一种矿化胶原基生物牙根支架材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种矿化胶原基生物牙根支架材料及其制备方法。
技术背景
[0002]各种原因造成的牙齿缺失一直困扰人类的身心健康，缺失牙齿的修复方法伴随着人类的进步也由简单粗糙变得复杂精细，尽管如此，目前常用的修复方法诸如活动义齿、固定义齿、种植体等都是机械性的修复，存在着各种缺陷，缺乏真正生理意义上的修复，不能满足人类的需要。为此，如何利用人工方法再造出具有生物学活性的牙齿以修复缺牙，实现牙再生(tooth regenerat1n)是目前国内外学者着力研究的热点课题之一。
[0003]从近年牙齿再生研究的发展脉络不难看出，当今口腔再生研究基本遵循如下规律:即从经典的牙齿发育学研究技术发展到胚层重组实验(发育期牙胚组织或细胞的重组体)，期望利用牙齿/牙根/牙周发育的自然规律来实现牙齿/牙根/牙周的再生，或利用成体干细胞和支架材料进行牙再生。目前，牙再生(the whole-tooth regenerat1n)主要包括两种方式:
[0004]1、基于发育学原理牙再生方法:按照发育生物学的基本原理，将牙间充质细胞与牙上皮细胞体外重组培养再植入体内，诱导重组体按照牙齿发育的组织形态学过程再生牙齿；
[0005]2、组织工程学牙再生方法:将种子细胞与预先设计好的具有完整牙形态的生物支架复合，以期形成与正常牙齿外形、结构和功能相似的再生牙。
[0006]然而，上述两种牙再生方法在发展和应用过程中均遇到瓶颈。对于细胞及组织重组方法而言，同其他器官再生一样，关于牙齿发生发育的机理尚未完全解析，而且大部分研究集中在啮齿类动物模型上，啮齿类动物牙齿发育模式与人类相差较大，基于啮齿类动物得到的牙齿发育信号网络很难为人类牙齿再生提供借鉴；对于组织工程学方法而言，牙再生涉及到了牙冠的再生以及萌出等一系列问题，这些因素均大大阻碍了牙组织工程的研究进程，因此成功仍需时日。
[0007]从解剖学的角度分析，牙根是整个牙齿主要的支持和承重部分，在咀嚼过程中发挥着不可替代的作用。牙根的牙本质具有较高的密度和一定的孔隙结构，成分上约70%为无机矿物，20%为有机物，10%为水分，微观结构为无机矿物以纳米微粒形式有序排列在胶原分子之间与分子表面的矿化胶原结构。牙根再生(root regenerat1n)相对于全牙再生可以避免控制牙齿外形和牙齿萌出的技术难题，而且能解决种植义齿缺乏生物活性和存在金属异物的缺陷。此外，再生的牙根因具有牙周膜及牙本质结构，还可实现形态及功能的修复，故而在牙齿组织工程研究中具有独特的优势。另外，再生的牙根可以安装外形与功能上都可与天然牙冠相媲美的人造牙冠，，从而构建出具有完整结构和功能的牙齿。
[0008]要实现以上构想，需要在牙齿缺失部位构建出具有正常牙根生理解剖结构及其功能的生物牙根(b1engineered tooth root，b1-root)，而实现这一过程则必须用到合适的支架材料。现有技术中对于这种实现生物牙根再生的支架材料来源有两种:动物源性材料(即经过处理加工的同种异体或异种牙根)和人工合成材料。动物源性材料具有免疫原性，临床使用中存在较大的排异、感染风险。人工合成的生物牙根支架材料主要是磷酸钙生物陶瓷材料，如磷酸三钙/羟基磷灰石复合陶瓷等。然而，这种磷酸钙生物陶瓷存在较大不足:1、磷酸钙生物陶瓷仅为多孔或致密结构的无机陶瓷材料，并不具有牙根的仿生结构和化学组成，不利于生物牙根的重建；2、磷酸钙生物陶瓷脆性较大，不利于术中及术后支架完整性的保持；3、磷酸钙生物陶瓷的降解较慢，不利于在短时间(3?6个月)内重建生物牙根。
[0009]因此，要在临床上实现生物牙根的成功构建，必须提供一种具有牙根仿生结构和化学组成，并具备合适机械性能和生物降解特性的材料和支架，而现有的生物医用材料和支架尚不具备这些特性，不适用于生物牙根的构建。
【发明内容】
[0010]针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种矿化胶原基生物牙根支架材料和使用该材料制造的生物牙根支架。该生物牙根支架材料主要为一种无机成分含量较高的矿化胶原，具有与天然牙本质一致的微观结构和化学组成。使用该材料制造的生物牙根支架具有与天然牙根近似的宏观外形，内部具有宏观的盲孔或者通孔结构，可用于装载细胞、生长因子、药物等，以及供细胞长入。
[0011]本发明还提供了矿化胶原基生物牙根支架材料的制备方法，以及矿化胶原基生物牙根支架的制造方法。
[0012]本发明的第一方面，提供了一种矿化胶原基生物牙根材料。该材料为矿化胶原，成分包含胶原和磷灰石，其中磷灰石以弱结晶的纳米微粒形式有序排列在胶原分子之间与分子表面，胶原/磷灰石=5/5?2/8 (w/w)。
[0013]所述支架材料中的胶原为动物源性的I型胶原，优选为牛跟腱来源的I型胶原。
[0014]所述支架材料中的磷灰石成分的主要物相为羟基磷灰石。
[0015]所述支架材料还可以含有生物可吸收医用高分子，包括聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)、乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)，该生物可吸收医用高分子在支架材料中的含量为不高于50wt%。
[0016]本发明的第二方面，提供了矿化胶原基生物牙根材料的制备方法。该制备方法是一种体外仿生矿化技术，模拟动物的硬组织在发育过程中的形成过程。该制备方法主要包括以下步骤:
[0017]步骤S1-1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为5.0X10 5?5.0X10 3g/mL ；
[0018]步骤S1-2、持续搅拌步骤S1-1获得的溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入I丐尚子0.01?0.16mol ；
[0019]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2获得的溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S1-2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1?2/1 ；
[0020]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3获得的溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH =6?8，当PH = 5?6时，混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时，混合体系出现白色悬浊液；
[0021]步骤S1-5、将步骤S1-4获得的混合体系静置24?120小时，抽去上清液，用离心的方法洗去杂质离子，离心浓缩得到矿化胶原胶冻；
[0022]步骤S1-6、将步骤S1-5获得的胶冻进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉体。
[0023]当本发明第一方面所述的生物牙根材料还含有生物可吸收医用高分子时，材料的制备方法还包括以下步骤:
[0024]步骤S1-7、将生物可吸收医用高分子在40?70 °C下配制成质量体积浓度为0.02?0.15g/mL的溶液，溶剂为1，4_ 二氧六环、二氯甲烧、氯仿或二甲基亚砜中的任何一种；
[0025]步骤S1-8、在步骤S1-7所得医用高分子溶液中加入步骤Sl_6所得的矿化胶原粉体，并混合均匀，制得矿化胶原/医用高分子混合悬液体系，其中医用高分子的质量不超过矿化胶原粉体的质量；
[0026]步骤S1-9、将步骤S1-8获得的混合悬液体系置于_20?4°C环境中充分冷冻，然后冷冻干燥24?72小时，再转移至真空干燥箱中真空干燥72?120小时，制得矿化胶原/医用高分子复合材料。
[0027]本发明的第三方面，提供了一种矿化胶原基生物牙根支架。在微观上:该支架具有一定的孔隙结构，孔隙率为70%?95%，孔径为50?500 μ m。在宏观上:该支架的外形为柱状体；柱状体的高度为9?12mm ;柱状体的外侧面被垂直于柱状体轴向的平面所截得的形状为圆形或者近似圆形，周长为11?14_ ;柱状体的上底面为平面或者凸面，若为凸面，凸起高度不高于1_