一种锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的制备方法和应用与流程

1.本发明属于生物材料技术领域，具体地，本发明涉及一种锶掺杂牛骨来源的羟基磷灰石支架材料，更具体地，本发明涉及一种锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的制备方法和应用。


背景技术：

2.骨缺损是指由于创伤、炎症、骨病等疾病或手术对骨的完整结构造成破坏的疾病。骨是一种代谢活跃的结缔组织，具有完全再生重塑的能力，但是在骨缺损较大的情况下，例如节段性损伤、肿瘤切除、重建过程需要额外的支持。临床上，自体移植仍然是支持和刺激骨骼生长的最常见的策略，尽管从生物学角度来看是理想的，但患者自身体内提供的移植物数量有限且会带来二次伤害。另外，来自骨库或其他动物的异体移植物骨整合性差且存在疾病传播的风险，因此，研究新型的骨修复材料具有重要的意义。
3.磷酸钙陶瓷(calcium phosphate ceramics，caps)是一类具有出色的生物相容性、骨传导及骨诱导特性的基本骨修复材料，包括羟基磷灰石(hydroxyapatite，hap)、β
‑
磷酸三钙((β
‑
tri
‑
calcium phosphate，β
‑
tcp)、聚磷酸钙(strontium
‑
doped calcium polyphosphate，scpp)以及双相磷酸钙(biphasic calcium phosphate，bcp)等。它们以植入物表面涂层、骨水泥和支架材料的形式被广泛应用于骨外科及牙科等领域。其中，羟基磷灰石是临床上最广泛使用的磷酸钙陶瓷，与哺乳动物的骨骼和硬组织的矿物质成分相似，但是仍存在许多不足，比如不易降解、物理机械性能差、脆性大、生物活性较弱等缺点。
4.羟基磷灰石(hydroxyapatite，hap)可以由化学试剂直接合成，也可以从各种自然资源中提取。目前，单纯牛骨来源的羟基磷灰石用于辅助修复骨缺损已有报道，虽然其生物兼容性好，骨传导性优异，但大都缺乏表面反应活性、刺激诱导骨组织再生的能力，以及降解能力，材料本身的溶解性也较低。现有的骨修复支架材料也均普遍存在药物释放过快、支架的力学性能不理想、降解性能与成骨能力差等缺点，因此，研制一种具有长效缓释、表面反应活性和降解能力强、力学性能和成骨能力强、且能加速骨缺损修复的骨修复支架材料，在骨修复治疗领域上具有极为重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服既往牛骨来源的生物结构羟基磷灰石支架材料制备中所存在的不足，提供了一种可用于骨修复的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料及其制备方法，该骨修复材料相对于现有技术公开的修复材料而言，具有更好的生物相容性、生物活性、溶解性以及促进骨组织再生的能力。
6.本发明的上述目的通过以下技术方案得以实现：
7.本发明的第一方面提供了一种锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的制备方法。
8.进一步，所述方法包括如下步骤：
9.(1)取松质骨，依次进行脱脂和梯度升温煅烧，制备得到煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料；
10.(2)采用高温离子交换法将步骤(1)得到的煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料置于硝酸锶反应液中进行反应，经高温煅烧后得到锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料；
11.优选地，所述锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料包括纳米级颗粒、亚微米颗粒、微米级颗粒、毫米级颗粒；
12.更优选地，所述亚微米级颗粒的粒径为100nm
‑
1μm；
13.更优选地，所述毫米级颗粒的粒径为1.25
‑
1.6mm；
14.更优选地，所述锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为4.6％
‑
9.8％；
15.最优选地，所述锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为4.6％、6.8％；
16.最优选地，所述锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为6.8％。
17.进一步，步骤(1)中所述的松质骨的来源为牛股骨下段松质骨；
18.优选地，所述牛股骨下段松质骨为3岁成年牛股骨下段松质骨；
19.更优选地，所述松质骨为30mm*20mm*15mm块料。
20.进一步，步骤(1)中所述的脱脂包括如下步骤：
21.(a)1
‑
2m的naoh浸泡松质骨24
‑
48h，去离子水漂洗；
22.(b)2％
‑
20％h2o2浸泡步骤(a)得到的松质骨24
‑
48h，去离子水漂洗；
23.(c)75％
‑
100％系列酒精脱水步骤(b)得到的松质骨24
‑
48h，自然晾干；
24.(d)60
‑
100℃干燥步骤(c)得到的松质骨4
‑
24h；
25.优选地，在步骤(a)前还包括对松质骨进行冲洗、浸泡、漂洗，以去除杂质。
26.进一步，步骤(1)中所述的梯度升温煅烧的温控程序为从100℃至1000℃设置12
‑
18个温度程序段，最快升温速率15
‑
30℃/分，最慢升温速率2
‑
5℃，温度程序段具体分配如下：
27.(a)室温升至100
‑
130℃10
‑
20min，持温10
‑
20min；
28.(b)100
‑
130℃升至200
‑
220℃10
‑
30min，持温60
‑
90min；
29.(c)200
‑
220℃升至250
‑
260℃15
‑
25min，持温20
‑
40min；
30.(d)250
‑
260℃升至280
‑
310℃5
‑
15min，持温10
‑
20min；
31.(e)280
‑
310℃升至320
‑
330℃8
‑
15min，持温20
‑
60min；
32.(f)320
‑
330℃升至360
‑
400℃5
‑
10min，持温20
‑
35min；
33.(g)360
‑
400℃升至450
‑
500℃10
‑
20min，持温10
‑
30min；
34.(h)450
‑
500℃升至540
‑
560℃5
‑
20min，持温10
‑
20min；
35.(i)540
‑
560℃升至580
‑
610℃15
‑
25min，持温30
‑
60min；
36.(j)580
‑
610℃升至660
‑
680℃6
‑
15min，持温10
‑
20min；
37.(k)660
‑
680℃升至750
‑
800℃10
‑
15min，持温15
‑
20min；
38.(l)750
‑
800℃升至880
‑
910℃15
‑
25min，持温15
‑
30min；
39.(m)880
‑
910℃升至940
‑
960℃10
‑
20min，持温90
‑
180min。
40.进一步，步骤(2)中所述硝酸锶反应液的浓度为0.5
‑
1mol/l；
41.优选地，所述硝酸锶反应液的浓度为0.5mol/l、0.75mol/l；
42.更优选地，所述硝酸锶反应液的浓度为0.75mol/l；
43.最优选地，步骤(2)中所述的煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料在硝酸锶反应液中呈充盈状态。
44.进一步，步骤(2)中所述反应得到的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料溶液静置2h，烘干后，进行高温煅烧；
45.优选地，所述高温煅烧的温控程序为室温～200℃10min、200℃～200℃10min、200℃～600℃40min、600℃～600℃5h、600℃～室温；
46.更优选地，高温煅烧得到的材料降至室温后，去离子水浸泡24
‑
48h，超声清洗，80
‑
100℃干燥4
‑
8h后即得锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料。
47.进一步，步骤(2)还包括对高温煅烧得到的材料进行降ph处理；
48.优选地，所述降ph处理包括如下步骤：
49.(a)按1g(高温煅烧得到的材料)：4ml(稀磷酸)的比例浸泡1
‑
2h；
50.(b)去离子水洗涤材料后，以1g(洗涤后材料)：30ml(去离子水)的比例浸泡1h，80
‑
100℃烘干；
51.更优选地，步骤(a)中所述的稀磷酸的浓度为0.1mol/l。
52.本发明的第二方面提供了一种用于骨缺损修复的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料。
53.进一步，所述材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为4.6％
‑
9.8％；
54.优选地，所述材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为4.6％、6.8％；
55.更优选地，所述材料中锶取代羟基磷灰石中钙的比例为6.8％；
56.优选地，所述锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料包括纳米级颗粒、亚微米颗粒、微米级颗粒、毫米级颗粒；
57.更优选地，所述亚微米级颗粒的粒径为100nm
‑
1μm；
58.更优选地，所述毫米级颗粒的粒径为1.25
‑
1.6mm；
59.最优选地，所述材料为采用本发明第一方面所述的方法制备得到。
60.本发明的第三方面提供了一种用于骨缺损修复的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石复合材料。
61.进一步，所述复合材料包含本发明第二方面所述的材料和载体溶液；
62.优选地，所述复合材料中本发明第二方面所述的材料的质量百分含量为1％
‑
90％；
63.优选地，所述复合材料中载体溶液的质量百分含量为0.5％
‑
3％；
64.更优选地，所述复合材料中载体溶液包括血液、无血清培养基、生理盐水、去离子水、聚乳酸、胶原蛋白、壳聚糖、葡聚糖、明胶、甘油、聚左旋乳酸、聚己内酯、聚乙烯、聚酰胺、纤维素、聚磷酸钙纤维、抗氧化剂、润湿剂、增溶剂、ph调节剂。
65.进一步，所述抗氧化剂包括(但不限于)：亚硫酸盐、抗坏血酸盐、丁羟茴醚(bha)、丁羟甲苯(bht)、维生素e、维生素c、焦亚硫酸钠、二丁基羟基甲苯。
66.进一步，所述润湿剂包括(但不限于)：淀粉、预胶化淀粉、糊精、麦芽糖糊精、蔗糖、阿拉伯胶、明胶、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯比咯烷酮、海藻酸及海藻酸盐、黄原胶、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素。
67.进一步，所述增溶剂包括(但不限于)：泊洛沙姆、十二烷基硫酸钠、吐温
‑
80、羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、卵磷脂。
68.进一步，所述ph调节剂包括(但不限于)：柠檬酸、磷酸、琥珀酸、氢氧化钠、盐酸、硼酸、乙酸、氢氧化钾、氢氧化铵、氧化镁、碳酸钙、碳酸镁、硅酸铝镁、苹果酸、柠檬酸钾、柠檬酸钠、磷酸钠、乳酸、葡糖酸、酒石酸、二乙醇胺、单乙醇胺、碳酸钠、1,2,3,4
‑
丁烷四羧酸、富马酸、碳酸氢钠、三乙醇胺。
69.本发明的第四方面提供了如下任一方面的应用：
70.(1)本发明第二方面所述的材料在制备骨缺损修复的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石复合材料中的应用；
71.(2)本发明第二方面所述的材料在制备骨缺损修复材料中的应用；
72.(3)本发明第三方面所述的复合材料在制备骨缺损修复材料中的应用；
73.(4)本发明第二方面所述的材料在骨缺损修复中的应用；
74.(5)本发明第三方面所述的复合材料在骨缺损修复中的应用。
75.与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：
76.本发明提供了一种可用于骨修复的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的制备方法和应用，所述骨修复材料相对于现有技术公开的修复材料而言，具有更好的生物相容性、生物活性、溶解性以及促进骨组织再生的能力；此外，锶置换羟基磷灰石中的钙会使其晶格发生畸变，导致结晶程度降低，材料的溶解性提高。所述骨修复材料能以一种持续而缓慢的方式释放锶离子，释放的锶离子既能刺激成骨分化，又能抑制破骨细胞的功能，加速骨缺损的修复。所述骨修复材料的原材料来源广泛、制备方法简单，在骨缺损修复治疗中极具临床转化应用前景。
附图说明
77.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
78.图1显示锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的外观和表征结果图，其中，a图：外观图，b图：经过研磨过网筛得到的颗粒填充材料外观图，c图：外观图，d图：sem结果图，e图：edx结果统计图，f图：edx结果图，g图：块状6.8％srhap的外观图，h图：粉末状6.8％srhap的sem结果图；
79.图2显示对三种不同摩尔比的锶掺杂羟基磷灰石材料(9.8％srhap、6.8％srhap、4.6％srhap)进行表征得到的结果图，其中，a图：xrd，b图：ftir，c图：xps，d图：6.8％srhap在pbs中浸泡不同天数后sr的累计释放量；
80.图3显示降酸前后的ph和锶元素的掺杂比例结果统计图，其中，a图：降酸前后的ph，n＝6，b图：降酸前后的锶元素的掺杂比例，n＝6；
81.图4显示直接溶血实验的外观结果图；
82.图5显示hmsc在第3天第7天时的细胞黏附情况的结果图，其中，a图：hap，b图：4.6％srhap，c图：6.8％srhap，d图：9.8％srhap；
83.图6显示hmsc在支架材料上的生存状态的结果图，其中，a图：hap，b图：4.6％srhap，c图：6.8％srhap，d图：9.8％srhap；
84.图7显示hmsc在支架材料上的细胞增殖状况的结果图，其中，a图：cck
‑
8检测结果图，b
‑
e图：活死细胞染色结果图；
85.图8显示支架材料浸提液促进成骨分化的结果图，其中，a图：alp活力实验，b图：alp染色，c图：成骨相关基因表达情况，*表示与普通诱导组比p<0.05；
86.图9显示兔股骨外侧髁骨缺损修复实验结果图，其中，a
‑
a图：暴露兔股骨远端外侧髁，显露干骺线，a
‑
bc图：缺损呈圆柱形，直径5cm，深度8cm，a
‑
d图：填充材料后状态，b图：x线验证术后1w填充效果；
87.图10显示不同时间点缺损修复效果的x
‑
ray平片的结果图，其中，a图：6w，b图：12w，c图：26w，d图：52w；
88.图11显示不同时间点6.8％srhap颗粒修复效果的结果图，其中，a图：6w，b图：12w，c图：26w，d图：52w，**表示p<0.01，ns.表示无显著差异；
89.图12显示不同时间点6.8％srhap颗粒修复效果的结果图，a图：甲苯胺蓝染色结果图，b图：统计图，nb代表新生骨，p代表材料颗粒，*表示p<0.05，ns.表示无显著差异。
具体实施方式
90.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照厂商所建议的条件实施检测。
91.实施例1锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的制备
92.1、实验材料
93.牛骨(松质骨)购自于大厂回族自治区福华肉类有限公司(中国)；六水合氯化锶(分析纯)购自于阿拉丁试剂(上海)有限公司(中国)；活死细胞染色试剂盒(货号为c2015m)购自于碧云天(中国)；msc fbs(货号为04
‑
400
‑
1a)购自于biological industries(以色列)；l
‑
dmem(货号为sh30021.01)购自于hyclone(美国)；结晶紫染液(货号为c0121)购自于碧云天(中国)；cck
‑
8(货号为ck04)购自于日本同仁化学(日本)。
94.2、煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料的制备
95.(1)松质骨的来源：取3岁成年牛股骨下段松质骨，切取30mm*20mm*15mm块料；
96.(2)脱脂：原料冲洗，温水浸泡，去离子水漂洗各2
‑
5次，以去除杂质；1
‑
2m的naoh浸泡24
‑
48h，去离子水漂洗2
‑
4次；2％
‑
20％h2o2浸泡24
‑
48h，去离子水漂洗2
‑
4次，晾干；75％
‑
100％系列酒精脱水24
‑
48h，自然晾干；60
‑
100℃干燥4
‑
24h；
97.(3)梯度升温煅烧：高温处理，设置温控程序，从100℃至1000℃设置12
‑
18个温度程序段，最快升温速率15
‑
30℃/分，最慢升温速率2
‑
5℃，温度程序段具体分配如下：
98.1)室温升至100
‑
130℃10
‑
20min，持温10
‑
20min；
99.2)100
‑
130℃升至200
‑
220℃10
‑
30min，持温60
‑
90min；
100.3)200
‑
220℃升至250
‑
260℃15
‑
25min，持温20
‑
40min；
101.4)250
‑
260℃升至280
‑
310℃5
‑
15min，持温10
‑
20min；
102.5)280
‑
310℃升至320
‑
330℃8
‑
15min，持温20
‑
60min；
103.6)320
‑
330℃升至360
‑
400℃5
‑
10min，持温20
‑
35min；
104.7)360
‑
400℃升至450
‑
500℃10
‑
20min，持温10
‑
30min；
105.8)450
‑
500℃升至540
‑
560℃5
‑
20min，持温10
‑
20min；
106.9)540
‑
560℃升至580
‑
610℃15
‑
25min，持温30
‑
60min；
107.10)580
‑
610℃升至660
‑
680℃6
‑
15min，持温10
‑
20min；
108.11)660
‑
680℃升至750
‑
800℃10
‑
15min，持温15
‑
20min；
109.12)750
‑
800℃升至880
‑
910℃15
‑
25min，持温15
‑
30min；
110.13)880
‑
910℃升至940
‑
960℃10
‑
20min，持温90
‑
180min；
111.14)自然降温至室温；
112.(4)浸泡于去离子水24
‑
48h；
113.(5)超声清洗3
‑
5遍，80
‑
100℃干燥4
‑
8h。
114.3、锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料(srhap)的制备
115.采用高温离子交换法制备锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料，具体方法如下：
116.(1)制备不同浓度的硝酸锶溶液(浓度分别为0.5mol/l、0.75mol/l、1mol/l)，并作为反应液；
117.(2)在常温下，将煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料置于不同浓度的硝酸锶反应液中进行反应(呈充盈状态)；
118.(3)静置2h后，80
‑
100℃烘干；
119.(4)高温煅烧(室温～200℃10分钟、200℃～200℃10分钟、200℃～600℃40分钟、600℃～600℃5小时、600℃～室温)；
120.(5)降至室温后，去离子水浸泡24
‑
48h；
121.(6)超声清洗3
‑
5遍，80
‑
100℃干燥4
‑
8h。
122.4、锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料(srhap)降ph处理
123.将磷酸(浓度为14.74mol/l)稀释成应用液(稀磷酸)，其浓度为0.1mol/l，按1g(材料)：4ml(稀磷酸)比例浸泡1h，根据材料不同调整浸泡时间(含锶浸泡2h)；去离子水(ddw)洗6次；以1g(材料)：30ml(ddw)的比例浸泡1h；80
‑
100℃烘干，最后检测含锶煅烧牛骨支架ph及处理前后含锶煅烧牛骨支架含锶量的差异。
124.5、锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料浸提液的制备
125.准备0、4.8％、6.8％、9.8％srhap四个材料组，将清洗完的块状材料用玛瑙研钵敲砸成小块颗粒状材料，用孔径1.25
‑
1.6mm的钢筛过筛，颗粒置于10cm皿中，分装4g于50ml离心管中，双层包装，co
‑
60辐照灭菌(12kgy，过夜)；浸提液制备过程参照gb16886.5标准；首先往含4g颗粒材料离心管中加入20ml无血清培养基(l
‑
dmem)，平躺置于摇床中；然后设置浸提条件，包括频率120rpm，温度37℃，时间持续24h，最后在超净台中使用0.22μm滤器(millipore)过滤浸出液，并统一调节ph为8.4左右。
126.6、锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的表征
127.所有制备的煅烧牛骨羟基磷灰石支架材料及锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架
材料的表征均由华南理工大学分析测试中心完成，主要采用的仪器包括x射线光电子能谱分析仪(kratos axis mlra dld.)、傅里叶红外光谱仪(thermo
‑
nicolet)和x射线衍射仪(brukerco.)。材料及材料浸提液中锶、钙、磷离子的浓度由谱尼测试集团股份有限公司完成，采用美国leeman公司的ps1000
‑
at型电感耦合等离子发射光谱仪测试完成。
128.7、锶离子在磷酸盐缓冲液中的释放
129.选取6.8％srhap块状材料，研磨至1.25
‑
1.6mm颗粒大小，设置6组做平行浸泡实验，将样品以0.2g/ml比例浸入到不含钙镁的磷酸盐缓冲液(ph＝7.4)中保持相应的时间(1d、3d、5d、7d、2w、3w、6w、12w)，放置于37℃环境中孵育，1
‑
2次/日震荡，震荡后间隔固定时间取液，在各个时间点分别将样品高速离心，小心吸取约7.5ml的上清并将其保存在
‑
20℃冰箱中，向离心管中补入7.5ml pbs，重新放回37℃恒温摇床中，等待下一个时间点取样，待取样全部结束后采用icp检测每个时间段的锶离子溶度，最后计算累计释放量。
130.8、实验结果
131.利用离子交换法反应制备得到的锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料(见图1a)，经过研磨过网筛制备了1.25
‑
1.6mm的颗粒填充材料(见图1b)，对6.8％srhap颗粒材料进行sem和edx检测，结果显示该颗粒材料的表面形态及组分，其主要成分为ca、sr、p、o四种元素(见图1d
‑
h)，且锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料的粒径均一(见图1c)，证明锶被成功掺入6.8％srhap颗粒中；
132.为了解掺杂锶后对羟基磷灰石晶体的影响，对三种不同摩尔比的锶掺杂羟基磷灰石材料(9.8％srhap、6.8％srhap、4.6％srhap)进行了xrd、ft
‑
ir、xps检测，结果显示，srhap衍射峰基本上与羟基磷灰石pdf标准卡片的衍射峰位置和相对强度一致，在30
‑
35度处形成一处特异性左偏的衍射峰，且随着锶的含量增加而强度增加(见图2a)，证明锶成功掺杂入羟基磷灰石晶体中并形成新的结晶相；3696、3572cm
‑1处的尖峰为羟基
‑
oh伸缩振动峰，1092、1031cm
‑1处的峰归属于po4中反对称伸缩振动峰，965cm
‑1处的峰为po4对称伸缩振动峰，563cm
‑1处的峰为po4不对称变角振动，都为磷灰石的特征吸收峰，4.6％、6.8％、9.8％三组为加入了不同含量sr元素的磷灰石，都具有与纯hap相似的结构，在4.6％、6.8％、9.8％中p
‑
o键的特征峰分别降至565、1029cm
‑1(见图2b)，这些变化是由于sr
2+
取代ca
2+
进入磷灰石晶格，sr
2+
半径为0.112nm，ca
2+
为0.100nm，sr
2+
半径越大，o
‑
h和p
‑
o的结合强度越低，证实了sr
2+
可取代ca
2+
进入磷灰石晶格；xps检测的结果表明三组srhap材料主要由ca、p、o三种元素组成，而纯的hap中sr元素含量极低(见图2c)；粒径为1.25
‑
1.6mm的6.8％srhap颗粒浸泡于pbs中持续84天，经icp检测其累计释放锶的量可得到一条前期陡峭，后期平缓的曲线(见图2d)，表明锶离子从材料中以一种持续而缓慢的方式释放；
133.为了考察锶离子掺杂的羟基磷灰石后钙磷元素含量的变化，对srhap进行了icp元素含量检测(见表1)，结果显示锶成功地掺入了羟基磷灰石中，并制备了三种不同锶取代摩尔比(sr/(sr+ca))的羟基磷灰石支架，包括4.6％srhap，6.8％srhap，9.8％srhap；锶掺杂的羟基磷灰石支架经过二次高温煅烧，表面附着有一些金属氧化物，接触水后易溶解，会提高材料表面的碱性，二次高温煅烧后的srhap经过清洗、稀磷酸处理，4.6％和6.8％srhap材料的酸碱度显著下降(p<0.05)，到达可接受的微碱性环境(ph:8～9)，但是高浓度含锶组9.8％srhap经过此降酸步骤，材料的ph仍未有显著下降(p＝0.0524)(见图3a)；对酸处理后的材料进行锶含量检测，结果显示降酸前后锶的取代钙的比例未有显著变化(p>0.05)(见
图3b)，表明了采用此降酸处理能下调材料酸碱度，但不影响锶的掺杂比例。
134.表1 对srhap进行icp元素含量检测的统计结果
[0135][0136]
实施例2直接溶血实验
[0137]
1、实验方法
[0138]
直接溶血实验是国家标准gb/t16886.4用于医疗器械生物学相容性评价方法，因此，本实施例对四组材料(0、4.8％、6.8％、9.8％srhap)分别进行了直接溶血实验；
[0139]
分别称取4组过筛后的材料颗粒各0.2g，加入含生理盐水10ml的离心管中，作为实验组；实验的阳性对照为去离子水；阴性对照为生理盐水；放置于恒温摇床中37℃保温30min后，加入稀释的兔血(生理盐水：兔血＝5:4)0.2ml，然后再次放入37℃恒温摇床中，保温60min，室温下2500r/min离心5min，取上清液在酶标仪上测定545nm处的吸光度，溶血率(％)＝(d试样
‑
d阴性对照)/(d阳性对照
‑
d阴性对照)
×
100％。根据gb/t16886溶血评价标准溶血率>5％时，则判定材料有溶血作用，溶血率≤5％时，则判定材料符合医用材料溶血实验的要求。
[0140]
2、实验结果
[0141]
结果见表2和图4，结果显示hap、4.6％srhap、6.8％srhap溶血率低于5％，符合国家标准，表明其生物相容性好，而9.8％srhap溶血率为7.96％，红细胞发生破裂，发生接触溶血。
[0142]
表2 直接溶血实验的统计结果
[0143][0144]
实施例3锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架上细胞黏附及存活状态
[0145]
1、细胞培养
[0146]
人端粒永生化间充质干细胞(human bone marrow
‑
derived mesenchymal stem cells，hmscs)来自于中山大学邹学农课题组的惠赠，为一株转染端粒酶的永生化细胞，不具有致瘤性，但可保持正常细胞的生理特性，具有多向分化潜能，正常培养于含10％fbs、1％ps的l
‑
dmem中，约3
‑
4天传代培养，培养条件为37℃，5％co2；进行分化实验的诱导培养基，在普通培养基的基础上额外加骨诱导培养液(包含β
‑
甘油磷酸钠10mmol/l、地塞米松10
‑
7mol/l、维生素c 50μg/l)。
[0147]
2、细胞黏附实验
[0148]
将四组材料(0、4.8％、6.8％、9.8％srhap)切割成大小为5mm*5mm*3mm小方块，经
srhap、9.8％srhap。
[0161]
表3 浸提液中离子含量的结果统计
[0162][0163][0164]
实施例5锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架促进细胞成骨分化
[0165]
1、材料浸提液体外促进成骨分化的实时定量pcr实验
[0166]
(1)rna提取：使用trizol试剂提取rna，以六孔板为例，吸弃培养基，pbs洗2遍后，加入1ml trizol，将细胞吹打均匀，可吸入1.5ml ep管，保存于
‑
80℃冰箱；
[0167]
1)解冻：每1ml trizol加入200μl氯仿，手动剧烈振荡30s，室温静置5min；
[0168]
2)离心：4℃12,000g 15min，离心后分三层，最上层水相中含rna；
[0169]
3)小心转移上层水相至新ep管，不可吸中间相；
[0170]
4)加入等体积异丙醇，混匀，室温放置5min；
[0171]
5)离心：4℃12,000g 10min，弃上清，管底可见少量白色rna沉淀；
[0172]
6)使用depc水配置75％乙醇，加入1ml，温和振荡离心管，悬浮沉淀；
[0173]
7)离心：4℃8,000g，5min，尽量弃上清；
[0174]
8)室温晾干10min；
[0175]
9)溶解rna沉淀，用20
‑
50μl depc水溶解rna样品；
[0176]
10)nanodrop测o.d值记录并定量rna浓度；
[0177]
(2)rna逆转录过程：
[0178]
1)基因组dna去除，配置如表4的反应；
[0179]
表4 配置溶液
[0180][0181]
用移液器轻轻吹打混匀，42℃2min；
[0182]
2)配置逆转录反应体系，见表5；
[0183]
表5 逆转录反应体系
[0184][0185]
[0186]
用移液器轻轻吹打混匀，设置反应条件37℃ 15min；85℃ 5sec；
[0187]
3)rt
‑
qpcr(real
‑
time quantitative pcr)，根据诺维赞chamq universal sybr qpcr master mix说明书检测相关基因的表达，配置反应体系(10μl体系)见表6；
[0188]
表6 反应体系
[0189][0190]
pcr反应程序设置如下：预变性：95℃ 3min；循环反应：95℃ 10sec，60℃30sec，循环40次；利用bio
‑
rad公司的bio
‑
rad cfx manager软件进行定量分析，本实验所用到的hmsc成骨相关基因pcr引物序列见表7；
[0191]
表7 pcr引物序列
[0192][0193]
2、碱性磷酸酶(alp)染色
[0194]
去除培养基液体后，pbs润洗一遍，用4％多聚甲醛固定30min后，pbs洗涤3次，按照说明书中的比例配制好alp染色工作液，在各孔中加入200μl(针对24孔板，确保能充分覆盖样品)配制好的bcip/nbt染色工作液，室温避光孵育30min(预期深浅)，除去染色液后ddw洗1
‑
2次终止显色反应，倒置显微镜下观察并拍照。
[0195]
3、碱性磷酸酶(alp)活力检测
[0196]
(1)细胞收集，置于冰上裂解，约10min后，收集于ep管中，震荡1min后，离心机最高转速离心5min；(2)bca蛋白浓度测定，计算出各组蛋白浓度后，按最低蛋白浓度的标准将各组蛋白样品稀释至统一的浓度；(3)alp酶活实验试剂准备，a.显色底物溶液：取一管显色底物，溶解于2.5ml的检测缓冲液中，充分溶解和混匀，冰上放置；b.标准品工作液：取10μl p
‑
nitrophenol溶液(10mm)，用检测缓冲液稀释至0.2ml，最终浓度为0.5mm；(4)按说明书加
样，最后加显色底物后反应即开始，注意避免出现气泡，置于37℃烘箱，孵育10
‑
30min，待出现较明显黄色后取出；(5)终止反应，每个孔加入100μl终止液；(6)分光光度405nm、620nm检测吸光度，并计算相对alp酶活性。
[0197]
4、统计学分析
[0198]
进行统计学分析的数据至少包含三个平行样本，统计学处理均采用graphpad prism 8中内置的统计软件，数据统计描述以均数
±
标准差表示，统计推断均采用独立样本间t检验，p<0.05时认为差异有统计学意义。
[0199]
5、实验结果
[0200]
将hap、4.6％srhap和6.8％srhap的浸提液分别培养hmsc 3天、6天、9天并检测其alp活性及染色，结果显示，与诱导培养基相比，6.8％srhap浸提液有明显的促进alp表达及提高alp活性的效果(见图8a和b)；培养6天后的pcr结果显示，两种含锶的材料浸提液均对成骨相关的基因表达(alp，col1a1，runx2，ocn，opn)有促进作用(p<0.05)(见图8c)，且4.6％srhap组>6.8％srhap>hap材料浸提液组。从以上结果可知，6.8％的材料在alp染色及其活力方面表现更佳，综合考虑持续释放锶的能力，6.8％srhap为更佳的摩尔比的锶掺杂羟基磷灰石材料。
[0201]
实施例6骨缺损修复的实验动物研究
[0202]
1、动物实验分组与手术步骤
[0203]
为了验证锶掺杂改性的天然羟基磷灰石支架材料在体内促成骨的性能，本研究构建了新西兰大耳白兔股骨外侧髁骨缺损的动物模型，并将hap、6.8％srhap支架分别植入实验动物的骨缺损部位，尺寸为直径5mm、高5mm的圆柱状缺损。动物实验共分为三组：空白缺损组(缺损不植入材料)；hap组(缺损植入不掺锶的牛骨羟基磷灰石)；6.8％srhap组(缺损植入掺锶6.8％的牛骨羟基磷灰石)。观察时间点为术后6周、12周、26周、52周；
[0204]
实验动物选择新西兰大耳兔，平均在2.6公斤左右，实验前适应性饲养一周以上，本实施例共入组42只新西兰兔。术前8小时禁食禁水，在手术过程中不需要监测和支持性护理，所用的无菌方法为紫外线照射灭菌及高压处理灭菌。将大白兔仰卧，用绷带将其双后腿及嘴巴系住固定于动物实验专用兔架上，用动物专用剃刀(电动剃毛推备皮)，备皮面积为10
×
10cm，切口位于中心，距四周距离为5cm。麻醉采用复方氯胺酮注射液，剂量按体重计(0.12ml/kg)，行肌肉注射麻醉。大白兔睫毛反射迟钝，用有齿镊钳夹手术区域皮肤无明确反应，表示麻醉成功；
[0205]
手术过程：常规手术消毒，铺巾。利多卡因表面麻醉后切皮，逐层钝性分离皮下组织，尽量避免血管，用止血钳充分暴露手术区域；手术部位是股骨远端外侧髁，生理标记是一条隆起的白色生长线；在生长线附近用刀划“h”，用骨膜铲分离覆盖的骨膜(尽量保持完整)；尖头钻头打孔，位置在生长线附近，偏向远端，然后使用粗钻头扩开。所造缺损为圆柱状，直径5mm、高5mm。模型制备过程中持续使用0.9％生理盐水清洗，干净视野。填充颗粒状移植物与渗出血液混匀，填平压实入缺损部位。填充的颗粒状移植物为1.25
‑
1.6mm(粒径)的hap、6.8％srhap颗粒混合兔血，然后逐层间断缝合，表面涂抹百多邦(莫匹罗星软膏
‑
中美史克)，术后青霉素80万单位肌肉注射，1次/天，连续3天，预防感染，分笼喂养。术后观察实验动物一般生活情况，注意手术部位有无炎症反应，肢体活动是否受限等。
[0206]
2、mirco
‑
ct扫描分析
[0207]
术后6w、12w、26w、52w，跨关节取材，行x线平片拍照。将标本修剪后，在福尔马林固定液2天，随后用高分辨mirco
‑
ct扫描系统(skyscan 1172,n.v.,aartselaar,belgium)在89kv电压、80μa电流下进行环扫，扫描角度为180
°
，扫描步长为0.40
°
。ctan软件(bruker micro ct,belgium)被用来图像处理。
[0208]
3、标本的组织学分析
[0209]
为了更直观地观察缺损部位材料与宿主间整合关系，对骨股外侧髁标本，沿矢状位长轴进行切片。标本用exakt切磨系统(exakt 310cp,germany)制成不脱钙切片，步骤如下：首先梯度脱水完的标本浸入光聚合单体中在紫外条件下进行固化；然后用exakt切磨，显露出感兴趣的剖面；用30％的过氧化氢洗涤处理5min后，过蒸馏水冲洗；最后在甲苯胺蓝在染色30
‑
40min，待干燥后封片，置于全景扫描系统扫描取图。骨组织形态学计量采用image j(版本1.8.0)分析。
[0210]
4、实验结果
[0211]
手术流程图见图9a，将1.25
‑
1.6mm的hap和6.8％srhap颗粒混合兔血后植入缺损部位，并拍摄x线验证填充效果的结果图见图9b；
[0212]
为了探究骨组织的修复状况，将标本进行x射线平片拍摄(见图10a
‑
d)，在x射线平片中白色较亮区域表示高密度，深色较暗区域代表低密度部位，所填充的牛骨羟基磷灰石颗粒在股骨外侧髁部位，呈高密度影并且密度高于兔皮质骨，比较6w和52w x射线平片结果可知随着相对低密度的新生骨组织长入，缺损部位相对密度降低，白色变得模糊；
[0213]
为了研究hap和6.8％srhap之间的成骨差异情况，标本取材后进行了micro
‑
ct扫描，micro
‑
ct断层扫描可以根据各组织的密度的不同，在单层图片上体现出不同的灰度(gv)，通过重建、设定gv的上下限，可筛除软组织、正常兔骨组织，然后在一定的阈值内，计算新骨形成与支架材料的灰度值比值，因而可得出新骨的百分骨量(percent bone volume,％)，结果见图11a
‑
d，植入的两种材料颗粒均在生长板附近，并且填充的材料在缺损部位形成许多空隙，这有利于细胞的迁移，从而引导新骨形成；在前12周，6.8％srhap明显比hap材料填充所产生的新骨量百分比多(p<0.01)，在26周之后，两种材料所形成的新骨没有统计学差异，表明了锶掺杂的羟基磷灰石具有早期促进新骨形成的能力，锶的掺入加速了骨缺损修复；
[0214]
对6、12、26、52周取材的移植物进行不脱钙切片、甲苯胺蓝染色，结果见图12a，结果显示，两种移植物表面均可形成新生骨样矿化组织(箭头所示)，沿着植入物表面走行；采用image j对切片组织进行组织形态学计量，结果显示在植入后早期阶段6周的6.8％srhap表面骨样组织明显多于hap组(p<0.05)，12周的计量结果显示6.8％srhap表面新骨形成面积与hap组存在差别；而在修复后期(26周和52周)，掺锶与不掺锶组差别不具有显著性，此外，与6周相比，两组填充材料6.8％srhap、hap在修复后期均未发生明显降解(见图12b)，进一步表明了锶掺杂的羟基磷灰石(6.8％srhap)具有早期促进新骨形成的能力，锶的掺入加速了骨缺损修复，且具有优异的生物相容性、可促进成骨分化、晶体结构相对稳定、体外溶解性及降解性低。
[0215]
上述实施例的说明只是用于理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也将落入本发明权利要求的保护范围内。