一种具有纳米羟基磷灰石涂层的多孔双相磷酸钙生物支架及其制备

摘要

本发明公开了一种具有纳米羟基磷灰石涂层的多孔双相磷酸钙生物支架及其制备方法。首先，分别配制磷酸二氢铵和四水硝酸钙溶液；把磷酸二氢铵溶液和粘合剂聚乙烯醇混合，加热中和，放入多孔双相磷酸钙生物支架；将四水硝酸钙溶液加入上述反应体系中，震荡混匀；再将得到的反应体系转入反应釜中，120℃，持续12小时加热反应；抽滤，无水乙醇、双蒸水反复洗涤后，室温晾干。本发明提高了生物支架材料的生物相容性，有利细胞的快速生长，也提高了其临床使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体是基于化学沉淀法对多孔双相磷酸钙生物支架进行纳米羟基磷灰石涂层的制备方法和得到的生物支架。

背景技术

骨缺损的治疗是骨科临床医师面临的难题之一，自体骨移植是公认的金标准，但移植骨的大小和形状受到限制，而且往往带来供区并发症，限制其应用，同种异体骨移植也是较理想的移植物，但可能会传播疾病和引起免疫反应。而骨水泥尽管注射方便，也不会传播疾病，但由于不具有骨再生的能力，常常导致局部骨强度降低，存在致命过敏反应和产热。这些方法均存在各自的不足，难以满足临床修复骨缺损的需要。组织工程骨的出现为克服上述不足提供了新思路。它的基本思路是将活细胞体外培养增殖后，与支架材料相复合构成骨的替代物。理想的骨组织工程支架材料应具备以下特点：1、良好的骨传导性，具有三维多孔立体结构；2、良好的生物相容性；3、良好的生物降解性，材料本身及其降解产物对人体无害；4、具有一定的机械强度；5、易于塑形性。目前使用的支架材料主要有：天然高分子材料主要包括胶原(Col)、脱细胞基质(ACTM)、甲壳素(CS)及其衍生物甲壳胺(又名壳聚糖)、纤维蛋白等，具有良好的生物相容性，利于细胞黏附、增殖和分化。合成高分子材料主要包括聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乙丙交脂共聚物(PLGA)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)等。羟基磷灰石(HA)是构成生物硬组织的主要无机成分，具有片层结构和纳米晶特点，它不仅具有良好的生物相容性、无毒性，还能传导骨生长，植入体内后能与组织在界面上形成化学键结合，一旦细胞附着、伸展，即可产生骨基质胶原，然后进一步矿化，形成骨组织；但单纯将HA作为人体的承力构件存在一些不足，例如强度低、弹性模量高、脆性大、韧性差以及成型不理想等。β-TCP具有良好的生物降解性、相容性和无毒性，当其植入人体后可引导新骨的生长，降解下来的钙、磷能进入活体循环系统形成新生骨，更好的骨诱导作用，但降解速度过快是其缺点，不利于骨愈合和细胞的附着。双相生物陶瓷由不同比例HA和β-TCP混合而成，相对于单相生物陶瓷(HA或β-TCP)，具有更适宜的生物降解性，有利于诱导成骨。Ramay等研制出纳米双相多孔磷酸钙支架，有TCP基质和纳米羟基磷灰石组成，经检测其抗压强度与松质骨类似，空隙率为73％。近年来，随着纳米知识与技术的不断发展，人们发现人体骨骼中的羟基磷灰石主要是纳米级针状单晶体结构。纳米级的羟基磷灰石与人体内骨组织成分更为相似，具有更好的生物相容性。根据“纳米效应”理论，单位质量的纳米粒子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，从而以利于组织结合，也有助于力学性能(强度、韧性和超塑性)的改善。与普通HA相比，纳米HA表现出较高的细胞增殖率，随着浸提液浓度的降低和培养时间的增长，细胞毒性趋于0级；纳米HA的微颗粒与细胞的直接接触并未见细胞毒性作用，容易容易与细胞粘附、生长，更好的生物相容。而人工骨的诱导成骨作用受到材料空隙结构的影响，研究发现孔径较大400-800微米相对于小孔径有利于新骨的形成，而孔径小于150微米，空隙率小于30％的磷酸钙陶瓷明显限制新骨的长入。

纳米羟基磷灰石拥有更好的生物相容性和有利于细胞粘附，利用纳米羟基磷灰石涂层对生物材料进行表面改性，使之具有生物活性是研究的方向之一。目前的纳米羟基磷灰石涂层的制备方法有等离子喷涂法、激光熔覆法、电泳沉积法、电化学沉积法、仿生法等。而且多集中在金属表面进行纳米纳米羟基磷灰石涂层制备的研究。在无机物表面进行改性使之具有更好的生物相容性和生物活性的研究目前在国内外还间报道。本发明采用化学法生产纳米羟基磷灰石，直接在多孔双相磷酸钙生物支架(HA/β-TCP＝6-7/3-4，空隙率40-60％，孔径100-500微米)孔内和表面制备纳米羟基磷灰石涂层，以提高生物支架材料的生物相容性，有利细胞的快速生长，提高其临床使用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种在多孔双相磷酸钙生物支架孔内和表面“涂层”纳米羟基磷灰石的方法，以及得到的这样一种生物支架，以提高生物支架材料的生物相容性，有利细胞的快速生长，提高其临床使用价值。

一种具有纳米羟基磷灰石涂层的多孔双相磷酸钙生物支架，所述的生物支架的外表面和空隙表面均匀分布有100％(100％是指纯度)羟基磷灰石短棒状晶体。

所述的羟基磷灰石短棒状晶体直径20-30纳米，长度为100-200纳米。

所述的多孔双相磷酸钙生物支架(羟基磷灰石与β-磷酸三钙混合物，HA/β-TCP)HA/β-TCP质量比＝6-7/3-4，空隙率40-60％，孔径100-500微米。

一种具有纳米羟基磷灰石涂层的多孔双相磷酸钙生物支架的制备方法，包括以下步骤：

1)分别配制磷酸二氢铵和四水硝酸钙溶液；

2)把磷酸二氢铵溶液和粘合剂聚乙烯醇混合，加热中和，放入多孔双相磷酸钙生物支架；

3)将四水硝酸钙溶液加入步骤2)得到的反应体系中，震荡混匀；

4)把步骤3)得到的反应体系转入反应釜中，120℃，持续12小时加热反应；

5)抽滤，无水乙醇、双蒸水反复洗涤后，室温晾干。

步骤1)所述的磷酸二氢铵和四水硝酸钙溶液的浓度分别为0.3mol/L和0.5mol/L。

所述的四水硝酸钙∶磷酸二氢铵∶PVA摩尔比为15∶25∶1。

步骤2)所述的加热中和是加热至80-100℃搅拌混匀后，用浓氨水把PH值调至10.5-11.5，再放入多孔双相磷酸钙生物支架

步骤3)所述的加入四水硝酸钙溶液时，在超声震荡下把四水硝酸钙溶液以2ml/min滴入步骤2)得到的反应体系中。

步骤4)所述加热反应是把反应体系转入反应釜后置入真空干燥机。

所述的多孔双相磷酸钙生物支架HA/β-TCP质量比＝6-7/3-4，空隙率40-60％，孔径100-500微米。

目前的纳米羟基磷灰石涂层的制备方法有等离子喷涂法、激光熔覆法、电泳沉积法、电化学沉积法、仿生法等。而且多集中在金属表面进行纳米纳米羟基磷灰石涂层制备的研究。本发明成功采用化学沉淀法把纳米羟基磷灰石以“涂层”的方式结合到双相磷酸三钙多孔生物支架内、外的表面，制成nanoHA/BCP复合材料的生物支架材料。首次在无机材料(双相磷酸钙)上制备了纳米羟基磷灰石涂层，有利于种子细胞骨髓基质细胞直接在纳米级羟基磷灰石表面附着和生长，充分利用了纳米级羟基磷灰石生物相容性好和双相磷酸钙降解速率可调性，这样既发挥了细胞易于在纳米羟基磷灰石表面粘附生长的优势，同时解决了纳米羟基磷灰石难于成形的难题，又兼顾解决了单相磷酸钙生物降解时间与新骨形成速率不一致的问题。本新型生物支架进行动物脊柱融合模型实验，结果表明新型生物支架更有利于骨细胞的张入和新生骨的形成。

附图说明

图1为本发明制备的BCP支架示意图；

图2为电镜扫描本发明BCP支架孔隙内表面图；

图3为本发明BCP支架成分X线衍射图；

图4为电镜扫描本发明BCP支架涂层孔隙内表面图；

图5为本发明BCP支架涂层成分X线衍射图。

图6为本发明支架材料在兔脊柱融合硬组织切片空隙内成骨图。

具体实施方式

以下结合实施例只在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

1.多孔双相磷酸钙生物支架的制备：

按一定比例配制羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)复合粉末后过200目筛，加入一定比例成形剂(聚乙烯醇，PVA)，加水调成糊状，用适当空隙直径聚氨酯泡沫充分浸渍，在一定温度下干燥，然后在高温烧结2-3小时，可到与泡沫相同形状、空隙分布均匀、空隙直径在200-500μm的复合多孔双相磷酸钙支架(BCP)。

2.用去离子水配制0.3mol/L磷酸二氢铵和0.5mol/L四水硝酸钙；

3.取25ml配好的磷酸二氢铵溶液，加温80-100℃磁力搅拌与0.0005mol PVP充分溶解混匀，NH3·H2O调PH至10.5-11.5，把BCP支架放入上液。

4.25ml四水硝酸钙溶液转入医用玻璃瓶，通过输液器控制滴速，37℃水温下，超声震荡下，四水硝酸钙液以2ml/min匀速滴入含有BCP支架的磷酸二氢铵混合液。超声震荡维持30分钟以充分混合反应。

5.反应体系转入反应釜后置入真空干燥机，120℃，持续12小时。

6.负压抽滤，无水乙醇、双蒸水反复洗涤2遍后，室温晾干既得到生物支架外表面及孔内为直径20-30纳米，长度为100-200纳米短棒状纳米羟基磷灰石晶体均匀涂层。

表1为本发明BCP支架成分X线衍射图分析指标(采用峰值高度测量法BCP支架中磷酸三钙与羟基磷灰石的含量分别为33.9％和66.1％；峰面积法则为36.8％和63.2％)

表1

表2为本发明BCP支架涂层成分X线衍射图分析指标(采用峰值高度测量法和峰面积法则BCP支架涂层成分均为羟基磷灰石，纯度为100％)

表2