CN114699561B

CN114699561B - 一种掺杂钙基材料、骨修复材料及其制备方法

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Publication number: CN114699561B
Application number: CN202111659702.7A
Authority: CN
Inventors: 郭跃明; 王宗良; 章培标; 刘香笈
Original assignee: FOSHAN HOSPITAL OF TCM; Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: FOSHAN HOSPITAL OF TCM; Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114699561A

Abstract

本发明提供了一种掺杂钙基材料，包括钙基材料和掺杂在所述钙基材料中的Cu和Gd，其中，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.1～2:0.1～2:6～9.8。本发明还提供了一种掺杂钙基材料的制备方法及骨修复材料。本发明在钙基材料中同时添加Cu和Gd，其中，Cu元素具有显著的抗菌性能、抗炎性能和免疫调控性能，Gd元素的掺杂有助于提高复合材料的核磁(MRI)和CT成像能力，使纳米粒子及其复合材料具有影像学观察特征，有利于材料在骨骼植入后的观察。更重要的是，Cu和Gd的同时掺杂能够促进细胞的粘附，有利于细胞钙结节产生和细胞的成骨分化，从而更有利于骨修复。

Description

一种掺杂钙基材料、骨修复材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种掺杂钙基材料、骨修复材料及其制备方法。

背景技术

羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)、双相磷酸钙(BCP)等无机物因具有良好的生物相容性和成骨性能，而被单独或作为复合材料广泛应用于骨修复支架领域。但在感染性骨损伤、耐药的感染性骨损伤、及一些复杂骨损伤的免疫调控治疗方面，这些材料往往表现出功能相对单一的缺陷，仅仅能够起到结构性支撑和简单的成骨能力。

现有技术公开了多种对羟基磷灰石、β-磷酸三钙、双相磷酸钙等进行改性、掺杂等方式改善骨修复材料性能的技术，例如，在羟基磷灰石中掺杂稀土离子，提高羟基磷灰石的机械强度和韧性；或者在纳米羟基磷灰石中沉积纳米铜纳米氧化锌，增强其抗菌活性等。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种掺杂钙基材料、骨修复材料及其制备方法，本发明提供的骨修复材料具有免疫抗菌和成影像能力，同时能够促进细胞的粘附，有利于细胞钙结节产生和细胞的成骨分化，从而更有利于骨修复。

本发明提供了一种掺杂钙基材料，包括钙基材料和掺杂在所述钙基材料中的Cu和Gd，其中，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.1～2:0.1～2:6～9.8。

本发明在钙基材料中同时添加Cu和Gd，其中，Cu元素具有显著的抗菌性能、抗炎性能和免疫调控性能，Gd元素的掺杂有助于提高复合材料的核磁(MRI)和CT成像能力，使纳米粒子及其复合材料具有影像学观察特征，有利于材料在骨骼植入后的观察。更重要的是，Cu和Gd的同时掺杂能够促进细胞的粘附，有利于细胞钙结节产生和细胞的成骨分化，从而更有利于骨修复。

在一个实施例中，所述钙基材料选自羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)和双相磷酸钙(BCP)中的一种或多种。

在一个实施例中，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.2～1.5:0.2～1.5:7～9.6。

在一个实施例中，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.5～1:0.5～1:8～9。

具体而言，Cu和Gd部分取代钙基材料中钙原子，当钙基材料为羟基磷灰石时，得到的掺杂材料分子式为：

Ca_10-x-yCu_xGd_y(PO₄)₆(OH)₂；

其中，0.2≤x≤1.5，0.2≤y≤1.5。

当钙基材料为β-磷酸三钙时，得到的掺杂材料分子式为：

Ca_1.5-x-1.5yCu_xGd_y(PO₄)₂；

其中，0.2≤x≤1.5，0.2≤y≤1.5。

当钙基材料为双相钙磷盐或者双相磷酸钙时，Cu和Gd依然是取代其中的Ca。

本发明还提供了掺杂钙基材料的制备方法，包括：

将钙盐、铜盐、钆盐和(NH₄)₂HPO₃混合后进行反应，将得到的反应产物进行煅烧，得到掺杂钙基纳米材料；

其中，Cu、Gd和Ca的摩尔比为0.1～2:0.1～2:6～9.8。

本发明通过水热法制备Cu和Gd掺杂的钙基材料，将钙盐、铜盐、钆盐和(NH₄)₂HPO₃混合后进行反应，将得到的反应产物进行煅烧，得到掺杂钙基材料。

在一个实施例中，钙盐选择硝酸钙、氯化钙中的一种或多种。

在一个实施例中，所述铜盐选自硝酸铜、氯化铜中的一种或多种。

在一个实施例中，钆盐选自硝酸钆、氯化钆中的一种或多种。

在一个实施例中，所述反应在水浴锅中进行，反应的温度为40～80℃，时间为0.5～2h。在一个实施例中，所述反应的pH值为9～11。

反应完毕后，对所述反应产物进行煅烧，得到掺杂的钙基材料。在一个实施例中，所述煅烧的温度为180～200℃，时间为10～20h。

本发明提供的掺杂的钙基材料为纳米粒子，可以用于制备骨修复材料。

本发明还提供了一种骨修复材料，包括上述技术方案所述的掺杂钙基材料和高分子材料。

在一个实施例中，所述掺杂钙基材料和高分子材料的质量比为5～25:75～95。在一个实施例中，所述掺杂钙基材料和高分子材料的质量比为10～20:80～90。

在一个实施例中所述高分子材料选自聚乳酸、聚丙交酯-乙交酯(PLGA)或聚己内酯中的一种或多种。

在一个实施例中，所述骨修复材料按照以下方法制备：

将掺杂的钙基材料与第一有机溶剂中混合，得到第一混合液；

将高分子材料在第二溶剂中溶解，得到第二混合液；

将所述第一混合液和第二混合液混合后，在模具中冷冻，将冷冻后的骨修复材料在水中进行溶剂置换，冷冻干燥后得到具有特定形状的骨修复材料。

在一个实施例中，所述第一有机溶剂为丙酮，所述第二有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

在一个实施例中，冷冻的温度为-20～-80℃，冷冻的时间为6～24h。

在一个实施例中，所述溶剂置换具体为：将冷冻后的骨修复材料浸泡在预冷的水中，使溶剂与水进行置换3～5天，每天换水2～3次，置换完成后，将得到的骨修复材料冷冻干燥成型即可。

本发明提供的骨修复材料具有免疫抗菌和成影像能力，同时能够促进细胞的粘附，有利于细胞钙结节产生和细胞的成骨分化，从而更有利于骨修复。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的纳米粒子的SEM照片；

图2为本发明比较例1制备的纳米粒子得到SEM照片；

图3为本发明比较例2制备的纳米粒子得到SEM照片；

图4为本发明比较例3制备的纳米粒子得到SEM照片；

图5为本发明实施例1及比较例制备的纳米粒子的XRD衍射图谱；

图6为本发明实施例1制备的纳米粒子的ICP分析结果；

图7为本发明比较例1制备的纳米粒子的ICP分析结果；

图8为本发明比较例2制备的纳米粒子的ICP分析结果；

图9为本发明比较例3制备的纳米粒子的ICP分析结果；

图10为本发明实施例2及比较例制备的纳米粒子的FTIR图谱；

图11为本发明实施例及比较例提供的复合材料支架的核磁显影照片；

图12为本申请实施例2通过的复合材料支架不同用量时的核磁显影照片；

图13为本发明实施例1制备的复合材料的染色细胞粘附结果；

图14为本发明比较例1制备的复合材料的染色细胞粘附结果；

图15为本发明比较例2制备的复合材料的染色细胞粘附结果；

图16为本发明比较例3制备的复合材料的染色细胞粘附结果；

图17为本发明实施例1制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果；

图18为本发明比较例1制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果；

图19为本发明比较例2制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果；

图20为本发明比较例3制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果。

具体实施方式

本申请通过实施例进一步说明掺杂的钙基材料、骨修复材料及其制备方法，然而，要理解的是，这些实施例不限制本发明。现在已知的或进一步开发的本发明的变化被认为落入本文中描述的和以下要求保护的本发明范围之内。

实施例1

合成Cu/Gd共掺杂的羟基磷灰石纳米粒子：配置1M/L的Ca(NO₃)₂、CuCl₂、Gd(NO₃)₃˙H₂O液。调整Ca/Cu/Gd三者摩尔比例为9:0.5:0.5，添加上述溶液至(NH₄)₂HPO₃中，在60℃水浴锅中搅拌，调节pH＝10，反应持续1小时。反应结束后将反应产物加入反应釜中，180℃加热12小时，加热结束后自然冷却到室温，洗涤离心干燥得到纳米粒子(0.5Cu-0.5Gd-HA)。

制备双掺杂0.5Cu-0.5Gd-HA与PLGA的复合材料(0.5Cu-0.5Gd-HA与PLGA的质量比为10:90)：称取Cu-Gd-HA，加入丙酮中超声搅拌混匀；称取PLGA，利用N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分溶解，混合上述两种溶液，混合液移入注射器中，-80℃冷冻20h。剪去前段带针头部位，将材料推注入预冷的去离子水中，使溶剂与水置换3-5天，每天换水2-3次。支架置换结束后，取出冷冻干燥后即可成型，得到支架状骨修复材料。

实施例2

与实施例1的区别在于，调整Ca/Cu/Gd三者摩尔比例为8:1:1。

比较例1

与实施例1的区别在于，不掺杂Cu和Gd。

比较例2

与实施例1的区别在于，调整Ca/Cu摩尔比例为9.5:0.5，不掺杂Gd。

比较例3

与实施例1的区别在于，调整Ca/Gd摩尔比例为9.5:0.5，不掺杂Cu。

比较例4

与实施例2的区别在于，调整Ca/Cu摩尔比例为9:1，不掺杂Gd。

比较例5

与实施例1的区别在于，调整Ca/Gd摩尔比例为9:1，不掺杂Cu。

对实施例1、比较例1～3制备的纳米粒子进行SEM表征，结果参见图1、图2、图3、图4，图1为本发明实施例1制备的纳米粒子的SEM照片，其中，图1(A)是500nm标尺下的SEM照片，图1(B)是200nm标尺下的SEM照片；图2为本发明比较例1制备的纳米粒子得到SEM照片，其中，图2(A)是500nm标尺下的SEM照片，图2(B)是200nm标尺下的SEM照片；图3为本发明比较例2制备的纳米粒子得到SEM照片，其中，图3(A)是500nm标尺下的SEM照片，图3(B)是200nm标尺下的SEM照片；图4为本发明比较例3制备的纳米粒子得到SEM照片，其中，图4(A)是500nm标尺下的SEM照片，图4(B)是200nm标尺下的SEM照片。由图1～图4可知，所制备的HA及掺杂了Cu或/和Gd的Cu-HA、Gd-HA、Cu-Gd-HA均为短棒状结构，表明元素掺杂并没有改变纳米粒子的微观形貌。

对实施例1、比较例1～3制备的纳米粒子进行X射线衍射图谱分析，结果参见图5，图5为本发明实施例1及比较例制备的纳米粒子的XRD衍射图谱，其中，自下而上分别为比较例1、比较例2、比较例3和实施例1制备的纳米粒子的XRD衍射图谱。由图5可知，HA具备典型的晶体特征峰，三强峰的位置分别在25.8°、31.7°、32.9°三处。而掺杂的HA因为外来离子的引入会导致HA的晶格出现变换，表现在XRD上的结果为峰位置、峰的宽窄、峰的大小等轻微变化。

对实施例1、比较例1～3制备的纳米粒子元素组成分析，结果参见图6、图7、图8、图9，图6为本发明实施例1制备的纳米粒子的ICP分析结果，其中，Ca含量为60.9％，P含量为29.4％，Gd含量为9％，Cu含量为0.7％；图7为本发明比较例1制备的纳米粒子的ICP分析结果，其中，Ca含量为70.6％，P含量为29.4％，Gd含量为0％，Cu含量为0％；图8为本发明比较例2制备的纳米粒子的ICP分析结果，其中，Ca含量为67.1％，P含量为31.1％，Gd含量为0％，Cu含量为1.8％；图9为本发明比较例3制备的纳米粒子的ICP分析结果，其中，Ca含量为60.2％，P含量为30.3％，Gd含量为9.5％，Cu含量为0％。由图6～图9可知，本发明提供的方法获得了铜元素和钆元素掺杂的羟基磷灰石纳米粒子。

对实施例2、比较例1、比较例4和5的复合材料进行红外分析，结果参见图10，图10为本发明实施例2及比较例制备的纳米粒子的FTIR图谱，其中，自上而下分别为比较例1、比较例5、比较例4和实施例2制备的纳米粒子的FTIR图谱。由图10可知，样品在不同波长处出现了不同基团的吸收峰，在3445cm^-1和1420cm^-1附近出现吸收峰，对应于-OH羟基的伸缩振动和弯曲振动，表明样品中存在-OH。在565cm^-1和607cm^-1处的吸收峰符合O-P-O的弯曲振动模式，证明材料中存在磷酸根基团。而在1038cm^-1出现的强吸收峰起因于P-O反对称伸缩振动模式。这些官能团的位置与文献中报道的HA的红外吸收峰波长吻合，并且无其他杂峰，表明产品中存在主要基团为羟基与磷酸根基团，符合HA的红外吸收光谱结果。掺杂以后无明显变化。

将实施例1～2、比较例1～3、比较例5制备得到的复合材料支架进行核磁MRI成影像测试，将各组支架材料放入含PBS的样品管，加入量为20％，置入1.2T核磁显影仪，拍照，结果参见图11，图11为本发明实施例及比较例提供的复合材料支架的核磁显影照片；将实施例2制备的1Cu-1Gd-HA含量分别为5％、10％、20％和40％的复合材料支架加入到含PBS的样品管中，置入1.2T核磁显影仪，拍照，结果参见图12，图12为本申请实施例2提供的复合材料不同用量时的核磁显影照片。图11表明掺杂0.5Gd-HA和1Gd-HA可明显提高材料的核磁MRI成像能力，图12表明加入了5％、10％、20％和40％不同百分含量的1Cu-1Gd-HA时其成像效果具有明显的梯度区别，表明制备的复合材料在核磁MRI成像、及持续观察方面具有潜在优势。

实施例3

首先制备复合材料薄膜用于细胞培养：

称取一定量的PLGA溶于三氯甲烷，配制成10％(w/v)的溶液，充分溶解后，将实施例1～2和对比例1～5制备的纳米粒子按照纳米粒子：PLGA＝10：90的比例分散于溶液中，磁力搅拌辅以超声处理。取经二甲二氯硅烷(DMDC)硅化处理过的盖玻片，将HA/PLGA复合材料溶液涂于玻片上，置于细胞培养板，真空干燥除去溶剂后，形成HA/PLGA复合材料薄膜，75％乙醇消毒，PBS清洗备用。

小鼠成骨前体细胞MC3T3-E1以2.0×10⁴/mL密度接种于复合材料薄膜上，于37℃，5％CO₂孵箱培养。培养24h后，PBS清洗三次；4％多聚甲醛固定10min，PBS清洗三次；FITC(异硫氰酸荧光素)染色10min，PBS清洗三次。荧光显微镜观察、拍照。结果参见图13、图14、图15和图16，图13为本发明实施例1制备的复合材料的染色细胞粘附结果；图14为本发明比较例1制备的复合材料的染色细胞粘附结果；图15为本发明比较例2制备的复合材料的染色细胞粘附结果；图16为本发明比较例3制备的复合材料的染色细胞粘附结果。由图13～16可知，本发明制备的复合材料可促进细胞粘附。

细胞培养到14和21天，细胞使用PBS清洗三次，4％多聚甲醛室温固定10min，PBS清洗三次，茜素红(ARS)染液(0.1％ARS的Tris·HCl溶液，pH＝8.0)孵育30min，再清洗三次。使用显微镜观察、拍照。结果参见图17～图20，其中，图17为本发明实施例1制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果，其中，图17(A)是14天染色结果，图17(B)是21天染色结果；图18为本发明比较例1制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果，其中，图18(A)是14天染色结果，图18(B)是21天染色结果；图19为本发明比较例2制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果，其中，图19(A)是14天染色结果，图19(B)是21天染色结果；图20为本发明比较例3制备的复合材料的茜素红细胞钙结节染色结果，其中，图20(A)是14天染色结果，图20(B)是21天染色结果。由图17～图20可知，掺杂元素有利于细胞钙结节产生，即利于矿化，表明有利于细胞的成骨分化。

本发明内容仅仅举例说明了要求保护的一些具体实施方案，其中一个或更多个技术方案中所记载的技术特征可以与任意的一个或多个技术方案相组合，这些经组合而得到的技术方案也在本申请保护范围内，就像这些经组合而得到的技术方案已经在本发明公开内容中具体记载一样。

Claims

1.一种掺杂钙基材料，包括钙基材料和掺杂在所述钙基材料中的Cu和Gd，其中，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的投料摩尔比为0.1～2:0.1～2:6～9.8。

2.根据权利要求1所述的掺杂钙基材料，其特征在于，所述钙基材料选自羟基磷灰石、β-磷酸三钙和双相磷酸钙中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的掺杂钙基材料，其特征在于，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.2～1.5:0.2～1.5:7～9.6。

4.根据权利要求3所述的掺杂钙基材料，其特征在于，Cu、Gd和钙基材料中的Ca的摩尔比为0.5～1:0.5～1:8～9。

5.一种骨修复材料，包括权利要求1～4任意一项所述的掺杂钙基材料和高分子材料。

6.根据权利要求5所述的骨修复材料，其特征在于，所述掺杂钙基材料和高分子材料的质量比为5～25:75～95。

7.根据权利要求6所述的骨修复材料，其特征在于，所述高分子材料选自聚乳酸、聚丙交酯-乙交酯或聚己内酯中的一种或多种。

8.一种掺杂钙基材料的制备方法，包括：

其中，Cu、Gd和Ca的摩尔比为0.1～2:0.1～2:6～9.8。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为40～80℃，时间为0.5～2h。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为180～200℃，时间为10～20h。