一种骨修复支架及其制备方法与流程

本发明涉及骨修复体领域，更具体地，涉及一种骨修复支架及其制备方法。

背景技术：

骨缺损是骨科临床中的常见病症。在临床手术中，通常采用骨修复材料对缺损部位进行填充，促进自体骨组织的再生，进而达到骨修复的目的。

现有的骨修复材料可分为合成人工骨和自体骨。其中，合成人工骨来源广泛，但是通常存在以下缺点：（1）生物相容性不优越，现有合成人工骨所采用的材料主要为矿物材料（如磷酸钙、羟基磷灰石）和可降解聚合物等，虽然人工骨可随自体骨组织的长入而逐步分解，但仍存在人工骨的降解速度与自体骨长入不匹配，以及分解过程中的降解产物对组织刺激等缺点；（2）骨细胞诱导性能不足，由于骨修复材料为非自体组织，在植入后会产生一定的组织反应，影响细胞爬行生长；且研究结果表明，成骨各阶段过程中需要多种细胞因子例如自体骨胶原、蛋白等多种因素共同作用，单纯的矿物材料、合成材料或仅添加一种生长因子的方法，无法很好地模拟自体骨组织的成骨活性及促进骨修复；（3）与临床中实际骨缺损形状不一致，使得骨填充物难以和自体组织很好地贴合，应用中填充物与自体骨之间存在较大空隙，致使创面骨组织间生成过多胶原细胞影响骨组织成活。

骨移植能够填充骨腔、加速骨缺损愈合，自体骨移植作为骨填充技术的“金标准”得到了临床医生的广泛认可，但存在损伤取骨部位、供区损伤、植骨量不足、不能制备成特殊形状等缺点，例如当骨缺损形状特殊，往往需要将取出的骨进行切削塑形，造成取出骨的浪费。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种骨修复支架及其制备方法。所述骨修复支架具有良好的生物相容性和骨细胞诱导活性，使骨缺损部位得到更好的修复。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种骨修复支架，包括由自体骨粉和自体骨胶制成的支架主体、沉积在支架主体表面的纳米磷酸钙涂层、以及覆盖在所述纳米磷酸钙涂层表面和/或填充在所述支架主体孔隙中的自体骨胶。

所述支架主体采用自体骨粉和自体骨胶作为制备原料，自体骨粉和自体骨胶均来源于缺损部位取出的碎片自体骨，无免疫排斥反应，具有良好的生物相容性。自体骨胶不仅起到粘合自体骨粉的作用，且与单独使用自体骨粉或自体骨粉和其他修复材料的组合相比，自体骨胶的加入能够使支架主体在成骨各阶段中提供所需的多种细胞因子，更好地促进自体骨组织的成骨活性，促进骨修复与再生。

同时，所述纳米磷酸钙涂层使得整个骨修复支架具有巨大的比表面积，有利于细胞的黏附、爬行和生长。且所述纳米磷酸钙涂层还能够起到保护支架主体，延长支架主体的活性维持时间的作用。

覆盖在所述纳米磷酸钙涂层表面和/或填充在所述支架主体孔隙中的自体骨胶，使得所述骨修复支架在植入人体初期能释放大量活性因子，吸引破骨细胞和成骨细胞的长入，诱导新骨的形成。

优选地，所述骨修复支架具有多孔结构，孔径大小为0.1mm~2mm，孔隙率为5%~50%。

优选地，所述支架主体通过3D打印技术制得。3D打印技术能够完成复杂结构的制备，使得制备的支架主体的微孔结构均一，具有高度可控性，能够满足支架主体形貌结构方面的需求。

另外，本发明还提供一种骨修复支架的制备方法。

一种骨修复支架的制备方法，包括以下步骤：

S1. 制备自体骨粉和自体骨胶，然后将自体骨粉、自体骨胶和水进行混合，得到3D打印材料；

S2. 利用所述3D打印材料通过3D打印设备打印出与患者骨缺损部位匹配的支架主体；

S3. 在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层；

S4. 配制自体骨胶溶液，然后将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入自体骨胶溶液中，浸泡后进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

本发明所述的制备方法通过采用3D打印技术制备出与患者骨缺损部位匹配的支架主体。在3D打印支架主体前，首先分析患者缺损部位的影像数据，确定骨缺损部位的范围；根据上述数据建模，制作骨缺损部位的三维模型；将所述三维模型导入3-matic软件，得到骨填充的成型数据模型，数据进一步处理后，再输入到3D打印设备中，打印出与骨缺损部位相匹配的支架主体。

发明人通过对自体骨粉、自体骨胶和水进行合理的配比，得到合适的3D打印材料，并通过3D打印制备出孔径大小和孔隙率合适的支架主体。

自体骨粉、自体骨胶、水之间的用量比例会影响所述支架主体横截面的微孔的孔径大小和孔隙率。

优选地，在步骤S1中，所述自体骨粉与自体骨胶的质量比为1:9~9:1，优选为1:2~4:1，更优选为1:1~3:1。

优选地，在步骤S1中，所述自体骨粉和自体骨胶的重量之和与水的体积之比为10 g:2~8 ml。

优选地，步骤S1中，所述自体骨粉和自体骨胶的制备方法包括以下步骤：

S11. 将自体骨进行粉碎，得到骨粉；

S12. 将所述骨粉加入含有醋酸、胰蛋白酶、NaCl和吐温80的混合溶液中，搅拌；

所述混合溶液中，醋酸的浓度为0.1M~1M；胰蛋白酶的浓度为10mg/L~200mg/L；NaCl的浓度为0.1M~1M；吐温80的浓度为1ml/L~50ml/L；

S13. 然后进行固液分离，对所得液体进行冷冻干燥，得到自体骨胶；对所得固体进行冷冻干燥，得到自体骨粉。

优选地，在步骤S12中，所述搅拌的时间为10~720 min。搅拌可以使骨粉中的有机质经过溶液中的酸、盐类、蛋白酶及活性剂的作用使其充分溶解到溶液中，搅拌时间过短无法充分溶解，时间过长影响随后制备的骨胶粘度。

优选地，醋酸的浓度为0.2~0.5M；胰蛋白酶的浓度为50~100 mg/L；NaCl的浓度为0.2~0.8 M；吐温80的浓度为10~30 ml/L。

本发明所述的制备方法对所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层，所述纳米磷酸钙涂层在成分上与自然骨中的无机成分类似，同时可以使得骨修复支架具有更大的比表面积，有利于细胞的黏附、爬行和生长。

优选地，在步骤S3中，在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层的方法为：将所述支架主体放入可溶性磷酸盐溶液中，浸泡5~12小时，在浸泡过程中向可溶性磷酸盐溶液注入Ca²⁺溶液，所述Ca²⁺溶液的注入速度为0.1ml/h~10ml/h。

所述可溶性磷酸盐溶液的浓度为0.01M~1M；所述Ca²⁺溶液的浓度为0.01M~1M。

所述可溶性磷酸盐优选采用磷酸钠。所述Ca²⁺溶液优选采用氯化钙溶液。

本发明的制备方法还包括将所述纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入自体骨胶溶液中，然后进行冷冻干燥。所述自体骨胶溶液主要是利用步骤S1所制备得到自体骨胶配制而成。

本发明中纳米磷酸钙的沉积过程，是在磷酸钠溶液中缓慢加入氯化钙溶液，使磷酸钙过饱和缓慢析出于固相表面。所述缓慢析出过程中，磷酸钙优先依附在溶液中的固相的物体表面，控制氯化钙溶液的加入速度，使纳米磷酸钙涂层是像薄膜一样包覆、沉积在支架主体表面上（包括支架主体的孔隙壁面，与普通的表面平整光滑的薄膜不同的是，纳米磷酸钙涂层能够有效增加骨修复支架的比表面积），但是支架主体的孔隙中间是一个孔洞，纳米磷酸钙没有依附的物体，因而不能有效填充所述孔隙。而支架主体浸入自体骨胶溶液后，自体骨胶可以进入到支架主体的孔隙中，经冻干后自体骨胶就保留在支架主体的孔隙中。

优选地，在步骤S4中，所述自体骨胶溶液的浓度为1g/L~100g/L。

优选地，在步骤S1中，所述骨粉的粒径为5μm~500μm。

优选地，所述磷酸钠溶液的温度为4℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述骨修复支架通过采用自体骨粉和自体骨胶作为原料制备支架主体，使得所述支架主体具有良好的生物相容性和骨细胞诱导活性，使骨缺损部位得到更好的修复，同时所述骨修复支架包含纳米磷酸钙涂层，使得骨修复支架具有巨大的比表面积，有利于细胞的黏附、爬行和生长，并且覆盖在所述纳米磷酸钙涂层表面和/或填充在所述支架主体孔隙中的自体骨胶，使得所述骨修复支架在植入人体初期能释放大量活性因子，吸引破骨细胞和成骨细胞的长入，诱导新骨的形成。另外，本发明还通过采用3D打印技术，使制备得到的骨修复支架与患者骨缺损部位高度匹配。

附图说明

图1为支架主体的电镜扫描图。

图2为支架主体的横截面的电镜扫描图。

图3为表面沉积纳米磷酸钙涂层的支架主体的表面形貌图。

图4为细胞在骨修复支架上黏附、运动迁移的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步解释说明，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，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。

本发明在3D打印支架主体前，首先分析患者的影像数据，确定骨缺损部位的范围；根据上述数据建模，制作骨缺损部位的三维模型；将重建的三维模型导入3-matic软件，得到骨填充的成型数据模型，数据进一步处理后，再输入到3D打印设备中，打印出与骨缺损部位相匹配的支架主体。

以下各实施例利用颅骨缺损的兔子作为修复对象，利用碎的自体骨片制作兔子的3D打印的骨修复支架，其具体的骨修复支架的制备方法如以下各实施例。

实施例1

一、制备自体骨粉和自体骨胶

1、将自体骨放入冻干研磨粉碎机中进行充分粉碎，制备出超细骨粉，骨粉的粒径为30μm；

2、将该骨粉放入含有醋酸、胰蛋白酶、NaCl和吐温80的混合溶液中，充分搅拌，醋酸的浓度为0.3M，胰蛋白酶的浓度为50 mg/L，NaCl的浓度为0.5 M，吐温80的浓度为20 ml/L；

3、将上述混合物放入容器中，并在此过程中持续搅拌；

4、将容器内的液体引出，放入冷冻干燥箱，冻干制备得到自体骨胶的冻干粉；

5、将容器中剩余的骨粉取出，冷冻干燥后得到自体骨粉。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

1、将自体骨粉、自体骨胶混合，得到固体混合物，自体骨粉与骨胶的质量比为3：1；每10g固体混合物加入5 ml水，加热搅拌形成胶状物的3D打印材料；

2、将该3D打印材料加入到3D打印设备中，设置3D打印参数，打印、冷冻干燥成型，得到具有多孔结构的支架主体。

制得的支架主体的电镜扫描图如图1所示；支架主体的横截面的电镜扫描图如图2所示。从图1和图2可以看出支架主体具有良好的孔隙率及微观多孔结构。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

将该支架主体放入温度为4℃的磷酸钠溶液中，磷酸钠溶液的浓度为0.1M，支架主体浸泡的时间为10小时，浸泡过程中缓慢注入氯化钙溶液，氯化钙溶液的浓度为0.05M，注入速度为5 ml/h，在支架主体表面逐渐沉积纳米磷酸钙涂层。

图3示出了表面沉积纳米磷酸钙涂层的支架主体的表面形貌，支架主体表面的微纳米结构使骨修复支架具有更大的比表面积，有利于细胞的爬行生长。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10 g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例2

一、制备自体骨粉和自体骨胶

1、将自体骨放入冻干研磨粉碎机中进行充分粉碎，制备出超细骨粉，骨粉的粒径为5μm；

2、将该骨粉放入含有醋酸、胰蛋白酶、NaCl和吐温80的混合溶液中，充分搅拌，醋酸的浓度为0.1M，胰蛋白酶的浓度为10mg/L，NaCl的浓度为0.1M，吐温80的浓度为1ml/L；

3、将上述混合物放入容器中，并在此过程中持续搅拌；

4、将容器内的液体引出，放入冷冻干燥箱，冻干制备得到自体骨胶的冻干粉；

5、将容器中剩余的骨粉取出，冷冻干燥后得到自体骨粉。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例3

一、制备自体骨粉和自体骨胶

1、将自体骨放入冻干研磨粉碎机中进行充分粉碎，制备出超细骨粉，骨粉的粒径为500μm；

2、将该骨粉放入含有醋酸、胰蛋白酶、NaCl和吐温80的混合溶液中，充分搅拌，醋酸的浓度为1M，胰蛋白酶的浓度为200mg/L，NaCl的浓度为1M，吐温80的浓度为50ml/L；

3、将上述混合物放入容器中，并在此过程中持续搅拌；

4、将容器内的液体引出，放入冷冻干燥箱，冻干制备得到自体骨胶的冻干粉；

5、将容器中剩余的骨粉取出，冷冻干燥后得到自体骨粉。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例4

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

1、将自体骨粉、自体骨胶混合，得到固体混合物，自体骨粉与自体骨胶的质量比为1：9；每10g固体混合物加入8ml水，加热搅拌形成胶状物的3D打印材料；

2、将该3D打印材料加入到3D打印设备中，打印、冷冻干燥成型，得到支架主体。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例5

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

1、将自体骨粉、自体骨胶混合，得到固体混合物，自体骨粉与自体骨胶的质量比为9：1；每10g固体混合物加入2ml水，加热搅拌形成胶状物的3D打印材料；

2、将该3D打印材料加入到3D打印设备中，打印、冷冻干燥成型，得到支架主体。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例6

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

将该支架主体放入温度为4℃的磷酸钠溶液中，磷酸钠溶液的浓度为1M，支架主体浸泡的时间为5小时，浸泡过程中缓慢注入氯化钙溶液，氯化钙溶液的浓度为1M，注入速度为0.1ml/h，在支架主体表面逐渐沉积纳米磷酸钙涂层。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例7

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

将该支架主体放入温度为4℃的磷酸钠溶液中，磷酸钠溶液的浓度为0.01M，支架主体浸泡的时间为12小时，浸泡过程中缓慢注入氯化钙溶液，氯化钙溶液的浓度为0.01M，注入速度为10ml/h，在支架主体表面逐渐沉积纳米磷酸钙涂层。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为10g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例8

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为100g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

实施例9

一、制备自体骨粉和自体骨胶

在本实施例中，自体骨粉和自体骨胶的制备方法与实施例1相同。

二、通过3D打印制备符合骨缺损部位的支架主体

在本实施例中，支架主体的制备方法与实施例1相同。

三、在所述支架主体表面沉积纳米磷酸钙涂层

在本实施例中，纳米磷酸钙涂层的沉积方法与实施例1相同。

四、将具有纳米磷酸钙涂层的支架主体浸入含有自体骨胶的溶液中，自体骨胶溶液的浓度为1g/L，浸泡后放入冻干机中进行冷冻干燥，得到3D打印的骨修复支架。

经测定，实施例1~9制得的骨修复支架的孔径和孔隙率如表1所示。从表1可以看出，本发明制得的骨修复支架的孔径在0.1mm~2mm之间，孔隙率在5%~50%之间。

表1

种植细胞测试

对上述实施例1～9制得的骨修复支架分别进行骨髓间充质干细胞种植，以考察细胞在骨修复支架上的生长情况。

以骨髓间充质干细胞培养在DMEM高糖培养基中，培养基含有10% 胎牛血清（FBS，v/v），1%青链霉素双抗，以及1 X 左旋谷氨酰胺、维生素溶液、丙酮酸钠溶液（Gibco）。对数生长期的细胞，加入2 ml 0.25%胰蛋白酶消化成单细胞悬液，等体积含血清培养基中和，取少量滴到血细胞计数板计数细胞量；然后1200 RPM离心4min获得细胞沉淀。按照2×10⁶/ml的细胞密度用新鲜培养基重悬得到4 ml细胞悬液，与37℃预热的20%明胶、4%纤维蛋白原或0.5% Puramatrix肽段水凝胶分别等体积混合获得8ml细胞悬液，细胞密度为1×10⁶/ml。

将该混合液涂敷在骨修复支架表面，更换新鲜的含10%胎牛血清的DMEM培养基，在37℃、5% CO₂培养箱培养3周。3周后对实施例所制得的骨修复支架进行电镜观察。

图4为细胞在实施例1所制备得到的骨修复支架上黏附、运动迁移的形貌图。图4表明骨髓间充质细胞种植在骨修复支架表面3周后，细胞融合成片覆盖支架表面，骨修复支架为细胞提供了较好的生长微环境，细胞黏附、运动迁移及增殖情况良好，与骨修复支架结合良好。

另外，采用本发明的实施例2~9制备得到的骨修复支架具有与本发明的实施例1制备得到的骨修复支架相同或类似的效果。因此，本发明的骨修复支架具有良好的细胞黏附、运动迁移及增殖效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。