專利名稱：藥物緩釋型仿生骨支架的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及骨組織工程領(lǐng)域一種仿生骨支架的制備方法，特別涉及一種緩釋型仿生骨支架的制備方法。
背景技術(shù)：
骨修復(fù)重建是一個復(fù)雜而有序的生物學(xué)過程，該過程除需要三維骨支架、種子細(xì)胞外，各種生物活性因子也是影響因素之一，這些因子包括轉(zhuǎn)化生長因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子、胰島素樣生長因子、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子、骨形成蛋白等藥物。骨修復(fù)過程分為不同的階段細(xì)胞募集、干細(xì)胞分化和血管入侵及成骨，各階段需要藥物輔助的治療。 載入支架的藥物將伴隨著替代材料的降解而緩慢釋放，在骨修復(fù)過程中誘導(dǎo)并促進(jìn)骨和血管的形成與生長。通常人體內(nèi)源性生長因子的劑量不足，外源性生長因子通常一次性施藥且半衰期短、局部用藥很快將被體液稀釋和蛋白酶代謝。因此，尋找一種既可以作為骨缺損替代材料又能將生長因子載入其中、使之在局部緩慢釋放并維持一定濃度的生物替代材料是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。二十世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的緩釋控釋給藥系統(tǒng)旨在提高藥物的療效，降低、減少藥物毒副作用和減少給藥次數(shù)，減輕病患的痛苦并降低醫(yī)療費用。藥物緩釋系統(tǒng)主要指在預(yù)定時間內(nèi)，控制藥物釋放的速率并以一定方式維持藥物在病灶部位的濃度，實現(xiàn)藥物的靶向釋放。傳統(tǒng)的藥物載入方式是將骨支架浸入含有藥物的溶劑中或均勻混合藥物和基質(zhì)漿料后成型支架，這些載入方式在支架植入初期存在大量藥物短期內(nèi)集中釋放，后續(xù)階段無法供應(yīng)足夠劑量的藥物，維持組織修復(fù)正常進(jìn)行。這些系統(tǒng)不能存儲足夠劑量的藥物、釋放集中且速率快，無法滿足缺損修復(fù)過程對不同藥物的需求。為獲得具有存儲功能的藥物釋放系統(tǒng)，設(shè)計了具有存儲功能及藥物緩釋性能的仿生骨支架負(fù)型模型。通常骨修復(fù)所需要的活性因子遇酸堿及高溫環(huán)境會失去活性，需要在溫和環(huán)境下存儲操作。因此，本發(fā)明使用間接成形，制備具有分級緩釋性能的仿生支架。首先，使用熔融沉積工藝制得支架外形輪廓負(fù)型和內(nèi)部孔道模具；接著，使用冷凍干燥工藝成型磷酸鈣多孔支架，該工藝的基本思想是預(yù)凍漿料，使溶劑形成冰晶，冰晶真空加熱升華越過液態(tài)，留下孔隙得到多孔支架，通過控制冰晶形態(tài)及漿料濃度控制支架孔形態(tài)和孔隙率。基于熔融沉積工藝制得支架模具、結(jié)合冷凍干燥工藝使用β -磷酸鈣漿料成型孔形態(tài)和孔隙率可控的多孔可降解支架。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種緩釋型仿生骨支架的制備方法，以獲得一種具有存儲功能的緩釋型仿生支架。緩釋型仿生支架除了可以滿足骨修復(fù)對一般三維生物替代材料的要求外，還能夠載入并存儲多種小分子藥物，誘導(dǎo)并促進(jìn)骨組織修復(fù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的緩釋型骨支架的制備方法的構(gòu)思是在構(gòu)建支架設(shè)計初期引入儲存緩釋的概念，使用CAD軟件(UG NX6.0，西門子，德國)構(gòu)建支架外形輪廓負(fù)型和宏觀存儲孔道模型，將外形輪廓負(fù)型和孔道模型轉(zhuǎn)換成STL格式導(dǎo)出，使用熔融沉積成形工藝制備。宏觀孔模型決定了藥物載入倉的形狀，本發(fā)明的宏觀孔模型由固定在底座上的內(nèi)外兩層弧壁構(gòu)成，各弧壁獨立且均勻分散(圖2)。將孔道模型、左右半環(huán)先后嵌入支架負(fù)型底座，得到支架的組合式負(fù)型。將β-磷酸鈣漿料注入組合式負(fù)型，經(jīng)真空靜置除泡、低溫冷凍、去除負(fù)型、真空冷凍干燥和高溫?zé)Y(jié)，獲得有存儲孔道的緩釋型可生物降解的仿生骨支架。支架中儲存孔道相互獨立，可加載不同種類的小分子藥物，或者實現(xiàn)同種藥物的濃度梯度載入。根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種藥物緩釋型仿生骨支架的制備方法，其特征在于該方法具體的工藝步驟如下
(1)構(gòu)建骨支架外形輪廓負(fù)型和宏觀孔模型首先設(shè)計出外形輪廓與骨支架缺損部位吻合的負(fù)型；負(fù)型包括三個部分，即底座、左半環(huán)和右半環(huán)；存儲孔道模型決定了藥物加載倉的形狀，所述的存儲孔道模型由內(nèi)外兩層加底座構(gòu)成，每層是由圓陣列得到的規(guī)則三維弧段組成，內(nèi)層有兩段弧，外層有四段；
(2)制備骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型將步驟(1)得到的骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型，輸入成形機(jī)進(jìn)行模型制造，得到骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型，經(jīng)過后處理，得組合骨支架負(fù)型；
(3)基質(zhì)漿料灌注將步驟(1)所得存儲孔道模型嵌入步驟(2)所得骨支架外形負(fù)型的底座中，然后把骨支架外形負(fù)型的的左右半環(huán)嵌入底座，得到存儲孔道模型與外形負(fù)型的組合式支架負(fù)型，將搖勻的磷酸鈣基質(zhì)漿料灌入組合式負(fù)型中，置于真空中進(jìn)行消泡處理，除去漿料中的氣泡；
(4)冷凍干燥、高溫?zé)Y(jié)獲得緩釋型仿生骨支架將處理后的漿料進(jìn)行低溫預(yù)冷凍，然后去除組合式負(fù)型，接著真空冷凍干燥，得到圓柱外形并包含存儲孔道的β -磷酸鈣基的仿生支架；將支架放入高溫實驗爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)去除支架中殘留的粘結(jié)劑，得到磷酸鈣陶瓷仿生骨支架；
(5)裝載生物活性因子并封裝將生長因子載入上述緩釋型仿生骨支架的存儲孔道中，支架具有兩層共六個相互獨立的宏觀孔道，層與層之間能實現(xiàn)生長因子的濃度梯度裝載；使用磷酸鈣粉末和去離子水混合均勻得到磷酸鈣漿基，將裝載了生物活性因子的仿生骨支架浸入漿基，支架的表面形成一層磷酸鈣裹衣，真空低溫干燥，重復(fù)該過程兩次，得到緩釋型的仿生骨支架體系。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出的實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)勢 本發(fā)明采用CAD軟件設(shè)計與缺損部位吻合的外形輪廓負(fù)型和藥物存儲孔道模型。熔融沉積工藝結(jié)合冷凍干燥法成型的多孔支架具有存儲孔道(圖幻，相互獨立的存儲孔道能裝載濃度梯度分布的生長因子。最后，使用磷酸鈣粉末和蒸餾水混合均勻的漿料封裝載有藥物的支架。將載有藥物的支架浸入漿料中，真空干燥，重復(fù)該過程兩次，得到完成封裝的可降解緩釋仿生支架。本發(fā)明使用間接成型仿生支架，裝載的生物活性因子可避免在高溫支架制備環(huán)境中失活；載藥支架植入體內(nèi)，藥物通過β-磷酸鈣支架的降解而釋放，該過程緩慢且持續(xù)時間長；存儲孔道的空間分布實現(xiàn)了藥物的濃度梯度載入，滿足骨修復(fù)不同時期對生長因子的需求。 本發(fā)明的緩釋型仿生支架解決了骨修復(fù)過程中生物填充材料和生長因子一體化的問題，還實現(xiàn)在同一支架中載入不同的生長因子實現(xiàn)藥物的梯度分布，即多類型生長因子緩釋體系。


圖1為本發(fā)明的骨支架外形負(fù)型結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的骨支架的存儲孔道模型結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明的骨支架負(fù)型和宏觀孔模型經(jīng)布爾運(yùn)算后的支架模型。
圖4為本發(fā)明的熔融沉積成形工藝制造的輪廓負(fù)型。
圖5為本發(fā)明的熔融沉積成形工藝制造的儲存孔模型。
圖6為本發(fā)明的骨支架負(fù)型組裝得到組合式負(fù)型模具。
圖7為本發(fā)明的宏觀孔模型的組裝得到組合式負(fù)型模具。
圖8為本發(fā)明方法獲得的具有內(nèi)部宏觀孔的骨支架。
圖9為本發(fā)明方法制得的骨支架載入生長因子封裝成的分級緩釋仿生骨支架。
具體實施
本發(fā)明的一個優(yōu)選實例，結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下
首先，借助CAD軟件構(gòu)建骨支架外形輪廓負(fù)型如圖1和存儲孔道模型如圖2。骨支架外形負(fù)型決定支架宏觀外形，本實施例中骨支架外形輪廓為圓柱形。為解決生長因子的梯度分布和多種生長因子的載入，骨支架的存儲孔道模型由分布在兩層共六個相互對稱且獨立的弧壁組成，其中內(nèi)層分布有兩個相互獨立的弧壁，外層有四個相互獨立的弧壁。圖3是本發(fā)明支架負(fù)型和宏觀孔道模型經(jīng)布爾運(yùn)算得到的支架模型。接著，借助于熔融沉積成形工藝制造獲得支架負(fù)型和存儲孔道模型，如圖4、圖5 ； 將得到的骨支架負(fù)型與宏觀孔孔模型組裝，獲得骨支架的組合式負(fù)型模具，如圖6和圖7所示。然后，把漿料灌進(jìn)組合式負(fù)型中，抽真空除泡、低溫冷凍、去除組合式負(fù)型、真空低溫干燥，得到有宏觀孔道的緩釋型仿生骨支架，如圖8所示。最后，將生長因子載入支架存儲孔道后封裝，封裝完成的支架如圖9所示，表面漿料干燥后得到控制釋放型仿生骨支架。
權(quán)利要求
1. 一種藥物緩釋型仿生骨支架的制備方法，其特征在于該方法具體的工藝步驟如下(1)構(gòu)建骨支架外形輪廓負(fù)型和宏觀孔模型首先設(shè)計出外形輪廓與骨支架缺損部位吻合的負(fù)型；負(fù)型包括三個部分，即底座、左半環(huán)和右半環(huán)；存儲孔道模型決定了藥物加載倉的形狀，所述的存儲孔道模型由內(nèi)外兩層加底座構(gòu)成，每層是由圓陣列得到的規(guī)則三維弧段組成，內(nèi)層有兩段弧，外層有四段；(2)制備骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型將步驟(1)得到的骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型，輸入成形機(jī)進(jìn)行模型制造，得到骨支架外形負(fù)型和宏觀孔模型，經(jīng)過后處理，得組合骨支架負(fù)型；(3)基質(zhì)漿料灌注將步驟(1)所得存儲孔道模型嵌入步驟(2)所得骨支架外形負(fù)型的底座中，然后把骨支架外形負(fù)型的的左右半環(huán)嵌入底座，得到存儲孔道模型與外形負(fù)型的組合式支架負(fù)型，將搖勻的磷酸鈣基質(zhì)漿料灌入組合式負(fù)型中，置于真空中進(jìn)行消泡處理，除去漿料中的氣泡；(4)冷凍干燥、高溫?zé)Y(jié)獲得緩釋型仿生骨支架將處理后的漿料進(jìn)行低溫預(yù)冷凍，然后去除組合式負(fù)型，接著真空冷凍干燥，得到圓柱外形并包含存儲孔道的β -磷酸鈣基的仿生支架；將支架放入高溫實驗爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)去除支架中殘留的粘結(jié)劑，得到磷酸鈣陶瓷仿生骨支架；(5)裝載生物活性因子并封裝將生長因子載入上述緩釋型仿生骨支架的存儲孔道中，支架具有兩層共六個相互獨立的宏觀孔道，層與層之間能實現(xiàn)生長因子的濃度梯度裝載；使用磷酸鈣粉末和去離子水混合均勻得到磷酸鈣漿基，將裝載了生物活性因子的仿生骨支架浸入漿基，支架的表面形成一層磷酸鈣裹衣，真空低溫干燥，重復(fù)該過程兩次，得到緩釋型的仿生骨支架體系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種藥物緩釋型仿生骨支架的制備方法。該方法的具體步驟為首先構(gòu)建骨支架的外形輪廓負(fù)型和宏觀存儲孔道模型，將外形輪廓負(fù)型和孔道模型輸入成形機(jī)進(jìn)行模型制造，使用熔融沉積成形工藝制備。宏觀孔模型決定了藥物載入腔的形狀，本發(fā)明的宏觀孔模型由固定在底座上的內(nèi)外兩層弧壁構(gòu)成，內(nèi)層由兩段弧壁組成外層由四段弧壁組成，各層弧壁對稱分布。將孔道模型、左右半環(huán)先后嵌入支架負(fù)型底座，得到支架的組合式負(fù)型。將β-磷酸鈣漿料注入組合式負(fù)型，經(jīng)真空靜置除泡、低溫冷凍、去除負(fù)型、真空冷凍干燥和高溫?zé)Y(jié)，獲得有存儲孔道的緩釋型可生物降解的仿生骨支架。支架中儲存孔道相互獨立，可加載不同種類的小分子藥物，或者實現(xiàn)同種藥物的濃度梯度載入。
文檔編號A61F2/02GK102302386SQ20111017139
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者周麗萍, 方明倫, 林柳蘭, 王志坤, 胡慶夕 申請人:上海大學(xué)