专利名称：掺锶羟基磷灰石胶原复合材料及其应用和制备方法
掺锶羟基磷灰石胶原复合材料及其应用和制备方法
技术领域：
本发明涉及骨组织工程领域，尤其涉及一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料及其应 用和制备方法。
背景技术：
羟基磷灰石作为成骨材料近年来已经得到了广泛的应用，在临床方面具有良好的 生物相容性。掺锶的羟基磷灰石是指在传统的羟基磷灰石当中加入锶，不仅提高了生物相 容性，有利于细胞的黏附和增殖，而且增强了体内和体外骨诱导能力，可以引起新生骨量的 增多。有研究也表明，锶元素可以增强成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的活性。一些物理和 化学试验还证明，羟基磷灰石中加入锶元素后，羟基磷灰石的晶型发生变化，溶解度提高， 从而解决了传统羟基磷灰石溶解度低的缺点。 传统的大多数掺锶羟基磷灰石都是用稀酸溶液配比成骨水泥样状态使用，这样制 备的成骨材料比较致密，没有规则的孔径，不利于间充质细胞或成骨细胞与诱导材料表面 的充分接触，新生骨与成骨材料界面的接触比表面积也较小，从而降低了骨诱导生成的效率。
发明内容基于此，有必要提供一种骨诱导生成效率较高的成骨材料及其制备方法。一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，该复合材料为海绵状的多孔结构，材料中包 括掺锶羟基磷灰石及胶原。优选的，胶原为I型胶原。优选的，所述掺锶羟基磷灰石与所述胶原的重量比例为40 1。优选的，上述掺锶羟基磷灰石胶原复合材料还包括掺杂在复合材料中的细胞因子 或化学药物中的至少一种物质。上述掺锶羟基磷灰石胶原复合材料由于锶元素及胶原的存在，具有可塑性强、骨 诱导生成效率高的特点，可作为诱导成骨材料的广泛应用在骨组织缺损的治疗领域。一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，包括如下步骤首先按缓冲液与 液态胶原的体积比为14 9的比例向液态胶原中加入缓冲液对液态胶原进行稀释处 理，得到胶原稀释液；然后以每IOmL胶原稀释液加入1 4g掺锶羟基磷灰石的比例向胶原 稀释液中加入掺锶羟基磷灰石，混合均勻，并调节酸碱度至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶 液；将平衡溶液置于25 40°C，湿度为90 98%的环境下孵育直至形成胶样结构体；将胶 样结构体置于-10 -30°C环境中冰冻处理6 15h后形成凝胶，再将凝胶抽干水分即得到 海绵状多孔结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。优选的，还包括向平衡溶液中加入细胞因子或化学药物中的至少一种物质的步
马聚ο优选的，还包括在形成胶样结构体后将胶样结构体转移至与骨缺损形状对应的模具中的步骤，再将含有胶样结构体的模具进行冰冻处理。优选的，还包括将冰冻处理后的胶样结构体转移至-80°C环境中处理Ih以进行加 速凝胶形成的步骤。优选的，缓冲液为磷酸盐缓冲液。上述采用胶原和掺锶羟基磷灰石构建的复合成骨材料，胶原在体内降解的同时可 以形成有效孔径，促使细胞与材料接触，材料中锶离子解离于细胞也可以有效诱导成骨，从 而可以有效提高骨诱导生成的效率。此外，由于胶原的存在，材料的可塑性提高，可以填补 不规则形状的骨缺损，从而该成骨材料可广泛应用于骨缺损修复领域。并且，上述制备方法 原理简单，便于推广应用。
图la、图Ib分别为掺锶羟基磷灰石胶原复合材料与传统的羟基磷灰石的扫描电 镜图。
图2为一实施例掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的柱状成骨材料样品示意图。图3为掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备流程示意图。图4a、图4b分别为掺锶羟基磷灰石胶原复合材料与传统的羟基磷灰石进行骨修 复后的微型CT(microCT)图。
具体实施方式下面主要结合附图及具体实施例对掺锶羟基磷灰石胶原复合材料及其制备方法 和应用作进一步的说明。如图Ia所示，本实施方式的掺锶羟基磷灰石(Sr-Hydroxyapatite，Sr-HA)胶原复 合材料为海绵状的多孔结构，其中包括重量比例为40 1的掺锶羟基磷灰石及胶原。图Ib 为传统的羟基磷灰石(Hydr0Xyapatite，HA)形成的相对致密的复合材料扫描电镜图。结合 图Ia和图lb，可以看出本实施例的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料较传统的羟基磷灰石复 合材料晶型有明显的改变，本实施方式的复合材料中单个晶体的体积明显增大，晶体比表 面积大，可以有效形成诱导成骨的界面。同时，相对疏松的海绵状的多孔结构更有利于细胞 或有机成分的通过，促进损伤部位骨组织的修复。掺锶羟基磷灰石胶原复合材料中由于胶原的存在，材料的可塑性提高，可以形成 不同的形状，如图2所示的柱状成骨材料样品，从而可以用于填补不规则形状的骨缺损。此 夕卜，胶原在体内可以降解，从而形成更多的孔径，促使细胞与复合材料的有效接触，复合材 料中的锶离子解离作用于细胞液中可以有效诱导成骨，从而实现修复骨缺损和体内诱导成 骨的目的。考虑到不同类型的胶原物理性质，优选的，采用I型胶原同掺锶羟基磷灰石形成 复合材料。I型胶原在4°C以下为液态，室温下为凝胶状，因此可以利用I型胶原同掺锶羟 基磷灰石在室温下形成胶样结构体，再对胶样结构体进行成型及抽干处理即得到所需的成 骨材料样品。如图3所示，本实施方式的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法包括如下步 骤
首先，按缓冲液与液态胶原的体积比为1 4 9的比例向液态胶原中加入缓冲 液对液态胶原进行稀释处理，得到胶原稀释液。优选的，使用磷酸盐缓冲液进行稀释处理。 然后，以每IOmL胶原稀释液加入1 4g掺锶羟基磷灰石的比例向胶原稀释液中 加入掺锶羟基磷灰石，混合均勻，并调节酸碱度至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶液。再将平衡溶液置于25 40°C，湿度为90 98%的环境下孵育直至形成胶样结构 体。最后，将胶样结构体置于-10 _30°C环境中冰冻处理6 15h后形成凝胶，再将 凝胶抽干水分即得到海绵状多孔结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。优选的，为进一步提高骨诱导生成效率，可以向上述掺锶羟基磷灰石胶原复合材 料中加入细胞因子及化学药物等其中的一种或两种物质。针对不同形状的骨缺损，可以预 先制成相应形状的模具，再将上述形成的胶样结构体转移至该模具中，以形成与缺损处形 状相对应的成骨材料。此外，为进一步加速复合材料的凝胶化进程，在对胶样结构体进行冰 冻处理后，再将其转移到-80°C冰箱中处理约lh。以下为掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备及具体应用实施例部分。
实施例1掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备首先采用ImL磷酸盐缓冲液稀释9mL液态下的I型胶原得到胶原稀释液。然后， 向上述胶原稀释液中加入Ig掺锶羟基磷灰石粉末混勻，再滴加氢氧化钠溶液，调节酸碱度 至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶液。将上述平衡溶液于25°C，湿度为98%下孵育直到形 成胶样结构体，将该胶样结构体转移到一定形状的模具中并放置于-20°C冰箱中冰冻8小 时，然后转移到-80°C冰箱1小时，以加速复合材料凝胶的形成过程。最后用冰冻抽干机抽 干，从而形成多孔样结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。实施例2掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备首先采用ImL磷酸盐缓冲液稀释9mL液态下的I型胶原得到胶原稀释液。然后， 向上述胶原稀释液中加入2g掺锶羟基磷灰石粉末混勻，再滴加氢氧化钠溶液，调节酸碱度 至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶液。将上述平衡溶液于37°C，湿度为95%下孵育直到形 成胶样结构体，将该胶样结构体转移到一定形状的模具中并放置于-20°C冰箱中冰冻12小 时，然后转移到-80°C冰箱1小时，以加速复合材料凝胶的形成过程。最后用冰冻抽干机抽 干，从而形成多孔样结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。实施例3掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备首先采用2mL磷酸盐缓冲液稀释SmL液态下的I型胶原得到胶原稀释液。然后， 向上述胶原稀释液中加入4g掺锶羟基磷灰石粉末混勻，再滴加氢氧化钠溶液，调节酸碱度 至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶液。将上述平衡溶液于30°C，湿度为90%下孵育直到形 成胶样结构体，将该胶样结构体转移到一定形状的模具中并放置于-30°C冰箱中冰冻15小 时，然后转移到-80°C冰箱1小时，以加速复合材料凝胶的形成过程。最后用冰冻抽干机抽 干，从而形成多孔样结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。实施例4大鼠颅骨缺损修复试验为评估掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的体内成骨促进作用，本实施例采用了大鼠 颅骨缺损模型。骨缺损形成后分别移植对照组普通羟基磷灰石+胶原；
实验组掺锶的羟基磷灰石+胶原。通过Micro-CT观察颅骨缺损修复情况，并取骨缺损周围组织进行 HE(hematoxylin-eosin staining)、Masson染色(用于显示组织中纤维的染色方法之一)， 检测新生胶原和新生骨在两组动物之间的差异，从而评价掺锶羟基磷灰石复合I型胶原的 诱导成骨效率。如图4a及图4b中箭头所示区域，实验结果显示掺锶的复合材料修复效果最好， 同对照组(图4b)比较，microCT显示实验组(图4a)骨密度明显增强，新骨形成量明显增 多。上述实验结果表明掺锶羟基磷灰石与I型胶原混勻制备成一种海绵状填充材料可以完 全修复大鼠颅骨缺损，即掺锶羟基磷灰石与I型胶原混勻制备的海绵状填充材料是一种良 好的骨缺损修补生物材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，其特征在于，所述复合材料为海绵状的多孔结构，包括掺锶羟基磷灰石及胶原。
2.如权利要求1所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，其特征在于，所述胶原为I型胶原。
3.如权利要求1或2所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，其特征在于，所述掺锶羟基 磷灰石与所述胶原的重量比例为40 1。
4.如权利要求1所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，其特征在于，还包括掺杂在所 述复合材料中的细胞因子或化学药物中的至少一种物质。
5.权利要求1 4中任意一项所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料作为诱导成骨材料 的应用。
6.一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤首先按缓冲液与液态胶原的体积比为14 9的比例向所述液态胶原中加入缓冲液 对所述液态胶原进行稀释处理，得到胶原稀释液；然后以每IOmL胶原稀释液加入1 4g掺锶羟基磷灰石的比例向所述胶原稀释液中加 入掺锶羟基磷灰石，混合均勻，并调节酸碱度至pH为7. 2 7. 5后形成平衡溶液；将所述平衡溶液置于25 40°C、湿度为90 98%的环境下孵育直至形成胶样结构体；将所述胶样结构体置于-10 -30°C环境中冰冻处理6 15h后形成凝胶，再将所述凝 胶抽干水分即得到海绵状多孔结构的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料。
7.如权利要求6所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，还包 括向所述平衡溶液中加入细胞因子或化学药物中的至少一种物质的步骤。
8.如权利要求6或7所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，还 包括在形成胶样结构体后将所述胶样结构体转移至与骨缺损形状对应的模具中的步骤，再 将含有胶样结构体的模具进行冰冻处理。
9.如权利要求8所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，还包 括将所述冰冻处理后的胶样结构体转移至-80°C环境中处理Ih以进行加速凝胶形成的步 马聚ο
10.如权利要求6所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，所述 缓冲液为磷酸盐缓冲液。
11.如权利要求6所述的掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法，其特征在于，所述 胶原为I型胶原。
全文摘要
本发明涉及一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料，该复合材料利用掺锶羟基磷灰石同胶原形成海绵状的诱导成骨材料，具有可塑性强、诱导成骨效率高的特点，可广泛应用在骨组织缺损修复领域。此外，本发明还涉及一种掺锶羟基磷灰石胶原复合材料的制备方法。
文档编号A61L27/56GK101966348SQ20101029073
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者屠洁, 杨大志, 杨帆, 王立平 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院