專利名稱：TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種骨組織支架及其制備方法，具體涉及一種可用于各種原因造成的骨缺損的修復(fù)及替代的TiO2納米顆粒增強大孔隙聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架及其制備方法。
背景技術(shù)：
由各種原因?qū)е碌墓侨睋p的發(fā)病率較高，最常見的治療方法是植入人工骨支架材料，一般為三維多孔材料。用于骨組織工程的三維支架材料應(yīng)滿足以下幾個要求(1)具有良好的生物相容性和生物降解性；(2)具有傳導(dǎo)性，利于細(xì)胞粘附和增殖；(3)有一定強度，能對抗外力；(4)易于塑形，可根據(jù)需要加工成各種形狀和大小?？紤]到傳統(tǒng)支架材料需要進(jìn)行二次手術(shù)的問題，目前國內(nèi)外研究較多的是聚羥基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚羥基乙酸與聚乳酸的共聚物(PLGA)等可降解支架材料。這些材料其酸性降解產(chǎn)物有可能對細(xì)胞的活性產(chǎn)生不利影響，同時其親水性、細(xì)胞相容性、力學(xué)強度等均尚待改進(jìn)。
鑒于單一材料存在缺點，目前開發(fā)納米復(fù)合材料成為支架材料研究的重點方向之一。中國專利200410052984.4中涉及了一種將水凝膠復(fù)合到多孔組織工程支架中的方法，使支架同時具備良好的機械性能和生物相容性。而將高分子材料和金屬材料結(jié)合的復(fù)合材料，綜合多種材料的優(yōu)點，在組織工程化人工骨方面具有創(chuàng)新性和實用性，可在臨床醫(yī)學(xué)方面實現(xiàn)大范圍應(yīng)用。
化學(xué)水凝膠材料近年已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中，尤其是人工合成的聚甲基丙烯酸羥乙酯(pHEMA)在眼科修復(fù)(隱形眼鏡和眼內(nèi)透鏡)方面已經(jīng)應(yīng)用多年，另外澳洲首創(chuàng)的世界首例人工眼角膜(已正式批量生產(chǎn))也是完全由pHEMA構(gòu)成的。最新的研究表明，pHEMA有望在血管修復(fù)、藥物釋放體系和組織替代等領(lǐng)域應(yīng)用取得突破。TiO2是金屬元素Ti的氧化物中在生物體中唯一穩(wěn)定的物質(zhì)，TiO2具有很好的細(xì)胞相容性和組織相容性。HA是一種生物活性材料，在生物特性方面具有良好的生物相容性，也是骨組織的主要成分。所以從生物相容性講，pHEMA、TiO2和HA都是十分優(yōu)秀的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有可降解支架材料的酸性降解產(chǎn)物有可能對細(xì)胞的活性產(chǎn)生不利影響，同時其親水性、細(xì)胞相容性、力學(xué)強度等均尚待改進(jìn)的缺陷，提供一種TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架，它由聚甲基丙烯酸羥乙酯(pHEMA)、TiO2納米顆粒和羥基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH)，HA)構(gòu)成，聚甲基丙烯酸羥乙酯中加入TiO2納米顆粒形成支架材料，支架材料的內(nèi)外表面上沉積有羥基磷灰石層。
本發(fā)明的TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架可以按照下述兩種方法進(jìn)行制備。
方法一a、采用光致交聯(lián)鹽瀝濾方法制備三維多孔的聚甲基丙烯酸羥乙酯，并加入TiO2納米顆粒，得到TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
方法二a、通過溶膠凝膠法制備大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯，然后加入TiO2納米顆粒，采用熔化成型微粒瀝濾法制備TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
本發(fā)明在具有三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA骨支架材料中加入TiO2納米顆粒，在增強其強度的同時，還能參與骨形成，與Ca2+結(jié)合形成的鈦酸鈣成為骨組織的一部分。并在大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA骨支架材料內(nèi)外表面通過鈣化處理沉積一層HA，使其誘導(dǎo)骨組織的生長，與骨形成牢固的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并與體內(nèi)的組織環(huán)境交互作用，實現(xiàn)骨組織的進(jìn)一步生長，使植入材料能與體內(nèi)組織達(dá)到很好的連接，從而實現(xiàn)骨組織的完美修復(fù)。
本發(fā)明TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架構(gòu)成中的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的聚合物pHEMA，其孔徑范圍為100～1000μm，孔隙率在70％以上。
上述形成TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA中，TiO2納米顆粒與pHEMA分子共價鍵結(jié)合，TiO2納米顆粒尺寸為10～50nm，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％。
上述骨組織支架加有TiO2納米顆粒，提高其強度和韌性，并易于塑形加工。可根據(jù)骨損傷部位形貌或骨修復(fù)的需要，加工成各種形狀和大小，如立方體、片狀、圓柱體、球體等，也可再進(jìn)一步加工成其他復(fù)雜形狀。
本發(fā)明將聚甲基丙烯酸羥乙酯(pHEMA)、TiO2納米顆粒和羥基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH)，HA)三種生物相容性良好的生物材料利用納米技術(shù)和化學(xué)工藝進(jìn)行完美組合，做成骨組織支架，無致畸、致癌等不良反應(yīng)以及任何毒副作用，且pHEMA不降解，無降解產(chǎn)物，不會對細(xì)胞活性造成影響。而同時加入TiO2納米顆粒和沉積HA都使支架力學(xué)性能提高，能起到支撐作用，沉積的HA能誘導(dǎo)新骨更快更多的生成。因此這是一種符合骨組織細(xì)胞生長、分化、以及骨組織器官生物力學(xué)要求的骨組織支架材料。在指(趾)骨、脛骨、椎骨、尺骨、橈骨等骨損傷修復(fù)方面以及在口腔與頜面外科等方面具有很大應(yīng)用潛力。


圖1為本發(fā)明的TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA骨組織支架整體結(jié)構(gòu)圖，圖2為TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架材料的局部剖視圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1和2所示，實施方式的TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架由聚甲基丙烯酸羥乙酯1、TiO2納米顆粒2和羥基磷灰石3構(gòu)成，聚甲基丙烯酸羥乙酯1中加入TiO2納米顆粒2形成支架材料，支架材料的內(nèi)外表面上沉積有羥基磷灰石層3。本實施方式中所述聚甲基丙烯酸羥乙酯具有三維連通大孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為100～1000μm，孔隙率在70％以上；TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％；羥基磷灰石層的厚度為1～10μm。
具體實施方式
二本實施方式按照如下步驟制備TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架a、采用光致交聯(lián)鹽瀝濾方法制備三維多孔的聚甲基丙烯酸羥乙酯，并加入TiO2納米顆粒，得到TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
本實施方式中所述聚甲基丙烯酸羥乙酯具有三維連通大孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為100～1000μm，孔隙率在70％以上；TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％；尿素的濃度為2mol/l。
具體實施方式
三本實施方式按照如下步驟制備TiO2納米顆粒增強大孔隙pHEMA骨組織支架a、通過溶膠凝膠法制備大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯，然后加入TiO2納米顆粒，采用熔化成型微粒瀝濾法制備TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
本實施方式中所述聚甲基丙烯酸羥乙酯具有三維連通大孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為100～1000μm，孔隙率在70％以上；TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％；尿素的濃度為2mol/l。
具體實施方式
四本實施方式是這樣實現(xiàn)的(1)采用光致交聯(lián)鹽瀝濾技術(shù)(Biomaterials 21(2000)2163-2169，Preparationof macroporous poly(2-hydroxyethyl methacrylate)hydrogels by enhanced phaseseparation)制備三維多孔的pHEMA，并加入TiO2納米顆粒
a、取1g光致引發(fā)劑(BAPO)溶于二氯甲烷中，然后分別加入加熱到粘稠狀的pHEMA(0.5ml/g)和80wt.％、粒度為300～500μm的NaCl晶體，同時加入5wt.％、粒度為20nm的TiO2納米顆粒；b、將上述混合物倒入圓柱狀聚乙烯鑄型中，置于UV養(yǎng)護(hù)室中，用365nm的UV射線(15W)照射30min；c、將所得產(chǎn)物在150ml水中浸泡72h，每隔2h換一次水；d、將水凝膠在70℃下干燥12h，在真空條件下干燥48h，然后置于水中保存，所得到三維多孔骨支架的孔隙直徑范圍為300～500μm，孔隙率大約為70％。
(2)將制備好的TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA浸到含有高濃度尿素(2M)的HA鹽酸溶液中，溶液pH值為2.5。將溶液從室溫下逐漸加熱到90～95℃，控制加熱速率為0.3℃/min，不攪拌。隨著溫度的升高，尿素開始分解，溶液的pH值也逐漸上升至8。然后在95℃的溫度下礦化處理12h，在pHEMA表面及孔隙內(nèi)部形成了大約7μm的磷酸鈣層。
將此骨組織支架加工成適宜的形狀和大小，殺菌消毒后植入到兔子的頭蓋骨缺損部位，同時植入傳統(tǒng)的骨組織支架。1～2個月后同時取出，比較觀察發(fā)現(xiàn)，pHEMA支架四周及內(nèi)部形成的片狀新骨比傳統(tǒng)支架形成的量多，骨缺損范圍比傳統(tǒng)支架明顯要小，最終新骨完全填充骨缺損區(qū)域，與宿主骨自然連接。通過力學(xué)測試系統(tǒng)測得此骨組織支架的彈性模量比傳統(tǒng)支架提高很多，因此在形成的大量新骨中起到了支撐作用。
具體實施方式
五本實施方式是這樣實現(xiàn)的(1)制備TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA方法同具體實施方式
三，其中TiO2納米顆粒用量為10wt.％，粒度為30nm。
(2)將制備好的TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA浸到含有高濃度尿素(2M)的HA鹽酸溶液中，溶液pH值為3。將溶液從室溫下逐漸加熱到90～95℃，控制加熱速率為0.5℃/min，不攪拌。隨著溫度的升高，尿素開始分解，溶液的pH值也逐漸上升至8。然后在95℃的條件下礦化處理10h，在pHEMA表面及孔隙內(nèi)部形成了大約5μm的磷酸鈣層。
將此骨組織支架加工成適宜的形狀和大小，殺菌消毒后植入到兔子的趾骨缺損部位，同時植入傳統(tǒng)的骨組織支架。1～2個月定期比較觀察發(fā)現(xiàn)，pHEMA支架四周及內(nèi)部形成的片狀新骨比傳統(tǒng)支架形成的量多，骨缺損范圍比傳統(tǒng)支架明顯要小，最終新骨完全填充骨缺損區(qū)域，與宿主骨自然連接。通過力學(xué)測試系統(tǒng)測得此骨組織支架的彈性模量為40Gpa，比傳統(tǒng)支架提高很多，與自然骨接近，因此在形成的大量新骨中起到了支撐作用。
具體實施方式
六本實施方式是這樣實現(xiàn)的(1)采用熔化成型微粒瀝濾法制備TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA通過溶膠凝膠法(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納米顆粒(直徑為15nm)將HEMA單體與甲醇按照1∶8的重量比混合，然后向其中加入20wt.％TiO2溶膠，將上述混合物裝入一個封閉的反應(yīng)容器中，在60℃的條件下反應(yīng)72h，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行干燥。
將制備好的pHEMA切成16mm的圓片，放在直徑為18mm的黃銅鑄型中，其底部已鋪有一層NaCl晶體(尺寸為200～300μm)，在pHEMA上再撒一層NaCl晶體，質(zhì)量為0.9g。先在20～30Mpa、180℃的條件下進(jìn)行熱壓1min，然后在50～60Mpa、180℃的條件下熱壓30s。熱壓后，取出，浸于水中一天，每2小時換水一次，得到孔隙直徑為200～300μm、孔隙率大約是90％的骨組織支架。
(2)TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的pHEMA鈣化處理與具體實施方式
四相同；將此骨組織支架加工成適宜的形狀和大小，殺菌消毒后植入到兔子的椎骨缺損部位，同時植入傳統(tǒng)的骨組織支架。1～2個月定期比較觀察發(fā)現(xiàn)，pHEMA支架四周及內(nèi)部形成的片狀新骨比傳統(tǒng)支架形成的量多，骨缺損范圍比傳統(tǒng)支架明顯要小，最終新骨完全填充骨缺損區(qū)域，與宿主骨自然連接。通過力學(xué)測試系統(tǒng)測得此骨組織支架的彈性模量為40GPa，比傳統(tǒng)支架提高很多，與自然骨接近，因此在形成的大量新骨中起到了支撐作用。
權(quán)利要求
1.TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架，其特征在于骨組織支架由聚甲基丙烯酸羥乙酯、TiO2納米顆粒和羥基磷灰石構(gòu)成，聚甲基丙烯酸羥乙酯中加入TiO2納米顆粒形成支架材料，支架材料的內(nèi)外表面上沉積有羥基磷灰石層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架，其特征在于聚甲基丙烯酸羥乙酯具有三維連通大孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為100～1000μm，孔隙率在70％以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架，其特征在于TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架，其特征在于羥基磷灰石層的厚度為1～10μm。
5.權(quán)利要求1所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于它按照如下步驟進(jìn)行制備a、采用光致交聯(lián)鹽瀝濾方法制備三維多孔的聚甲基丙烯酸羥乙酯，并加入TiO2納米顆粒，得到TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于尿素的濃度為2mol/l。
8.權(quán)利要求1所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于它按照如下步驟進(jìn)行制備a、通過溶膠凝膠法制備大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯，然后加入TiO2納米顆粒，采用熔化成型微粒瀝濾法制備TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料；b、將TiO2納米顆粒增強的三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料浸到含有尿素的羥基磷灰石鹽酸溶液中，溶液pH值為1～5，將溶液從室溫逐漸加熱到90～100℃，控制加熱速率為0.1～0.5℃/min，不攪拌；c、然后在95～100℃的條件下進(jìn)行礦化處理，得到內(nèi)外表面沉積有厚度為1～10μm羥基磷灰石層的TiO2納米顆粒增強三維連通大孔聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于TiO2納米顆粒的尺寸為10～50nm，加入的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～20％。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的TiO2增強聚甲基丙烯酸羥乙酯骨組織支架的制備方法，其特征在于尿素的濃度為2mol/l。
全文摘要
TiO
文檔編號A61L27/56GK1739812SQ20051001034
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者鄭玉峰, 李莉, 徐曉雪, 李超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)