專利名稱：內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種骨水泥多孔支架及其制備方法，特別是一種內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架及其制備方法。
背景技術(shù)：
利用組織工程學修復骨組織缺損的三要素為種子細胞、信號因子及多孔支架材料。其中，多孔支架材料可提供細胞和血管長入的三維空間環(huán)境及物質(zhì)運輸?shù)膫鬏斖ǖ?，并為新生組織的生成提供物理支撐，理想的多孔支架材料還應(yīng)具有良好的生物相容性、生物降解性、細胞-材料黏附界面及一定的機械強度等特點。磷酸鈣骨水泥支架有著自行固化、方便賦形、骨誘導性和骨傳導性好、機械強度高等優(yōu)點，盡管具有脆性大的缺點，仍成為骨組織工程領(lǐng)域研究的重要分支之一，有著廣闊的市場前景。
據(jù)文獻報道，二維表面的納米及微米拓撲結(jié)構(gòu)對細胞黏附和細胞分化都有著重要的調(diào)節(jié)作用[Kulangara K and Leong Kff, 2009, Soft Matter; Geblinger D, et al,2010, Journal of Cell Science; Pan Z, et al, 2012, Biomaterials.]。具有合適微米、納米尺度拓撲結(jié)構(gòu)的表面比同種材料的平滑表面更有利于細胞的黏附生長和細胞分化方向的調(diào)控。利用生物可降解高分子材料制備的多孔支架，其內(nèi)表面往往相對比較平整，不容易進行拓撲結(jié)構(gòu)的修飾。而磷酸鈣骨水泥固化后的表面一般自行形成微米或納米級的拓撲結(jié)構(gòu)，常見的有片狀、凹坑、凸起等結(jié)構(gòu)。
由β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(β -TCP/HA)組成的雙相磷酸鈣(BCP)最早出現(xiàn)于1920年(當時認為是磷酸三鈣)，在具有一般磷酸鈣鹽良好的生物相容性的同時，還結(jié)合了羥基磷灰石骨誘導性好、力學強度高及β_磷酸三鈣降解快、骨吸收性好的優(yōu)點。β-TCP和HA比例也可進行調(diào)節(jié)，合適比例及孔結(jié)構(gòu)的BCP陶瓷可具有骨誘導性。因此，BCP在硬組織修復、置換等方面的應(yīng)用被大量研究，已經(jīng)在20世紀80年代初以BCP陶瓷的形式在牙科和藥物應(yīng)用中進入了臨床。[LeGeros RZ, et al, Journal of Materials Science:Materials in Medicine, 2003; Kurashina K, et al, Biomaterials, 2002; Gerber T,et al, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2003.] 現(xiàn)有的關(guān)于骨水泥多 孔支架的文獻和專利報道中，孔的內(nèi)表面多為顆粒堆積的拓撲結(jié)構(gòu)，或并無明顯高低起伏，細胞的黏附生長優(yōu)于普通的高分子類組織工程支架。本發(fā)明針對以上背景，提供一種具有多級尺度的拓撲形貌的新型骨水泥多孔支架，進一步改善細胞的黏附生長。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架，以提高細胞在支架內(nèi)表面的黏附，進而調(diào)控細胞的其他行為并促進組織修復，其內(nèi)表面分布有不連續(xù)的微納米結(jié)構(gòu)的花蕊型層疊片狀凸起，與在背景區(qū)域連續(xù)堆積的顆粒結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的之二在于提供該多孔支架的制備方法。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的構(gòu)思是:β -磷酸三鈣/羥基磷灰石雙相磷酸鈣作為骨水泥粉末的主要原料，通過物理混合摻入碳酸鈣作為發(fā)泡劑；以檸檬酸水溶液體系為固化液，添加殼聚糖作為增強劑。將骨水泥粉末與固化液按照一定的液固比調(diào)和成粘稠膏狀，反應(yīng) 生成二氧化碳進行發(fā)泡致孔，注入模具進行塑型，待凝固后脫模。然后在一定的溫度和濕度條件下養(yǎng)護，至強度基本穩(wěn)定，再經(jīng)打磨加工，去除與模具直接接觸的部分，使支架內(nèi)部的聯(lián)通孔露出，最終制得內(nèi)表面具有復雜拓撲形貌的骨水泥多孔支架材料，內(nèi)表面具有不連續(xù)的微納米花蕊型層疊片狀結(jié)構(gòu)與連續(xù)的幾百個納米大小的顆粒結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案: 一種內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架，其特征在于該骨水泥多孔支架的內(nèi)部為不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為100 1000 μ m、孔隙率為5 95%，孔與孔之間相互聯(lián)通，孔的內(nèi)表面為不光滑表面，連續(xù)分布著大小為200 800 nm的顆粒，其中不連續(xù)的分布著微米級的凸起結(jié)構(gòu)，該凸起結(jié)構(gòu)的大小為2 8 μπι,高度為I 5 μ m。
上述的微米級凸起結(jié)構(gòu)為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，其花瓣狀單片的厚度小于10 nm。
一種制備上述的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.在磷酸三鈣/羥基磷灰石雙相磷酸鈣的粉末中摻入碳酸鈣，作為骨水泥粉末原料；碳酸 丐的質(zhì)量為雙相磷酸 丐的質(zhì)量的0.5-50%ο
b.配制質(zhì)量百分比濃度為0.05-50%的檸檬酸的水溶液，并添加殼聚糖，攪拌使其溶解，得到pH〈 4.0的酸性固化液，并使殼聚糖的質(zhì)量百分比濃度為0.05 3%。
c.將步驟a所得骨水泥粉末與補助b所得固化液按照0.2 1.0 ml:lg的液固比進行混合，調(diào)和成粘稠膏狀，注模塑型，待骨水泥凝固后脫模； d.將脫模后的骨水泥經(jīng)養(yǎng)護、打磨加工，最終制得內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架。
上述的步驟a中所述的雙相磷酸鈣的粒徑大小為150 nm I μπι，其中β-磷酸三鈣與羥基磷灰石的晶相比例在99:1 30:70。
上述的碳酸鈣的粒徑不超過5 μπι。
上述的步驟d所述的養(yǎng)護過程的工藝參數(shù)為:溫度15 50 °C，濕度條件為相對濕度5 80%，養(yǎng)護時間為18 h以上。
上述的步驟d中所述的打磨方式為機械打磨、砂紙干磨或非水介質(zhì)的濕法打磨。。
本發(fā)明以磷酸三鈣/羥基磷灰石雙相磷酸鈣作為骨水泥固體粉末，以碳酸鈣固體粉末作為發(fā)泡劑，以檸檬酸/殼聚糖水溶液作為固化液，經(jīng)化學發(fā)泡制備具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架。本方法制備的骨水泥多孔支架在具有合適的孔徑(150 1000 μπι)、孔隙率(5 95%)及抗壓強度(最高可達40 MPa);其內(nèi)表面具有不連續(xù)分布的花蕊型層疊片狀結(jié)構(gòu)的微納米凸起，背景區(qū)域由幾百個納米的顆粒連續(xù)堆積而成?；ㄈ镄偷耐蛊馂镮 20 μπι，高0.5 15 μ m，其花瓣狀單片厚度小于10 nm，顆粒大小為150 1000 nm?；ㄈ镄屯蛊鸬某叽缂胺植济芏瓤赏ㄟ^改變碳酸鈣含量、固化液pH值、液固比等參數(shù)進行調(diào)節(jié)；背景區(qū)域顆粒尺寸主要由骨水泥粉末的初始顆粒尺寸決定。
本方法制備的具有特殊形貌的骨水泥多孔支架可以促進細胞在支架內(nèi)表面的黏附，進而調(diào)控細胞的其他行為及對缺損部位的修復，可用于硬組織尤其是骨組織的修復。


圖1是本發(fā)明實施例一所制備的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米形貌的骨水泥多孔支架的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，孔徑尺寸為100 500 μ m，微孔與微孔之間相互聯(lián)通。
圖2是本發(fā)明實施例一所制備的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米形貌的骨水泥多孔支架的表面拓撲結(jié)構(gòu)，微孔內(nèi)表面為不光滑表面。
圖3是圖2的放大圖，表明微孔內(nèi)表面上不連續(xù)分布的微米級凸起的結(jié)構(gòu)圖，其大小為2-8 μ m，高度為1-5 μπι。
圖4本發(fā)明實施例一所制備的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米形貌的骨水泥多孔支架的微米凸起在納米尺度的細微結(jié)構(gòu)，為花蕊型層疊片狀結(jié)構(gòu)，其花瓣狀單片的厚度小于10 nm。
圖5是發(fā)明實施例一所制備的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米形貌的骨水泥多孔支架的微米凸起在納米尺度的細微結(jié)構(gòu)，為花蕊型層疊片狀結(jié)構(gòu)，其花瓣狀單片的厚度小于10 nm。
圖6是圖3的放大圖。表明發(fā)明實施例一所制備的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米形貌的骨水泥多孔支架的微孔內(nèi)的不光滑表面的形貌結(jié)構(gòu)，由200-800 nm大小的顆粒構(gòu)成。
具體實施方式
以下實施例以發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍并不限于下述的實施例。
實施例一:選取粒徑范圍為200-800 nm的β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(65:35)雙相磷酸鈣粉末，稱取9.4 g，添加碳酸鈣0.6 g (質(zhì)量分數(shù)6.0%)，以無水乙醇為介質(zhì)，經(jīng)球磨、離心、干燥、搗碎后，得到骨水泥粉末。分別稱取一水合朽1檬酸、殼聚糖若干克，通過機械攪拌使其溶解于水，制得PH = 2.0的固化液。將骨水泥粉末與固化液按0.5 ml/g的比例混合，調(diào)和成粘稠的膏狀，注入圓柱形不銹鋼模具中，一端封閉，一端開放，室溫條件下使發(fā)泡中的骨水泥自由膨脹，凝固后脫模。在室溫環(huán)境下養(yǎng)護48 h后，用砂紙打磨表面，使聯(lián)通孔與大氣相通。所得內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架的掃描電鏡圖片如圖1-6所示。該骨水泥支架具有聯(lián)通孔，孔徑大小為200-600 μπι，參見圖1，孔隙率為58%，平均抗壓強度為18.8 MPa。微孔內(nèi)表面分布有微米級凸起，其大小為2_8 μ m,高度為1-5 μπι，分布密度范圍為廣2個/100 μπι2 (圖2和圖3)。該凸起為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，花瓣狀單片厚度小于10 nm (圖4和圖5);微米凸起的背景區(qū)域由200-800 nm大小的顆粒構(gòu)成(圖6)。細胞培養(yǎng)結(jié)果表明，細胞黏附情況良好，細胞增殖速率稍高于內(nèi)孔表面為單純顆粒堆積的骨水泥多孔支架。
實施例二:選取粒徑范圍為200-600 nm的β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(63:37)雙相磷酸鈣粉末，稱取9.5 g， 添加碳酸鈣0.5 g (質(zhì)量分數(shù)5.0%)，以無水乙醇為介質(zhì)，經(jīng)球磨、離心、干燥、搗碎后，得到骨水泥粉末。分別稱取一水合朽1檬酸、殼聚糖若干克，通過機械攪拌使其溶解于水，制得PH = 2.0的固化液。將骨水泥粉末與固化液按0.5 ml/g的比例混合，調(diào)和成粘稠的膏狀，注入圓柱形不銹鋼模具中，一端封閉，一端開放，室溫條件下使發(fā)泡中的骨水泥自由膨脹，凝固后脫模。在室溫環(huán)境下養(yǎng)護48 h后，用砂紙打磨表面，使聯(lián)通孔與大氣相通。所得骨水泥多孔支架的內(nèi)表面形貌與圖1-6相似。該骨水泥支架具有聯(lián)通孔，孔徑大小為150-550 μ m,孔隙率為53%，平均抗壓強度為24.5 MPa。微孔內(nèi)表面分布有微米級凸起，其大小為2-7 μπι，高度為1-4 μπι，分布密度范圍為廣2個/100 ym2。該凸起為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，花瓣狀單片厚度小于10 nm ;微米凸起的背景區(qū)域由200-600 nm大小的顆粒構(gòu)成。細胞培養(yǎng)結(jié)果表明，細胞黏附情況良好，細胞增殖速率高。
實施例三:選取粒徑范圍為200-700 nm的β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(55:45)雙相磷酸鈣粉末，稱取9.38 g，添加碳酸鈣0.62 g(質(zhì)量分數(shù)6.2%)，以無水乙醇為介質(zhì)，經(jīng)球磨、離心、干燥、搗碎后，得到骨水泥粉末。分別稱取一水合朽1檬酸、殼聚糖若干克，通過機械攪拌使其溶解于水，制得PH = 2.0的固化液。將骨水泥粉末與固化液按0.5 ml/g的比例混合，調(diào)和成粘稠的膏狀，注入圓柱形不銹鋼模具中，一端封閉，一端開放，室溫條件下使發(fā)泡中的骨水泥自由膨脹，凝固后脫模。在室溫環(huán)境下養(yǎng)護48 h后，用砂紙打磨表面，使聯(lián)通孔與大氣相通。所得骨水泥多孔支架的內(nèi)表面形貌與圖1-6相似。該骨水泥支架具有聯(lián)通孔，孔徑大小為250-600 μ m,孔隙率為65%，平均抗壓強度為16.5 MPa。微孔內(nèi)表面分布有微米級凸起，其大小為2-7 μπι，高度為1-4 μπι，分布密度范圍為廣2個/100 ym2。該凸起為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，花瓣狀單片厚度小于10 nm ;微米凸起的背景區(qū)域由200-700 nm大小的顆粒構(gòu)成。細胞培養(yǎng)結(jié)果表明，細胞黏附情況良好，細胞增殖速率稍聞。
實施例四:選取粒徑范圍為150-700 nm的β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(60:40)雙相磷酸鈣粉末，稱取9.4 g，添加碳酸鈣0.6 g (質(zhì)量分數(shù)6%)，以無水乙醇為介質(zhì)，經(jīng)球磨、離心、干燥、搗碎后，得到骨水泥粉末。分別稱取一水合檸檬酸、殼聚糖若干克，通過機械攪拌使其溶解于水，制得PH = 2.0的固化液。將骨水泥粉末與固化液按0.5 ml/g的比例混合，調(diào)和成粘稠的膏狀，注入圓柱形不銹鋼模具中，一端封閉，一端開放，室溫條件下使發(fā)泡中的骨水泥自由膨脹，凝固后脫模。在室溫環(huán)境下養(yǎng)護48 h后，用砂紙打磨表面，使聯(lián)通孔與大氣相通。所得骨水泥多 孔支架的內(nèi)表面形貌與圖1-6相似。該骨水泥支架具有聯(lián)通孔，孔徑大小為250-600 μ m ，孔隙率為60%，平均抗壓強度為18.3 MPa。微孔內(nèi)表面分布有微米級凸起，其大小為2-7 μ m，高度為1-4 μπι，分布密度范圍為個/100 ym2。該凸起為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，花瓣狀單片厚度小于10 nm ;微米凸起的背景區(qū)域由150-700 nm大小的顆粒構(gòu)成。細胞培養(yǎng)結(jié)果表明，細胞黏附情況良好，細胞增殖速率稍高。
實施例五:選取粒徑范圍為200-1000 nm的β -磷酸三鈣/羥基磷灰石(60:40)雙相磷酸鈣粉末，稱取9.4 g，添加碳酸鈣0.6 g (質(zhì)量分數(shù)8%)，以無水乙醇為介質(zhì)，經(jīng)球磨、離心、干燥、搗碎后，得到骨水泥粉末。分別稱取一水合朽1檬酸、殼聚糖若干克，通過機械攪拌使其溶解于水，制得PH = 2.0的固化液。將骨水泥粉末與固化液按0.5 ml/g的比例混合，調(diào)和成粘稠的膏狀，注入圓柱形不銹鋼模具中，一端封閉，一端開放，室溫條件下使發(fā)泡中的骨水泥自由膨脹，凝固后脫模。在室溫環(huán)境下養(yǎng)護48 h后，用砂紙打磨表面，使聯(lián)通孔與大氣相通。所得骨水泥多孔支架的內(nèi)表面形貌與圖1-6相似。該骨水泥支架具有聯(lián)通孔，孔徑大小為300-700 μ m，孔隙率為68%，平均抗壓強度為17.1 MPa。微孔內(nèi)表面分布有微米級凸起，其大小為3-10 μ m，高度為1.5-5 μ m，分布密度約為I個/100 ym2。該凸起為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，花瓣狀單片厚度小于10 nm ;微米凸起的背景區(qū)域由200-1000 nm大小的顆粒構(gòu)成。細胞培養(yǎng)結(jié)果表明，細胞黏附情況良好，細胞增殖速率稍聞。`
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架，其特征在于該骨水泥多孔支架的內(nèi)部為不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為100 1000 μ m、孔隙率為5 95%，孔與孔之間相互聯(lián)通，孔的內(nèi)表面為不光滑表面，連續(xù)分布著大小為200 800 nm的顆粒，其中不連續(xù)的分布有微米級的凸起結(jié)構(gòu)，該凸起結(jié)構(gòu)的大小為2 8 μ m,高度為I 5 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架，其特征在于所述的微米級凸起結(jié)構(gòu)為花蕊型層疊片狀的微納米復合結(jié)構(gòu)，其花瓣狀單片的厚度小于10 nm。
3.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.在磷酸三鈣/羥基磷灰石雙相磷酸鈣的粉末中摻入碳酸鈣，作為骨水泥粉末原料；碳酸 丐的質(zhì)量為雙相磷酸 丐的質(zhì)量的0.5-50%ο b.配制質(zhì)量百分比濃度為0.05-50%的檸檬酸的水溶液，并添加殼聚糖，攪拌使其溶解，得到pH〈 4.0的酸性固化液，并使殼聚糖的質(zhì)量百分比濃度為0.05 3%。
c.將步驟a所得骨水泥粉末與補助b所得固化液按照0.2 1.0 ml:1g的液固比進行混合，調(diào)和成粘稠膏狀，注模塑型，待骨水泥凝固后脫模； d.將脫模后的骨水泥經(jīng)養(yǎng)護、打磨加工，最終制得內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟a中所述的雙相磷酸鈣的粒徑大小為150 nm I μπι,其中β -磷酸三I丐與輕基磷灰石的晶相比例在99:1 30:70。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的碳酸鈣的粒徑不超過5μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方 法，其特征在于步驟d所述的養(yǎng)護過程的工藝參數(shù)為:溫度15 50°C，濕度條件為相對濕度5 80%，養(yǎng)護時間為18 h以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟d中所述的打磨方式為機械打磨、砂紙干磨或非水介質(zhì)的濕法打磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)表面具有花蕊型層疊片狀微納米拓撲形貌的骨水泥多孔支架及其制備方法。該骨水泥多孔支架的內(nèi)部為不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為100～1000μm、孔隙率為5～95%，孔與孔之間相互聯(lián)通，孔的內(nèi)表面為不光滑表面，連續(xù)分布著大小為200～800nm的顆粒，其中不連續(xù)的分布著微米級的凸起結(jié)構(gòu)，該凸起結(jié)構(gòu)的大小為2～8μm，高度為1～5μm。本方法制備的具有特殊形貌的骨水泥多孔支架可以促進細胞在支架內(nèi)表面的黏附，進而調(diào)控細胞的其他行為及對缺損部位的修復，可用于硬組織尤其是骨組織的修復。
文檔編號A61L27/42GK103157143SQ20121056611
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者孫鋼, 閆策, 劉訓偉, 何丹農(nóng) 申請人:上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司, 中國人民解放軍濟南軍區(qū)總醫(yī)院