短流程制备多孔异种骨骨粉修复材料的方法和由该方法制得的骨修复材料与流程

本发明属于生物医学工程材料领域，具体涉及一种制备用于外科手术中对骨组织进行修复的多孔异种骨骨粉修复材料的方法和由该方法制得的骨修复材料。

背景技术：

由于创伤、肿瘤、感染等因素引起的骨组织缺损是骨科临床常见疾病。骨移植术是常用的修复方法，骨移植主要分为自体骨移植、同种异体骨移植和异种骨移植。前两种方法的主要局限性在于供源缺乏、易发生供区并发症、存在疾病传染潜能，异种骨移植为骨缺损修复提供了新的思路和方法。

在骨移植手术中，对异种骨修复材料要求很高，需要异种骨修复材料具备以下特点：(1)不含引发免疫反应的脂肪和蛋白质；(2)能够制备成一定的尺寸，便于填充；(3)具有骨诱导性和骨传导性；(4)良好的生物相容性和适度的生物降解性，降解速度需和骨组织的再生速度相匹配，在人体内的降解产物对人体无害；(5)具有支持骨细胞生长和功能分化的表面化学性质和微结构；(6)易于加工、消毒、存储。

异种骨修复材料的制备关键是脱除脂肪、蛋白质等易引起抗原性的有机物。目前，异种骨修复材料的脱脂、脱蛋白主要采用化学浸泡处理、高温煅烧的方法。化学浸泡处理通常使用乙二胺、丙酮、氯仿、甲醇、乙醚等有毒溶剂。大量使用有毒溶剂会造成较大的环境压力。此外，由于异种骨修复材料呈多孔结构，有毒溶剂很难通过清洗处理干净，会导致有毒化学试剂残留，破坏异种骨的生物活性。化学浸泡处理方法中氢氧化钠和双氧水联合处理法也常被使用，但其只能部分消除异种骨的抗原性，且随着浸泡时间的延长，其强度和化学组成会发生较大的变化。高温煅烧是指在高温条件下(＞600℃)对异种骨进行煅烧去除有机物，高温煅烧会破坏异种骨修复材料的弱结晶结构，且骨中的碳酸盐也会分解，使异种骨修复材料失去生物活性。所以，目前使用的有毒溶剂浸泡法和高温煅烧法都不能满足异种骨的制备要求。

muruganr等人(muruganr，ramakrishnas，raokp.nanoporoushydroxy-carbonateapatitescaffoldmadeofnaturalbone[j].materialsletters，2006，60(23)：2844-2847.)先使用丙酮和乙醚冲洗牛皮质骨初步去除有机物，再将4％naoh溶液和牛皮质骨一起进行碱热处理，最后通过在500℃煅烧获得了异种骨修复材料。该方法在制备过程中使用了丙酮和乙醚两种有毒溶剂，会造成有毒溶剂的残留。此外，naoh处理和较高温度的煅烧温度，显著破坏了异种骨的弱结晶结构、生物活性和其特有的显微结构。

barakatnam等人(barakatnam，khilms，omranam，etal.extractionofpurenaturalhydroxyapatitefromthebovinebonesbiowastebythreedifferentmethods[j].journalofmaterialsprocessingtechnology，2009，209(7)：3408-3415.)以牛骨为原料，使用丙酮溶液将脂肪去除，并将其制备成450μm以下的粉末。再通过250℃温度下使用25％浓度的naoh溶液碱热5h制备了纳米羟基磷灰石粉末。该法制得的异种骨材料为高度结晶化的纳米级羟基磷灰石粉，完全丧失了牛骨(特别是松质骨)的多维孔洞结构和弱结晶的晶体结构特征。此外，在制备过程中使用了丙酮溶液，会使制得的异种骨修复材料中存在有毒溶解残留。

geistlich公司生产的(geistlich，switzerland)是一种在骨移植手术中广泛使用的异种骨移植材料。该公司u.s.patentno5,167,961专利(lussi，heinz；geistlich，peter.processforpreparinghighpuritybonemineral.u.s.patentno5,167,961，1992.)中先使用有毒溶剂乙二胺初步去除有机物，再通过其特制的溶液和去离子水反复清洗，最后再进行250℃～600℃煅烧制备了异种骨材料。该方法可能出现有毒溶剂残留，并且该方法制备时间超过15天，制备流程过长。zimmermann等人(zimmermannce，gierloffm，hedderichj，etal.biocompatibilityofbonegraftsubstitutes：effectsonsurvivalandproliferationofporcinemultilineagestemcellsinvitro[j].foliamorphologica，2011，70(3)：154-160.)研究发现，将浸出液和细胞共同培养，只有1/3的粘附细胞存活下来，侧面说明残留部分有毒化学溶剂。

因此，目前急需解决的异种骨制备的难题是：(1)制备过程中不使用有毒溶剂，防止破坏异种骨的生物活性；(2)能够制备一定尺寸并且具有异种骨原始微纳孔洞结构的异种骨骨块，便于特定条件下的骨缺损修复；(3)制备过程的温度较低，减少对异种骨弱结晶性和碳酸根含量的影响。。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新的异种骨制备方法，通过该法可以制备出具有丰富多孔结构并呈弱结晶状态的异种骨修复材料。

本发明另一目的在于提供上述制备方法制得的多孔异种骨骨粉修复材料。

技术方案：本发明提供一种多孔异种骨骨粉修复材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将初步去除有机物后的粉末状松质骨浸泡在碱性溶液中，置于承压密闭容器中，加热至100～240℃后在100～240℃保温1～12小时，降温后取出松质骨用水清洗，干燥；

2)将步骤1)处理后的松质骨浸泡在蒸馏水或去离子水中，置于承压密闭容器中，加热至100～240℃后在100～240℃保温1～12小时，降温后取出松质骨用水清洗，干燥；

3)将步骤2)处理后的松质骨在300～480℃煅烧4～24小时后进行灭菌处理，得到所述多孔异种骨骨粉修复材料。

上述初步去除有机物的方法包括：

a)将切成粉末状的哺乳动物的松质骨用水清洗至无可见骨髓组织为止，干燥后，用过氧化氢溶液浸泡后洗净，干燥；

b)将步骤a)处理后的松质骨用氢氧化钠溶液浸泡，然后用水清洗，干燥。

上述初步去除有机物的方法通过水洗、过氧化氢溶液浸泡和氢氧化钠溶液浸泡，可初步去除松质骨中的脂肪、蛋白质。

步骤1)通过碱热处理，可基本除净除松质骨中的脂肪、蛋白质；步骤2)通过水热处理，可将步骤1)处理后粘附在松质骨中的碱去除；步骤3)通过煅烧和灭菌处理，可消灭哺乳动物松质骨中本身携带的病菌。

上述哺乳动物可以为常见的哺乳动物，如猪、羊、马等。

上述初步去除有机物的方法中，步骤a)中，将哺乳动物的松质骨制备成颗粒直径大小为0.1mm～5mm的粉末状，用水清洗优选用高压水枪冲洗，直到骨组织色泽白色偏黄，无可见骨髓组织为止，然后在干燥箱中干燥12小时；过氧化氢溶液中过氧化氢的质量分数优选为10％～70％，用过氧化氢溶液浸泡的条件为在5～70℃下浸泡12～48小时；在过氧化氢溶液中浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，然后在干燥箱中干燥12小时。

步骤b)中，将干燥后的松质骨在氢氧化钠溶液中5～70℃下浸泡12～48小时，浓度优选为0.5～4m；在氢氧化钠溶液中浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时；

步骤1)中，碱性溶液的ph值优选为8～13，碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、硅酸钾和硅酸钠中的一种化合物的溶液或多种化合物的混合溶液；松质骨与碱性溶液的体积比为1∶20～1∶80；承压密闭容器可以为反应釜，将反应釜在加热箱中保温1～12小时，保温温度为100～240℃，反应釜降到室温后，取出松质骨用蒸馏水反复清洗、干燥，重复1～4次。

步骤2)中，将干燥后的松质骨和蒸馏水一起置于密闭容器中，松质骨与蒸馏水的体积比为1∶20～1∶80，反应釜在加热箱中保温1～12小时，保温温度为100～240℃，降到室温，取出松质骨用蒸馏水反复清洗、干燥，重复1～4次。

步骤1)和步骤2)中，在密闭反应釜中加热和保温的温度优选为180～240℃。

优选地，上述煅烧温度为300～400℃，上述辐照灭菌为钴60辐射灭菌或环氧乙烷灭菌等。本发明另一方面提供一种多孔异种骨骨粉修复材料，该多孔异种骨骨粉修复材料由上述制备方法制得。

有益效果：本发明的方法制备的多孔异种骨骨粉修复材料具有与人骨一致的化学成分、材料孔洞结构和弱结晶结构，最大限度地模拟了人体骨组织的结构和成分，保持了异种骨修复材料的生物活性，能够促进骨组织的生长修复。本发明的制备方法简单，大幅度缩减了制备时间，为短流程的制备方法，且原料来源广泛，适合大规模的产业化生产，能够显著降低生产成本，为患者提供价格低廉疗效好的骨修复材料。

附图说明

图1为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉修复材料的宏观照片；

图2为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉修复材料的扫描电子显微镜图片(放大50倍)；

图3为不同制备方法制得的多孔异种骨骨粉修复材料的x射线衍射图片；

图4为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉材料的傅里叶变换红外光谱图片。

具体实施方式

实施例1

多孔异种骨骨粉材料的制备方法如下：

(1)提取松质骨：

(a)收集新鲜的牛椎骨，避免接触污染物，冷冻保存。

(b)将冷冻的牛椎骨解冻并清洗干净，通过锯骨机切取牛的松质骨，将松质骨制备成直径为0.1mm的粉末状，用高压水枪反复冲洗，直到骨组织色泽白色偏黄，无可见骨髓组织为止，在干燥箱中干燥12小时。

(2)松质骨的预处理：

(a)双氧水溶液处理

将经步骤(1)处理干燥后的松质骨用质量分数为10％双氧水，在25℃环境下浸泡12小时，浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(b)氢氧化钠溶液处理

将步骤(a)干燥后的松质骨用浓度为1m氢氧化钠，在25℃环境下浸泡12小时，浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(3)松质骨的碱热处理：

将步骤(2)处理后的松质骨与氢氧化钠溶液混合一起置于承压密闭反应釜中，氢氧化钠溶液ph值为13，松质骨与氢氧化钠溶液的体积比为1∶20，反应釜在加热箱中保温2小时，保温温度为180℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏水反复清洗、干燥，重复3次。

(4)松质骨的水热处理：

将步骤(3)处理后的松质骨和蒸馏水混合一起置于承压密闭反应釜中，松质骨与蒸馏水的体积比为1∶20，反应釜在加热箱中保温2小时，保温温度为180℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏是反复清洗、干燥，重复2次。

(5)松质骨的煅烧处理：

将步骤(4)处理后的松质骨放到高温炉中煅烧，升温速率为10℃/min，升温至400℃保温12小时，自然降温取出松质骨备用。

(6)松质骨的灭菌处理：

将松质骨用钴60辐射灭菌(辐照剂量为30kgy)，得到异种骨修复材料。

对异种骨修复材料进行结构和成分表征，表征结果如表1和图1～4所示。

表1为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉材料和市售同类型骨修复材料瑞士geistlich的的元素分析，可以看出，制备的异种骨不含有机物，并且含有更多的co3^2-，zakariafa等人(zakariafa，marsadnh，manafaya，etal.characterisationofcarbonatedapatiteforpossibleapplicationinbiomedicalimplants[j].materialsresearchinnovations，2009，13(3)：309-312.)发现碳酸根有助于提高生物活性，所以本方法制备的异种骨修复材料更有利于骨组织的修复。

表1

图1为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉修复材料的宏观照片，由图1可见制得的异种骨材料呈羟基磷灰石特有的乳白色，说明表面并无残留的有机物。

图2为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉修复材料的扫描电子显微镜图片(放大50倍)，从图2中可以看出制得的异种骨材料呈三维孔洞结构，大孔尺寸大于100um，其间还分布若干小孔结构，这样的孔洞结构利于骨组织的修复。

图3为不同制备方法制得的多孔异种骨骨粉修复材料的x射线衍射图片，由图3可以看出，本发明的方法和煅烧法制得的异种骨修复材料都为羟基磷灰石成分，但本发明方法制得的骨修复材料峰形较宽，呈弱结晶状态，经过计算，结晶度为42％，远远小于煅烧法制备的异种骨修复材料。其中，上述煅烧法具体是指：

(1)松质骨的提取

收集新鲜的牛椎骨，避免接触污染物，冷冻保存。将冷冻的牛椎骨解冻，用口腔专用刮剔除附于其上的肌肉和结缔组织。

通过锯骨机切取牛的松质骨，将松质骨制备成直径为0.1mm的粉末状，用高压水枪反复冲洗，直到骨组织色泽白色偏黄，无可见骨髓组织为止，在干燥箱中干燥12小时。

(2)预处理

将干燥后的牛松质骨于室温环境下，放入质量分数为30％的h2o2溶液中浸泡12小时，浸泡后的牛松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

将上述干燥后的牛松质骨于室温环境下，放入浓度为1mol/l的naoh溶液中浸泡12小时，浸泡后的牛松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(3)煅烧处理

将干燥后的牛松质骨放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中在900℃煅烧，煅烧气氛为空气，升温速率为5℃/min，保温时间为3小时，然后随炉冷却后取出试样。

图4为采用本发明方法制备的多孔异种骨骨粉材料的傅里叶变换红外光谱图片，图4中可以发现在1043cm^-1、606cm^-1和569cm^-1处出现了典型的po4^3-的峰，表明制得异种骨材料为磷灰石结构，在1418cm^-1处存在两个分裂峰，表明制得的异种骨修复材料晶体结构中存在co3^2-。因此，可以确定制备的异种骨材料为典型的碳酸羟基磷灰石。

实施例2

多孔异种骨骨粉材料的制备方法如下：

(1)提取松质骨：

将猪的松质骨切成5mm粉末状，用高压水枪反复冲洗，直到骨组织色泽白色偏黄，无可见骨髓组织为止，在干燥箱中干燥12小时。

(2)松质骨的预处理：

(a)双氧水溶液处理

将经步骤(1)处理干燥后的松质骨用质量分数为70％的双氧水，在5℃环境下浸泡48小时，浸泡后的松质骨用去离子水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(b)氢氧化钠溶液处理

将步骤(a)干燥后的松质骨用浓度为0.5m氢氧化钾，在70℃环境下浸泡12小时，浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(3)松质骨的碱热处理：

将步骤(2)处理后的松质骨与碳酸氢钾溶液混合一起置于密闭反应釜中，氢氧化钠溶液ph值为8，松质骨与碳酸氢钾溶液的体积比为1∶80，反应釜在加热箱中保温12小时，保温温度为240℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏水反复清洗、干燥，清洗、干燥的过程重复3次。

(4)松质骨的水热处理：

将步骤(3)处理后的松质骨和蒸馏水混合一起置于密闭反应釜中，松质骨与蒸馏水的体积比为1∶80，反应釜在加热箱中保温12小时，保温温度为240℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏是反复清洗、干燥，重复4次。

(5)松质骨的煅烧处理：

将步骤(4)处理后的松质骨放到高温炉中煅烧，升温速率为1℃/min，升温至300℃保温24小时，自然降温取出松质骨备用。

(6)松质骨的灭菌处理：

将松质骨用环氧乙烷灭菌，得到异种骨修复材料。

实施例3

多孔异种骨骨粉材料的制备方法如下：

(1)提取松质骨：

将羊的松质骨切成0.1mm粉末状，用高压水枪反复冲洗，直到骨组织色泽白色偏黄，无可见骨髓组织为止，在干燥箱中干燥12小时。

(2)松质骨的预处理：

(a)双氧水溶液处理

将经步骤(1)处理干燥后的松质骨用质量分数为30％双氧水，在70℃环境下浸泡12小时，浸泡后的松质骨用去离子水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(b)氢氧化钠溶液处理

将步骤(a)干燥后的松质骨用浓度为4m氢氧化钠，在5℃环境下浸泡48小时，浸泡后的松质骨用蒸馏水反复清洗，在干燥箱中干燥12小时。

(3)松质骨的碱热处理：

将步骤(2)处理后的松质骨与碳酸钠溶液混合一起置于密闭反应釜中，氢氧化钠溶液ph值为10，松质骨与氢氧化钠溶液的体积比为1∶50，反应釜在加热箱中保温1小时，保温温度为240℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏水反复清洗、干燥，重复1次。

(4)松质骨的水热处理：

将步骤(3)处理后的松质骨和去离子水混合一起置于密闭反应釜中，松质骨与蒸馏水的体积比为1∶60，反应釜在加热箱中保温1小时，保温温度为240℃，反应釜降到室温，取出松质骨用蒸馏是反复清洗、干燥，重复1次。

(5)松质骨的煅烧处理：

将步骤(4)处理后的松质骨放到高温炉中煅烧，升温速率为0.1℃/min，升温至400℃保温4小时，自然降温取出松质骨备用。

(6)松质骨的灭菌处理：

将松质骨用钴60辐射灭菌(辐照剂量为30kgy)，得到异种骨修复材料。

该方法解决了多孔异种骨骨粉材料在较低温度条件下彻底脱除脂肪和蛋白质的问题。首先使用改进后的化学方法对粉末状异种骨材料进行预处理，然后进一步通过碱热法脱除脂肪和蛋白质，最后通过煅烧和辐照或环氧乙烷灭菌获得了弱结晶的多孔异种骨骨粉修复材料。本发明制备的多孔异种骨骨粉修复材料孔隙率、孔隙交通、孔径大小等方面与人体松质骨相同，且呈现弱结晶结构，利于细胞的黏附生长和血管、神经的长入，促进骨组织修复。本发明原料来源广泛且低廉，制备方法简单，过程不使用有毒化学试剂，适合大规模产业化生产，为患者减轻经济负担。