一种多聚磷酸钙改性IPDI‑PCLLA‑PEG‑PCLLA多孔支架及制备和应用的制作方法

本发明涉及一种多聚磷酸钙改性IPDI-PCLLA-PEG-PCLLA多孔支架及制备和应用，具体是固体部分以聚己内酯聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸（PCLLA-PEG-PCLLA）为软段结构，异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为硬段结构, 体型交联后作为生物支架的主要成分。微米级聚磷酸钙颗粒作为填充无机材料，复合后的医用支架起到促骨生长，诱导细胞向成骨细胞分化的作用。

技术背景

组织和器官的缺损修复一直是影响人类健康的重大问题。长期以来，科学家一直在寻求治疗组织缺损的各种方法、手段和材料。再生医学是一门新兴学科，为组织再生和修复提供了极有前景的治疗理念，其基本思路是人体内提取一定数量的正常细胞，进行体外增殖扩增；然后将细胞种植到生物材料上，使其粘附、增殖、分化；把细胞和材料的复合物植入体内缺损位置，随着材料逐渐被降解吸收，细胞外基质不断分泌和组织不断形成，重建功能和形态，达到组织或器官缺损修复的目的。

用于制造医用修复的高分子可分为可降解和不可降解型，可降解型材料可以被人体完全降解吸收，不需要二次手术取出，在发展进程中受到广泛关注，其使用能为组织缺损提供基本的力学和生理功能支持，材料可以通过降解排除体外，缺损可以完全修复。水凝胶材料由交联包含大量的水却不溶解于水的高分子组成，是一类理想的组织修复材料，用来填充组织缺损和微创填充治疗。由亲水的聚乙二醇（PEG）和疏水的可降解聚酯（PCLLA）组成的三嵌段共聚物（PCLA-PEG-PCLA）在预防肠粘连和作为注射性组织工程材料方面具有广泛的用途。由两亲性嵌段聚合物胶束自组装后形成的凝胶，表面富集大量亲水PEG片段，能有效抵抗蛋白和细胞的粘附。但水凝胶经冷冻干燥后的组织支架力学性能较差，因此加入交联性的-NCO-官能团物质的交联剂，增加三嵌段聚合物的力学强度。

聚磷酸钙（CPP）是一种可降解的无机聚合物，这种聚合物主链不是由简单的共价键链接而成，而是四面体结构的磷酸根离子链接，可以利用聚合物特性，通过改变材料聚合度等参数对其性能进行改善。近几年，CPP作为骨支架材料进行了深入研究，发现其力学强度高，可降解，生物相容型号，植入后促进骨修复

本发明结合PCLLA-PEG-PCLLA材料和CPP材料，加入异氰酸酯类交联剂，支架固化后将CPP粒子材料固定于支架内部，形成的含有复合CPP微米颗粒的支架结构，其力学强度保证支架在植入过程中的结构性能，同时其组成成份随着壳层的逐步降解得到缓慢释放和降解，进而安全地代谢出体外。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种多聚磷酸钙改性IPDI-PCLLA-PEG-PCLLA多孔支架及制备和应用。固相方法制备聚磷酸钙微米颗粒，通过球磨、筛分方法控制粒径。在将PCLLA-PEG-PCLLA和异佛尔酮异氰酸酯（IPDI）交联，增强了原水凝胶支架的力学强度，CPP的支架内填充，增加促骨生长效果，促进细胞分化。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种多聚磷酸钙改性IPDI-PCLLA-PEG-PCLLA多孔支架的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）聚磷酸钙（CPP）的制备：

磷酸二氢钙500摄氏度下经煅烧后从马弗炉中取出，经淬火后得到CPP的非晶烧料，待干燥后CPP粉料粉末，取用300~400目产物；

（2）交联支架材料的制备：

将聚己内酯聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸聚己内酯（PCLLA-PEG-PCLLA）在惰性的环境中与异氰酸酯（IPDI）反应，将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜，隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，冷冻干燥得到粉末支架；

（3）CPP/聚合物交联行支架的制备：

将PCLLA-PEG-PCLLA在惰性的环境中与IPDI反应，将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，加入CPP颗粒后，磁力搅拌过夜，隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，冷冻干燥得到支架。

步骤（2）IPDI与PCLLA-PEG-PCLLA的质量比为1:500~1:5000；配制方式为室温溶解或60℃以下加热助溶，还可以辅以机械搅拌或磁力搅拌。

步骤（3）所述的CPP的颗粒大小为2~5um，质量分数为0%~50%。

一种多聚磷酸钙改性IPDI-PCLLA-PEG-PCLLA多孔支架，其特征在于，根据上述任一所述方法制备得到。

一种多聚磷酸钙改性IPDI-PCLLA-PEG-PCLLA多孔支架的应用。

（1）CPP的制备：

称取200g磷酸二氢钙放入200ml坩埚中，500摄氏度下保温4个小时，经煅烧后从马弗炉中取出，将其直接倒在碎冰上快速冷却，经淬火后得到CPP的非晶烧料，用乙醇干燥，在真空干燥箱中备用，待干燥后CPP粉料粉末，取300~400目产物，用无水乙醇分散后球磨，所得分散液密闭保存待用。形貌如图1所示。

（2）交联支架材料的制备

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，过夜静止。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到粉末支架，形貌如图2所示。

（3）CPP/聚合物交联行支架的制备。

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，过夜静止。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，加入CPP颗粒后，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到支架，形貌如图3所示。

本发明包括以下步骤：

1. 配制PCLLA-PEG-PCLLA的聚合物，具体成分为PCLLA55/45 1700-PEG2000-PCLLA55/45。

2. 按照IPDI加入到PCLLA-PEG-PCLLA中的比例为1000:1 500:1 200:1，配制成为交联型聚合物凝胶。

3. 按照CPP与上述聚合物凝胶的质量比为0%，10%，30%，50%。

4. 若支架长期不用，将其密闭保存于4 ℃环境。

本发明的优点在于：

1. 制备方法简便，所用原料简单，适于大量生产。

2. 所研制的载药新配方改善了PCLLA-PEG-PCLLA材料的力学性能，通过加入IPDI等含有-NCO-基团交联剂，生成具有体型交联的聚合物，其中包含有硬段和软段成分，有效的提高了力学性能。CPP颗粒的填入水凝胶后具有增强。

附图说明

图1为实施例1、2、3、4中CPP材料的SEM照片。

图2为实施例1中制备的多孔支架材料的SEM照片。

图3为实施例1中制备的多孔CPP/支架材料的SEM照片。

图4为实施例1、2、3、4固化的支架力学的应变应力曲线。

图5为实施例1、2、3、4中细胞生存率曲线。

具体实施方式

以下实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。

实施例1 ：

称取200g磷酸二氢钙放入200ml坩埚中，500摄氏度下保温4个小时，经煅烧后从马弗炉中取出，将其直接倒在碎冰上快速冷却，经淬火后得到CPP的非晶烧料，用乙醇干燥，在真空干燥箱中备用，待干燥后CPP粉料粉末，取300~400目产物，用无水乙醇分散后球磨，所得分散液密闭保存待用。

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应, 比例为500:1，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，过夜静止。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到粉末支架。

实施例2：

称取200g磷酸二氢钙放入200ml坩埚中，500摄氏度下保温4个小时，经煅烧后从马弗炉中取出，将其直接倒在碎冰上快速冷却，经淬火后得到CPP的非晶烧料，用乙醇干燥，在真空干燥箱中备用，待干燥后CPP粉料粉末，取300~400目产物，用无水乙醇分散后球磨，所得分散液密闭保存待用。

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应, 比例为500:1，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，加入CPP颗粒后（质量分数为10%），搅拌过夜。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到粉末支架。

实施例3 ：

称取200g磷酸二氢钙放入200ml坩埚中，500摄氏度下保温4个小时，经煅烧后从马弗炉中取出，将其直接倒在碎冰上快速冷却，经淬火后得到CPP的非晶烧料，用乙醇干燥，在真空干燥箱中备用，待干燥后CPP粉料粉末，取300~400目产物，用无水乙醇分散后球磨，所得分散液密闭保存待用。

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应, 比例为500:1，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，加入CPP颗粒后（质量分数为30%），搅拌过夜。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入-20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到粉末支架。

实施例4 ：

称取200g磷酸二氢钙放入200ml坩埚中，500摄氏度下保温4个小时，经煅烧后从马弗炉中取出，将其直接倒在碎冰上快速冷却，经淬火后得到CPP的非晶烧料，用乙醇干燥，在真空干燥箱中备用，待干燥后CPP粉料粉末，取300~400目产物，用无水乙醇分散后球磨，所得分散液密闭保存待用。

将PCLLA-PEG-PCLLA原料加热后，在惰性的环境中与IPDI反应, 比例为500:1，磁力搅拌，并保持反应温度为50摄氏度，加入CPP颗粒后（质量分数为50%），搅拌过夜。将所得交联后的物质与超纯水以质量比1:1进行混合，超声25分钟，磁力搅拌过夜。隔夜静置后，将放入零下20摄氏度冰箱中冷冻，然后置于冷冻干燥机中将水分抽离，冷冻干燥得到粉末支架。

所制备得到的固化后支架到形貌如图2,3 所示，支架固化后，由于冷冻干燥效果产生的孔洞尺寸在200-400um，聚合物结构互相交织，具有一定的力学强度；将CPP复合填充进将PCLLA-PEG-PCLLA后，由形貌可知，PCLLA-PEG-PCLLA聚合物粘附于CPP粒子上，CPP粒子堆叠，其中孔的大小为200um。

将实施例1-4中的支架材料做成1cm x 1cm x 1cm的块状材料，分别放置于万能力学试验机中进行压缩模量的测量，绘制模量曲线，如图4所示。实施例1中，PCLLA-PEG-PCLLA和IPDI交联后，压缩模量为47.6Kpa；实施例2填充了10%的CPP后，压缩模量为78.7Kpa；实施例3中，填充了30%的CPP后，压缩模量为85.9Kpa；实施例4中，填充了30%的CPP后，压缩模量为95.4Kpa。

将实施例4中的固化后的骨水泥骨架放入含有MC3T3细胞的培养皿中，培养24、48和72小时后对比细胞生存率对比，结果如图4所示。支架材料中细胞生存率维持在100%以上充分说明了支架材料具有良好的生物相容性。