65℃；经过30分钟后，排气释放压力，排气速率为0.1MPa/min，使反应釜内压力降至大气压力；原料组成如下：聚乳酸30克，人骨基质冻干粉70克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，抗压缩强度为1.24Mpa，将该复合材料植入大鼠股骨肌袋进行动物实验，四周后可见被肌肉组织所包裹，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，无明显的纤维包裹，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例2
将粉状原料置于园片状的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-5℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到30MPa，升高反应釜内温度达到32℃；经过120分钟后，排气释放压力，排气速率为10MPa/min，使反应釜内压力降至大气压力；原料组成如下：聚乳酸100克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料，压缩强度为5.92Mpa，动物实验结果表明植入材料周围肌肉组织形态正常，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例3
将粉状原料置于半球形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-10℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到8.56MPa，升高反应釜内温度达到60℃；经过40分钟后，自然释放压力，使反应釜内压力降至大气压力；原料组成如下：聚乳酸30克，动物骨基质冻干粉70克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，抗压缩强度为1.19Mpa，植入大鼠股骨肌袋后，可以观察到植入材料与肌肉组织接触界面良好，无明显的纤维包裹，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例4
将粉状原料置于球形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-20℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到9.89MPa，升高反应釜内温度达到55℃；经过50分钟后，排气释放压力，排气速率为0.5MPa/min，使反应釜内压力降至大气压力；原料组成如下：聚乳酸30克，人骨基质冻干粉10克，骨基质明胶60克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.34Mpa，动物实验结果表明植入材料周围肌肉组织形态正常，无纤维包裹，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例5
将粉状原料置于梯形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-14℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到15MPa，升高反应釜内温度达到50℃；经过60分钟后，排气释放压力，排气速率为1.1MPa/min，使反应釜内压力降至大气压力，原料组成如下：聚乳酸30克，人骨基质冻干粉10克，骨基质明胶60克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.29Mpa，植入大鼠股骨肌袋四周后，可以观察到间充质细胞向骨粉贴附，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例6
将粉状原料置于契形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-4℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到20MPa，升高反应釜内温度达到35℃；经过110分钟后，排气释放压力，使反应釜内压力降至大气压力，排气速率为3MPa/min，原料组成如下：聚乳酸30克，人骨基质10克，完全脱钙骨60克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.27Mpa，动物实验植入后可见材料被肌肉组织所包裹，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，呈现松质骨样结构，有良好的生物相容性。
实施例7
将粉状原料置于球形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-34℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到25MPa，升高反应釜内温度达到45℃；经过100分钟后，排气释放压力，使反应釜内压力降至大气压力，排气速率为5MPa/min；原料组成如下：聚乳酸40克，人骨基质冻干粉10克，动物骨基质冻干粉10克，骨基质明胶10克，完全脱钙骨30克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.36Mpa，动物植入实验结果表明植入材料周围肌肉组织形态正常，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例8
将粉状原料置于半球形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-40℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到18MPa，升高反应釜内温度达到48℃；经过70分钟后，排气释放压力，使反应釜内压力降至大气压力，所述排气速率为2MPa/min，原料组成如下：聚乳酸50克，人骨基质5克，动物骨基质45克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.47Mpa，将该复合材料植入大鼠股骨肌袋进行动物实验，四周后可见被肌肉组织所包裹，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例9
将粉状原料置于圆柱形的容器内；将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将-6℃的二氧化碳压进反应釜内；增加反应釜内压力达到13MPa，升高反应釜内温度达到48℃；经过80分钟后，排气释放压力，使反应釜内压力降至大气压力，排气速率为0.3MPa/min，原料组成如下：聚乳酸60克，动物骨基质5克，骨基质明胶35克。得到的三维多孔骨组织工程支架材料复合均匀，压缩强度为1.21Mpa，将该复合材料植入大鼠股骨肌袋进行动物实验，结果表明间充质向植入材料内长入，呈现松质骨样结构，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例10
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.200g、人骨基质材料0.060g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于圆形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在20MPa，35℃的条件下处理60min，取出样品，得到白色的圆柱状的PLA/人骨基质复合三维多孔支架材料。材料复合均匀，压缩强度为2.32Mpa动物植入实验结果表明植入材料周围肌肉组织形态正常，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例11
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.200g、动物骨基质材料0.100g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于圆形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在23MPa，38℃的条件下处理90min，取出样品，得到白色的圆柱状的PLA/动物骨基质复合三维多孔支架材料，材料复合均匀，压缩强度为2.29Mpa动物植入实验结果表明植入材料与肌肉组织接触界面良好，无明显的纤维包裹，有良好的生物相容性。
实施例12
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.200g、骨基质明胶0.100g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于方形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在20MPa，35℃的条件下处理120min，取出样品，得到淡黄色的方块状的PLA/骨基质明胶复合三维多孔支架材料，材料复合均匀，压缩强度为1.61Mpa将该复合材料植入大鼠股骨肌袋进行动物实验，结果表明植入材料周围肌肉组织形态正常，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例13
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.200g、完全脱钙骨0.120g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于圆形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在26MPa，35℃的条件下处理90min，取出样品，得到淡黄色的圆柱状的PLA/完全脱钙骨复合三维多孔支架材料，材料复合均匀，压缩强度为1.58Mpa材料植入大鼠股骨肌袋四周后可以观察到材料被肌肉组织所包裹，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例14
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.300g、动物骨基质材料0.150g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于圆形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在7.31MPa，32℃的条件下处理70min，取出样品，得到白色的圆柱状的PLA/动物骨基质复合三维多孔支架材，材料复合均匀，压缩强度为2.17Mpa材料植入大鼠股骨肌袋四周后间充质向植入材料内长入，呈现松质骨样结构，聚乳酸逐渐降解吸收，内可见散在骨粉，没有明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
实施例15
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.200g、完全脱钙骨0.120g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于方形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在30MPa，65℃的条件下处理90min，取出样品，得到淡黄色的方块状的PLA/完全脱钙骨复合三维多孔支架材料，材料复合均匀，压缩强度为1.62Mpa，动物实验植入后可见材料被肌肉组织所包裹，间充质沿材料孔隙向植入材料内长入，呈现松质骨样结构，有良好的生物相容性。
实施例16
将细粉状聚乳酸PLA(Mn＝1×105)0.400g、动物骨基质材料0.060g，人骨基质材料0.100g，骨基质明胶0.150g，完全脱钙骨0.100g于玛瑙研砵中研磨混合均匀，置于圆形的模具容器中，然后把该模具放在SC-CO2设备的0.50L反应釜中，在25MPa，38℃的条件下处理90min，取出样品，得到黄色的圆柱状的PLA/动物骨基质/人骨基质材料/骨基质明胶/完全脱钙骨复合三维多孔支架材料，材料复合均匀，压缩强度为1.37Mpa，材料植入大鼠股骨肌袋后，植入材料周围肌肉组织形态正常，无明显的纤维包裹，无明显的炎症反应，有良好的生物相容性。
Claims (5)
1、一种复合三维多孔骨组织工程支架材料，其特征在于由聚乳酸(PLA)、人骨基质、动物骨基质、骨基质明胶(Bone Matric Gel)以及完全脱钙骨制成，所述各组分质量份数如下：
聚乳酸 30～100
人骨基质 0～70
动物骨基质 0～70
骨基质明胶 0～60
完全脱钙骨 0～60。
2、根据权利要求1所述的复合三维多孔骨组织工程支架材料，其特征在于所述的人骨基质、动物骨基质呈冻干粉状。
3、一种复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将原料聚乳酸(PLA)、人骨基质、动物骨基质、骨基质明胶(Bone MatricGel)以及完全脱钙骨置于呈模具形状的容器内；
(2)超临界处理：将容器置于超临界二氧化碳设备的反应釜中，密封，并通过液泵将零度以下的二氧化碳压进反应釜内；
(3)加压升温：增加反应釜内压力达到7.31～30MPa，升高反应釜内温度达到32～65℃；
(4)压力释放：经过30～120分钟后，释放压力，使反应釜内压力降至大气压力。
4、根据权利要求3所述的复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于通过排气方式释放压力，所述排气速率为0.1MPa/min～10MPa/min。
5、根据权利要求3所述的复合三维多孔骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于所述容器为方块状、园片状、球形、半球形、梯形或契形。
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