矿化三维多孔石墨烯材料在骨缺损填充物中的应用

摘要

本发明提供一种生物相容性良好、促进细胞增殖、加快和诱导骨髓间充质干细胞成骨分化的骨缺损填充物，该骨缺损填充物由矿化三维多孔石墨烯材料制得，将矿化三维多孔石墨烯材料放在溶液中冷冻后切割成矿化三维多孔石墨烯片材，干燥、灭菌后得到所述骨缺损填充物。

说明书

技术领域

本发明涉及矿化三维多孔石墨烯材料在骨缺损填充物中的应用。

背景技术

骨缺损指骨的结构完整性被破坏，是临床常见病，创伤、感染、肿瘤、骨髓炎手术清创、以及各种先天性疾病是导致骨缺损的主要原因。骨缺损过大，或者是在较小的骨头上的骨缺损，很难完全愈合，则需要手术的干预。而人工骨填充就是其中一种主要的治疗方式，其最基本的要求便是具有良好的生物相容性，不产生免疫排斥反应。

石墨烯作为继富勒烯和碳纳米管发现之后的又一种新型碳同素异形体，具有独特的原子结构和电子结构，使得其表现出传统材料所不具有的多种非凡性能，如超大的理论比表面积、良好的导电导热性、优良的力学性能、光学性能和生物相容性等特点。而三维多孔石墨烯保留了二维石墨烯优越的内在属性，具有更高的比表面积和表面化学修饰能力。

羟基磷灰石作为骨质的主要无机成分之一，被广泛应用于骨组织工程当中。而将三维多孔石墨烯与羟基磷灰石相结合，使得矿化后的材料拥有模拟骨结构，并可促进细胞增殖，加快和诱导骨髓间充质干细胞成骨分化的特性。

矿化三维多孔石墨烯不仅拥有良好的生物相容性，而且具有促进细胞增殖，加快和诱导骨髓间充质干细胞成骨分化的特性，在人工骨填充材料中具有广泛的应用前景。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种矿化三维多孔石墨烯材料在骨缺损填充物中的应用，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种生物相容性良好、促进细胞增殖、加快和诱导骨髓间充质干细胞成骨分化的骨缺损填充物，所述骨缺损填充物由矿化三维多孔石墨烯材料制得。

本发明的矿化三维多孔石墨烯材料在骨缺损填充物中的应用。

进一步的，所述矿化三维多孔石墨烯材料中碳、钙和磷的摩尔比为1:0.05:0.03-1:500:300，优选摩尔比为1:0.5:0.3-1:50:30，进一步优选摩尔比为1:1:0.6-1:10:6。

进一步的，所述矿化三维多孔石墨烯材料的孔径为100-300μm，孔隙率为99.3±0.5％，构成三维孔隙的骨架宽度为100-200μm。

进一步的，所述矿化三维多孔石墨烯材料中羟基磷灰石的覆盖率为90％-100％。

进一步的，所述羟基磷灰石粒径在5nm-50μm之间。

本发明的制备所述骨缺损填充物的方法，包括以下步骤：

(1)用滤纸覆盖三维多孔石墨烯支架，进行矿化处理，得到矿化三维多孔石墨烯材料；

(2)将矿化三维多孔石墨烯材料浸泡在溶液中冷冻；

(3)将冷冻后的所述矿化三维多孔石墨烯材料切割成矿化三维多孔石墨烯片材；

(4)所述矿化三维多孔石墨烯片材经乙醇浸泡、干燥并灭菌后得到所述骨缺损填充物。

进一步的，所述矿化三维多孔石墨烯片材单片或多片叠加用作骨缺损填充。

更进一步的，所述矿化三维多孔石墨烯片材经由医用生物胶水粘合进行多片叠加。

进一步的，步骤(2)中，所述溶液选自水、叔丁醇或其组合。

进一步的，步骤(2)中，所述矿化三维多孔石墨烯材料浸泡在 溶液中，在-20℃至-0.1℃的温度下冷冻。

进一步的，步骤(3)中，冷冻后的所述矿化三维多孔石墨烯材料在-20℃至5℃的温度下切割以保证其形态完整。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明提供一种矿化三维多孔石墨烯材料应用于骨缺损填充物及其制备方法，所制矿化三维多孔石墨烯材料中羟基磷灰石颗粒均匀，无过大颗粒聚集，且所制矿化三维多孔石墨烯片材依填充需求，单独或叠加用于各种形状的骨缺损填充；该矿化三维多孔石墨烯片材填充物质软，孔隙率高，表面具有与构成骨质结构相同的无机成分，用于模拟骨结构，并可促进细胞增殖，加快和诱导骨髓间充质干细胞成骨分化的特性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明中矿化石墨烯的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：制备矿化三维多孔石墨烯材料

包括以下步骤：

(1)将含有催化剂镍的三维多孔石墨烯支架采用化学气相沉积法(CVD)，除去镍催化剂后，制得三维多孔石墨烯支架；

(2)三维多孔石墨烯支架用等离子处理10s-30min后，用滤纸覆盖；

(3)在10倍浓度的模拟体液(10倍浓度的模拟体液是由NaCl，CaCl₂，MgCl₂，NaHCO₃，Na₂HPO₄等化合物共同组成)中加入2-100mmol 的碳酸氢根离子，用0.22μm孔径的过滤系统过滤，将三维多孔石墨烯支架在脱色摇床上于室温下放置1-12h后，得到矿化三维多孔石墨烯材料，并用水和乙醇洗涤矿化三维多孔石墨烯材料。

所述矿化三维多孔石墨烯材料中碳、钙和磷的摩尔比为1:0.05:0.03-1:500:300，优选摩尔比为1:0.5:0.3-1:50:30，进一步优选摩尔比为1:1:0.6-1:10:6，其孔径为100-300μm，孔隙率为99.3±0.5％，构成三维孔隙的骨架宽度为100-200μm，所述矿化三维多孔石墨烯材料中羟基磷灰石的覆盖率为90％～100％，所述羟基磷灰石粒径在5nm-50μm之间。对矿化后的三维多孔石墨烯材料做了扫描电镜表征，如图1所示，图中晶体表示三维多孔石墨烯支架已成功矿化。

实施例二：矿化三维多孔石墨烯材料制备骨缺损填充物

将实施例一中的矿化三维多孔石墨烯材料浸入水中，在-20℃下冷冻后，在-10℃下切割成矿化三维多孔石墨烯片材，并经75％酒精浸泡、干燥并辐射灭菌后得到骨缺损填充物。

实施例三：矿化三维多孔石墨烯材料制备骨缺损填充物

将实施例一中的矿化三维多孔石墨烯材料浸入叔丁醇中，在-0.1℃下冷冻后，在5℃下切割成矿化三维多孔石墨烯片材，并经75％酒精浸泡、纯酒精洗涤、干燥并辐射灭菌后得到骨缺损填充物。

实施例四：矿化三维多孔石墨烯材料制备骨缺损填充物

将实施例一中的矿化三维多孔石墨烯材料浸入50％的叔丁醇水溶液中，在-5℃下冷冻后，在0℃下切割成矿化三维多孔石墨烯片材，并经75％酒精浸泡、水洗涤、纯酒精洗涤、低温冻干并辐射灭菌后得到骨缺损填充物。

根据临床医疗需求，以单片、多片叠加或使用医用生物药水多片粘合的方式，用于各种形状的骨缺损填充。

矿化的三维石墨烯片材作为骨缺损填充物，与传统的合成骨代替物羟基磷灰石生物陶瓷相比，除了同时具有较好的生物相容性、骨传 导性及成骨诱导能力，且在表面培养间充质干细胞，其向成骨细胞分化比例高2-20倍，分化时间早1.1-5倍。

与羟基磷灰石生物陶瓷(对照组)作为骨缺损填充材料相比，矿化三维多孔石墨烯片材(实验组)作为骨缺损填充材料，在骨缺损区域填充的1-3个月内，骨密度变化较对照组快；3-6个月后，实验组的骨密度与自身骨密度相比可达到60-90％，而对照组只有30-60％，密度是后者的1.1-5倍。在CT影像中观察，实验组的界面不明显，而对照组有明显的骨-材料结合界面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。