纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔支架材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶复合多孔骨组织工程支架材料及其制备方法。该材料包括质量比为3∶7－7∶3壳聚糖和明胶以及在二者形成的多孔支架材料上原位沉积的40－80nm的纳米羟基磷灰石组成。运用相分离技术制备成孔径为100－300μm，孔隙率大于90％的多孔支架材料，然后将其浸入Ca(NO3) 2的Tris缓冲溶液中浸泡10－12小时，用去离子水冲洗3次后在将其浸入的Na3PO4的Tris缓冲溶液中浸泡10－12小时，并用NaOH溶液调整pH值在11－13之间，再用去离子水冲洗3次后冷冻干燥。如此循环多次次制得纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶复合多孔材料，其羟基磷灰石的粒径在50nm左右，本发明制备的材料具有良好的力学性能和生物相容性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔支架材料及其制备方法，属于骨修复生物材料技术。

背景技术

在整型外科手术中骨修复与再生是一普遍而复杂的临床问题，全球每年有数百万人由于外伤而患有骨科类疾病，且许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体骨、同种异体骨、经特殊处理的异种骨和人工合成骨材料等。但是自体骨来源有限且需进行二次手术，移植后并发症可达8％；同种异体骨也存在免疫原性和致病性等缺点，异体移植时存在感染和免疫反应，而且可能引起其他健康问题。寻求理想的骨组织替代材料是解决骨科类疾病的关键，因此构建与天然骨结构类似的人工合成材料已成为人们关注的焦点。

纳米级的羟基磷灰石晶体和胶原基质紧密地结合在一起，产生一高度复杂而有序的复合结构，这种复合结构构成了天然骨的主要结构框架。生物体内天然羟基磷灰石以纳米晶体的形式存在，为65-80nm的针状结晶体。羟基磷灰石的生物特性和颗粒大小密切相关，纳米级羟基磷灰石具有独特的生物学活性。根据“纳米效应”理论，单位质量的纳米级粒子的表面积明显大于微米级粒子，使得处于粒子表面的原子数目明显增加，提高了粒子的活性，十分有利于组织的结合

为了制备较为理想的骨组织工程替代材料，近来，研究人员研制了许多与天然骨结构类似的纳米羟基磷灰石复合材料。Kikuchi M等人(biomaterials，22(2003)：1705-1711)，在仿生条件下通过自我组织机理制备了类骨的羟基磷灰石/胶原复合材料，虽然他的力学性能和生物降解性能较差但是具有较好的骨传导性能和整体生物性能；为了提高其力学强度，崔福斋等人在胶原/纳米羟基磷灰石中加入了海藻酸盐(Journal of biomedicalmaterials research.Part B，Applied biomaterials，69(2004)：159-165)，H.W.Kim等人以明胶为基质材料通过原位合成和相分离技术制得了生物相容性较好、适于细胞黏附与生长的明胶/纳米羟基磷灰石复合材料；另外，李玉宝等人制备了壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合材料；除了这些天然高聚物与纳米羟基磷灰石的复合物之外，人工合成高聚物材料与纳米羟基磷灰石的复合材料也得以发展，聚乳酸/纳米羟基磷灰多孔支架材料已被多数学者所采用(Acta Biomaterialia 1(2005)：653-662；biomaterials，25(2004)：4749-4757；)，聚酰胺/纳米羟基磷灰石复合材料的力学性能优于聚乳酸/羟基磷灰石材料同样也受到关注(materials in medicine 14(2003)：655-660)。

但是这些复合材料都还有其不足之处，制备与天然骨结构相似的骨组织工程支架材料，提高其力学性能和生物学性能，改善和控制羟基磷灰石在支架中的分散状况和粒径大小是骨组织工程的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔支架材料及其制备方法，以该方法制得的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔材料具有与天然骨相似的结构及优良的力学性能和生物相容性能。

本发明是通过下述技术方案加以实现，一种纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔支架材料，其特征在于，该材料包括质量比为3∶7-7∶3壳聚糖和明胶以及在二者形成的多孔支架材料上原位沉积的40-80nm的纳米羟基磷灰石组成。

上述的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶多孔支架材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)将壳聚糖溶解于1％--3％的乙酸溶液中，制备成质量浓度为2％--4％壳聚糖的乙酸溶液溶液。

(2)将明胶在50℃--60℃的温度下将其溶解离子水中，配制成质量浓度为2％--4％明胶水溶液。

(3)将(1)和(2)配制的溶液以壳聚糖明与胶质量比为3∶7-7∶3的比例混合，搅拌10-12小时。

(4)将(3)所制得的混合溶液和0.25％的戊二醛溶液并按体积比为3∶1-0.5∶1比例混合搅拌形成凝胶，将其加入模具中，放入-20℃--60℃的低温下预冻8小时以上。将预冻好的凝胶在真空冷冻干燥机中冷冻干燥。

(5)将冻干后的支架在质量浓度为1％--5％的氢氧化钠溶液中浸泡3-8小时，除去残留的乙酸。再将其置于质量浓度为2％--5％的硼氢化钠溶液中浸泡3-8小时，除去游离的戊二醛，用去离子水反复冲洗、浸泡至中性，二次冻干获得壳聚糖/明胶多孔支架材料。

(6)配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)生物缓冲液，并分别称取Ca(NO₃)₂6H₂O和Na₃PO₄12H₂O分别溶入Tris生物缓冲液，分别配制成物质量浓度为0.06-0.2mol/L的Ca(NO₃)₂和Na₃PO₄的Tris溶液备用。

(7)将(5)制备好的壳聚糖/明胶支架材料在Ca(NO₃)₂的Tris溶液中浸泡10--12小时，然后用去离子水冲洗2-3次；再在Na₃PO₄的Tris溶液中浸泡10--12小时，并用NaOH调整pH值在11-13之间，取出后同样用去离子水冲洗2-3次，再次进行冻干。

(8)重复(7)的沉积过程循环沉积数次，直至羟基磷灰石的含量达到要求，即可获得本发明的仿生纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶骨修复多孔材料。

该方法过程简单且制备的复合材料孔隙率一般大于90％，具有大量的连通的孔径为100--300μm的适合与细胞生长的微孔，孔隙率由壳聚糖和明胶的溶液浓度决定，孔径的大小由预冻温度决定，沉积的纳米级羟基磷灰石对孔径大小没有影响，且沉积得到的羟基磷灰石晶体颗粒粒径为50nm左右(见图1)与天然骨中的磷酸钙盐结构相似。此材料具有良好的生物相容性和力学性能，可望作为骨组织修复材料。

附图说明

图1为以本方法实施例一所制得的循环沉积八次后的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶复合材料的透射电镜照片。

具体实施方式

实施所用的主要原料为壳聚糖(脱乙酰度95％分子量20万，青岛海汇生物制品有限公司)、明胶(Sigma公司，美国)、三羟甲基氨基甲烷(tris，Gibico公司，美国)以及分析纯级的乙酸(CH₃COOH)、硝酸钙(Ca(NO₃)₂)、磷酸三钠(Na₃PO₃)、戊二醛(OHC(CH₂)₃CHO)、氢氧化钠(NaOH)、硼氢化钠(NaBH)等等。

实施例一：

(1)配制质量百分比浓度为1％的乙酸溶液50ml，称取1g壳聚糖溶入其中磁力搅拌20min使其充分溶解，配制的质量浓度为2％的壳聚糖溶液。

(2)称取1g明胶在50℃溶于25ml的去离子水中，配制成4％的明胶溶液。

(3)将(1)(2)两溶液混合，常温下磁力搅拌10小时。

(4)配制0.25％的戊二醛溶液100ml，取(3)配制混合液7ml混合溶液加入3ml戊二醛溶液，磁力搅拌50s左右后迅速用胶头滴管将其滴入24孔培养板中。4℃静置12h，除去溶液中的气泡。然后将培养板放入低温冰箱(-60℃)预冻12小时。

(5)将预冻好的凝胶置于冷冻干燥机中冷冻干燥48小时，形成多孔支架材料。

(6)将冻干后的支架置于质量浓度为2％的氢氧化钠溶液中浸泡4h，除去残留的乙酸。去离子水冲洗后再将其置于质量浓度为2％的硼氢化钠溶液浸泡3h，用去离子水反复冲洗、浸泡至中性，二次冻干获得壳聚糖/明胶多孔支架材料。

(7)将100ml0.1mol/L的Tris碱溶液与86.8ml的0.1mol/LHCL混合，加水将体积调至200ml，得到pH为7.3的Tris生物缓冲液。

(8)分别称取2.36g的Ca(NO₃)₂6H₂O晶体和3.80g的Na₃PO₄12H₂O分别溶于100mlTris生物缓冲液中，获得物质量浓度为0.1mol/L Ca(NO₃)₂和Na₃PO₄的溶液；将壳聚糖/明胶多孔支架材料在Ca(NO₃)₂的Tris生物缓冲液溶液中浸泡10小时后用去离子水冲洗2-3次；再将在其浸泡入Na₃PO₄的Tris生物缓冲液中并用NaOH将溶液PH值调整到11-13之间，10小时后取出并用去离子水冲洗2-3次；再次冷冻干燥。

(9)重复(2)的沉积过程循环沉积8次即可获得本发明仿生纳米羟基磷灰石/壳聚糖/明胶骨修复多孔材料。

实施例二：

所用原料与实施例一同。

将实施例一(8)调整为称取2.36gCa(NO₃)₂6H₂O和2.28gNa₃PO₄12H₂O分别溶于100mlTris生物缓冲液中(制得物质量浓度为0.1mol/L的Ca(NO₃)₂溶液和0.06mol/L的Na₃PO₄溶液)；将壳聚糖/明胶多孔支架材料在Ca(NO₃)₂的Tris生物缓冲液溶液中浸泡10小时后用去离子水冲洗2-3次；再将在其浸泡入Na₃PO₄的Tris生物缓冲液中并用NaOH将溶液PH值调整到11-13之间，10小时后取出并用去离子水冲洗2-3次；再次冷冻干燥。

其余步骤与实施例一相同。

实施例三：

所用原料与实施例一同

将实施一(4)中的壳聚糖/明胶混合溶液与戊二醛溶液的体积比例调整为1∶1，即取5ml混合液与5ml戊二醛溶液混合，磁力搅拌40s左右迅速用胶头滴管将其滴入24孔板中。

其余步骤与实施例一相同。

实施例四：

所用原料与实施例一同

(1)配制质量百分比浓度为1％的乙酸溶液50ml，称取0.5g壳聚糖溶入其中磁力搅拌20min使其充分溶解。配制的质量浓度为1％的壳聚糖溶液

(2)称取1g明胶在50℃溶于25ml的去离子水中，配制成4％的明胶溶液。

(3)将(1)(2)两溶液混合，常温下磁力搅拌10小时。

其余步骤与实施例一相同。

实施例五：

(1)配制质量百分比浓度为1％的乙酸溶液50ml，称取1g壳聚糖溶入其中磁力搅拌20min使其充分溶解。配制的质量浓度为1％的壳聚糖溶液

(2)称取0.5g明胶在50℃溶于25ml的去离子水中，配制成2％的明胶溶液。

(3)将(1)(2)两溶液混合，常温下磁力搅拌10小时。

其余步骤与实施例一相同。