纳米碳磷灰石/壳聚糖－聚乳酸骨组织工程支架材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米碳磷灰石/壳聚糖－聚乳酸骨组织工程支架材料的制备方法。其技术方案是以冰醋酸和少量水作为聚乳酸和壳聚糖的共溶剂配制成聚乳酸和壳聚糖的共溶液，并直接把粉末状的纳米碳磷灰石加入聚乳酸和壳聚糖的共溶液中。然后加入NaOH溶液相分离成型制备纳米碳磷灰石/壳聚糖－聚乳酸多孔复合支架材料。本发明的特点是聚乳酸、壳聚糖和纳米碳磷灰石三种物质一次成型，避免使用有毒的有机溶剂，制备工艺简单。所制备的纳米碳磷灰石呈短棒状，分散性好，长度为50～80nm，碳酸根质量百分比含量为8.9％，产率90％。孔隙率为80～88％，孔径在100～800μm，具有更好的生物相容性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸骨组织工程支架材料的制备方法，属于组织工程材料制备领域。

技术背景

“组织工程”是20世纪80年代提出的一门新兴交叉学科，其基本原理是，从病人体中分离取得种子细胞，种植在具有良好生物相容性且在体内可逐步降解吸收的组织工程多孔支架上形成细胞——支架复合物，细胞在支架上增殖、分化，然后将此复合物植入病人组织病损部位，在体内继续增殖并分泌细胞外基质，形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官，从而达到修复病损组织或器官的目的。组织工程学为骨缺陷的修复提供了新的方法和思路。骨组织工程方面的研究主要集中在以下三方面：(1)骨组织工程支架材料；(2)种子细胞的研究；(3)组织工程化人工骨修复缺损的研究。支架材料的研究是骨组织工程研究的热点和关键之一。骨组织工程用支架材料的作用在于其植入体内后，可作为细胞依附的载体和繁殖分化的场所，营养物质和新陈代谢产物传输的通道，促进骨组织修复。

因此，理想的骨组织工程支架材料的应具良好的生物相容性、生物降解性、可塑性和一定的机械强度、良好的材料-细胞界面。其中羟基磷灰石、胶原、聚乳酸、聚己内酯、壳聚糖等是骨组织工程支架常用的材料。Kikuchi M等人(Bio-materials，22(2003)：1705-1711)在仿生条件下通过自组织机理制备了羟基磷灰石/胶原复合支架材料；李玉宝等人制备了纳米磷灰石/聚酰胺复合支架材料(ZL03135262.6)；姚康德等人制备了壳聚糖-明胶/磷酸钙复合支架材料(ZL00136757.9)；聚乳酸/纳米羟基磷灰石多孔支架材料也被多数学者采用(Acta Biomaterials，1(2005)：653-662；Biomaterials，25(2004)：4749-4757)。聚乳酸(PLA)是由乳酸(α-羟基内酯)的缩聚物，具有良好生物相容性、力学性能和生物降解性，并且易于加工，符合作为支架材料使用的标准，但聚乳酸力学强度较低，且聚乳酸降解产物呈酸性易导致炎症反应。壳聚糖(CS)是自然界中少见的一种带正电荷的碱性多糖，由于其弱碱性，它和人体相容性好。因此，将聚乳酸和壳聚糖复合，可以改善聚乳酸的细胞亲和性而且能起到中和聚乳酸降解时产生的酸性物质的作用。但是聚乳酸和壳聚糖复合支架材料缺乏生物活性、力学性能还不能满足骨组织工程的需要，将聚合物与有生物活性的磷灰石无机颗粒复合是一条行之有效的途径。但是这些复合材料还有其不足之处，改善和控制磷灰石在支架中的分散状况是研究的重点。

支架材料在结构上应具有三维立体多孔结构，多孔结构保证了支架内营养物质的传输与代谢，才能使细胞迁移或增殖。目前国内外用于制备多孔支架材料的方法主要有溶剂浇铸/粒子沥滤法、气体发泡法、相分离/乳化法、冷冻干燥法、静电纺丝法等。溶剂浇铸/粒子沥滤法(CN 1316464)，一般采用一定粒径大小的NaCl颗粒，材料成型后再去除NaCl颗粒得到多孔结构，但这种方法工序复杂，NaCl颗粒也不能去除干净。CN1272383采用热致诱导相分离法制备的支架材料的孔径一般较小，不能满足组织工程的需要。CN101069755公开了一种基于电纺超细纤维的骨组织工程支架材料的制备，特别是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中以获得机械性能改善的骨组织工程支架材料，但是支架材料的厚度有限。CN1394654采用聚乳酸为原料，将之溶解于二氧六环或二氧六环/水混合溶剂中，于自制模具中在一定温度下粗化后，低温冷冻，利用冷冻干燥去除溶剂，获得具有一定微结构的组织工程用三维多孔支架，但仍然要利用有毒的有机溶剂。因此，寻求一种新的制备多孔支架材料的方法，避免有毒有机溶剂的使用，又可用于非水溶性组织工程支架材料的制备是目前组织工程研究的重要任务之一。

本发明人在公开号为CN101015712的申请专利中，以冰醋酸为壳聚糖和聚己内酯的共溶剂，通过相分离法制备了聚己内酯-壳聚糖复合多孔支架材料，然后再通过离心填充羟基磷灰石浆料制备得到聚己内酯-壳聚糖/羟基磷灰石三元复合支架材料，但是支架材料的形状受离心填充工艺的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种供纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸骨组织工程支架材料及其制备方法。本发明的技术方案是以冰醋酸和少量水作为聚乳酸和壳聚糖的共溶剂配制成聚乳酸和壳聚糖的共溶液，并直接把粉末状的纳米碳磷灰石加入聚乳酸和壳聚糖的共溶液中。粉末状的纳米碳磷灰石在此共溶液中有较好的分散性能，从而保证纳米碳磷灰石在支架中有较好的分散性，然后加入NaOH溶液相分离成型制备纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔复合支架材料。

具体制备方法如下：

1)将聚乳酸溶于冰醋酸中，制成质量百分比为10％的聚乳酸溶液。

2)称取一定量的壳聚糖粉末，加入上述聚乳酸溶液中，加入少量水，水的用量是聚乳酸溶液质量的2％，磁力搅拌直至得到均匀溶液，制成聚乳酸-壳聚糖共溶液。壳聚糖和聚乳酸的质量比为0.05～0.3∶1。

3)纳米碳磷灰石的制备：分别配置0.25mol/L Ca(NO₃)₂溶液、0.15mol/L(NH₄)₃PO₄溶液和0.15mol/L尿素溶液，Ca(NO₃)₂溶液和(NH₄)₃PO₄溶液分别用氨水调节，使13.5≥pH≥10。取等体积的上述三种溶液，先将Ca(NO₃)₂溶液和尿素溶液混合，然后将(NH₄)₃PO₄溶液缓慢滴入Ca(NO₃)₂和尿素混合溶液中，搅拌1h后将溶液转入内衬聚四氟乙烯的不锈钢水热釜中，200℃水热处理8h，最后将产物经抽滤、用蒸馏水和无水乙醇洗净后，于100℃下烘干，得到粉末状的纳米碳磷灰石。

4)称取一定量的上述制备的粉末状的纳米碳磷灰石加入到聚乳酸-壳聚糖共溶液中，搅拌30min，控制纳米碳磷灰石粉末和聚乳酸的质量比为0.1～0.5∶1。

5)将含有纳米碳磷灰石的聚乳酸-壳聚糖溶液缓慢滴入盛有质量百分比为35％ NaOH水溶液的烧杯中，NaOH溶液的用量和冰醋酸的质量相同。静置12小时，让其固化成型。然后用蒸馏水反复漂洗，直至洗涤液呈中性。最后40℃烘干，制得纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料。

本发明所用的主要原料来源为：聚乳酸，分子量100000，优利(苏州)科技材料有限公司；壳聚糖(食品级)，济南海德贝海洋生物工程有限公司生产，脱乙酰度为85％。

本发明所述的纳米碳磷灰石呈短棒状，分散性好，长度为50～80nm，碳酸根质量百分比含量为8.9％，产率90％。人体骨中纳米磷灰石长约60nm，碳酸根质量百分比含量为2.3～8％。一般认为生物材料与骨矿物之间越相似，其体内生物学行为就越好。因此本发明制备的纳米碳磷灰石更接近于人骨组成，具有更好的生物相容性。

本发明所述的纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料的孔隙率为80～88％，孔径在100～800μm。

本发明提供的纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料及其制备方法具有如下的优点：1)采用冰醋酸和少量水作为聚乳酸和壳聚糖的共溶剂，并且使纳米碳磷灰石在聚乳酸-壳聚糖溶液中有较好的分散性能，避免了使用有毒的有机溶剂，并保证纳米碳磷灰石在支架中有良好的分散性能。2)制备工艺简单，清洗容易，冰醋酸和NaOH可通过反复水洗除尽，无需使用冷冻干燥机，设备简单，耗时较少。3)纳米碳磷灰石相比于羟基磷灰石更接近人骨中的矿物组分，有更好的生物降解性能。

附图说明

图1为本发明所述的纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸骨组织工程支架材料制备流程示意图。

图2为本发明所述的粉末状纳米碳磷灰石透射电镜图。

图3为本发明所述的实施例1所制备的纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料的照片图。

具体实施方式

实施例1

将3g聚乳酸加到27g冰醋酸中，搅拌直至聚乳酸完全溶解，得到质量百分比为10％的聚乳酸溶液。加入0.3g壳聚糖粉末，滴入0.6ml水，磁力搅拌直至得到均匀溶液。然后再加入本发明自制的纳米碳磷灰石粉末1.5g，搅拌30min，形成均匀分散的悬浮液。将上述溶液滴入27g，质量百分比为35％ NaOH溶液的烧杯中，滴加完后静置12小时固化成型。然后用蒸馏水反复漂洗，直至洗涤液呈中性。最后40℃烘干，制得纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料，支架的孔隙率为85％。

实施例2

将3g聚乳酸加到27g冰醋酸中，搅拌直至聚乳酸完全溶解，得到质量百分比为10％的聚乳酸溶液。加入0.6g壳聚糖粉末，滴入0.6ml水，磁力搅拌直至得到均匀溶液。然后再加入本发明自制的纳米碳磷灰石粉末1.0g，搅拌30min，形成均匀分散的悬浮液。将上述溶液滴入27g，质量百分比为35％ NaOH溶液的烧杯中，滴加完后静置12小时固化成型。然后用蒸馏水反复漂洗，直至洗涤液呈中性。最后40℃烘干，制得纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料，支架的孔隙率为80％。

实施例3

将3g聚乳酸加到27g冰醋酸中，搅拌直至聚乳酸完全溶解，得到质量百分比为10％的聚乳酸溶液。加入0.15g壳聚糖粉末，滴入0.6ml水，磁力搅拌直至得到均匀溶液。然后再加入本发明自制的纳米碳磷灰石粉末0.5g，搅拌30min，形成均匀分散的悬浮液。将上述溶液滴入27g，质量百分比为35％ NaOH溶液的烧杯中，滴加完后静置12小时固化成型。然后用蒸馏水反复漂洗，直至洗涤液呈中性。最后40℃烘干，制得纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料，支架的孔隙率为84％。

实施例4

将3g聚乳酸加到27g冰醋酸中，搅拌直至聚乳酸完全溶解，得到质量百分比为10％的聚乳酸溶液。加入0.9g壳聚糖粉末，滴入0.6ml水，磁力搅拌直至得到均匀溶液。然后再加入本发明自制的纳米碳磷灰石粉末0.3g，搅拌30min，形成均匀分散的悬浮液。将上述溶液滴入27g，质量百分比为35％ NaOH溶液的烧杯中，滴加完后静置12小时固化成型。然后用蒸馏水反复漂洗，直至洗涤液呈中性。最后40℃烘干，制得纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸多孔支架材料，支架的孔隙率为88％。