技术领域
本发明涉及一种用于软骨组织修复的高分子/羟基磷灰石晶须复合多孔支架及其制备方法,属于生物医用人工骨移植材料技术运用领域。
背景技术
随着软骨组织工程的快速发展,支架材料作为软骨修复的重要组成,其力学强度、生物相容性、生物活性的设计尤为重要,支架应该在生物仿生学上模仿细胞外基质的环境与结构,为细胞的生长、粘附、增殖、分化提供良好的三维立体结构。而随着科技的发展,静电纺丝技术在生物医用材料技术运用领域有着广泛的应用前景。静电纺丝技术制备的纳米级高生物相容性材料,其形态结构与天然细胞外基质的形态结构相似,具有三维立体结构,孔隙率高,比表面积大等优点;从而有利于细胞的粘附、增殖与分化以及养分与代谢废物的交换。
聚己内酯(PCL)是一种可完全生物降解的脂肪族直链聚酯,熔点为60-63℃,低温可成型,制作方便,并且具有良好生物相容性,其降解产物不容易引起炎症反应;是一种容易结晶,具有生物活性、生物相容性、生物降解性、渗透性等优点的热塑性半结晶聚合物。同时,PCL 在室温下具有良好的柔韧性、加工性和较好的热稳定性,可以作为一种良好的软骨组织工程替代材料。由静电纺丝技术制备的聚己内酯组织工程支架与细胞外基质结构相似,有利于细胞的粘附与生长,但其力学性能较差,很难作为组织工程的承重材料。
聚乳酸(PLA)是目前在生物医学领域应用比较广泛的一种生物可吸收高分子材料,是一种具有优良的生物相容性、化学惰性、易加工性、无毒、高拉伸强度、可完全生物降解性的热塑性聚合物,是最有前途的可生物降解高分子材料之一,已广泛应用于组织工程支架、骨科材料等领域。早在20世纪50年代,人们已经对聚乳酸合成及应用进行深入研究,70年代,聚乳酸在人体内的降解性和降解产物的高度安全性得到确认,它成为一种备受关注的新型可生物降解的应用高分子材料。
聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)是由聚乳酸和羟基乙酸聚合而成的一种无毒、无害的生物材料,具有良好的生物相容性和生物降解性能且其降解速度可以控制,降解产物是乳酸和羟基乙酸,同时也是人代谢途径的副产物,所当它应用在医药和生物材料中时不会有毒副作用,因此,广泛应用于生物工程领域。但是聚乳酸-羟基乙酸共聚物脆性太大且韧性不足等缺点。目前,静电纺丝制备PLGA膜状支架的研究在国内外已经有了很大的进展,静电纺丝制备的PLGA纳米级纤维因具有较高的比表面积和孔隙率有利于细胞的粘附于增殖,因此PLGA成为一种比较好的医用支架材料。
羟基磷灰石(HAw)是目前应用最广泛的一种生物活性材料,其化学式为Ca10(PO4)6(OH)2,与人体的骨骼和牙齿无机成分的化学组成和结构类似,具有良好的生物活性、生物相容性、可降解性、无毒性、骨传导性等优良特性,可以加工成三维孔隙结构,有利于成骨细胞的黏附、生长,诱导骨的成长,在体内能够逐步降解为钙磷,产生游离的Ca2+、PO43-,为身体带入一定量的活性成分,促进骨的生长。但它的缺点是力学强度不够,质脆,韧度不够。晶须状的羟基磷灰石,相对于粉体状的羟基磷灰石而言,羟基磷灰石晶须具有更高的的断裂韧性和抗弯抗压能力,在制备过程中不易断裂。这主要是由于材料可依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量,消除裂纹尖端集中的应力,增强基质强度;另一方面,在材料受力时,可以通过负荷传递使应力作用于晶须,从而降低周围的基底材料所承受的应力,从而达到提高材料力学性能的目的。
发明内容
本发明提供一种用于软骨组织修复的高分子/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,所述的复合多孔支架由高分子材料和羟基磷灰石晶须组成,高分子材料为聚己内酯、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种。
本发明的另一目的在于提供所述用于软骨组织修复的高分子/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体步骤如下:
(1)按照质量体积比g/mL为5-12︰100的比例,将高分子材料加入到有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器搅拌2个小时至完全混合均匀,搅拌速度为400转/分钟,得到溶液A;
(2)按照羟基磷灰石晶须占高分子材料质量1%-20%的比例,将羟基磷灰石晶须和分散剂一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B作为静电纺丝溶液进行静电纺丝,静电纺丝针头所接正电压为18KV,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维,调节静电纺丝溶液的推进速度、锡箔与静电纺丝针头的距离,开启高压电源进行静电纺丝得到复合支架C;
(4)将步骤(3)所得的支架C在水中漂洗4-6次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到高分子/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
步骤(1)所述有机溶剂为甲醇与二氯甲烷按照体积比为1︰3混合的混合物。
步骤(2)所述分散剂为聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯基双硬脂酰胺中的一种,分散剂的加入量为羟基磷灰石晶须质量的0.1%-5%。
步骤(3)所述静电纺丝注射针头为19号针头。
步骤(3)所述静电纺丝溶液在注射器中的推进速度为0.1~0.4mm/min;锡箔与静电纺丝注射器针头的距离为15cm。
步骤(3)所述静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用静电纺丝法制得复合多孔支架,其制备方法简单易操作,实验原料来源广泛,同时也不会破坏高分子(聚己内酯、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物)、羟基磷灰石晶须自身的优点,在软骨组织工程领域中具有很大的应用前景。
(2)本发明制得复合多孔支架由于羟基磷灰石晶须的加入,可以有效的提高支架的强度,同时支架植入体内后,由于羟基磷灰石晶须的存在,在体内逐步降解为钙磷,产生游离的Ca2+、PO43-,为身体带入一定量的活性成分,从而可促进骨的生长。
(3)本发明制备的复合多孔支架具有较高的孔隙率,以及大小合适的孔径,有利于细胞的黏附与增殖。
(4)本发明制得的复合多孔支架,具有较高的断裂伸长率,最高可达到157.32%。
附图说明
图1是本发明实施例1与实施例2聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的XRD图;
图2是本发明实施例1与实施例2聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的FTIR图;
图3是本发明实施例1与实施例2聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的SEM图,(a)12%PCL/1%HAw放大20000倍SEM图,(b)12%PCL/5%HAw放大10000倍SEM图;
图4是本发明实施例1和实施例2所得复合多孔支架与未添加高分子的羟基磷灰石晶须单独进行静电纺丝得到的产品的断裂伸长率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例用于软骨组织修复的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚己内酯和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚己内酯、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、聚乙二醇,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.024g
聚己内酯 2.4g
去离子水 300mL
聚乙二醇 0.00024g
75%医用酒精 20mL
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将2.4g的聚乳酸加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.024g的羟基磷灰石晶须和0.00024g聚乙二醇一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度为0.2mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(4)将步骤(3)所得的支架C在超纯水中漂洗6次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
实施例2
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚己内酯和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚己内酯、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、聚丙烯,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.12g
聚己内酯 2.4g
去离子水 300mL
75%医用酒精 20mL
聚丙烯 0.0024g
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将2.4g的聚乳酸加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.12g的羟基磷灰石晶须和0.0024g聚丙烯一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度0.4mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(4)将步骤(3)所得的支架C在超纯水中漂洗5次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
实施例1和实施例2制备的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的XRD分析如图1所示,从图中可以看出2θ为21.4°和23.8°附近出现两个明显的衍射峰,说明支架中聚己内酯的存在,同时PCL是结晶的;另外,可以从图1中明显看到HA峰的存在,例如:各衍射峰(2θ=25.9°,2θ=31.7°,2θ=45.6°)的位置与标准卡片(JCPDS)相符,但由于HAw含量较少特征峰不太明显;但是从实施例1和实施例2的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的FTIR分析图2中可以看出,图2中的红外特征峰与PCL和HAw完全吻合,如2942 cm-1附近为CH2的不对称伸缩,2865cm-1的CH2对称伸缩,1738 cm-1附近的羰基吸收峰,1637 cm-1附近的吸收峰为C=O键的特征峰,均为PCL特征峰;如3439cm-1附近的峰为-OH,1170 cm-1和585 cm-1附近为P-O cm-1键的吸收峰,为HAw的特征峰,证明了HAw的存在。
实施例1和实施例2制备的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的SEM如图3所示,由图可知,实施例1和实施例2制备的支架均具有三维网状结构,支架的表面及其内部有较高的孔隙率,以及良好的孔隙连通性。
实施例1和实施例2制备的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的断裂伸长率如图4所示,由图可以看出,纯的PCL支架的断裂伸长率为112.78%,而1% HAw/PCL的断裂伸长率最大,高达150.49%,5%HAw的断裂伸长率也高达133.76%,因此羟基磷灰石晶须的加入提高了HAw/PCL复合多孔支架的断裂伸长率。
根据国家标准GB/T14233.3-2005,采用选用293T细胞(转染腺病毒E1A基因的人肾上皮细胞)、CCK-8法对实施例1和实施例2制备的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架材料进行细胞毒性测试,实验结果如表1所示,结合国家标准GB/T14233.3-2005相关规定,细胞毒性结果表明,支架浓度在0.5-2mg/mL时,细胞增殖度均在95-120之间,细胞毒性为0级或1级,由此说明实施例1和实施例2制备的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架材料无细胞毒性。
表1实施例1和实施例2聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的细胞增殖度
。
实施例3
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚乳酸和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚乳酸、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、聚苯乙烯,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.01g
聚乳酸 1g
去离子水 300mL
75%医用酒精 20mL
聚苯乙烯 0.0003g
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将1g的聚乳酸加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.01g的羟基磷灰石晶须和0.0003g聚苯乙烯一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度0.1mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(4)将步骤(3)所得的支架C在超纯水中漂洗5次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
本实施例制备的聚乳酸/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的断裂形变率高达157.32%。
实施例4
本实施例用于软骨组织修复的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚己内酯和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚己内酯、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、聚乙二醇,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.24g
聚己内酯 2.4g
去离子水 300mL
75%医用酒精 20mL
聚乙二醇 0.0096g
本实施例用于软骨组织修复的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将2.4g的聚己内酯加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.24g的羟基磷灰石晶须和0.0096g聚乙二醇一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度0.1mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(4)将步骤(3)所得的支架C在超纯水中漂洗4次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
实施例5
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚乳酸-羟基乙酸共聚物和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚乳酸-羟基乙酸共聚物、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、聚苯乙烯,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.2g
聚乳酸-羟基乙酸共聚物 2g
去离子水 300mL
75%医用酒精 20mL
聚苯乙烯 0.002g
本实施例用于软骨组织修复的聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将2g的聚乳酸-羟基乙酸共聚物加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.2g的羟基磷灰石晶须和0.002g聚苯乙烯一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度0.3mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(4)将步骤(3)所得的支架C在超纯水中漂洗4次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。
实施例6
本实施例用于软骨组织修复的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架,由聚己内酯和羟基磷灰石晶须组成,制备所用的化学物质材料为:聚己内酯、二氯甲烷、羟基磷灰石晶须、去离子水、甲醇、75%医用酒精、乙烯基双硬脂酰胺,其准备用量如下:
二氯甲烷 15mL
甲醇 5mL
羟基磷灰石晶须:Ca10(PO4)6(OH)2 0.48g
聚己内酯 2.4g
去离子水 300mL
75%医用酒精 20mL
乙烯基双硬脂酰胺 0.024g
本实施例用于软骨组织修复的聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将2.4g的聚己内酯加入到15mL二氯甲烷和5mL甲醇混合而成的有机溶剂中,常温环境下用磁力搅拌器以400转/分钟的速度搅拌2个小时至完全混合均匀,得到溶液A;
(2)将0.48g的羟基磷灰石晶须和0.024g乙烯基双硬脂酰胺一起加入到步骤(1)制得的溶液A中,常温环境下搅拌1个小时,超声震荡10min,使其混合均匀,得到溶液B;
(3)用5mL的注射器取步骤(2)制得的溶液B,注射针头为19号针头,注射针头接有18KV的正电压,电源负极接贴有10×10cm锡箔的钢板,来接收纺丝纤维;调节注射器的推进速度0.4mm/min和锡箔与注射器针头的距离15cm;开启高压电源进行1h的静电纺丝得到复合支架C,静电纺丝过程中需要每20min对静电纺丝溶液进行2min的超声震荡,之后继续进行静电纺丝;
(6)将步骤(5)所得的支架C在超纯水中漂洗6次,然后75%的医用酒精中浸泡2h进行消毒,后常温晾干,最终得到聚己内酯/羟基磷灰石晶须复合多孔支架D。