专利名称：含有自体组织化磷灰石/胶原复合体的交联磷灰石/胶原多孔体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用于制造人造骨骼、细胞支架等的含有自体组织化磷灰石/胶原复合体的交联磷灰石/胶原多孔体及其制备方法。
背景技术：
由于和人体骨骼具有极好的兼容性，用磷灰石制造的人造骨骼能够和人体骨骼直接相连接。因此，用磷灰石制造的人造骨骼由于其有效性最近受到人们的重视，在整容手术、神经手术、整型手术、口腔手术等方面都发现它的临床应用。但是人造陶瓷骨骼，例如磷灰石，在机械性能和生理性能方面并不完全等同于人体骨骼。例如，所谓的仅用磷灰石作为材料制造的人造陶瓷骨骼比人体骨骼坚硬且易碎。当人体骨骼重复地遭受新陈代谢(吸收和再生)，用磷灰石作为材料制造的人造骨骼没有充分地溶解而是半永久性地残留在人体骨骼中。残留的人造骨骼在与人体骨骼的接触面上折断它，容易导致人体骨折。
在人体中可分解的人造骨骼的组分比人造磷灰石骨骼的组分更接近于人体骨骼。关于它的研究近来变得很活跃，各种各样的建议被提出来。例如，JP 11-513590 A揭示交联磷灰石/胶原多孔体具有网状结构，如果必要的话，其中胶原和其它粘合剂被连接到羟磷灰石上。由于这种交联磷灰石/胶原多孔体在人体中可以分解，人体骨骼在交联磷灰石/胶原中成形，并且交联磷灰石/胶原多孔体本身被人体骨骼所吸收。因此，这种交联磷灰石/胶原多孔体能够被用于脊椎骨的固定、填充骨缺损、骨折的修复和牙周缺损的移植等方面。然而，这种交联磷灰石/胶原多孔体只是胶原和磷灰石的简单混合物，其不具有有生命的人体骨骼所具有的磷灰石的C轴沿着胶原纤维取向的结构。此外，这种交联磷灰石/胶原多孔体的机械强度不足，并且骨新生物形成较差。
发明目的因此，本发明的一个目地在于提供了一种交联磷灰石/胶原多孔体以及它的制备方法，其能够按照活体人体骨骼的机制被人体吸收，并且新生骨形成较快，这可以被用于人造骨骼等。
发明的揭示考虑到上述目的，发明家们通过密切的研究发现当含有磷灰石/胶原复合体和胶原的分散体在其冷冻-干燥前经过胶凝化处理，所得到的交联磷灰石/胶原多孔体具有高强度的均质结构。本发明完全建立在这个发现的基础上。
因此，根据本发明所述，制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法应包括冷冻-干燥含有磷灰石/胶原复合体和胶原的分散体从而形成多孔体，然后在多孔体中交联胶原，这个分散体在凝胶化之后被冷冻-干燥等步骤。
分散体中磷灰石/胶原复合体和胶原的优选质量比为97/3到93/7。磷灰石/胶原复合体中磷灰石和胶原的优选质量比为9/1到6/4。
在凝胶化分散体过程中，优选的分散温度保持在35℃到43℃，分散体的优选PH值为6.8到7.6，并且凝胶化前离子强度为0.2到0.8。
磷灰石/胶原复合体呈纤维形式时的优选长度从0.01到1毫米。磷灰石/胶原复合体中的磷灰石优选具有C轴沿着胶原纤维取向的结构。交联磷灰石/胶原多孔体中的磷灰石也优选具有C轴沿着胶原纤维取向的结构。
本发明中的交联磷灰石/胶原多孔体根据上述任意方法制备。
优选实施方式[1]磷灰石/胶原复合体的制备在制备本发明所涉及的交联磷灰石/胶原多孔体的过程中，磷灰石/胶原复合体和胶原在原料中被用作粘合剂。优选那些具有和活体人体骨骼相似结构的磷灰石/胶原复合体，其中羟磷灰石和胶原以自体组织化方式取向。术语“自体组织化”意思为磷酸氢钙(羟磷灰石)具有的磷灰石结构是沿着胶原纤维取向的，尤其是活体人体骨骼，即羟磷灰石的C轴和胶原纤维成一直线。
(1)原料制备磷灰石/胶原复合体是用胶原、磷酸盐、钙盐作为原料。由于考虑到没有特别的限制，胶原可以从动物等体内提取。对动物的种类、部位、年龄等没有特别的限制。一般，胶原从哺乳动物，例如牛、猪、马、兔、鼠和鸟类(如母鸡)等的皮肤、骨骼、软骨、腱、内脏等处都可以获得。胶原状蛋白质从鱼，例如鳕鱼、鲆鱼、比目鱼、鲑鱼、鳟鱼、金枪鱼、鲭鱼、红甲鱼、沙丁鱼、鲨鱼等的皮肤、骨骼、软骨、鳍、鳞、内脏等处都可以获得。胶原的提取方法只是按照通常惯例，没有特别的限制。通过基因重组技术获得胶原的方法也可以替代从动物组织中提取胶原的方法。
磷酸或磷酸盐[下文简称“磷酸(盐)”]包括磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾等。钙盐包括碳酸钙、乙酸钙、氢化钙等。磷酸盐和钙盐优选以均衡水溶液或悬浮液的形式加入。
产物磷灰石/胶原复合体的纤维长度可以通过原料磷灰石[磷酸(盐)和钙盐]和胶原的质量比来控制。因此，原料中所采用的磷灰石和胶原的质量比完全依赖于磷灰石/胶原复合体的目标组合物比所决定。在本发明所采用的方法中，磷灰石/胶原复合体中的磷灰石和胶原的优选比例为9/1到6/4，例如8/2。
(2)溶液的制备首先，制备出磷酸(盐)水溶液和钙盐水溶液或悬浮液。尽管对磷酸(盐)水溶液和钙盐水溶液的浓度或悬浮液没有特别限制，只要磷酸(盐)和钙盐为所期望的比例。下文所描述的方便的滴加操作优选磷酸(盐)水溶液的浓度为15到240mM，例如，120mM左右；钙盐水溶液或悬浮液的浓度为15到800mM，例如400mM左右。胶原通常以磷酸水溶液的形式加入到上述磷酸(盐)水溶液中。磷酸中的胶原水溶液可能含有质量浓度为0.1到1％的胶原，例如0.85％左右。磷酸质量浓度为1到40％，例如，20mM左右。
(3)制备磷灰石/胶原复合体首先将与要加入的钙盐水溶液或悬浮液等当量的水充分地加入到反应器中并加热到40℃左右。含有胶原的磷酸(盐)水溶液和钙盐水溶液或悬浮液同时滴加到里面。所合成的磷灰石/胶原复合体的纤维长度通过控制滴加条件来控制。滴加速度优选为1到60毫升/分钟，例如，30毫升/分钟左右。搅拌速度优选为1到400转数/分钟，例如，200转数/分钟左右。
反应溶液优选PH值保持在8.9到9.1。如果钙离子浓度和/或磷酸离子超过上述范围，复合体的自体组织化将被阻碍。在上述滴加条件下所供给的磷灰石/胶原复合体纤维长度为小于或等于1毫米，适于作为制备交联磷灰石/胶原多孔体的原料。磷灰石/胶原复合体为自体组织化的。
滴加结束后，冷冻-干燥泥浆状的磷灰石/胶原复合体和水的混合物。冷冻-干燥在低于或等于-10℃的真空冷凝状态下进行快速干燥。[2]交联磷灰石/胶原多孔体的制备磷灰石/胶原复合体和液体混合，例如水、磷酸水溶液等，并搅拌得到浆糊状分散体。以磷灰石/胶原复合体的体积为100％，液体的加入量优选为80到99％体积比，更优选为90到97％体积比。产物交联磷灰石/胶原多孔体的多孔性P，依赖于分散体中磷灰石/胶原复合体和液体的体积比，正如下式所表达(1)P＝A/(A+B)…(1)其中A代表分散体中磷灰石/胶原复合体的体积，B代表分散体中液体的体积。因此，可以通过调节加入液体的量来控制交联磷灰石/胶原多孔体的多孔性P。加入液体后，含有纤维的磷灰石/胶原复合体通过搅拌分散体而被切断，得到了长度分布范围大的纤维，因此提供了改良长度的产物交联磷灰石/胶原多孔体。
复合体分散体和胶原相混合作为粘合剂并进一步搅拌。以磷灰石/胶原复合体的质量为100％，加入的胶原的量优选为1到10％质量比，更优选为3到6％质量比。类似于在组合物中，胶原优选以磷酸水溶液的形式加入。尽管对胶原磷酸水溶液的浓度等没有特别限制，从实际角度来看，胶原浓度应为0.85％质量比左右，并且磷酸浓度为20mM。
(2)分散体的凝胶化因为磷酸(盐)中加入了胶原水溶液，使分散体转变为酸性。于是加入碱性溶液如氢氧化钠等直到分散体的PH值变为7左右。分散体的PH值优选为6.8到7.6，更优选为7.0到7.4。通过调整分散体的PH值到6.8、7.6，很可能阻碍作为粘合剂加入的胶原在下文所述的凝胶化过程中形成凝胶。
分散体和10倍浓度的磷酸的生理缓冲盐水(PBS)溶液相混合并通过搅拌来调整分散体的离子强度为0.2至0.8。更优选的离子强度为0.8左右，和PBS同一标准。提高分散体的离子强度可以加快作为粘合剂加入的胶原形成纤维。
加入到模压模具中的分散体的凝胶化温度保持在35到43℃。加热温度更优选为35、40℃。为了使分散体充分凝胶化，加热时间优选为0.5到3.5小时，更优选为1到3小时。随着分散体保持在35到43℃，作为粘合剂加入的胶原形成纤维，分散体从而转变为凝胶体。由于胶状分散体能够阻碍那些磷灰石/胶原复合体形成沉淀，所以形成均衡的多孔体。遭受凝胶化的分散体呈果冻状。
(3)冷冻-干燥分散体凝胶化后将被冷冻。冷冻温度优选为-80℃到-10℃，更优选为-80℃到-20℃。多孔体中的毛孔的大小和形状可以通过冷冻速度来控制。例如，高速冷冻所得到的多孔体毛孔较小。
分散体然后经过冷冻-干燥形成多孔体。和对组合物的操作相类似，在等于或低于-10℃的冷冻状态下，通过抽气和快速干燥来进行冷冻-干燥。冷冻-干燥的要求仅通过传导实现，直到分散体被充分的干燥。考虑到没有特别的限制，冷冻-干燥时间一般为24到72小时。
(4)胶原的交联胶原的交联可以通过以下任何一种方法进行，例如物理交联方法，使用γ-射线、紫外线、电子束、加热脱水等或化学交联方法使用交联剂、冷凝剂等。在化学交联方法中，浸没在交联剂溶液中的冷冻-干燥多孔体和多孔体中的胶原交联。
可以作为交联剂有醛如戊二醛，甲醛等；异氰酸盐如六亚甲基二异氰酸盐等；碳化二亚胺如1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳化二亚胺的盐酸盐；环氧化物如乙二醇二乙醚等；转谷氨酰胺酶等。在这些交联剂中，考虑到容易控制交联度以及所得到的交联磷灰石/胶原多孔体和人体的兼容性优选戊二醛。
当戊二醛作为交联剂时，戊二醛浓度优选为0.005到0.015％质量比，更优选为0.005到0.01％质量比。交联磷灰石/胶原多孔体应该经过脱水操作。当醇如乙醇等用作戊二醛溶液的溶剂，交联胶原同时可以控制交联磷灰石/胶原多孔体的脱水。通过同时传导脱水和交联，磷灰石/胶原复合体在收缩的状态下发生交联反应，所以所得到的交联磷灰石/胶原多孔体具有改良的弹性。
交联后，交联磷灰石/胶原多孔体浸没在2％左右质量比的甘氨酸水溶液中除掉没有反应的戊二醛，然后水洗。交联磷灰石/胶原多孔体进一步浸没在乙醇中脱水，然后室温干燥。
交联磷灰石/胶原多孔体的性能和应用本发明中的含有自体组织化的磷灰石/胶原复合体的交联磷灰石/胶原多孔体比那些常规磷灰石交联磷灰石/胶原多孔体具有更强的吸水性和弹性。它在含水状态下也显示弹性，因此与人体骨骼具有极好的兼容性和极佳的骨骼传导性。
由于具有上述的特性，本发明中的交联磷灰石/胶原多孔体作为一种优选生物材料，可以用作活体人体骨骼的骨骼-再生材料的替代品等，其经过γ-射线、电子束、干热等杀菌。特别地，它适合成为人造骨骼、人造关节、腱和骨骼的连接材料、牙齿移植等。
本发明将用下面所提及的例子更加详细地解释，但其没有限制本实施例1(A)合成磷灰石/胶原复合体168ml 120-mM磷酸水溶液加入到235克胶原的磷酸水溶液中(胶原浓度0.85％质量比，磷酸浓度20mM)并搅拌，来制备稀释的胶原磷酸水溶液。还需要制备200毫升400mM氢氧化钙悬浮液。将200ml纯水装入反应器，加热至40℃。将稀释的胶原磷酸水溶液和氢化钙悬浮液同时以30毫升/分钟的速度滴加到反应器中，200转数/分钟的速度搅拌所得到的反应溶液，来制备含有组合物的磷灰石/胶原纤维的浆。在滴加过程中反应溶液PH值保持在8.9到9.1。所得到的组合物磷灰石/胶原纤维长度小于或等于1毫米。冷冻-干燥含有磷灰石/胶原复合体的淤浆。磷灰石/胶原复合体中磷灰石和胶原的质量比为8/2。
(B)制备交联磷灰石/胶原多孔体
1克冷冻-干燥过的磷灰石/胶原复合体加入到3.6毫升纯水中并搅拌，形成浆糊状分散体。这种浆糊状分散体和4克胶原的磷酸水溶液相混合并搅拌，然后加入1-N氢氧化钠水溶液直到PH值达到7。磷灰石/胶原复合体和胶原的质量比为97/3。然后在分散体中加入十倍浓度的PBS直到分散体的离子强度达到0.8。加入的液体量(纯水+稀释的磷酸胶原水溶液+氢氧化钠水溶液+PBS)与磷灰石/胶原复合体的体积比为95％。
所得到的分散体加入到模压模具中并在37℃下凝胶化2小时，获得果冻状成形体。这种成形体在-20℃下冷冻，然后用冷干器干燥。干燥过的成形体浸没在0.01％质量比的戊二醛的乙醇(浓度99.5％)溶液中，在25℃下交联1小时，获得交联磷灰石/胶原多孔体。水洗后，这种交联磷灰石/胶原多孔体浸没在2％质量比的甘氨酸溶液中除掉没有反应的戊二醛，然后再次水洗。将其进一步浸没在乙醇(浓度99.5％)中脱水，然后室温干燥。
从所得到的交联磷灰石/胶原多孔体中切出一块5毫米×5毫米×10毫米的矩形-棱柱状测试块，以0.1毫米/秒的速度拉伸来测试它的断裂强度。结果交联磷灰石/胶原多孔体的断裂强度为0.8N左右。
实施例2除了改变凝胶化温度为40℃，按照例1方法制备交联磷灰石/胶原多孔体并测试相关的断裂强度，结果断裂强度为0.8N左右。
例1对比实验除了没有凝胶化的传导，按照例1方法制备交联磷灰石/胶原多孔体并测试相关的断裂强度，结果断裂强度为0.4N左右。
工业应用正如上文详述，本发明的方法可以制备含有自体组织化磷灰石/胶原复合体的交联磷灰石/胶原多孔体，其和人体骨骼具有极好的兼容性、极佳的骨骼传导性、高机械强度例如断裂强度等。交联磷灰石/胶原多孔体具有的特性使其适合作为人造骨骼、人造关节等的生物材料。
权利要求
1.一种制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其包括以下步骤冷冻—干燥含有磷灰石/胶原复合体和胶原的分散体以形成多孔体，然后在所述的多孔体中交联胶原，所述分散体在凝胶化之后被冷冻—干燥。
2.根据权利要求1所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中通过同时滴加含有胶原的磷酸或磷酸盐的水溶液和钙盐水溶液或悬浮液来制备所述的磷灰石/胶原复合体。
3.根据权利要求1或2所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的分散体中所述磷灰石/胶原复合体和所述胶原的质量比为97/3到93/7。
4.根据权利要求1到3任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的磷灰石/胶原复合体中磷灰石和胶原的质量比为9/1到6/4。
5.根据权利要求1到4任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的分散体在凝胶化过程中温度保持在35到43℃。
6.根据权利要求1到5任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的分散体在PH值调整为6.8到7.6后胶凝化。
7.根据权利要求1到6任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的分散体在离子强度调整为0.2到0.8后胶凝化。
8.根据权利要求1到7任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的磷灰石/胶原复合体形成的纤维长度小于或等于1mm。
9.根据权利要求1到8任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的磷灰石/胶原复合体中的磷灰石的C轴沿着胶原纤维取向。
10.根据权利要求1到9任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体中的磷灰石的C轴沿着胶原纤维取向。
11.根据权利要求1到10任一项所述的制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法，其中所述的磷灰石/胶原复合体中的磷灰石为羟磷灰石。
12.根据权利要求1到11任一项所述的方法制备的交联磷灰石/胶原多孔体。
全文摘要
制备交联磷灰石/胶原多孔体的方法包括凝胶作用和冷冻—干燥含有磷灰石/胶原复合体和胶原的分散体从而形成多孔体，在多孔体中进一步交联胶原，按照此方法制备交联磷灰石/胶原多孔体。
文档编号A61L27/56GK1711113SQ20038010276
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月27日 优先权日2002年11月6日
发明者菊池正纪, 田中顺三, 小林尚俊, 庄司大助 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构, 宾得株式会社