高强度胶原基人工骨修复材料的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可用于人体承重部位骨缺损修复的高强度胶原基人工骨修复材料。该材料具有纳米钙磷盐和胶原分子自组装而成的化学组成和结构，从而具备与人体天然骨组织相似的仿生矿化结构。在力学性能方面，该材料具有与人体皮质骨近似的机械强度，可用于人体承重部位的骨缺损修复。本发明还提供了制备这种高强度胶原基人工骨修复材料的方法。
【专利说明】高强度胶原基人工骨修复材料
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用材料领域，涉及一种人工骨材料，具体涉及一种可用于人体承重部位骨缺损修复的高强度胶原基人工骨修复材料。
技术背景
[0002]临床上由于创伤、感染、骨肿瘤等造成的承重部位骨缺损十分常见，针对这类缺损的修复，人们开发出钛合金、聚醚醚酮、碳纤维等多种材料，但这些材料在机械性能和生物活性方面均存在各自的缺陷。钛合金材料的弹性模量为人体骨的4~10倍，临床应用中存在应力遮挡现象，不利于骨修复。碳纤维材料易在表面产生磨屑，引发修复部位的组织炎症反应，影响修复效果。此外，钛合金、聚醚醚酮、碳纤维等材料的生物相容性均取决于它们的生物惰性，它们并不具备与人体天然骨组织形成骨性结合的生物活性，而是作为永久植入体使用，不参与人体的新陈代谢，最终作为异物存在于体内，因而长期修复效果不理想。
[0003]人体天然骨组织主要由以胶原为主的有机成分和以羟基磷灰石为主的无机成分构成，其中胶原呈现规则排列的多级结构，并为羟基磷灰石提供了矿化模板，从而形成有序排列的矿化胶原复合体。模仿天然骨的成分及结构制造生物活性骨修复材料，将为修复部位提供与天然骨相似的微环境，有利于骨细胞的贴附、增殖，促进骨缺损的修复。
[0004]近年来，人们已经研发出一些以胶原/羟基磷灰石为主要成分的硬组织修复产品，例如引导组织再生(guided tissue regeneration, GTR)膜等。这些产品中，胶原与轻基磷灰石的质量比为2/8~7/3，可以起到促进骨组织再生的作用。然而，这类GTR膜主要用于非承重部位骨修复，例如牙周骨缺损填充、脊柱横突融合等，其柔软的机械性能决定了其不能为修复部位提供力学支撑。此外，现有 胶原/羟基磷灰石复合骨修复材料多为胶原和羟基磷灰石两种材料的物理混合，而不具备天然骨组织的多级结构。
[0005]为了满足骨修复对材料的机械性能要求，以羟基磷灰石为代表的钙磷生物陶瓷材料得到了广泛研究，目前人们已经研制出具备一定机械强度的钙磷陶瓷支架材料，例如羟基磷灰石多孔生物陶瓷。这类材料主要通过烧结的方法使钙磷生物材料陶瓷化，从而获得一定的机械强度。然而，钙磷生物陶瓷制备过程中必不可少的烧结工艺极大限制了这类产品的化学组成，胶原等对骨组织修复有益的有机成分无法复合在最终产品中。烧结钙磷陶瓷由于其脆性也不适合用作承重部位骨修复材料。另一方面，有文献报道，纳米级羟基磷灰石较微米级颗粒更有利于细胞的成骨分化，即使原料采用的是纳米级羟基磷灰石(粒径< IOOnm)，烧结过后其晶粒也会长大至微米级，从而大大降低材料的成骨活性。
[0006]因此，现有技术和产品尚不能提供用于人体承重部位骨修复的生物活性材料，无法满足这类临床修复的需求。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高强度胶原基人工骨修复材料。该材料具有纳米钙磷盐和胶原分子自组装而成的化学组成和结构，从而具备与人体天然骨组织相似的仿生矿化结构。在力学性能方面，该材料具有与人体皮质骨近似的机械强度，可用于人体承重部位的骨缺损修复。本发明还提供了制备这种高强度胶原基人工骨修复材料的方法。
[0008]本发明的第一方面，提供了一种高强度胶原基人工骨修复材料。该材料为致密的均质有机/无机复合材料，其中有机相包括胶原，还可以包括高分子聚酯，所述高分子聚酯可以是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，无机相包括纳米钙磷盐。复合材料的有机相与无机相的质量比为9/1~4/6。当含有高分子聚酯时，复合材料的有机相中胶原与高分子聚酯的质量比为9/1~1/9。
[0009]所述高强度胶原基人工骨修复材料的压缩强度为65~150MPa，弯曲强度为20~IOOMPa0[0010]所述纳米钙磷盐的粒径为20~200nm，钙元素和磷元素的摩尔比为1/1~2/1。进一步地，所述纳米钙磷盐为纳米羟基磷灰石，粒径为20~200nm。
[0011]所述高分子聚酯的分子量为50，000~200，000。
[0012]本发明的第二方面，提供了本发明第一方面所述高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法，包括以下操作步骤:
[0013]步骤S1、纳米钙磷盐/胶原仿生复合材料粉体制备，具体包括:
[0014]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5.0X 10_5~5.0XlOVmL ；
[0015]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，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钙离子0.01~0.16mol ；
[0016]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，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 ；
[0017]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，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池液；
[0018]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得复合材料粉体备用。
[0019]步骤S2、胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料制备，具体包括:
[0020]步骤S2-1、将分子量为50，000~200，000的高分子聚酯在40~70°C下配制成质量体积浓度为0.02~0.15g/mL的高分子聚酯溶液，其中所述高分子聚酯可以是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，所述溶剂为1，4_ 二氧六环、二氯甲烷、氯仿或二甲基亚砜中的任何一种；
[0021]步骤S2-2、在步骤S2-1所得高分子聚酯溶液中加入步骤Sl_5所得的复合材料粉体，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液体系，其中复合材料粉体与高分子聚酯溶液中高分子聚酯的质量比为1/2~3/2 ；
[0022]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于_20~4°C环境中充分冷冻，还可以在液氮中进行深度冷冻，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，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料；
[0023]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~600 μ m的复合材料粉体备用。[0024]步骤S3、复合材料的冷压成型，具体包括:
[0025]步骤S3-1、称取一定量步骤S2-4获得的复合材料粉体，装入冷压模具中；
[0026]步骤S3-2、向模具施加压力，并使施加在复合材料粉体上的压强达到200~1400MPa ；
[0027]步骤S3-3、保持压力30~300秒，脱模后获得高强度胶原基人工骨修复材料。
[0028]上述操作步骤用于制备含有胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯三种组分的高强度胶原基人工骨修复材料。当所制备的高强度胶原基人工骨修复材料仅含有胶原和纳米钙磷盐两种组分，而不含高分子聚酯时，制备过程跳过步骤S2，而步骤S3-1则变为:称取一定量步骤S1-5获得的复合材料粉体，装入冷压模具中，其余步骤不变。
[0029]本发明的第三方面，提供了一种高强度胶原基人工骨修复材料。该材料为致密-多孔双层结构的有机/无机复合材料，其中有机相包括胶原和高分子聚酯，所述高分子聚酯可以是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，无机相包括纳米钙磷盐，有机相与无机相的质量比为9/1~2/8,有机相中，胶原与闻分子聚酯的质量比为9/1~1/9。
[0030]所述双层结构中:下层为致密层，厚度为0.5~5mm，压缩强度为65~150MPa，弯曲强度为20~IOOMPa ;上层为多孔结构层，厚度为0.5~5mm，孔隙率为50%~80%。
[0031]所述纳米钙磷盐的粒径为20~200nm，钙元素和磷元素的摩尔比为1/1~2/1。进一步地，所述纳米钙磷盐为纳米羟基磷灰石，粒径为20~200nm。
[0032]所述高分子聚酯的分子量为50，000~200，000。
[0033]本发明的第四方面，提供了本发 明第三方面所述致密-多孔双层高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法，包括以下操作步骤:
[0034]步骤S1、纳米钙磷盐/胶原仿生复合材料粉体制备，具体包括:
[0035]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5.0X 10_5~5.0XlOVmL ；
[0036]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，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钙离子0.01~0.16mol ；
[0037]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，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 ；
[0038]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，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池液；
[0039]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得复合材料粉体备用。
[0040]步骤S2、胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料制备，具体包括:
[0041]步骤S2-1、将分子量为50，000~200，000的高分子聚酯在40~70°C下配制成质量体积浓度为0.02~0.15g/mL的高分子聚酯溶液，其中所述高分子聚酯可以是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，溶剂为1，4_ 二氧六环、二氯甲烷、氯仿或二甲基亚砜中的任何一种；
[0042]步骤S2-2、在步骤S2-1所得高分子聚酯溶液中加入步骤Sl_5所得的复合材料粉体，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液体系，其中复合材料粉体与高分子聚酯溶液中高分子聚酯的质量比为1/2~3/2 ；
[0043]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于_20~4°C环境中充分冷冻，还可以在液氮中进行深度冷冻，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，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料。
[0044]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~600 μ m的复合材料粉体备用；
[0045]步骤S3、复合材料的冷压成型，具体包括:
[0046]步骤S3-1、称取一定量步骤S2-4获得的复合材料粉体，装入冷压模具中；
[0047]步骤S3-2、向模具施加压力，并使施加在复合材料粉体上的压强达到200~1400MPa
[0048]步骤S3-3、保持压力30~300秒，脱模后获得所述致密层。
[0049]步骤S4、在致密层材料上进一步构建多孔层，具体包括:
[0050]步骤S4-1、以步骤S3-3获得的致密层为基底，重复步骤Sl-1~S2-2，在致密层基底上覆盖步骤S2-2获得的胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液，并静置2~15min，使表面产生轻微溶解；
[0051]步骤S4-2、将步骤S4-1获得的致密层及其上覆盖的混合悬液放入_20~_10°C的低温环境中快速冷冻，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，制得所述致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料。
[0052]实施本发明，可以制备出具有与人体皮质骨机械性能相当的高强度胶原基人工骨材料，能够满足临床上承重部位骨修复的需求。该材料具有胶原和纳米钙磷盐等人体天然骨组织的主要成分，且纳米钙磷盐和胶原分子自组装成与天然骨中类似的微观结构，在成分和结构上均为骨细胞的贴附和增殖提供了极佳的微环境。总而言之，本发明所提供的高强度胶原基人工骨材料具备良好的生物活性和优异的机械性能，且能够降解，填补了目前临床上高强度生物活性骨修复材料的一大空白，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1为根据本发明的第二方面，高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法工艺流程图；
[0054]图2A和图2B为根据本发明的第一方面，一种用于人体脊柱融合的高强度胶原基人工骨修复材料示意图，其中图2A为主视图，图2B为侧视图；
[0055]图3为根据本发明的第一方面，一种用于人体椎板修复的高强度胶原基人工骨修复材料示意图；
[0056]图4为根据本发明的第三方面，致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料结构示意图；
[0057]图5为根据本发明的第四方面，致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法工艺流程图。
【具体实施方式】
[0058]为了更好的说明本发明的内容，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0059]实施例1，高强度胶原/纳米钙磷盐复合人工骨的制备
[0060]图1所示为本发明高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法工艺流程图。根据图1所示步骤，高强度胶原/纳米钙磷盐复合人工骨的制备方法为:
[0061]步骤S1-1、将Ig胶原溶于2L浓度为0.5mol/L的醋酸溶液，配制成胶原的酸溶液；
[0062]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，缓慢滴加IOOmL浓度为lmol/L的CaCl2溶液；
[0063]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，缓慢滴加IOOmL浓度为0.6mol/L的Na2HPO4 溶液；
[0064]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，缓慢滴加lmol/L的NaOH溶液至混合体系 pH = 7 ;
[0065]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置48小时，过滤出沉淀，并用去离子水离心洗涤5次，随后进行冷冻干燥，研磨后获得干粉备用。
[0066]由于本实施例制备的复合人工骨不涉及高分子聚酯，因此不需要步骤S2，而直接进入步骤S3。
[0067]步骤S3-1、称取0.6g步骤S1-5所得的干粉，装入直径12mm的模具凹槽中；
[0068]步骤S3-2、向模具加压并达到75kN ；
[0069]步骤S3-3、保持压力90秒，脱模后获得高强度胶原/纳米钙磷盐复合人工骨。
[0070]该复合人工骨外形为Φ = 12mm, h = 3mm圆片。经测试，该复合人工骨密度为1.77g/cm3，压缩强度为98MPa，弯曲强度为32MPa，适用于承重部位人体骨缺损的修复。
[0071]实施例2，高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合人工骨的制备
[0072]首先，按照实施例1步骤Sl-1~S1-5所述进行胶原/纳米钙磷盐复合材料制备。
[0073]然后，进行胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合材料的制备，具体包括:
[0074]步骤S2-1、取分子量为100,000的聚乳酸Ig在50°C下溶于IOmL 1，4_ 二氧六环中，配制成聚乳酸溶液；
[0075]步骤S2-2、在步骤S2-1所得聚乳酸溶液中加入步骤Sl_5所制得的干粉lg，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸混合悬液体系；
[0076]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于_10°C冷冻2小时，然后冷冻干燥48小时，再转移至真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中室温下干燥72小时，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合材料；
[0077]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~500 μ m的复合材料粉体备用。
[0078]最后，按照实施例1步骤S3-1~S3-3所述进行操作，但步骤S3_2中施加压力为120kN，其余操作和工艺参数不变，从而获得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合人工骨。
[0079]经测试，该复合人工骨密度为1.85g/cm3，压缩强度为129MPa，弯曲强度为62MPa，适用于承重部位人体骨缺损的修复。
[0080]实施例3，高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸-乙醇酸共聚物复合人工骨的制备
[0081]按照实施例2所述步骤进行材料制备。其中，步骤S2-1所述聚乳酸替换为分子量为120，000的聚乳酸-乙醇酸共聚物(乳酸/乙醇酸=50/50)，步骤S3-2中施加压力为155kN,其余操作和工艺参数不变，从而获得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸-乙醇酸共聚物复合人工骨。
[0082]经测试，该复合人工骨密度为1.85g/cm3,压缩强度为145MPa，弯曲强度为84MPa，适用于承重部位人体骨缺损的修复。
[0083]实施例4，高强度胶原/纳米钙磷盐/聚己内酯复合脊柱融合器的制备
[0084]图2A和2B所示为本发明一种用于人体脊柱融合的高强度胶原基人工骨示意图，其中图2A为主视图，图2B为侧视图。该人工骨材料具体为一种胶原/纳米钙磷盐/聚己内酯复合脊柱融合器。根据图1所示步骤，该脊柱融合器的制备方法为:
[0085]步骤S1-1、将 Ig胶原溶于IL浓度为0.lmol/LHCl溶液，配制成胶原的酸溶液；
[0086]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，缓慢滴加150mL浓度为lmol/L的CaCl2溶液；
[0087]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，缓慢滴加IOOmL浓度为lmol/L的H3PO4溶液；
[0088]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液至混合体系pH = 7 ；
[0089]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置72小时，过滤出沉淀，并用去离子水抽滤洗涤5遍，随后进行冷冻干燥，研磨后获得干粉备用。
[0090]步骤S2-1、取分子量为100,000的聚己内酯Ig在50°C下溶于IOmL 二氯甲烷中，配制成聚己内酯溶液；
[0091]步骤S2-2、在步骤S2-1所得聚己内酯溶液中加入步骤Sl_5所制得的干粉lg，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/聚己内酯混合悬液体系；
[0092]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于_10°C冷冻2小时后转移至液氮中进行深度冷冻，然后冷冻干燥48小时，再转移至真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中室温下干燥72小时，制得胶原/纳米钙磷盐/聚己内酯复合材料；
[0093]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~500 μ m的复合材料粉体备用。
[0094]步骤S3-1、称取1.66g步骤S2_4所得的干粉，装入压制脊柱融合器的模具中；
[0095]步骤S3-2、向模具加压并达到120kN ；
[0096]步骤S3-3、保持压力240秒，脱模后获得高强度胶原/纳米钙磷盐/聚己内酯复合脊柱融合器。
[0097]经测试，该脊柱融合器密度为1.8g/cm3,压缩强度为106MPa，满足临床上脊柱融合材料的要求。
[0098]实施例5，高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙醇酸复合人工椎板的制备
[0099]图3所示为本发明一种用于椎板修复的高强度胶原基人工骨示意图。该人工骨材料具体为一种胶原/纳内米钙磷盐/聚乙醇酸复合人工椎板。根据图1所示步骤，该人工椎板的制备方法为:
[0100]步骤S1-1、将6g胶原溶于3L浓度为0.lmol/L的HNO3溶液，配制成胶原的酸溶液；
[0101]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，缓慢滴加750mL浓度为lmol/L的Ca (NO3)2 溶液；
[0102]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，缓慢滴加750mL浓度为lmol/L的(NH4)2HPO4 溶液；
[0103]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液至混合体系pH = 7 ；
[0104]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置96小时，过滤出沉淀，并用去离子水抽滤洗涤5遍，随后进行冷冻干燥，研磨后获得干粉备用。
[0105]步骤S2-1、取分子量为150,000的聚乙醇酸9g在65°C下溶于200mL氯仿中，配制成聚乙醇酸溶液；
[0106]步骤S2-2、在步骤S2-1所得聚乙醇酸溶液中加入步骤Sl_5所制得的干粉6g，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乙醇酸混合悬液体系；
[0107]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于(TC冷冻2小时后转移至液氮中深度冷冻，然后冷冻干燥72小时，再转移至真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中室温下干燥96小时，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乙醇酸复合材料；
[0108]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径200~500 μ m的复合材料粉体备用。
[0109]步骤S3-1、称取Ilg步骤S2-4所得的复合材料粉体，装入压制人工椎板的模具中；
[0110]步骤S3-2、向模具加压并达到900kN ；
[0111]步骤S3-3、保持压力270 秒，脱模后获得高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙醇酸复合人工椎板。
[0112]该人工椎板跨度45mm，长30mm，厚4mm，高9mm。经测试，该复合人工骨密度为
1.74g/cm3，压缩强度为98MPa，弯曲强度为36MPa，满足临床上椎板修复的要求。
[0113]实施例6，致密-多孔双层高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合骨修复体的制备
[0114]图4所示为本发明致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料结构示意图，其中下层为致密层，厚度为2_，上层为多孔层，厚度为1_。图5所示为本发明制备致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料的制备方法工艺流程图。根据图5所示步骤，图4所示人工骨修复材料的制备方法为:
[0115]步骤S1-1、将0.3g胶原溶于3L浓度为0.2mol/L的醋酸溶液，配制成胶原的酸溶液；
[0116]步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，缓慢滴加IOOmL浓度为0.15mol/L的CaCl2溶液；
[0117]步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，缓慢滴加60mL浓度为0.15mol/L的(NH4)2HPO4 溶液；
[0118]步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，缓慢滴加0.2mol/L的NaOH溶液至混合体系pH = 7 ；
[0119]步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置36小时，过滤出沉淀，并用去离子水离心洗涤5遍，随后进行冷冻干燥，研磨后获得干粉备用。
[0120]步骤S2-1、取分子量为50，000的聚乳酸0.2g在60°C下溶于1.5mL二甲基亚砜中，配制成聚乳酸溶液；
[0121]步骤S2-2、在步骤S2-1所得聚乳酸溶液中加入步骤Sl_5所制得的干粉0.25g，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸混合悬液体系；
[0122]步骤S2-3、将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于0°C冷冻2小时，然后冷冻干燥24小时，再转移至真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中室温下干燥72小时，制得胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸复合材料；
[0123]步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~500 μ m的复合材料粉体备用。
[0124]步骤S3-1、称取0.22g步骤S2-4所得的复合材料粉体，装入长10mm，宽6mm的模
具凹槽中；
[0125]步骤S3-2、向模具加压并达到25kN ；
[0126]步骤S3-3、保持压力240秒，脱模后获得所需致密层。
[0127]步骤S4-1、以步骤S3-3获得的致密层为基底，重复步骤Sl-1~S2-2，在致密层基底上覆盖步骤S2-2获得的胶原/纳米钙磷盐/聚乳酸混合悬液70 μ L，静置lOmin，此时表面产生轻微溶解；
[0128]步骤S4-2、将步骤S4-1所述涂覆混合悬液的致密层放入_20°C的低温环境中快速冷冻，然后冷冻干燥36小时，再转移至真空干燥箱中真空干燥96小时，制得致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料。
[0129]该致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料长10mm，宽6mm，总厚度3mm。经测试，该双层人工骨的致密层密度为1.83g/cm3,多孔层密度为0.35g/cm3,双层人工骨复合体压缩强度为81MPa，弯曲强度为30MPa，适合临床皮质骨-松质骨综合缺损的修复需求。
[0130]对比例I
[0131 ] 按照实施例1所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为15kN，其余工艺参数保持不变。
[0132]对比例2
[0133]按照实施例1所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为170kN，其余工艺参数保持不变。
[0134]对比例3
[0135]按照实施例1所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-3所述保压时间为O秒，其余工艺参数保持不变。
[0136]对比例4
[0137]按照实施例2所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为15kN，其余工艺参数保持不变。
[0138]对比例5
[0139]按照实施例2所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为170kN，其余工艺参数保持不变。
[0140]对比例6
[0141] 按照实施例3所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为10kN，其余工艺参数保持不变。[0142]对比例7
[0143]按照实施例3所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为170kN，其余工艺参数保持不变。
[0144]对比例8
[0145]按照实施例3所述步骤制备复合人工骨材料，其中，步骤S3-2所述压力为120kN，步骤S3-3所述保压时间为10s，其余工艺参数保持不变。
[0146]对比例9
[0147]按照实施例4所述步骤制备复合脊柱融合器，其中，步骤S3-2所述压力为25kN，其余工艺参数保持不变。
[0148]对比例10
[0149]按照实施例4所述步骤制备复合脊柱融合器，其中，步骤S3-2所述压力为225kN，其余工艺参数保持不变。
[0150]对比例11
[0151]按照实施例4所述步骤制备复合脊柱融合器，其中，步骤S3-3所述保压时间为20秒，其余工艺参数保持不变。
[0152]对比例12
[0153]按照实施例5所述步骤制备复合人工椎板，其中，步骤S3-2所述压力为100kN，其余工艺参数保持不变。
[0154]对比例13
[0155]按照实施例5所述步骤制备复合人工椎板，其中，步骤S3-2所述压力为200kN，其余工艺参数保持不变。
[0156]对上述对比例获得的材料进行力学性能测试，测试结果如下表所列:
[0157]
【权利要求】
1.一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，该材料为致密的均质有机/无机复合材料，其中， 有机相包括胶原， 无机相包括纳米钙磷盐， 有机相与无机相的质量比为9/1~4/6。
2.根据权利要求1所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，该材料的有机相还包括高分子聚酯，所述高分子聚酯是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，有机相与无机相的质量比为9/1~4/6,有机相中,胶原与高分子聚酯的质量比为9/1~1/9。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，该材料的压缩强度为65~150MPa，弯曲强度为20~lOOMPa。
4.根据权利要求1或2所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述纳米钙磷盐的粒径为20~200nm，钙元素和磷元素的摩尔比为1/1~2/1。
5.根据权利要求或I或2所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述纳米钙磷盐为纳米羟基磷灰石，粒径为20~200nm。
6.根据权利要求2所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述高分子聚酯的分子量为50，000~200，000。
7.一种制备权利要求1所述高强度胶原基人工骨修复材料的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤S1、纳米钙磷盐/胶原仿生复合材料粉体制备，具体包括: 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 5.0XlO-5 ~5.0XlO^VmL ； 步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，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钙离子0.01~0.16mol ； 步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，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 ； 步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，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池液； 步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得复合材料粉体备用； 步骤S2、复合材料的冷压成型，具体包括: 步骤S2-1、称取一定量步骤S1-5所得的复合材料粉体，装入冷压模具中； 步骤S2-2、向模具施加压力，并使施加在复合材料粉体上的压强达到200~1400MPa ； 步骤S2-3、保持压力30~300秒，脱模后获得高强度胶原基人工骨修复材料。
8.一种制备权利要求2所述高强度胶原基人工骨修复材料的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤S1、纳米钙磷盐/胶原仿生复合材料粉体制备，具体包括: 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 5.0XlO-5 ~5.0XlO^g/mL ；步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，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钙离子0.01~0.16mol ； 步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，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 ； 步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，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池液； 步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得复合材料粉体备用； 步骤S2、胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料制备，具体包括: 步骤S2-1、将分子量为50，000~200，000的高分子聚酯在40~70°C下配制成质量体积浓度为0.02~0.15g/mL的高分子聚酯溶液，其中所述高分子聚酯是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，溶剂为1，4_ 二氧六环、二氯甲烷、氯仿或二甲基亚砜中的任何一种； 步骤S2-2、在步骤S2-1所得高分子聚酯溶液中加入步骤S1-5所得的复合材料粉体，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液体系，其中复合材料粉体与高分子聚酯溶液中高分子聚酯的质量比为1/2~3/2 ； 步骤S2-3、将步骤S2-2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，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料； 步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~600 μ m的复合材料粉体备用； 步骤S3、复合材料的冷压成型，具体包括: 步骤S3-1、称取一定量步骤S2-4获得的复合材料粉体，装入冷压模具中； 步骤S3-2、向模具施加压力，并使施加在复合材料粉体上的压强达到200~1400MPa ； 步骤S3-3、保持压力30~300秒，脱模后获得高强度胶原基人工骨修复材料。
9.根据权利要求8所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料的方法，其特征在于，步骤S2-3的将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于-20~4°C环境中充分冷冻后，还包括在液氮中进行深度冷冻，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，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料。
10.一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，该材料为致密-多孔双层结构的有机/无机复合材料，其中: 所述有机相包括胶原和高分子聚酯；所述高分子聚酯是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合；所述无机相包括纳米钙磷盐；有机相与无机相的质量比为9/1~2/8 ;有机相中，胶原与闻分子聚酯的质量比为9/1~1/9 ； 所述双层结构中，下层为致密层，厚度为0.5~5mm，压缩强度为65~150MPa，弯曲强度为20~IOOMPa ;上层为多孔结构层，厚度为0.5~5mm，孔隙率为50%~80%。
11.根据权利要求10所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述纳米钙磷盐的粒径为20~200nm，钙元素和磷元素的摩尔比为1/1~2/1。
12.根据权利要求10所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述纳米钙磷盐为纳米羟基磷灰石，粒径为20~200nm。
13.根据权利要求10所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料，其特征在于，所述高分子聚酯的分子量为50，000~200，000。
14.一种制备权利要求10-13中任意一项所述高强度胶原基人工骨修复材料的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤S1、纳米钙磷盐/胶原仿生复合材料粉体制备，具体包括: 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 5.0XlO-5 ~5.0XlO^g/mL ； 步骤S1-2、持续搅拌步骤Sl-1所得溶液，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钙离子0.01~0.16mol ； 步骤S1-3、持续搅拌步骤S1-2所得溶液，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 ； 步骤S1-4、持续搅拌步骤S1-3所得溶液，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池液； 步骤S1-5、将步骤S1-4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得复合材料粉体备用； 步骤S2、胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料制备，具体包括: 步骤S2-1、将分子量为50，000~200，000的高分子聚酯在40~70°C下配制成质量体积浓度为0.02~0.15g/mL的高分子聚酯溶液，其中所述高分子聚酯是聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯其中一种或多种复合，溶剂为1，4_ 二氧六环、二氯甲烷、氯仿或二甲基亚砜中的任何一种； 步骤S2-2、在步骤S2-1所得高分子聚酯溶液中加入步骤S1-5所得的复合材料粉体，并混合均匀，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液体系，其中复合材料粉体与高分子聚酯溶液中高分子聚酯的质量比为1/2~3/2 ； 步骤S2-3、将步骤S2-2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，制得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料； 步骤S2-4、对步骤S2-3制得的复合材料进行粉碎并过筛，筛选出粒径100~600 μ m的复合材料粉体备用； 步骤S3、复合材料的冷压成型，具体包括: 步骤S3-1、称取一定量步骤S2-4获得的复合材料粉体，装入冷压模具中； 步骤S3-2、向模具施加压力，并使施加在复合材料粉体上的压强达到200~1000MPa ； 步骤S3-3、保持压力30~300秒，脱模后获得所述致密层； 步骤S4、在致密层材料上进一步构建多孔层，具体包括: 步骤S4-1、以步骤S3-3获得的致密层为基底，重复步骤Sl-1~S2-2，在致密层基底上覆盖步骤S2-2获得的胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯混合悬液，并静置2~15min，使表面产生轻微溶解； 步骤S4-2、将步骤S4-1获得的致密层及其上覆盖的混合悬液放入-20~-10°C的低温环境中快速冷冻，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，制得致密-多孔双层结构高强度胶原基人工骨修复材料。
15.根据权利要求14所述的一种高强度胶原基人工骨修复材料的方法，其特征在于，步骤S2-3的将步骤S2-2获得的混合悬液体系置于-20~4°C环境中充分冷冻后，还包括在液氮中进行深度冷冻，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 得胶原/纳米钙磷盐/高分子聚酯复合材料。
【文档编号】A61L27/46GK103830775SQ201210488483
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】王昶明, 崔菡, 仇志烨 申请人:北京奥精医药科技有限公司