骨支架材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及骨组织工程支架材料领域，公开了骨支架材料及其制备方法和应用。一种骨支架材料的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(A)将生物相容性材料进行3D直写打印，制成骨支架结构；(B)将得到的骨支架结构进行成型、干燥和改性处理，得到骨支架材料，其中，所述生物相容性材料，以材料的总重量为基准，含有12‑26重量％的羟基磷灰石、3‑16重量％的丝素蛋白、0.5‑2重量％的海藻酸钠和65‑75重量％的水。制备的骨支架材料具有耐水性和较高的压缩强度，本发明专利技术整个制备过程在室温条件下进行，并且未使用对身体有害的有机溶剂，具有良好的生物活性和生物相容性，制备方法简便。

Bone scaffold material and its preparation method and Application

The invention relates to the field of bone tissue engineering scaffold material, and discloses the bone scaffold material, its preparation method and application. The preparation method of a bone scaffold material includes the following steps: (A) printing biocompatible materials in 3D to form a bone scaffold structure; (B) moulding, drying and modifying the obtained bone scaffold structure to obtain a bone scaffold material, in which the biocompatible material, based on the total weight of the material, contains 12_26% hydroxyl group. Apatite, 3 16 wt% silk fibroin, 0.5 2 wt% sodium alginate and 65 75 wt% water. The prepared bone scaffold material has water resistance and high compressive strength. The whole preparation process of the present invention is carried out at room temperature without using harmful organic solvents. It has good biological activity and biocompatibility, and the preparation method is simple.

【技术实现步骤摘要】
骨支架材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及骨组织工程支架材料领域，具体涉及高强度骨支架材料及其制备方法和应用。
技术介绍
骨缺损修复一直是临床骨科难题，骨组织工程学的发展为骨缺损修复提供了新思路。骨组织工程支架在体内除起结构支撑作用外，还起着细胞粘附、生长、繁殖以及为组织再生和塑性提供场所的作用，因此骨组织工程支架材料要具有良好的生物相容性、可降解性和骨传导性；具有一定的机械强度和韧性；具有适当的孔隙结构满足细胞在材料表面的增殖和分化要求。目前骨组织工程支架材料的研究主要集中在无机材料、高分子材料和复合材料三方面。在无机材料中，羟基磷灰石是人体骨骼和牙齿的主要组成部分，具有良好的生物相容性，能与人体骨骼相结合并诱导新骨的形成，是目前常用的硬组织材料。但单一的羟基磷灰石在应用中存在脆性大，材料的抗弯强度低等缺陷，这限制了其在骨组织工程领域中的应用，因此常将其与金属、陶瓷、聚合物组合成复合材料。羟基磷灰石与金属复合存在金属腐蚀、在骨移植体界面可能形成密集纤维组织和应力屏蔽问题；羟基磷灰石与陶瓷复合后，仍存在脆性大，断裂特性比人骨差等缺陷；而羟基磷灰石与聚合物复合具有无需二次手术取出，机械强度逐渐衰减，不抑制骨骼生长，无金属腐蚀引发的组织反应等优点，是目前研究的热点。CN1546180A公开了一种无机/有机可降解复合多孔支架材料及制备方法，其特征在于它在降解聚合物和磷酸三钙中添加有非烧结、低结晶度纳米羟基磷灰石，使材料中无机和有机成分的降解吸收速度均可控。该工艺步骤是采用碾混方法制得纳米羟基磷灰石和β-磷酸三钙的组合物，将其加入到可降解聚合物溶液中超声处理得到混合液，再通过溶剂浇铸-颗粒滤沥工艺制得复合多孔支架材料。该专利中使用了非水溶性的降解聚合物聚D、L-乳酸PDLLA、聚L-乳酸PLLA、聚乙醇酸PGA、聚己内酯PCL中的任意一种及多种共混物或共聚物，需要有机溶剂将其溶解，故在制备过程中需除去对人体有害的有机溶剂，在生物性能方面还无法达到令人满意的效果。水溶性天然高分子材料与无机材料复合制备支架材料可克服制备支架过程中引进有毒的溶剂损害材料生物活性，不利于细胞粘附、分化、增殖等缺点，但该复合材料的力学性能差制约着它的发展。为提高无机材料与天然高分子材料的力学性能，研究者开始采用原位合成法合成无机/天然高分子复合材料，该方法可有效改善无机有机两相之间的界面相容性，提高界面结合力，从而改善支架材料的力学性能。CN101474429B首先采用原位合成法合成羟基磷灰石-丝素蛋白混合泥浆，随后将其与丝素蛋白溶液混合均匀，注入模具冷冻干燥得到支架材料。该专利技术的支架材料与现有共混法直接制备的羟基磷灰石-丝素蛋白复合支架相比，具有良好的力学性能，其压缩强度可到350KPa左右。CN1843515A采用冷冻干燥法制备的纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/壳聚糖复合支架，该支架材料的抗压强度为0.85-1.85MPa。文献Bioactivemacro/microporoussilkfbroin/nano-sizedcalciumphosphatescaffoldswithpotentialforbone-tissue-engineeringapplications,Nanomedicine,2013,8(3),359–378采用原位合成法合成了丝素蛋白与磷酸钙的复合材料，并采用溶盐致孔法与冷冻干燥法相结合的方法制备了具有大孔与微孔结构的丝素蛋白与纳米磷酸钙复合支架。溶盐致孔法与冷冻干燥法相结合制备的支架具有高度互通的大孔，且孔隙分布均匀，但该支架的压缩强度为0.62MPa，压缩强度较小，会为后续操作带来不便。为进一步增强骨支架材料的强度，CN104043149A和CN105688283A分别公开了采用在磷酸钙骨水泥中加入羟基磷灰石-丝素蛋白复合物和使用碱改性的不同PH值的丝素蛋白溶液作为固化剂改善陶瓷骨水泥支架强度。研究表明当羟基磷灰石-丝素蛋白复合物的添加量为3％时强度最大达到50.2±1.9MPa；经碱处理的改性丝素溶液作为固化液加入到磷酸钙骨水泥中，最终固化压缩强度在固化液pH为7-8.5时有显著提升，当固化液的pH值在8.5时，强度达到54.35±1.4MPa。随着生物材料的开发与制备工艺的改进，人工骨架材料的强度有所改善，但其强度仍不能满足临床需求。目前天然高分子材料与无机材料复合支架多采用冷冻干燥法、溶盐致孔法和模具浇铸法制备，存在制备时间冗长、模具制备成本高、孔径大小及形状不易控制等缺点。CN105342731A公开了一种比格犬脊髓定向通道支架及其制备方法。该专利技术首先根据比格犬脊髓神经结构设计比格犬脊髓定向通道支架3D模型，将脊髓定向通道支架3D模型导入3D生物打印机中，用3D打印机快速低温成型形成脊髓定向通道支架，将制备的脊髓定向通道置于-20℃低温冷冻干燥成型。该方法是利用材料低温成型特性在低温下迅速凝固，堆积成目标物。该方法对成型温度要求较高，增加了骨支架材料的制备难度和制备成本，并且采用冷冻干燥法成型的样品强度低，会对后续操作带来不便。CN102274544A和CN102499794A通过三维打印机喷洒生物胶粘剂的粘结陶瓷颗粒的方法，实现了人工骨支架材料的制备。但该方法胶粘剂喷洒量的控制难度较高，不能实现力学性能精确控制；在长期运行过成中，胶粘剂有可能影响3D打印机的部件；也没有充分考虑到材料的生物相容性。综上所述，在现有技术中，制备骨支架材料过程中存在使用对身体有害的有机溶剂、制备成本高、不能实现力学性能精准控制，在常用运行过程中，打印机容易损坏。而且，制备的骨支架材料压缩强度低、不具有良好的生物相容性的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的骨支架材料压缩强度低，大多为60MPa以下、含有有机溶剂、制备成本高等问题，提供高强度骨支架材料及其制备方法和应用。本专利技术整个制备过程在室温条件下进行，并且未使用对身体有害的有机溶剂；本专利技术采用操作简便，对环境、温度等要求不高的3D直写打印技术将上述复合材料逐层打印，打印的样品经2％的氯化钙水溶液固化成型、75％乙醇溶液处理后，具有耐水性和超高压缩强度，且压缩后样品无损坏。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种骨支架材料的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(A)将生物相容性材料进行3D直写打印，制成骨支架结构；(B)将得到的骨支架结构进行成型、干燥和改性处理，得到骨支架材料，其中，所述生物相容性材料，以材料的总重量为基准，含有12-26重量％的羟基磷灰石、3-16重量％的丝素蛋白、0.5-2重量％的海藻酸钠和65-75重量％的水。优选地，所述生物相容性材料的制备方法包括：将15-32.5重量份的丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料、0.5-2重量份的海藻酸钠、2-8重量份的丝素蛋白和65-75重量份的水进行混合、搅拌。优选地，所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料含有10-30重量％的丝素蛋白和70-90重量％的羟基磷灰石；所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料包括丝素蛋白基底，以及在所述基底上生长的多个羟基磷灰石纳米棒，其中，单根纳米棒的长度为200-500nm，直径为10-30nm。优选地，所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料的制备方法包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨支架材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(A)将生物相容性材料进行3D直写打印，制成骨支架结构；(B)将得到的骨支架结构进行成型、干燥和改性处理，得到骨支架材料，其中，所述生物相容性材料，以材料的总重量为基准，含有12‑26重量％的羟基磷灰石、3‑16重量％的丝素蛋白、0.5‑2重量％的海藻酸钠和65‑75重量％的水。

【技术特征摘要】
1.一种骨支架材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(A)将生物相容性材料进行3D直写打印，制成骨支架结构；(B)将得到的骨支架结构进行成型、干燥和改性处理，得到骨支架材料，其中，所述生物相容性材料，以材料的总重量为基准，含有12-26重量％的羟基磷灰石、3-16重量％的丝素蛋白、0.5-2重量％的海藻酸钠和65-75重量％的水。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物相容性材料的制备方法包括：将15-32.5重量份的丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料、0.5-2重量份的海藻酸钠、2-8重量份的丝素蛋白和65-75重量份的水进行混合、搅拌。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料含有10-30重量％的丝素蛋白和70-90重量％的羟基磷灰石；所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料包括丝素蛋白基底，以及在所述基底上生长的多个羟基磷灰石纳米棒，其中，单根纳米棒的长度为200-500nm，直径为10-30nm。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述丝素蛋白和羟基磷灰石的复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将脱胶的丝素蛋白与蛋白溶解剂进行接触，得到含有溶解的丝素蛋白的溶液；其中，所述蛋白溶解剂包含氯化钙、乙醇和水；(2)将溶解的丝素蛋白与磷酸氢二铵水溶液进行反应，并将反应体系调为碱性，将反应产物进行洗涤、冷冻干燥，得到丝素蛋白和羟基磷灰石的复...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，李风煜，田策，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11