專利名稱：多組分骨組織工程支架材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多組分骨組織工程支架材料及其制備方法，屬于骨修復(fù)生物材料技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，各類骨科疾病越來越嚴(yán)重，骨修復(fù)與再生是一普遍而復(fù)雜的臨床問題。許多人由于缺乏理想的替代材料而死亡。目前的植骨材料主要有自體骨、同種異體骨、經(jīng)特殊處理的異種骨，但是這些策略均存在一定的局限性，使用受到限制。支架基骨組織工程策略是解決骨缺損的有效途徑。理想的骨組織工程材料應(yīng)該具有合適的生物降解性，力學(xué)性能和生物相容性。應(yīng)該為細(xì)胞和組織的生長提供適宜的微環(huán)境，它不僅要為細(xì)胞的生長提供支撐作用，更重要的是要為細(xì)胞的生長提供誘導(dǎo)特性，促進(jìn)新的骨組織的再生。羥基磷灰石/高聚物復(fù)合材料可以很好地模擬天然骨的結(jié)構(gòu)和組成，是一種理想的骨組織工程支架材料。HA/高聚物可以通過直接混合羥基磷灰石(HA)晶體與高聚物獲得，但是這種方法制備的復(fù)合物中，HA顆粒分散不均勻，容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。而且在材料降解過程中HA顆?？赡軓闹Ъ懿牧现忻撾x出來，從而損傷周圍的組織。通過生物礦化制備的復(fù)合材料，其高聚物表面形成HA涂層，這種制備方法可以很好地通過高聚物的特性來調(diào)控HA晶體的大小以及形貌，同時(shí)這種材料具有很好的生物相容性，但是由于細(xì)胞與材料直接接觸的是HA涂層，所以其中的高聚物組分在使用過程中所起的作用是微乎其微的。這與在短期內(nèi)最大限度地模擬天然骨的組成和結(jié)構(gòu)的要求還有一定的差別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多組分骨組織工程支架材料及其制備方法，以該方法制得的骨組織工程支架材料具有與天然骨相似的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的力學(xué)性能，克服了傳統(tǒng)支架中HA顆粒分散不均一，容易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，同時(shí)可發(fā)揮各組分的作用，在骨組織工程中具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種多組分骨組織工程支架材料，其特征在于，該多組分骨組織工程支架材料由下列組分及其質(zhì)量含量百分比組成，且各組分質(zhì)量百分比含量之和為100%
殼聚糖3. 6% 63%， 明膠3% 56. 7%, 果膠0. 6% 56. 7%, 納米羥基磷灰石10% 72%。上述的多組分骨組織工程支架材料的制備方法，其特征在于包括以下過程
(1)將果膠溶于去離子水中，制備成濃度為每毫升含1 4毫克的果膠溶液；將殼聚糖溶解于1% 3%的乙酸溶液中，制備成濃度為每毫升含2 4毫克殼聚糖的乙酸溶液；
(2)將硝酸鈣溶于步驟(1)所制備的果膠溶液中，配制成含鈣離子濃度為0.05 0. 5mol/L的混合溶液，記為A溶液；將磷酸二氫鈉溶于步驟(1)所制備的殼聚糖乙酸溶液中，配制成含磷酸根離子濃度為0. 30 0. 3mol/L的混合溶液，記為B溶液；
(3)按鈣離子與磷酸根物質(zhì)量之比為1.67:1，將步驟(2)制備的B溶液滴加到A溶液中；并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為3. 0-13. 0 ；攪拌6 20小時(shí)，得到混合液；
(4)將步驟(3)得到的混合液，靜置6到48小時(shí)，經(jīng)離心分離，收集固體分并用去離子水洗滌至洗滌液PH為7，最后冷凍干燥獲得粒徑為10-100 nm的納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)；
(5)將每毫升含有2、毫克的明膠水溶液與每毫升含2 4毫克殼聚糖的乙酸溶液，按兩種溶液中的殼聚糖與明膠的質(zhì)量比為(3 7) (7 3)的比例進(jìn)行攪拌10 12小時(shí)混合；形成殼聚糖-明膠(CG)溶液；
(6)按納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)的質(zhì)量含量為10% 90%，將步驟(4)所制備的納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)，加入步驟(5)所制備的殼聚糖-明膠溶液中，超聲分散5 20 min，使其形成均一的分散液；
7)將步驟(6)獲得的分散液與質(zhì)量含量為0. 25%的戊二醛溶液按體積比為(10 2) 1，攪拌下將其混合得到鑄模液，將鑄模液加入模具中，在溫度為-20°C -60°C下預(yù)凍8小時(shí)以上，得到的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到支架材料；
(8)將步驟(7)得到的支架材料在質(zhì)量濃度為1% 5%的氫氧化鈉溶液中浸泡3 8小時(shí)，除去殘留的乙酸，再將其置于質(zhì)量濃度為21 5%的硼氫化鈉溶液中浸泡3 8小時(shí)，除去游離的戊二醛，用去離子水反復(fù)沖洗、浸泡至溶液呈中性，然后再次在溫度為-20°C -60°C下預(yù)凍8小時(shí)以上，再次于真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，最終得到多組分骨組織工程支架材料(nHCP/CG)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，方法過程簡(jiǎn)單，所獲得的羥基磷灰石尺寸和形貌可由殼聚糖-果膠基質(zhì)的組成、鈣離子的濃度以及反應(yīng)的PH值等控制。形成的納米羥基磷灰石尺寸均一(如圖1)；在此基礎(chǔ)上制備的多組分多孔支架的孔隙率大于80%，具有大量的連通的孔徑為100 300 μ m的適合于細(xì)胞生長的微孔，孔徑的大小由預(yù)凍溫度決定。nHCG復(fù)合物在支架中分散均一(如圖2)。該支架的力學(xué)性能可由交聯(lián)度以及nHCG的含量來控制，壓縮強(qiáng)度可達(dá)13. 45MPa，與松質(zhì)骨的壓縮強(qiáng)度極為接近。同時(shí)該支架材料可為促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附和生長，具有良好的生物相容性，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可快速促進(jìn)骨缺損的修復(fù)，在骨組織工程領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。


圖1為以本發(fā)明實(shí)施例一所制得的納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP) 的透射電鏡照片。圖2為本發(fā)明實(shí)施例一所得的多組分骨組織工程支架材料的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例所用的主要原料為殼聚糖(脫乙酰度95%，相對(duì)分子質(zhì)量20萬，青島海匯生物制品有限公司)、果膠、明膠(Sigma公司，美國)。其他試劑例如乙酸(CH3COOH)、硝酸鈣 (Ca (NO3) 2 ·4Η20)、磷酸二氫鈉((NaH2PO4 ·2Η20)戊二醛(OHC(CH2)3CHO)、氫氧化鈉(NaOH)、 硼氫化鈉(NaBH4)等均為分析純。實(shí)施例一
將Ig果膠溶于去IOOmL去離子水中，制備成濃度為l%(w/v)的果膠溶液；將Ig殼聚糖溶解于IOOmL 1%的乙酸溶液中，制備成濃度為l%(w/v)殼聚糖的乙酸溶液；將4. 723g硝酸鈣(Ca (NO3)2 · 4H20)溶于果膠溶液中，1. 653g磷酸二氫鈉(NaH2PO4 · 2H20)溶于殼聚糖溶液中；將上述含有磷酸鹽的殼聚糖溶液滴加到含有鈣離子的果膠溶液中，其中的鈣離子與磷酸根物質(zhì)量之比為1. 67，并用質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為9，攪拌6小時(shí)，靜置 48小時(shí)，保持pH為9。離心分離，收集固體分，并用去離子水沖洗直至溶液pH值為7，在溫度為-20°C下預(yù)凍，再經(jīng)冷凍干燥獲得納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)。將Ig殼聚糖溶于質(zhì)量濃度為21的50mL醋酸中，配制成濃度為殼聚糖溶液；將Ig明膠在50°C的溫度下將其溶于50mL去離子水中，配制成濃度為鋒M明膠水溶液；將上述殼聚糖溶液與明膠溶液混合，攪拌10小時(shí)；將2g nHCP復(fù)合物加入100 mL的殼聚糖-明膠混合溶液中，超聲(600W)分散10 min，使其形成均一的分散液；然后在分散液中加入質(zhì)量濃度為0. 25%的戊二醛溶液10mL，攪拌50s，迅速倒入模具中，放入_50°C的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥；將凍干后的支架在質(zhì)量濃度為5%的氫氧化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去殘留的乙酸。再將其置于質(zhì)量濃度為 2%的硼氫化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去游離的戊二醛，用去離子水反復(fù)沖洗、浸泡至溶液呈中性，再次放入-50°C的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到多組分骨組織工程支架材料(nHCP/CG)。實(shí)施例二
將Ig果膠溶于去IOOmL去離子水中，制備成濃度為1% (w/v)的果膠溶液；將Ig殼聚糖溶解于IOOmL 1%的乙酸溶液中，制備成濃度為l%(w/v)殼聚糖的乙酸溶液；將2. 362g硝酸鈣(Ca (NO3)2 · 4H20)溶于果膠溶液中，0. 827g磷酸二氫鈉(NaH2PO4 · 2H20)溶于殼聚糖溶液中；將上述含有磷酸鹽的殼聚糖溶液滴加到含有鈣離子的果膠溶液中，其中鈣離子與磷酸根物質(zhì)量之比為1. 67，并用質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為9，攪拌6小時(shí)，靜置 48小時(shí)，保持pH為9。離心，并用去離子水沖洗直至溶液pH值為7，在溫度為-20°C下預(yù)凍，再經(jīng)冷凍干燥獲得納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)。將Ig殼聚糖溶于質(zhì)量濃度為21的50mL醋酸中，配制成濃度為21 (w/v)殼聚糖溶液；將Ig明膠在50°C的溫度下將其溶于50mL去離子水中，配制成濃度為m (w/v)明膠水溶液；將上述殼聚糖溶液與明膠溶液混合，攪拌10小時(shí)；將Ig nHCP復(fù)合物加入100 mL 的殼聚糖-明膠混合溶液中，超聲(600W)分散10 min，使其形成均一的分散液；然后在分散液中加入質(zhì)量濃度為0. 25%的戊二醛溶液10mL，攪拌50s，迅速倒入模具中，放入_50°C的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥；將凍干后的支架在質(zhì)量濃度為5%的氫氧化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去殘留的乙酸。再將其置于質(zhì)量濃度為 2%的硼氫化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去游離的戊二醛，用去離子水反復(fù)沖洗、浸泡至溶液呈中性，再次放入-50°C的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到多組分骨組織工程支架材料(nHCP/CG)。
實(shí)施例三
將Ig果膠溶于去IOOmL去離子水中，制備成濃度為l%(w/v)的果膠溶液；將0. 5g殼聚糖溶解于IOOmL 1%的乙酸溶液中，制備成濃度為0. 5%(w/v)殼聚糖的乙酸溶液；將4. 723g 硝酸鈣(Ca (NO3)2 · 4H20)溶于果膠溶液中，1. 653g磷酸二氫鈉(NaH2PO4 · 2H20)溶于殼聚糖溶液中；將上述含有磷酸鹽的殼聚糖溶液滴加到含有鈣離子的果膠溶液中，其中鈣離子與磷酸根物質(zhì)量之比為1. 67，并用質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為9，攪拌6小時(shí)，靜置48小時(shí)，保持pH為9。離心，并用去離子水沖洗直至溶液pH值為7，在溫度為-20°C下預(yù)凍，再經(jīng)冷凍干燥獲得納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物(nHCP)。將Ig殼聚糖溶于質(zhì)量濃度為21的50mL醋酸中，配制成濃度為21 (w/v)殼聚糖溶液；將Ig明膠在50°C的溫度下將其溶于50mL去離子水中，配制成濃度為m(w/v)明膠水溶液；將上述殼聚糖溶液與明膠溶液混合，攪拌10小時(shí)；將Ig nHCP復(fù)合物加入100 mL殼聚糖-明膠混合溶液中，大功率超聲(600W)分散10 min，使其形成均一的分散液；然后在分散液中加入質(zhì)量濃度為0. 25%的戊二醛溶液20mL，攪拌50s，迅速倒入模具中，放入_50°C 的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥；將凍干后的支架在質(zhì)量濃度為5%的氫氧化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去殘留的乙酸。再將其置于質(zhì)量濃度為m的硼氫化鈉溶液中浸泡8小時(shí)，除去游離的戊二醛，用去離子水反復(fù)沖洗、浸泡至溶液呈中性，再次放入-50°C的低溫下預(yù)凍8小時(shí)以上，將預(yù)凍好的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到多組分骨組織工程支架材料(nHCP/CG)。
權(quán)利要求
1.一種多組分骨組織工程支架材料，其特征在于，該多組分骨組織工程支架材料由下列組分及其質(zhì)量含量百分比組成，且各組分質(zhì)量百分比含量之和為100% 殼聚糖3. 6% 63%，明膠3% 56. 7%,果膠0. 6% 56. 7%,納米羥基磷灰石10% 72%。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的多組分骨組織工程支架材料的方法，其特征在于包括以下過程(1)將果膠溶于去離子水中，制備成濃度為每毫升含1 4毫克的果膠溶液；將殼聚糖溶解于1% 3%的乙酸溶液中，制備成濃度為每毫升含2 4毫克殼聚糖的乙酸溶液；(2)將硝酸鈣溶于步驟(1)所制備的果膠溶液中，配制成含鈣離子濃度為0.05 0. 5mol/L的混合溶液，記為A溶液；將磷酸二氫鈉溶于步驟(1)所制備的殼聚糖乙酸溶液中，配制成含磷酸根離子濃度為0. 30 0. 3mol/L的混合溶液，記為B溶液；(3)按鈣離子與磷酸根物質(zhì)量之比為1.67:1，將步驟(2)制備的B溶液滴加到A溶液中；并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為3. 0-13. 0 ；攪拌6 20小時(shí)，得到混合液；(4)將步驟(3)得到的混合液，靜置6到48小時(shí)，經(jīng)離心分離，收集固體分并用去離子水洗滌至洗滌液PH為7，最后冷凍干燥獲得粒徑為10-100 nm的納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物；(5)將每毫升含有2、毫克的明膠水溶液與每毫升含2 4毫克殼聚糖的乙酸溶液，按兩種溶液中的殼聚糖與明膠的質(zhì)量比為(3 7) (7 3)的比例進(jìn)行攪拌10 12小時(shí)混合；形成殼聚糖-明膠溶液；(6)按納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物的質(zhì)量含量為10% 90%，將步驟(4)所制備的納米羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物，加入步驟(5)所制備的殼聚糖-明膠溶液中，超聲分散5 20 min，使其形成均一的分散液；(7)將步驟(6)獲得的分散液與質(zhì)量含量為0.25%的戊二醛溶液按體積比為(10 2) 1，攪拌下將其混合得到鑄模液，將鑄模液加入模具中，在溫度為-20°C -60°C下預(yù)凍8小時(shí)以上，得到的凝膠在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到支架材料；(8)將步驟(7)得到的支架材料在質(zhì)量濃度為1% 5%的氫氧化鈉溶液中浸泡3 8小時(shí)，除去殘留的乙酸，再將其置于質(zhì)量濃度為21 5%的硼氫化鈉溶液中浸泡3 8小時(shí)，除去游離的戊二醛，用去離子水反復(fù)沖洗、浸泡至溶液呈中性，然后再次在溫度為-20°C -60°C下預(yù)凍8小時(shí)以上，再次于真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，最終得到多組分骨組織工程支架材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多組分骨組織工程支架材料及其制備方法。所述的多組分骨組織工程支架材料由殼聚糖、明膠、果膠和納米羥基磷灰石按質(zhì)量百分比組成。其制備方法過程選用殼聚糖和果膠，運(yùn)用共沉積技術(shù)制備的羥基磷灰石/殼聚糖-果膠復(fù)合物，其中羥基磷灰石的粒徑在10-100nm；將nHCP分散到殼聚糖-明膠溶液中，以戊二醛交聯(lián)后冷凍干燥獲得多組分骨組織工程多孔支架材料。本發(fā)明制備的支架材料，其中nHCP在支架中分散均勻，不易團(tuán)聚；支架材料的孔徑為100-300μm，孔隙率大于80％；可促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附和生長，具有良好的生物相容性，可望作為一種新型的骨組織工程生物材料。
文檔編號(hào)A61L27/22GK102406963SQ20111034144
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者劉玉璽, 姚芳蓮, 尹建偉, 李俊杰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)