本发明涉及骨材料技术领域，尤其涉及一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料及其制备方法。
背景技术：
骨组织作为人体最大、同时也是最容易引起缺损的组织器官，每年有数以百万计的骨组织缺损患者需要接受手术治疗。由骨质疏松、创伤、肿瘤、感染所造成的骨器官丧失或组织缺损，成为困扰人类健康生活的难题之一。临床上通常经过骨移植修复重建手术来恢复缺损部位的形状和功能，骨移植已成为仅次于输血的需求量最大的移植物，而且有逐年增加的趋势。
目前，治疗骨缺损的植入材料大致可分为自体骨、异体骨、异种骨、人工骨等。自体骨移植是目前临床使用最多的方法，但它是一种牺牲健康部位骨组织为代价的“以伤治伤”的治疗手段，会对供骨区造成新的损伤，而且自体骨来源有限。同种异体骨或异种骨移植尽管克服了自体骨移植“来源有限和二次创伤”的缺陷，但存在移植后的免疫排斥反应，也存在传播疾病的潜在危险。为克服自体骨、异体骨和异种骨移植存在的各种问题，人们一直努力希望通过人工方法制备理想的骨修复材料。
人工骨修复材料又分为不可降解材料及可降解的生物相容性好的材料，但是目前可降解骨修复材料一般强度较低，或者没有合适的孔径及孔隙率，来满足骨细胞的爬行替代，以达到骨生长的目的。
矿化胶原骨修复材料是一种生物相容性良好的骨修复材料，矿化胶原是仿生天然骨细胞外基质设计的具有分级结构的仿生骨修复材料。其在微结构和成分两方面都与天然骨相似，有良好的生物相容性和骨诱导修复能力，是一种优良的骨修复材料，不足之处在于矿化骨胶原修复材料的强度较低(一般在1～2mpa)，限制了使用范围。
申请人早先研制出一种矿化胶原基人工骨修复材料，可以将矿化胶原骨修复材料的强度提高到65～150mpa，具有这一高强度的矿化胶原基人工骨修复材料可以作为承重部位的骨修复材料。但由于其硬度高，弹性模量高，无法适用于胫骨平台、evans跟截骨手术、cotton楔形开口截骨手术中。而且，利用这一方法制得的骨修复材料的孔隙率也比较低，不适宜骨细胞的生长及爬行替代。
此后，申请人又研发出一种高孔隙率的人工骨修复材料，通过对制备工艺的优化，骨修复材料的孔隙率最高可达到95％。但申请人发现，该方法只是简单地将高分子材料和矿化胶原复合成骨修复材料，虽然骨修复材料也具有一定的强度，但是强度一般比较低，同样无法适用于胫骨平台、evans跟截骨手术、cotton楔形开口截骨手术中。
在临床使用中急需一种有一定支撑强度，有一定的孔隙率，生物相容性良好的骨修复材料。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料及其制备方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料的制备方法，所述制备方法包括：
(1)制备聚合物/矿化胶原复合材料：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，配制成浓度为0.05～0.15g/ml的第一高聚物溶液和浓度为0.08～0.20g/ml的第二高聚物溶液；
将矿化胶原干粉和第一高聚物溶液混合，矿化胶原干粉和第一高聚物溶液中的高分子聚合物的质量比为1:3～3:1，配制成第一聚合物/矿化胶原混合溶液；
将第一聚合物/矿化胶原混合溶液进行冻干处理，得到冻干产物；
通过超声抽提的方式除去冻干产物中残留的有机溶剂，再对冻干产物进行干燥，得到聚合物/矿化胶原复合材料；
(2)制备硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒：将聚合物/矿化胶原复合材料粉碎，将粉碎后的材料用80目筛子进行筛分，将通过筛子的细粉体作为制备组分；
将细粉体依次进行初压、高压、双压和保压，得到模压产物；
将模压产物超声清洗并干燥，然后粉碎成细颗粒，再通过筛分选取粒径为0.1～0.8mm的细颗粒，即为硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒；
(3)制备矿化胶原基中等强度人工骨修复材料：将第二高聚物溶液和硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒按照2:1～4:3的质量比混合，将得到的混合物在常压下灌模，得到预制体；
将预制体进行冻干处理，通过超声抽提的方式除去冻干产物中残留的有机溶剂，真空干燥，然后再采用辐照的方式对产品进行灭菌，制得矿化胶原基中等强度人工骨修复材料。
优选地，在步骤(1)中，所述高分子聚合物选自粘度为1.0～3.0dl/g的聚ε-己内酯、分子量为10万～30万的聚乳酸、分子量为10万～30万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的任一种。
优选地，在步骤(1)中，所述有机溶剂选自1,4-二氧六环、氯仿、三氯甲烷、丙酮、二甲基亚砜中的任一种或者两种的混合溶剂。
优选地，在步骤(1)中，按照如下方式进行所述冻干处理：将第一聚合物/矿化胶原混合溶液先在常压、-30～-20℃的条件下进行预冻，再在真空、-10～0℃的条件下进行升华，最后在0～50℃下进行真空干燥。
优选地，在步骤(2)中，按照如下方式依次进行所述初压、高压、双压和保压：
初压：将细粉体装入模具中并压实，将模具放在压力机上，手动加压，直至无法加力；
高压：开动电机或用手动压杆，直至压力达到15～25mpa；
双压：翻转模具或卸掉底座，进行双向加压；
保压：双压完成后，保持压力90～120s。
优选地，在步骤(3)中，按照如下方式对所述预制体进行冻干处理：将所述预制体先在常压、-30～-20℃的条件下进行预冻，再在真空、-10～0℃的条件下进行升华，最后在0～50℃下进行真空干燥。
优选地，在步骤(3)中，所述辐照所用的试剂为钴60灭菌剂，剂量为15～38kgy。
优选地，在步骤(3)中，所述预制体的形状为颗粒状、正方体、长方体、圆柱状、梯形块、楔形块中的任一种。
优选地，所述矿化胶原干粉采用如下方法进行制备：
s1、将胶原溶于盐酸、柠檬酸或醋酸中的任何一种，配制成浓度为0.5～2mg/ml的胶原酸液；
s2、持续搅拌所述胶原酸液，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；
s3、持续搅拌s2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钙离子加入量的摩尔比为ca/p＝1.3～2.0；
s4、持续搅拌s3所得溶液，缓慢滴加naoh溶液至混合体系ph至6～8，当ph至5～6时，混合体系开始出现沉淀，当ph至7时，混合体系出现白色悬浊液；
s5、将s4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，研磨后获得所述矿化胶原干粉。
一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料，采用上述制备方法制得，优选地，所述修复材料具有如下特征：
形状为颗粒状、正方体、长方体、圆柱状、梯形块、楔形块中的任一种；
抗压强度在8～50mpa之间；
孔隙率在40～80％之间；
降解时间在6～24个月之间。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
骨修复材料中有一定比例的生物相容性良好的高分子材料，为骨植入提供了支架，同时又有一定的孔隙率，使得材料在有一定强度的同时，能够满足细胞的长入，通过细胞的爬行替代，使得材料被逐步降解，同时诱导新骨逐步形成。
材料的强度可以达到8至50mpa，孔隙率在40％至80％，降解时间在六个月至两年。因此，本发明提供了一种既具有一定支撑强度，又有一定孔隙率的骨修复材料，所述材料可以使用在需要一定承重的部位，如胫骨平台，evans跟截骨手术，cotton楔形开口截骨手术中。
利用本发明提供的制备方法可以根据适应症设计相应形状的骨修复材料，例如可以设计出楔形块，梯形块，大颗粒，小颗粒，齿状或者是具有固定孔的上述形状等。
本发明通过先制备矿化胶原干粉，再制备矿化胶原高聚物复合材料，制备硬矿化胶原高聚物颗粒，通过高聚物溶液快速的将硬质矿化胶原高聚物颗粒粘结复合，制备了一种中等强度的骨修复材料。
附图说明
图1是实施例1提供的制备方法的流程示意图；
图2是实施例1制得形状为梯形块的骨修复材料的结构图，其中a为立体图，b为俯视图；
图3是实施例2制得形状为楔形块的骨修复材料的结构图，其中a为左视图，b为正视图，c为俯视图，d为立体图；
图4是实施例3制得形状为楔形块的骨修复材料的结构图，其中a为左视图，b为正视图，c为俯视图，d为立体图；
图5是实施例4制得形状为圆柱体的骨修复材料的立体结构图；
图6是实施例5制得形状为立方体的骨修复材料的立体结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料的制备方法，所述制备方法包括：
(1)制备聚合物/矿化胶原复合材料
将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，配制成浓度为0.05～0.15g/ml(例如，可以具体为0.05g/ml、0.08g/ml、0.10g/ml、0.12g/ml或0.15g/ml)的第一高聚物溶液和浓度为0.08～0.20g/ml(例如，可以具体为0.08g/ml、0.10g/ml、0.15g/ml或0.20g/ml)的第二高聚物溶液。所用的高分子聚合物可以选自粘度为1.0～3.0dl/g的聚ε-己内酯、分子量为10万～30万的聚乳酸、分子量为10万～30万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的任一种。第一高聚物溶液和第二高聚物溶液可以选择相同的高聚物或高聚物组合物进行配制，也可以选择不同的高聚物或高聚物组合物进行配制。有机溶剂可以选自1,4-二氧六环、氯仿、三氯甲烷、丙酮、二甲基亚砜中的任一种或者两种的混合溶剂。
将矿化胶原干粉和第一高聚物溶液混合，矿化胶原干粉和第一高聚物溶液中的高分子聚合物的质量比为1:3～3:1(例如，可以具体为1:3、1:2、1:1、2:1或3:1)，配制成第一聚合物/矿化胶原混合溶液。
该步骤所用的矿化胶原干粉可以按照如下方式进行制备：
s1、将胶原溶于盐酸、柠檬酸或醋酸中的任何一种，配制成浓度为0.5～2mg/ml(例如，可以具体为0.5mg/ml、1.0mg/ml、1.5mg/ml、2mg/ml)的胶原酸液；
s2、持续搅拌所述胶原酸液，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(例如，可以具体为0.01mol、0.05mol、0.08mol、0.1mol、0.12mol、0.15mol或0.16mol)；
s3、持续搅拌s2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钙离子加入量的摩尔比为ca/p＝1.3～2.0(例如，可以具体为1.3、1.5、1.6、1.7、1.9、2.0)；
s4、持续搅拌s3所得溶液，缓慢滴加naoh溶液至混合体系ph至6～8，当ph至5～6时，混合体系开始出现沉淀，当ph至7时，混合体系出现白色悬浊液；
s5、将s4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，研磨后获得所述矿化胶原干粉。
将第一聚合物/矿化胶原混合溶液进行冻干处理，得到冻干产物。
冻干可以按照如下方式进行：将第一聚合物/矿化胶原混合溶液先在常压、-30～-20℃(例如，可以具体为-30℃、-25℃、-20℃)的条件下进行预冻，再在真空、-10～0℃(例如，可以具体为-10℃、-5℃、0℃)的条件下进行升华，最后在0～50℃(例如，可以具体为0℃、5℃、10℃15℃、20℃、30℃、40℃、50℃)下进行真空干燥。
通过超声抽提的方式除去冻干产物中残留的有机溶剂，再对冻干产物进行干燥，得到聚合物/矿化胶原复合材料；
(2)制备硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒
将聚合物/矿化胶原复合材料粉碎，将粉碎后的材料用80目筛子进行筛分，将通过筛子的细粉体作为制备组分。
将细粉体依次进行初压、高压、双压和保压，得到模压产物。
按照如下方式依次进行所述初压、高压、双压和保压：
初压：将细粉体装入模具中并压实，将模具放在压力机上，手动加压，直至无法加力；
高压：开动电机或用手动压杆，直至压力达到15～25mpa(例如，可以具体为15mpa、20mpa、25mpa)；
双压：翻转模具或卸掉底座，进行双向加压；
保压：双压完成后，保持压力90～120s(可以具体为90s、100s、110s、120s)。
将模压产物超声清洗并干燥，然后粉碎成细颗粒，再通过筛分选取粒径为0.1～0.8mm的细颗粒，即为硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒；
(3)制备矿化胶原基中等强度人工骨修复材料
将第二高聚物溶液和硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒按照2:1～4:3(例如，可以具体为2:1、3:2、4:3)的质量比混合，将得到的混合物在常压下灌模，可以根据适应症设计相应形状的模具，制得符合要求的预制体。所述预制体的形状可以设计成颗粒状、正方体、长方体、圆柱状、梯形块、楔形块中的任一种。
将预制体进行冻干处理，通过超声抽提的方式除去冻干产物中残留的有机溶剂，真空干燥，然后再采用辐照的方式对产品进行灭菌，制得矿化胶原基中等强度人工骨修复材料。在该步骤中，可以按照如下方式对所述预制体进行冻干处理：将所述预制体先在常压、-30～-20℃(例如，可以具体为-30℃、-25℃、-20℃)的条件下进行预冻，再在真空、-10～0℃例如，可以具体为-10℃、-5℃、0℃)的条件下进行升华，最后在0～50℃例如，可以具体为0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃)下进行真空干燥。所述辐照可以采用钴60灭菌剂，剂量为15～38kgy。
本发明提供了一种矿化胶原基中等强度人工骨修复材料，采用上述制备方法制得。优选地，所述修复材料具有如下特征：
形状为颗粒状、正方体、长方体、圆柱状、梯形块、楔形块中的任一种；
抗压强度在8～50mpa之间；
孔隙率在40～80％之间；
降解时间在6～24个月之间。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
如图1所示，制备方法包括如下步骤：
步骤1、矿化胶原干粉的制备，具体包括：
s1、将胶原溶于盐酸中，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为0.5mg/ml；
s2、持续搅拌步骤s1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0.01mol；
s3、持续搅拌s2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s2中钙离子加入量的摩尔比为ca/p＝1.5；
s4、持续搅拌步骤s3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浊液；
s5、将步骤s4所得混合体系静置24小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原材料干粉备用。
步骤2、聚合物/矿化胶原复合材料的制备，具体包括：
溶胀工序：将高分子聚合物(本实施例选用的是聚ε-己内酯，粘度为1.8dl/g)，溶解于1,4-二氧六环中，形成1号高聚物溶液，浓度为0.05g/ml；
向1号高聚物溶液中加入矿化胶原干粉，制得聚合物/矿化胶原混合溶液，所述矿化胶原干粉与所述高分子聚合物的质量比为1:2；
在常压下将聚合物/矿化胶原混合溶液于-20℃进行预冻，再在真空条件下于0℃进行升华，再在50℃进行真空干燥；
通过超声抽提的方式除去冻干后残留的有机溶剂并干燥，从而制得所述聚合物/矿化胶原复合材料。
步骤3、硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒的制备，具体包括：
将上述制得的聚合物/矿化胶原复合材料，置于小型粉碎机中，粉碎5-10秒，得到细小的粉体；用不锈钢筛筛分经粉碎的聚合物/矿化胶原复合材料材料，不锈钢筛的目数为80目(对应材料颗粒粒径为<200μm)，通过不锈钢筛的粉体即为所需进行下一步的粉体。
模压工艺：将粉体借助漏斗装入φ25mm的圆柱型模具中，并用不锈钢压杆压实；初压工序，将装好料的模具放在压力机上，手动加压，直至手不能加力为止；高压工序，开动电机(或用手动压杆)，直至达到设定的25.0mpa压力；双压工序，压力表指针达到预定高压值后，停机，翻转模具或卸掉底座，进行双向加压；保压工序，双压完成后，进行保持压力90秒；
保压后进行脱模，适当的进行表面的简单清理，超声清洗并干燥后，将材料置于小型粉碎机中，粉碎3～5次，每次1～3秒，得到细颗粒；筛分粒径，用不锈钢套筛筛分经粉碎的材料，选取粒径为0.1～0.8mm的颗粒。即为所述制备的硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒。
步骤4、中等强度矿化胶原基人工骨修复材料的制备，具体包括：
配制2号高聚物溶液：将聚合物(本实施例选用的是聚ε-己内酯，粘度为1.8dl/g)，溶解于1,4-二氧六环中，配制成浓度为0.08g/ml的2号高聚物溶液。
将上述2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒迅速搅拌混合，液粉混合比例为质量比2:1，
在常压下灌模，制备成所需形状(本实施例制备的材料为梯形块，如图2所示)。
将灌模好的产品在-20℃进行预冻，再在真空条件下于0℃进行升华，再在50℃进行真空干燥；通过超声抽提的方式除去冻干产物中残留的有机溶剂，真空干燥；
脱模修剪，辐照灭菌(钴60灭菌剂，剂量为15-38kgy)后即为中等强度矿化胶原基人工骨修复材料。
经检测，该骨修复材料的强度为32mpa，孔隙率为55％。
实施例2
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
采用分子量为10万的聚乳酸配制1号高聚物溶液，质量体积浓度为0.15g/ml；
矿化胶原干粉和1号高聚物溶液按照1:1的质量比混合；
采用分子量为30万的聚乳酸配制成浓度为0.20g/ml的2号高聚物溶液；
2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒混合比例为质量比4:3。
最终制得的骨修复材料的形状为楔形块，如图3所示。
可以根据需要制成不同的型号，每一型号的具体情况如下表所示。
经检测，该骨修复材料的强度为38mpa，孔隙率为45％。
实施例3
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
采用分子量为10万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物配制1号高聚物溶液，质量体积浓度为0.1g/ml；
矿化胶原干粉和1号高聚物溶液按照3:1的质量比混合；
采用粘度2.0dl/g的聚ε-己内酯配制成浓度为0.15g/ml的2号高聚物溶液；
2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒混合比例为质量比4:2.5。
最终制得的骨修复材料的形状为楔形块，如图4所示。
可以根据需要制成不同的型号，每一型号的具体情况如下表所示。
经检测，该骨修复材料的强度为22mpa，孔隙率为65％。
实施例4
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
采用分子量为30万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物配制1号高聚物溶液，质量体积浓度为0.15g/ml；
矿化胶原干粉和1号高聚物溶液按照2:1的质量比混合；
采用分子量为30万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物配制成浓度为0.20g/ml的2号高聚物溶液；
2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒混合比例为质量比1.5:1。
最终制得的骨修复材料的形状为圆柱体，如图5所示。
经检测，该骨修复材料的强度为25mpa，孔隙率为60％。
实施例5
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
采用分子量为30万的聚乳酸配制1号高聚物溶液，浓度为0.1g/ml；
矿化胶原干粉和1号高聚物溶液按照1:2的质量比混合；
采用分子量为20万的聚乳酸配制2号高聚物溶液，浓度为0.1g/ml；
2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒混合比例为质量比4:3。
最终制得的骨修复材料的形状为立方体，如图6所示。
经检测，该骨修复材料的强度为18mpa，孔隙率为75％。
实施例6
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
步骤4中，2号高聚物溶液与硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒的质量比为3:2。
经检测，制得的修复材料的强度为35mpa，孔隙率为52％，比实施例1的产品的强度高一些，但是孔隙率有所降低。
对比例1
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
步骤3中，通过粉碎和筛分，将硬质聚合物/矿化胶原复合材料颗粒的粒径控制在0.1mm以下(不包括0.1mm)。由于粒径太小无法起到硬颗粒的作用，在制备过程中存在混合不能完全浸润，所制材料发散溃散的情况。
对比例2
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
步骤4中，2号高聚物溶液中的有机溶剂和高分子聚合物的质量比为1:1。实验失败，高聚物不能完全溶解。
对比例3
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
步骤4中，2号高聚物溶液中的有机溶剂和高分子聚合物的质量比为15:1。
经检测，制得的对比样品5的强度为3mpa，孔隙率为82％。
对比例4
制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
步骤1、矿化胶原干粉的制备，具体包括：
s1、将胶原溶于盐酸中，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为0.05mg/ml。由于胶原浓度太低，使得矿化胶原干粉的收率低，能耗大，沉淀现象不明显，即使可以制备出材料，在实际生产中效率太低，费时费力。
综上所述，本发明提供了一种既具有一定支撑强度，又有一定孔隙率的骨修复材料及其制备方法，所述材料可以使用在需要一定承重的部位，如胫骨平台，evans跟截骨手术，cotton楔形开口截骨手术中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。