含纳米羟基磷灰石/胶原微粒的骨修复材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种含纳米羟基磷灰石/胶原微粒的骨修复材料及其制备方法。本发明提供一种骨修复材料，含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1－2重量份、壳聚糖1重量份和β－甘油磷酸钠2－3重量份。(此处补充给组分的重量配比)本发明还提供上述骨修复材料的制备方法。将上述骨修复材料置于37℃或注射入体内，即可原位形成凝胶。本发明提供的骨修复材料既可以保持仿天然骨结构的特征，又赋予了材料新的可注射性能，而且具有温度敏感性，适用于微创手术，临床应用方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含纳米羟基磷灰石/胶原微粒的可注射型骨修复材料及其制备方法。

背景技术

壳聚糖是一种天然生物多糖，来源广泛，无细胞毒性、生物相容性好且没有抗原性，可吸收，易于加工，在生物医学领域已用于人工皮肤、可吸收缝线、止血海棉、防粘连剂及药物缓释胶囊等。

根据壳聚糖溶液离子之间的相互作用力，2000年，chenite等人(AChenite，C Chaput，D Wang，et al.Novel injectable neutral solutions ofchitosan from biodegradable gels in situ.Biomaterials，2000，21：2155-2161)开发出温敏性壳聚糖水凝胶。具体做法是壳聚糖水溶液中加入多元醇盐如β-甘油磷酸钠(GP)，在氢键、静电相互作用和疏水相互作用的协同下，壳聚糖溶液在室温条件下保持液态，而温度升高到体温时则转变为下凝胶(壳聚糖/GP)。这种凝胶复合物由于具有温度敏感的特性，可以用作药物及生长因子缓释载体的研究，并在Long-Evans大鼠皮下成功构建可注射性的组织工程化软骨。2005年，Hoemann等人(Hoemarm CD，Sun J，Buschmann MD，et al.Tissue engineering of cartilage using an injectable and adhesivechitosan-based-cell delivery vehicle.Osteoarthritis Cartilage，2005，13：318-329)改进了壳聚糖/GP体系，以壳聚糖、β-甘油磷酸钠、葡糖胺为原料，通过调节溶液的温度及pH值也制备出温敏性壳聚糖水凝胶，并与经乙基纤维素混悬的原代小牛软骨细胞一起注射到裸鼠背部皮下构建组织工程化软骨，同时将没有携带细胞的壳聚糖水凝胶直接注射到兔的关节缺损部位进行缺损修复的实验，术后1周观察发现，该材料的植入对软骨缺损有一定的修复作用，但未做长时间作用效果的观察。2006年，第三军医大学的王东武等人(王东武，杨柳，段小军等.可注射温固化支架复合异体软骨细胞修复关节软骨缺损的实验研究.重庆医学，2006；35(12)：1082-1084)将壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶与异体软骨细胞复合后注射到兔关节软骨缺损区进行了修复实验，取得了较好的软骨缺损修复效果。但单纯的壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶不具有骨缺损修复效果。

本发明涉及一种用于骨修复的矿化多肽材料。其微结构为附着钙磷盐晶体的多肽纤维的三维网络，其中的纤维由包裹着纳米钙磷盐晶体的多肽组成。其中多肽的氨基酸序列具有重复的Gly-X-Y结构，其中Gly代表甘氨酸，X、Y分别为甘氨酸之外的任何一种氨基酸，其中纳米钙磷盐晶体可以为羟基磷灰石、二水合磷酸氢钙等。本发明的矿化多肽材料，成份和结构接近天然骨，其钙磷盐晶体为纳米尺寸，具有良好的生物活性、生物相容性和生物降解性，可促进骨再生，并随新骨的生成最终降解。解决了以往骨材料存在病毒隐患和免疫反应，在治疗骨缺损和骨折等骨修复中可达到自体骨的效果，具有优异的骨诱导性能(200610112992.2)。但单纯的矿化多肽材料呈微粒状，不是一种可注射原位成型的骨修复材料，应用不方便。本发明涉及的矿化多肽材料由北京奥精医药科技有限公司提供，主要成分是纳米羟基磷灰石/胶原，商品名称nHAC。

冯庆玲等公布了一种海藻酸钙基可注射原位固化骨修复材料的制备方法。按质量比取去离子水加入磷酸钠和海藻酸钠粉末充分搅拌，得到海藻酸钠溶液；往所述海藻酸钠溶液中加入纳米羟基磷灰石/胶原(n HAC)微粒，充分搅拌得到粘稠悬浊液；加入硫酸钙微粒，充分搅拌后，即得到所述海藻酸钙基可注射原位固化骨修复材料。所得液态可注射骨修复材料具有优异的可注射性，2小时内即可原位固化，能够显著促进骨缺损的修复(200610144009.5)。本发明是一种壳聚糖基的可注射溶胶-凝胶骨修复材料，能够在37摄氏度生理pH环境下自发转变成凝胶，具有温度和pH双重敏感性，而海藻酸基的溶胶凝胶体系对温度不敏感，如果不加入固化剂硫酸钙微粒，不能在生理环境下自发转变成凝胶，与之相比，本专利公开的方法能在10min内即形成凝胶，凝胶速度更快，使用起来更方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可注射型壳聚糖/GP/纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)骨修复材料及其制备方法。以纳米羟基磷灰石/胶原微粒复合材料为基础制备可注射型骨修复材料，既可以保持仿天然骨结构的特征，又赋予了材料新的可注射性能，适用于微创手术，具有更加广阔的应用范围。

按此方法制备的水凝胶可在体内原位形成，其临床应用方便。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种骨修复材料，含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1-2重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠2-3重量份。例如可以是含纳米羟基磷灰石/胶原微粒2重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠2.5重量份；含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠3重量份；或含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1.5重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠2重量份。

本发明还提供上述骨修复材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将壳聚糖(脱乙酰度80～99％)溶于盐酸或醋酸中，搅拌溶解至澄清；

2)将GP溶解于蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液；

3)用碱性盐溶液将壳聚糖溶液的pH值调到3～7之间；

4)将GP溶液加入壳聚糖溶液中，使共混溶液的pH值位于6.5～7.4之间；

5)将纳米羟基磷灰石/胶原微粒(n HAC)加入上述溶液中，搅拌至充分混合。

将共混溶液置于凝胶温度中或注射入体内，即可原位形成凝胶。

其中，所用碱性盐为碳酸氢钠，磷酸钠或氢氧化钾，碱性盐用量须保证壳聚糖溶液的pH值调到3～7之间。

本发明优点在于采用壳聚糖，β-甘油磷酸钠，纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)制备的温度响应型可注射型壳聚糖/GP/纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)骨修复材料，通过调控与水分子间相互作用，实现溶胶-凝胶转变的温敏化。复合物体内凝胶化特性可调，能适应不同形状骨缺损的修复。组分的优化使其适于注射应用，按此方法制备的支架材料可通过注射在体内原位形成，不仅保留了壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)的生物相容性，生物降解性，且其临床应用方便。壳聚糖是一种天然生物多糖，来源广泛，无细胞毒性、生物相容性好且没有抗原性，可吸收，易于加工。纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)以胶原分子为模板，调制钙磷盐沉积到有序排列的胶原纤维上，自组装成具有天然骨分级结构的矿化多肽材料微粒(nHAC)，目前这种材料已经由北京奥精医药科技有限公司商业生产，可由商业途径购买得到。在壳聚糖溶液中加入纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)形成的溶胶凝胶体系，增强了其对骨组织的仿生程度，使此可注射支架材料更适合于骨重建，同时材料具有可注射性，操作方便。

附图说明

图1：植入材料后X-ray观察图谱：

(a)术后；(b)植入凝胶A12周。

图2：植入凝胶A材料后的生理切片H&E染色图：

(a)8周100倍；(b)12周25倍；(c)12周100倍。

具体实施方式

下面通过实例进一步说明本发明的突出特点，仅在于说明本发明而决不限制本发明，亦即，本发明的突出特点和显著进步，决不限于下述实例。

本专利提到的纳米羟基磷灰石/胶原微粒(n HAC)均购买自北京奥精医药科技有限公司，由北京奥精医药科技有限公司商业生产。

实施例1：

含纳米羟基磷灰石/胶原微粒2重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠2.5重量份。

将200mg壳聚糖(脱乙酰度99％)溶于9ml盐酸(0.1M)中，搅拌溶解至澄清置于4摄氏度的水浴中；将GP500mg溶解于1ml蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液(50％，w/v)；用1M的碳酸氢钠溶液将壳聚糖溶液的pH值调到4，将GP溶液小心滴入上述壳聚糖溶液中，调节pH值为7.15，将400mg纳米羟基磷灰石/胶原微粒(n HAC)加入上述溶液中。将共混溶液注入15mm×5mm×5mm模具中，置于37度培养箱中，即可原位形成凝胶A。

将200mg壳聚糖(脱乙酰度99％)溶于9ml盐酸(0.1M)中，搅拌溶解至澄清置于4摄氏度的水浴中；将GP560mg溶解于1ml蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液(56％，w/v)；用1M的碳酸氢钠溶液将壳聚糖溶液的pH值调到4，将GP溶液小心滴入上述壳聚糖溶液中，调节pH值为7.15，将溶液注入15mm×5mm×5mm模具中，置于37度培养箱中，即可原位形成不含纳米羟基磷灰石/胶原微粒(n HAC)的凝胶B。

将以上A、B两种凝胶进行效果对比实验，15mm×5mm×5mm的凝胶A和凝胶B进行实验。

新西兰兔12只(体重2.5-3kg)随机分为2组，3％戊巴比妥钠肌注麻醉0.3mg/kg，常规脱毛、固定、消毒、铺单，取右侧前肢前外侧切口，依次切开皮肤、皮下、深筋膜，沿肌间隙分离并显露桡骨。于桡骨中上段1/3处用手持牙科打磨机截断，造成15mm骨于骨膜节段性缺损，实验组植入凝胶A，对照组植入凝胶B，逐层缝合不行固定，置于相同条件下饲养。分别于术后4、8、12周处死动物取材。

观察术后动物饮食、活动及伤口愈合情况。取材后观察缺损部位的变化，脱钙后纵向剖开观察内部结构改变。

术后4、8、12周在麻醉下拍摄前肢正位片，条件为55kv、50mA、0.2sec，观察各组动物骨修复情况。

组织切片及苏木精-伊红染色(H&E)，观察新骨的形成。

观察的结果发现：

所有动物伤口愈合良好，无一例感染或积液。

凝胶B植入组12周内骨缺损未修复，纵剖面可见材料形态较为完整，与骨折端分界清晰，组织切片可见大量纤维结缔组织充填孔隙；而凝胶A植入4周双侧骨皮质达到连接，纵剖面见材料形态保持，12周后材料内部有较多的新骨形成，材料轮廓逐渐崩散，组织切片示植入4周后材料边缘既有初步的骨连接，材料内部新生骨小梁随着时间的推移而增加。图1是植入凝胶A后12周愈合的x-ray结果。图2是8周和12周的生理切片结果，(a)图中我们看见新生的骨小梁进入材料中间，而多孔材料中细胞聚集，在骨小梁的表面有连续的成骨细胞，(b)图是12周大体观察可知骨组织已经基本代替了材料，髓腔已通，有更多的新生骨小梁对材料进行分割和取代。

本实验表明在壳聚糖溶液中加入纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)形成的溶胶凝胶体系，增强了其对骨组织的仿生程度，使此可注射支架材料更适合于骨重建，其骨缺损愈合效果得到了有力的证实。同时材料具有可注射性，操作方便。

实施例2：

含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠3重量份。

将200mg壳聚糖(脱乙酰度80％)溶于9ml盐酸(0.1M)中，搅拌溶解至澄清置于4摄氏度的水浴中；将GP600mg溶解于1ml蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液(56％，w/v)；用1M的KOH溶液将壳聚糖溶液的pH值调到5，将GP溶液小心滴入上述壳聚糖溶液中，调节pH值为7.2，将200mg纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)加入上述溶液中。将将溶液注入15mm×5mm×5mm模具中，置于37度培养箱中，5分钟即可原位形成凝胶C。

按照专利200610144009.5公布的一种海藻酸钙基可注射原位固化骨修复材料的制备方法。按质量比取去离子水100g加入3g磷酸钠和2g海藻酸钠粉末充分搅拌，得到海藻酸钠溶液；往所述海藻酸钠溶液中加入2g纳米羟基磷灰石/胶原(n HAC)微粒，充分搅拌得到粘稠悬浊液；加入4.4g硫酸钙微粒，充分搅拌后，将溶液注入15mm×5mm×5mm模具中，置于37度培养箱中，0.5小时才可原位形成凝胶D。与之相比，本专利公开的方法能在10min内即形成凝胶，凝胶速度更快，使用起来更方便，也更安全。

将以上C、D两种凝胶进行效果对比实验，15mm×5mm×5mm的凝胶C和凝胶D进行实验。

新西兰兔12只(体重2.5-3kg)随机分为2组，3％戊巴比妥钠肌注麻醉0.3mg/kg，常规脱毛、固定、消毒、铺单，取右侧前肢前外侧切口，依次切开皮肤、皮下、深筋膜，沿肌间隙分离并显露桡骨。于桡骨中上段1/3处用手持牙科打磨机截断，造成15mm骨于骨膜节段性缺损，实验组植入凝胶A，对照组植入凝胶B，逐层缝合不行固定，置于相同条件下饲养。分别于术后4、8、12周处死动物取材。

观察术后动物饮食、活动及伤口愈合情况。取材后观察缺损部位的变化，脱钙后纵向剖开观察内部结构改变。

术后4、8、12周在麻醉下拍摄前肢正位片，条件为55kv、50mA、0.2sec，观察各组动物骨修复情况。

组织切片及苏木精-伊红染色(H&E)，观察新骨的形成。

观察结果发现：

两种凝胶均能达到骨缺损愈合效果，但凝胶C的骨修复速度大于凝胶D组，可能原因在于壳聚糖在体内的降解速度大于海藻酸，为骨组织的长入提供了生长的空间，从而加速了骨愈合。动物实验结果表明本专利更有优越性。

实施例3：

含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1.5重量份、壳聚糖1重量份和β-甘油磷酸钠2重量份。

将200mg壳聚糖(脱乙酰度90％)溶于9ml盐酸(0.1M)中，搅拌溶解至澄清置于4摄氏度的水浴中；将GP400mg溶解于1ml蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液(50％，w/v)；用1M的磷酸钠溶液将壳聚糖溶液的pH值调到5，将GP溶液小心滴入上述壳聚糖溶液中，调节pH值为7.4，将300mg纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)加入上述溶液中。将共混溶液置于37度环境中，5min即可原位形成凝胶。

实施例4：

含纳米羟基磷灰石/胶原微粒1重量份、壳聚糖2重量份和β-甘油磷酸钠2.5重量份。

将400mg壳聚糖(脱乙酰度60％)溶于9ml盐酸(0.1M)中，搅拌溶解至澄清置于4摄氏度的水浴中；将GP500mg溶解于1ml蒸馏水中，得到清亮均质的GP溶液(45％，w/v)；用1M的磷酸钠溶液将壳聚糖溶液的pH值调到5，将GP溶液小心滴入上述壳聚糖溶液中，调节pH值为7.4，将200mg纳米羟基磷灰石/胶原微粒(nHAC)加入上述溶液中。将共混溶液置于37度环境中，不能原位形成凝胶。