载抗肿瘤药物人工骨材料以及制备人工骨的方法

摘要

本发明公开一种载抗肿瘤药物人工骨材料以及制备人工骨的方法，该方法包括：将羟基磷灰石颗粒、胶原蛋白粉末、分散剂、抗肿瘤药物和微量元素溶于去离子水，并调节PH值，混合均匀得到浆料；将浆料球磨和超声振荡后，制得墨水悬浮液；将墨水悬浮液装入3D直写成型设备的喷筒中，将计算机与直写成型设备连接，设置3D直写设备的程序以及仿骨结构模型，通过控制墨水悬浮液的流变性能逐层叠加在空气中打印，干燥后得到载抗肿瘤药物人工骨材料。本发明人工骨材料，可发挥修复骨缺损和药物载体的双重作用，具有良好的生物相容性及诱导骨再生能力的同时，提高抗肿瘤药物局部药物浓度，减轻全身药物反应，抑制肿瘤再发和转移。

说明书

技术领域

本发明属于生物医学材料制备成型领域，具体涉及载抗肿瘤药物人工骨材料以及制备人工骨的方法。

背景技术

骨组织恶性肿瘤常见于临床中，原发性的骨恶性肿瘤中，发病率较高的前四位是浆细胞瘤、骨肉瘤、软骨肉瘤和尤文肉瘤。此外，骨组织还是全身恶性肿瘤的第三转移高发部位，常见于肺癌、前列腺癌和乳腺癌的骨转移。对于骨肿瘤的治疗，在化疗方案开展之前，主要是截肢或局部广泛切除和放疗，对患者造成了很大的伤害，严重影响术后的生活质量，病死率也较高，5年生存率不足20％。随着化疗药物的研发，多药联合化疗的应用，以及近年来提出的新辅助化疗的应用，患者的生存率明显提高。联合化疗的原则是，将对肿瘤有治疗作用的几种药物联合应用，使其产生相加或者协同作用，在消除单药化疗使细胞产生的耐药性的同时，不增加对细胞的毒性作用。新辅助化疗于上世纪70年代提出，强调在术前化疗6-10周，再行肿瘤切除手术。然后根据肿瘤组织的坏死程度指定术后的化疗方案。新辅助化疗的实施可使肿瘤组织局限，缩小，减少肿瘤转移播散机会，并早期杀死潜在的转移灶。国内报道的新辅助化疗治疗后手术的患者生存率已达到60％。由此可见，化疗药物运用、多药联合化疗在提高骨肿瘤患者生存率、改善预后中发挥着关键的作用。

对于新辅助化疗后实行了肿瘤骨切除术的患者，要进行术后化疗避免肿瘤扩散转移，同时也需要修复骨缺损，维持病灶处原有骨结构的稳定性。因此，需要在骨缺损部位植入骨组织，修复骨缺损。目前临床上主要采用的填充骨材料有自体骨、同种异体骨、异种骨、骨水泥和生物陶瓷。自体骨避免了免疫排斥反应的发生，植入后有较高的存活率，自体骨组织主要取自髂骨或胫骨近端。然而取自体骨所取组织有限，骨组织不能完全满足缺损部位形态上的需求，同时加重了患者的创伤，术后还可能发生取骨部位的感染和疼痛。同种异体骨有一定的抗原性，虽可经抗原处理避免免疫排斥反应的发生，但同时异体骨将不含有任何活体细胞，仅能发挥骨传导的作用，骨诱导性差。异种骨来源充足，价格便宜，具有一定的骨诱导性，与细胞的黏附性好，是理想的骨填充材料。但其存在种属间抗原差异，如何减弱其免疫排斥反应仍在研究中。骨水泥主要包括丙烯酸酯类骨水泥和磷酸钙骨水泥两种。丙烯酸酯类骨水泥可塑性和力学性能良好，但不具备骨传导性，生物相容性差。磷酸钙骨水泥较之生物相容性大大提高，但仍存在抗压强度低，固化过程易被影响等缺点。生物陶瓷是一种具有良好骨传导性的填充材料，且具有较好的生物相容性。主要包括β-TCP，羟基磷灰石和生物活性玻璃等。其不仅可载宏观和微观上模仿天然骨的框架，还能促进破骨细胞数量和活性的增加，促进植入骨的溶解和新生骨的沉积。朱海燕等将骨髓间充质干细胞加入珊瑚羟基磷灰石构建人工骨复合物，发现人工骨上成骨的速度和质量都接近于自体移植骨。然而，目前的生物陶瓷制备材料均模仿了天然骨的无机成分，在孔隙率、孔径和抗压强度上能够满足天然骨的要求，但有机成分赋予天然骨的韧性是生物陶瓷材料的不足之处。因此，制备出在生物性能和力学性能上均能满足骨缺损修复的骨组织工程支架，成为了当下的研究热点。

而为了使制备的骨支架个体化的满足患者的需求，同时在宏观和微观上都具有较好的仿骨结构，3D打印技术被广泛的应用到骨组织工程领域。直写成型技术是一种新型的3D打印技术。它的工作原理时，通过计算机建立三维模型输入直写成型设备，配置可固化成型的打印墨水后，通过控制墨水的流变性能将其从一定直径的喷嘴喷出，在空气中固化成型。而为了实现墨水在喷出后能迅速固化，保持形状，配置合适的墨水材料是该技术的关键。与传统的3D打印技术相比较，直写成型技术成型过程简便，效率高。同时，墨水材料种类可多种多样，金属非金属，有机材料，无机材料均可用于制备墨水。甚至可以直接打印具有生物活性的物质，如细胞、蛋白、生长因子等。基于以上优点，直写成型技术已经被应用于骨组织工程支架的研究中。

综上所述，应用直写成型技术于人工骨的制备，在满足宏观、微观结构仿骨，实现骨支架个体化定制的同时，可制备同时含有无机材料和有机材料的复合支架，在成份上高度仿骨，极大改善骨支架的力学强度和生物相容性，更好的修复患者的骨缺损。同时，对于骨肿瘤病人，在骨支架中添加化疗药物，可提高病灶局部药物浓度，降低药物全身反应性，在促进诱导骨再生的同时，抑制肿瘤的再发和转移。因此，对于本领域的技术人员而言，发展载抗肿瘤药物人工骨材料对于骨缺损的术后修复具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种载抗肿瘤药物人工骨材料及利用3D直写成型技术制备载药人工骨材料的方法。目的在于提供一种促进诱导骨再生材料，同时可抑制肿瘤病人肿瘤的再发和转移，改善病人预后。

为实现上述目的，本发明提供的一种载抗肿瘤药物人工骨材料包括羟基磷灰石颗粒、胶原蛋白粉末、分散剂、抗肿瘤药物、微量元素和去离子水。

为实现上述目的，本发明提供的一种利用3D直写成型技术制备载抗肿瘤药物人工骨材料的方法包括以下步骤：

(1)将羟基磷灰石颗粒、胶原蛋白粉末、分散剂、抗肿瘤药物和微量元素溶于去离子水，并调节PH值，混合均匀得到浆料，其中，所述羟基磷灰石颗粒的粒径范围为0.1-10um，所述抗肿瘤药物包括甲氨蝶呤、阿霉素、顺铂、5-FU中的一种或几种；

(2)将浆料球磨和超声振荡后，制得墨水悬浮液；

(3)将墨水悬浮液装入3D直写成型设备的可控温度的料筒中，将计算机与直写成型设备连接，设置3D直写设备的程序以及仿骨结构模型，通过控制流变性能将墨水悬浮液从喷头喷出，在空气中逐层叠加，自固化成型得到载抗肿瘤药物人工骨材料；其中，仿骨结构模型的建立步骤为获取患者骨缺损部位的CT信息，通过电脑建模软件构建三维模型。

优选地，羟基磷灰石颗粒与胶原蛋白粉末的加入比例为3：2。

优选地，所述分散剂为柠檬酸盐、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚乙酰亚胺中的一种或几种。

优选地，所述分散剂的加入量为羟基磷灰石颗粒质量的0.1-4％。

优选地，所述浆料中的抗肿瘤药物含量为1-10mg/mL。

优选地，调节PH值范围为4-10。

优选地，调节PH值的酸碱调节剂包括碳酸、磷酸、柠檬酸、氢氧化镁、氢氧化钙中的一种或几种。

优选地，所述微量元素包括镁、锌、氯中的一种或几种。

优选地，所述步骤(2)中的球磨时间为24h，转速为50-250rmp；超声震荡时间为12h。

本发明所采用的技术方案与现有技术相比，至少具有下列优点：

1)本发明制得的打印墨水悬浮液的固相体积分数为50-66％。高固相体积分数可保证墨水材料顺利通过喷嘴，且可在喷出后迅速固化成型。

2)本发明提供的人工骨材料制备方法可根据患者的骨缺损情况实现个性化定制，制备过程简便，生产效率高，材料成本小。

3)本发明提供的载抗肿瘤药物人工骨材料在宏观结构和微观孔隙上实现仿骨，组成上采用羟基磷灰石/β-TCP和胶原，仿天然骨的有机和无机成分，生物相容性，骨诱导性好，力学性能较传统骨支架有较大改善。

4)本发明的载药人工骨可发挥修复骨缺损和药物载体的双重作用，具有良好的生物相容性及诱导骨再生能力的同时，提高抗肿瘤药物局部药物浓度，减轻全身药物反应，抑制肿瘤再发和转移。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面通过具体实施方式对本发明进一步描述，但所列举的实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

β-TCP(羟基磷灰石的一种)粒径为0.8um，医用级胶原蛋白粉末，去离子水，聚乙酰亚胺，甲氨蝶呤，氯化铵混合形成墨水浆料；其中，聚乙酰亚胺为β-TCP干粉含量的0.6％，氯化铵用量为墨水质量的0.06％，甲氨蝶呤浓度为6mg/mL，采用磷酸调节PH值为4。制得的墨水浆料固相含量为44％。

混合好的浆料置于球磨机上以90rmp转速球磨24h，超声振荡12h，即得到所需墨水悬浮液。所得墨水悬浮液具有很好的剪切致稀性，在10s

将该墨水悬浮液装入3D直写成型设备的喷筒中，喷嘴直径为160um。将计算机与直写成型设备连接，设置3D直写设备的程序以及仿骨结构模型，开启通过逐层叠加的方式在空气中打印即可得到三维立体结构，将得到的三维立体结构在室温下干燥6h后放于60℃下干燥12h，随后至于80℃干燥12h，得到三维立体结构的生坯，也即载甲氨蝶呤人工骨。其中，仿骨结构模型的建立步骤为获取患者骨缺损部位的CT信息，通过电脑建模软件构建三维模型。

体外药物释放实验：本实施例制备的载甲氨蝶呤人工骨为样品进行检测。释放介质为3ml PBS，温度为37.0℃。每48小时测定一次，更换等量PBS。测定前含有释放药物的PBS保存在-45℃。结果显示：药物持续释放，药物浓度可维持在0.1～1.0μg/ml达12天。

实施例2：

羟基磷灰石粒径为1um，医用级胶原蛋白粉末，去离子水，聚丙烯酸，阿霉素，醋酸锌混合形成墨水浆料；其中，聚丙烯酸为羟基磷灰石干粉含量的0.8％，醋酸锌用量为墨水质量的0.05％，阿霉素浓度为10mg/mL，采用氢氧化镁调节PH值为9。制得的墨水浆料固相含量为56％。

混合好的浆料置于球磨机上以100rmp转速球磨24h，超声振荡12h，即得到所需墨水悬浮液。所得墨水悬浮液具有很好的剪切致稀性，在10s

将该墨水悬浮液装入3D直写设备的喷筒中，喷嘴直径为100um。将计算机与直写成型设备连接，设置3D直写设备的程序以及仿骨结构模型，开启通过逐层叠加的方式在空气中打印即可得到三维立体结构，将得到的三维立体结构在室温下干燥6h后放于60℃下干燥12h，随后至于80℃干燥12h，得到三维立体结构的生坯，也即载阿霉素人工骨。其中，仿骨结构模型的建立步骤为获取患者骨缺损部位的CT信息，通过电脑建模软件构建三维模型。

体外药物释放实验：本实施例制备的载阿霉素人工骨为样品进行检测。释放介质为3ml PBS，温度为37.0℃。每48小时测定一次，更换等量PBS。测定前含有释放药物的PBS保存在-45℃。结果显示：药物释放在第四天达峰，前14天药物释放速率较快，第40天药物浓度仍大于阿霉素半抑制浓度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。