一种骨组织修复材料及其制备方法和应用与流程

2021-01-31 04:01:46|

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本发明涉及骨组织工程材料领域，特别涉及一种骨组织修复材料及其制备方法和应用。

背景技术：

目前，骨组织替代材料由于市场需求巨大，是生物医学材料研究和应用中的热点。内源骨组织修复效果好，但这种疗法的推广使用因替代材料来源紧缺而受到限制；而外源骨组织修复存在明显的免疫排斥反应，还可能引入潜在的病原体和其他毒副反应。由此可知，研究、制备出一种高效、安全的人工仿生骨组织替代材料具有相当大的现实意义。

天然骨组织是由无机物矿物(主要为纳米羟基磷灰石)和天然高分子(主要为胶原蛋白)排列所组成的均一、有序的生物复合体。羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称ha)，化学式为ca10(po4)6(oh)2，其化学成分、晶体结构、物化性能都与人的正常骨中无机物组分相似，具有良好的骨传导性、生物相容性和生物活性。上述优点使羟基磷灰石获得了国内外的广泛关注，相关的研究和报道数以万计。但是纯羟基磷灰石材料具有固有脆性，弯曲强度低、韧性极低、降解速率极低，大大限制了其在骨移植方面的应用。

理想的仿生骨基质材料应该具有良好的生物学功能、力学性能、多孔性、细胞亲和性、骨诱导性以及材料降解消失与骨组织再生的时空匹配性。为克服羟基磷灰石的固有缺点，从仿生学角度出发，将纳米羟基磷灰石与天然有机物高分子复合，合成无机-有机复合仿生结构，在保持羟基磷灰石骨修复功能的同时提高材料的生物相容性和力学性能。生物矿化是完成这一任务的有效技术，其定义是：基于仿生原理，以生物大分子为模板，通过自组装控制无机晶体的生长，制备与天然骨组织类似的纳米复合结构。

现有技术中，中国专利“纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料及其制备方法和应用”(公开号cn101693774a)公开了一种纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的制备方法，具体是将天然高分子材料投入由乙醇、水和尿素组成的混合溶液中，加入磷酸二氢钠溶液和氧化钙溶液后密封反应；但该方法侧重于在温和条件下快速矿化的天然高分子材料，得到的主要产品是矿化的壳聚糖多孔海绵，由于纳米羟基磷灰石覆盖在壳聚糖多孔海绵表面，使用时会从壳聚糖多孔海面表面脱落。中国专利“矿化丝蛋白材料及其制备方法”(公开号cn1241654a)公开了一种矿化丝蛋白材料及其制备方法，其中有机成分为脱胶丝蛋白、矿物质为钙磷盐晶体，具体方法是在搅拌状态下向水溶性脱胶丝蛋白溶液中加入含钙离子溶液和含磷酸根离子的溶液，调节反应体系ph值，维持搅拌一起时间后将体系静置，重复离心、洗涤沉淀，然后将沉淀真空干燥来获得产品；该体系存在不恒温、容量大、ph偏离令羟基磷灰石最稳定的值和产物获得方法单一的问题。同时，在使用过程中，细小的矿化丝蛋白颗粒从植骨处部分或全部脱落的风险较高。

技术实现要素：

为了弥补现有技术存在的不足，本发明提供一种骨组织修复材料及其制备方法，该骨组织修复材料是一种多孔可塑性块状材料，吸水性好，吸水变软，羟基磷灰石颗粒不容易从骨组织修复材料中泄露，可用于口腔种植科、口腔修复科、骨科等外科常见的骨缺损修复；其制备方法操作简便、易于自动化、试剂清洁、成本低廉。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种骨组织修复材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在ph＝10～12的液相体系中，ca和p摩尔比为5:3的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐或磷酸在天然高分子a上发生原位共沉淀反应，沉淀物经干燥、研磨后形成羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒；

(2)将羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒与天然高分子b在液相体系中混合均匀后置于模具中进行真空冷冻干燥，然后用无水乙醇浸泡、烘干，得到具有固定形貌的骨组织修复材料；

天然高分子a与天然高分子b相同或不同。

一些实施例中，骨组织修复材料中羟基磷灰石的含量为50wt％～95wt％。

一些实施例中，原位共沉淀反应在37～40℃恒温水浴下进行。反应体系保持恒温37～40℃，可以最大限度地保持天然高分子的生物活性、营养成分和物理状态，使其在适宜条件下发挥生物矿化的促进作用；

一些实施例中，沉淀物用去离子水浸泡，并振荡，随后离心去除浸提液，重复以上步骤多次。

一些实施例中，步骤(1)中，可溶性钙盐和可溶性磷酸盐以固体形式加入液相体系，也可直接加入液相的磷酸，天然高分子a以溶液形式加入液相体系。本发明羟基磷灰石的前驱盐以固体形式直接投加，省去了配制前驱盐溶液的过程，节约了水资源。

一些实施例中，天然高分子a或天然高分子b的分子链上含-oh、-nh、-nh2、-nh3、-cooh中的至少一种。

一些实施例中，天然高分子a或天然高分子b为带电的天然多糖或天然蛋白，其中，带电的天然多糖为甲壳素、壳聚糖、壳寡糖、海藻酸、纤维素、透明质酸、果胶及其衍生物中的至少一种，带电的天然蛋白为胶原蛋白、丝素蛋白、丝胶蛋白及其衍生物中的至少一种，优选为丝素蛋白。

一些实施例中，可溶性钙盐为硝酸钙或氯化钙；可溶性磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸氢钾、磷酸钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢二铵中的至少一种。可溶性钙盐优选为硝酸钙，可溶性磷酸盐优选为磷酸钾。

优选地，步骤(1)中，液相体系通过氨水调节至ph＝10～12。

一些实施例中，产品的收集方式多样，对沉淀物干燥的方法包括真空冷冻干燥技术和鲜有人使用过的烘干技术，其中烘干方法获得的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒具有良好的粒度、显微形貌和结晶性。

一些实施例中，对沉淀物研磨后进行分级过筛，以获得不同规格的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒。

一些实施例中，羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒与天然高分子b在液相体系中混合均匀后置于模具中进行真空冷冻干燥，然后用无水乙醇浸泡、烘干，得到具有固定形貌的骨组织修复材料。

本发明还提供一种通过上述制备方法得到的骨组织修复材料，羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒粒径为0.2～1.5mm；骨组织修复材料的密度为0.45～0.50g/cm³，孔隙率为52～55％。该骨组织修复材料具有多孔结构，吸水性好，羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒与基体结合良好，羟基磷灰石不容易从骨组织修复材料中泄露，可用于口腔、四肢、颌面部等非承重部位骨组织缺损的修复填充以及良、恶性肿瘤切除导致的骨量不足。

本发明提供的骨组织修复材料的制备方法的原理如下：

天然高分子的分子链上含-oh、-nh、-nh2、-nh3和-cooh等极性基团，在反应中与钙离子发生作用而成为羟基磷灰石结晶的位点基质，同时，分子间静电斥力使天然高分子的分子链展开，进一步吸附ph为10～12的液相体系中的钙离子、磷酸根离子和氢氧根离子，从而促进羟基磷灰石晶体的生长，这个过程中天然高分子模板对羟基磷灰石结晶的成核和生长起调控作用，能保证原位合成的纳米羟基磷灰石粒子在复合有机基质中的分散，实现无机与有机的复合，形成硬度提高、粒度可调、形貌和结晶形态好的生物矿化-原位合成的羟基磷灰石-天然高分子复合材料；制得的骨组织修复材料经后续加工制成不同规格的羟基磷灰石-天然高分子纳米复合物颗粒；根据使用需求订制不同规格形状(如方形，圆柱形或不规则形状)，将羟基磷灰石-天然高分子纳米复合物颗粒与天然高分子溶液混合后，通过真空冷冻干燥彻底除去水分，用乙醇处理后烘干，得到具有固定形貌和孔隙率的骨组织修复材料。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点和有益效果：

本发明方法简单、易于自动化，快速有效，并且反应条件温和，耗能小，对反应设备要求低，所采用的材料均廉价易得；产品可制成不同形状的结构，以满足不同创面或缺损处的填充需求；所得产品具有一定的凝聚力，吸水后弹性增大，在植入骨缺损部位后不易散开，能有效避免羟基磷灰石颗粒散落或泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的骨组织修复材料的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1提供的骨组织修复材料的xrd图。

图3为本发明实施例2提供的骨组织修复材料的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图和数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的骨组织修复材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在ph＝10～12的液相体系中，ca和p摩尔比为5:3的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐(或磷酸)在天然高分子a上发生原位共沉淀反应，沉淀物经清洗、干燥、研磨、过筛后形成不同规格的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒；

其中，天然高分子a与天然高分子b相同或不同。

具体包括如下步骤：

(1)称取天然高分子a，天然高分子a的量为1.00～9.04重量份，优选为3.01～7.02重量份，更优选为4.02～5.02重量份；在37～40℃恒温水浴下将天然高分子a溶于200体积份去离子水中，或将高浓度天然高分子a的水溶液在37～40℃恒温水浴下稀释，所得天然高分子a水溶液的浓度为5～45g/l，优选为15～35g/l，更优选为20.1～25.1g/l。

(2)将天然高分子a水溶液置于37～40℃恒温水浴中，在转速为1000～1500rpm的搅拌条件下，加入含5.7重量份磷酸根的磷酸盐或磷酸，其中磷酸盐至少选自磷酸二氢钾、磷酸氢钾、磷酸钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢二铵中的一种，优选为磷酸二氢钠或磷酸钾，更优选是磷酸钾；待磷酸盐溶解后，按摩尔比ca/p＝5:3向反应体系中加入含4重量份钙离子的钙盐，其中，钙盐为硝酸钙或氯化钙，优选是硝酸钙；5-10分钟后，一次性加入足量氨水(nh3浓度为25-28wt％)，氨水的量为50-150体积份，优选为90-120体积份，更优选为100～110体积份；将搅拌转速调成600～700rpm，搅拌使其充分反应，搅拌时间为1～30h，优选为2～12h，更优选为3～6h。

(3)反应完成后停止搅拌，将反应产物在反应容器内于37～40℃的恒温条件下陈化，陈化时间为1～48h，优选为8～30h，更优选为12～24h，陈化期间间隔相同时间分多次向反应体系中添加氨水，保持体系ph值为10～12，优选为10.9～11.2。

(4)陈化完成后，去除上清液，将沉淀物转入离心管中，用去离子水清洗至清洗液用ph计测为中性即可。

(5)将洗净的沉淀物干燥，得到羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物；优选地，沉淀物可采用以下两种方法进行干燥：

方法一：将该沉淀物倒出、铺平在玻璃表面皿上，其厚度为0.1～2cm，优选为0.1～0.5cm，更优选为0.1～0.2cm，将沉淀物转入烘箱中烘干，烘箱温度设置为40℃，烘干时间为24～72h，优选为36～54h，更优选为40～50h；

方法二：将该沉淀物倒出、铺平在塑料表面皿上，其厚度为0.1～2cm，优选为0.1～0.5cm，更优选为0.1～0.2cm，将沉淀在-20℃冰箱内预冻过夜后转入真空冷冻干燥箱中冻干，冻干时间为5～36h，优选为8～18h，更优选为10～12h。

(6)将干燥的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物沉淀取出，初步敲碎，依次过10#筛子(孔径2mm)、18#筛子(孔径1mm)、35#筛子(孔径0.5mm)和60#筛子(孔径0.25mm)，以区分出0.25～0.5mm、0.5～1mm和1～2mm这三种规格，每次过筛后分别封装三种规格的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒，并将>2mm以及1～2mm规格的骨粉颗粒在研钵中稍加研磨、继续过筛，循环进行多次过筛、研磨的操作后，得到三种规格的羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒。该步骤中筛子的材料为304不锈钢，筛子的规格和组合系列不受所描述限制，筛子的规格包括10～1000目之间的所有规格，筛子的组合包括10～1000目之间所有规格的筛子构成的任意组合。

(7)将羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒与天然高分子b的水溶液混合，优选地，羟基磷灰石-天然高分子a纳米复合物颗粒质量与天然高分子b的水溶液体积比例在1g:1ml～1g:3ml之间；优选地，天然高分子b的溶液浓度为1wt％～10wt％；二者混合后放入订制的不同规格形状模具中，真空冷冻干燥除去水分后，再用无水乙醇浸泡24小时后烘干，得到具有固定形貌和孔隙率的骨组织修复材料。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，其目的在于帮助更好地理解本发明的技术方案，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例1

(1)称取可溶性丝素蛋白75.3g，投入到3l40℃恒温纯化水中，在150～1500rpm的搅拌下溶解10min，得到丝素蛋白溶液。

(2)称取十二水磷酸三钠342.1g，一次性投入步骤(1)得到的丝素蛋白溶液中，150～1500rpm搅拌至溶液澄清，向内一次性投入354.2g四水硝酸钙，继续进行搅拌；

(3)待反应体系出现大量乳白色沉淀后，加入1.5l浓氨水(nh3浓度为25～28wt％)，保证体系ph值在11左右，搅拌3小时使其充分反应。

(4)反应完成后停止搅拌，反应产物在反应容器内40℃恒温条件下陈化20h。

(5)倒出陈化后的反应产物。

(6)首先去除反应产物溶液，取离心瓶，将反应产物装入离心瓶中，溶液不超过离心瓶体积的2/3，离心转速5000rpm，时间7min，开始离心。待离心完成后，倒去上清液。

(7)开始清洗沉淀物，在离心瓶中加入纯化水，再次离心，如此反复清洗6次，至清洗液用ph计测为中性。

(8)将清洗干净的沉淀物倒入不锈钢托盘中，将羟基磷灰石平铺开，厚度不超过2cm，在40℃条件下，烘干48h。

(9)研磨沉淀物，依次过10目筛子(孔径2mm)、18目筛子(孔径1mm)、35目筛子(孔径0.5mm)和60目筛子(孔径0.25mm)，以区分出1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm和＜0.25mm这四种规格的颗粒，循环进行多次研磨、过筛直至所有沉淀物全部研磨成这四种规格的颗粒，该沉淀物为羟基磷灰石-丝素蛋白纳米复合物。

(10)将研磨好的沉淀物与质量浓度为5wt％的丝素溶液混合，浴比为1g：2ml；混合后放入直径为2cm的圆柱形模具中，于-20℃冰箱内冷冻结冰后再真空冷冻干燥48h除去水分，再用无水乙醇浸泡24小时，然后40℃烘干，得到骨组织修复材料。

如图1所示，对实施例1制备的骨组织修复材料进行电镜扫描发现：丝素蛋白形成了多孔的支架，对羟基磷灰石进行重重包围，使得羟基磷灰石不易从丝素蛋白支架内脱落或泄露。骨组织修复材料的孔隙率为55％，密度为0.47g/cm³，孔径为1～100μm，骨组织修复材料内包裹的羟基磷灰石颗粒的粒径为0.2～1.5mm。图2为实施例1制备的骨组织修复材料的xrd图，图中26°/32°/34.1°/39.7°/46.8°/49.5°/53.2°附近的衍射峰均为羟基磷灰石晶体特征峰，代表了羟基磷灰石颗粒结晶，证实骨组织修复材料中成功合成了羟基磷灰石晶体。

对产品进行吸水实验发现，骨组织修复材料吸水后的重量为干态骨组织修复材料的2.1倍，干态抗压缩强度为35n，抗拉强度为10n；湿态抗压缩强度为15n，抗拉强度为5n。结果表明，该骨组织修复材料的吸水性强，吸水后具有一定弹性，是一种良好的骨组织修复填充材料。

实施例2

(1)称取可溶性丝素蛋白60.5g，投入3l37℃恒温纯化水中，在1000rpm的搅拌下溶解10min，得到丝素蛋白溶液。

(2)将342.1g磷酸二氢钾一次性投入步骤(2)制备的丝素蛋白溶液中，以500～1000rpm的转速搅拌至溶液澄清，再向内一次性投入354.2g无水氯化钙，继续搅拌反应。

(3)待反应体系出现大量乳白色沉淀后，分批加入氢氧化钠溶液(浓度为3m)，保证体系ph值在11左右，继续搅拌3小时使其充分反应。

(4)待反应完成后停止搅拌，反应产物在反应容器内37℃恒温条件下陈化16h。

(5)倒出陈化后的反应产物。

(7)开始清洗沉淀，在离心瓶中加入纯化水，然后离心，如此反复清洗6次，至清洗液用ph计测为中性。

(8)将该沉淀物倒出、并铺平在塑料表面皿上，其厚度为0.2cm，将沉淀在-20℃冰箱内预冻过夜后转入真空冷冻干燥箱中冻干，冻干时间为12h。

(10)将研磨好的沉淀物与质量浓度为8wt％的丝素溶液混合，浴比为1g：2ml；混合后放入宽度为2cm的长方形模具中，-40℃真空冷冻干燥12h除去水分，再用无水乙醇浸泡24小时后，60℃烘干，得到骨组织修复材料。

如图3所示，对实施例2制备的骨组织修复材料进行电镜扫描发现：丝素蛋白形成了多孔的支架，对羟基磷灰石进行重重包围，使得羟基磷灰石不易从丝素蛋白支架内脱落或泄露。

产品测试数据：骨组织修复材料的孔隙率为54％，密度为0.48g/cm³，孔径为1～200μm，骨组织修复材料内包裹的羟基磷灰石颗粒粒径为0.2～1.5mm。

对产品进行吸水实验发现，骨组织修复材料吸水后的重量为干态骨组织修复材料的2.1倍，干态抗压缩强度为50n，抗拉强度为10n；湿态抗压缩强度为25n，抗拉强度为5n。结果表明，该骨组织修复材料的吸水性强，吸水后变柔软，是一种良好的骨组织修复填充材料。

实施例3

对实施例1制备的骨组织修复材料进行打磨，使其与待修复的骨缺损部位相吻合，植入体内后骨组织修复材料吸水变软，与修复部位完全吻合，丝素在约2～3周后开始快速降解，而骨缺损部位的新骨增殖速率也在植骨后2～3周开始大幅增长。植骨后初期，丝素蛋白为骨细胞增殖提供“高速通道”，后期骨细胞增殖速率加快时，丝素的降解能为细胞生长提供大量的氨基酸和生长空间。

实验结果表明，实施例1制备的羟基磷灰石-丝素蛋白纳米复合物具有诱导骨细胞增殖的优良特性，丝素蛋白支架内部的丝素纤维给骨细胞增长提供大量攀附基座，丝素蛋白内部的空隙能给骨细胞提供充足的增殖空间，犹如一条条纵横交错的“高速通道”，可促进骨细胞增殖迅速贯穿整个骨缺损部位。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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