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CN106512099B - 壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法 - Google Patents

壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法。该骨组织工程支架是以壳聚糖为骨架，该骨架内均匀分布纳米针状羟基磷灰石，形成多孔结构的壳聚糖基仿生骨组织工程支架，孔径为：300~550μm；所述的壳聚糖与羟基磷灰石的质量比为99：1~50：50。通过该发明制备的支架压缩强度和孔径分别为1.5~4.5MPa和300~550μm，可用于骨组织工程领域。

Description

壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法。特别是一种具有一定强度、较大孔径且均匀分布纳米针状羟基磷灰石的壳聚糖基仿生骨组织工程支架及其制备方法。
背景技术
仿生材料是指受自然界或生物的启发,进而模拟某种特性开发的材料。从材料学的角度，材料仿生可分为成分仿生、结构仿生、过程和加工制备仿生。骨是由69%磷酸钙（主要为纳米针状或棒状羟基磷灰石）、21%有序排列的胶原、9%水和1%其他成分组成。由于骨具有复杂的多级结构，模拟完全具有骨结构的仿生材料非常困难，现有研究主要集中在对骨成分的模拟。通过构建模拟骨成分的仿生材料运用组织工程技术修复骨缺损，成为临床研究关注的热点。
胶原是骨的主要组成部分，但是胶原本身的力学性能较差，需要一个更好的替代物。研究指出，作为骨组织工程材料，必须具备良好的生物相容性、生物降解性、骨诱导性以及骨传导性。生物相容性使材料与宿主组织结合时不会诱发免疫反应；生物降解性则使材料在体内能够逐渐被生物体自身骨组织替代；当修复大面积骨缺损时，植入生物可降解支架后，人体自身的骨诱导不能实现新骨的再生，这时需要支架自身具有骨诱导性能，而材料的骨传导性是允许血管长入、细胞渗透和附着以及组织沉积和钙化的重要因素。壳聚糖（Chitosan，CS）是一种甲壳素脱乙酰基制得的分子含有氨基和羟基的天然多糖，其分子的重复单元具有六元环的稳定结构,比较适合作为受力的材料，可以较好的取代胶原作为基体材料，且CS具有良好的生物相容性、生物降解性和骨诱导性能。羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是骨的主要无机组成部分，具有优异的骨诱导和骨传导性能。HA分子中的钙离子能与壳聚糖的氨基发生螯合作用，羟基则能和氨基产生氢键，因此CS/HA体系是一种较理想的骨组织工程材料。
孔径是支架材料非常重要的参数，在骨组织工程中，孔径应该在200到900μm范围内，更有利于细胞和养分的渗透、细胞外基质的产生以及支架内新血管的快速生成。此外，足够的力学强度使支架在体外能够维持细胞生长的空间并抵挡流体静压力的冲击，在体内，骨修复位置早期的自调整也要求骨修复支架需要一定的力学强度。人体骨组织的基本结构是包含有机、无机成分的杂化体，主要由有机的多肽类胶原纤维组成网状支架，赋予骨组织以一定的弹性；然后由HA以纳米针状结晶结构有序地沉积于胶原纤维上，赋予骨组织以较高的力学强度。目前文献和专利关于nHA/CS仿生骨组织工程支架的制备研究报道得很多，但是在不加其它成分的情况下，CS/HA复合支架同时满足一定力学强度、较大孔径且HA以纳米针状结晶结构分布于仿生支架材料基体中鲜见报道。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种壳聚糖基仿生骨组织工程支架。
本发明的目的之二在于提供该骨组织工程支架的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种壳聚糖基仿生骨组织工程支架，其特征在于该骨组织工程支架是以壳聚糖为骨架，该骨架表面均匀镶嵌有纳米针状羟基磷灰石，形成多孔结构的壳聚糖基仿生骨组织工程支架，孔径为：300~550μm；所述的壳聚糖与羟基磷灰石的质量比为99：1~50：50。
上述的壳聚糖的分子量为：Mw = 4×104 ～5×104。
一种制备上述的壳聚糖基仿生骨组织工程支架的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a. 将壳聚糖溶于质量百分比浓度为2%的醋酸溶液中，搅拌制得均匀的壳聚糖溶液，溶液质量分数为1%~5%；
b. 将钙离子和磷酸根离子按化学计量比分别溶于去离子水中，充分溶解；
c. 将步骤b所得的钙离子水溶液和磷酸根离子水溶液分别逐滴加入至步骤a所得的壳聚糖溶液中，剧烈搅拌1~30min，形成均匀的混合溶液，将溶液倒入多孔板中，静置1~60min去气泡，在-80℃~0℃下冷冻干燥1min~96h，制得前躯体支架；
d. 在步骤c所得的前躯体支架表面涂覆一层质量分数为4%的壳聚糖溶液，将其浸泡于质量百分比浓度为4%的NaOH溶液中，生成包裹支架的壳聚糖膜，并缓慢的原位生成羟基磷灰石，浸泡24h后去除支架表面壳聚糖膜，用去离子水洗涤以去除多余的碱，再经过冷冻干燥，制得壳聚糖基仿生骨组织工程支架。
上述钙离子来源于CaCl2或 Ca(NO3)2；磷酸根离子来源于 K2HPO4、KH2PO4、Na2HPO4或NaH2PO4。
本发明人使用此方案制备出的CS/HA复合支架的压缩强度和孔径分别为1.5~4.5MPa和300~550μm，支架内的羟基磷灰石呈纳米针状结构。
针对以上问题，本专利提出制备具有一定强度、较大孔径且均匀分布纳米针状羟基磷灰石的壳聚糖基仿生骨组织工程支架，本文涉及的制备方法制备出的多孔支架，模拟了自然骨中HA的形态，从而具有更好的生物活性。支架的孔径和孔隙率利于生理体液的吸收及营养的传输与代谢。此外，支架具有合适的力学强度、良好的吸水性、保水性以及尺寸稳定性，在骨组织工程领域具有一定应用潜力。
说明书附图
图1为CS/HA复合支架的SEM图。
图2为CS/HA复合支架放大后附着上的纳米羟基磷灰石的SEM图。
图3为CS/HA复合支架的XRD图谱，测试扫描的2θ角范围为5~75°。
图4为实施例1~3的XRD谱图。
具体实施方式
实施例1：
1）将1.2g壳聚糖加入到2%的醋酸溶液中，搅拌制得均匀的壳聚糖溶液；
2）按壳聚糖与羟基磷灰石的质量比85：15换算需要投料的钙盐和磷酸盐的质量，将两种盐加入到去离子水中，充分溶解；
3）钙离子水溶液和磷酸根离子水溶液分别逐滴加入至壳聚糖溶液中，溶液质量分数为4%，剧烈搅拌5min，形成均匀的混合溶液，将溶液至于孔板中，静置10min去气泡，在-22℃下冷冻干燥48h，制得大孔径的前躯体支架；
4）在前躯体支架表面涂覆一层质量分数为4%的壳聚糖溶液，将其浸泡于4%的NaOH溶液中，生成包裹支架的壳聚糖膜，并缓慢的原位生成羟基磷灰石，浸泡24h后去除支架表面壳聚糖膜，用去离子水多次洗涤以去除多余的碱，再按照3）所述方法冷冻干燥，制得具有一定强度、较大孔径且均匀分布纳米针状羟基磷灰石的壳聚糖基仿生骨组织工程支架。
压缩模量测试，测试速率为2 mm/min，最大压缩率为50%，样品尺寸长12.1mm，宽11.5mm，厚3.6mm。值为1.93MPa。
实施例2：
1）将1.2g壳聚糖加入到2%的醋酸溶液中，搅拌制得均匀的壳聚糖溶液；
2）按壳聚糖与羟基磷灰石的质量比80：20换算需要投料的钙盐和磷酸盐的质量，将两种盐加入到去离子水中，充分溶解；
3）钙离子水溶液和磷酸根离子水溶液分别逐滴加入至壳聚糖溶液中，溶液质量分数为4%，剧烈搅拌5min，形成均匀的混合溶液，将溶液至于孔板中，静置10min去气泡，在-22℃下冷冻干燥48h，制得大孔径的前躯体支架；
4）在前躯体支架表面涂覆一层质量分数为4%的壳聚糖溶液，将其浸泡于4%的NaOH溶液中，生成包裹支架的壳聚糖膜，并缓慢的原位生成羟基磷灰石，浸泡24h后去除支架表面壳聚糖膜，用去离子水多次洗涤以去除多余的碱，再按照3）所述方法冷冻干燥，制得具有一定强度、较大孔径且均匀分布纳米针状羟基磷灰石的壳聚糖基仿生骨组织工程支架。
按照【实施例1】的测试条件进行压缩强度测试，压缩模量为2.31MPa。
实施例3：
1）将1.2g壳聚糖加入到2%的醋酸溶液中，搅拌制得均匀的壳聚糖溶液；
2）按壳聚糖与羟基磷灰石的质量比77：23换算需要投料的钙盐和磷酸盐的质量，将两种盐加入到去离子水中，充分溶解；
3）钙离子水溶液和磷酸根离子水溶液分别逐滴加入至壳聚糖溶液中，溶液质量分数为4%，剧烈搅拌5min，形成均匀的混合溶液，将溶液至于孔板中，静置10min去气泡，在-22℃下冷冻干燥48h，制得大孔径的前躯体支架；
4）在前躯体支架表面涂覆一层质量分数为4%的壳聚糖溶液，将其浸泡于4%的NaOH溶液中，生成包裹支架的壳聚糖膜，并缓慢的原位生成羟基磷灰石，浸泡24h后去除支架表面壳聚糖膜，用去离子水多次洗涤以去除多余的碱，再按照3）所述方法冷冻干燥，制得具有一定强度、较大孔径且均匀分布纳米针状羟基磷灰石的壳聚糖基仿生骨组织工程支架。
按照【实施例2】的测试条件进行压缩强度测试，压缩模量为3.37MPa。

Claims (3)

1.一种壳聚糖基仿生骨组织工程支架的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a.将壳聚糖溶于质量百分比浓度为2％的醋酸溶液中，搅拌制得均匀的壳聚糖溶液，溶液质量分数为1％～5％；
b.将钙离子和磷酸根离子按化学计量比分别溶于去离子水中，充分溶解；
c.将步骤b所得的钙离子水溶液和磷酸根离子水溶液分别逐滴加入至步骤a所得的壳聚糖溶液中，剧烈搅拌1～30min，形成均匀的混合溶液，将溶液倒入多孔板中，静置1～60min去气泡，在-22℃下冷冻干燥48h，制得前躯体支架；
d.在步骤c所得的前躯体支架表面涂覆一层质量分数为4％的壳聚糖溶液，将其浸泡于质量百分比浓度为4％的NaOH溶液中，生成包裹支架的壳聚糖膜，并缓慢的原位生成羟基磷灰石，浸泡24h后去除支架表面壳聚糖膜，用去离子水洗涤以去除多余的碱，再经过冷冻干燥，制得壳聚糖基仿生骨组织工程支架；该骨组织工程支架是以壳聚糖为骨架，该骨架表面均匀镶嵌有纳米针状羟基磷灰石，形成多孔结构的壳聚糖基仿生骨组织工程支架，孔径为：300～550μm；所述的壳聚糖与羟基磷灰石的质量比为99：1～50：50。
2.根据权利要求1所述壳聚糖基仿生骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述钙离子来源于CaCl2或Ca(NO3)2；磷酸根离子来源于K2HPO4、KH2PO4、Na2HPO4或NaH2PO4。
3.根据权利要求1所述壳聚糖基仿生骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖的分子量为：Mw＝4×104～5×104。
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