一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供了一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料，所述复合材料包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体中的含钙磷的生物陶瓷材料，其中，所述复合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第二端的竖直方向上，所述含钙磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。所述复合材料的上层结构具有和软骨接近的力学性能，下层为软骨下骨的主要成分，机械强度较高，有很好的组织衔接性，可以用于承力部位的软骨替代修复。本发明还提供了该复合材料的制备方法及应用。
【专利说明】
一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种用于软骨替代修复的生物陶瓷 凝胶复合材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 关节炎是全世界最常见的慢性疾病，主要包括骨关节炎和类风湿关节炎两种，其 中，以关节软骨退化为特征的骨性关节炎严重影响着中老年人健康和活动能力，其主要是 因为软骨细胞、细胞外基质及软骨下骨组织的分解和合成代谢失衡，导致关节软骨进行性 破坏、软骨丢失，关节炎发生。
[0003] 目前，临床上修复关节软骨损伤的生物治疗方法可以减少或推迟关节的晚期退 变，改善关节软骨损伤的症状，其主要包括自体骨移植和异体骨移植、刺激关节软骨再生。 目前各种技术都存在一定的局限性，例如，微骨折作为一种刺激关节软骨再生的技术，适应 症为小的（<2cm 2)单级m、IV级软骨缺损并且不伴有软骨下骨缺损的患者，但是在术后组织 学观察中显示修复以I型胶原为主的纤维软骨组织，其生物力学强度较正常软骨组织差。自 体软骨移植的应用存在供体来源有限、取材困难和大移植块形合度不能满足等缺陷；异体 软骨移植容易引起机体的免疫排斥反应，通过加工处理可降低异体骨的排斥反应，但其自 身成骨诱导和骨生成作用已遭到一定破坏，存在新骨替代缓慢，生物力学性能较差等问题， 进而影响治疗效果。目前，目前用于修复软骨的天然生物材料主要有纤维蛋白、胶原材料、 糖胺多糖、藻酸盐等，人工合成的支架材料主要有聚乳酸、聚羟基乙酸等，天然生物支架材 料具有组织相容性好、可被人体降解且不产生炎症等优点，但其缺乏一定的机械强度，产品 质量很难控制，人工合成的支架材料虽然有良好的机械强度，但其细胞吸附性差，降解产物 酸性大，易引起炎症反应。因此，有必要提供一种能够完全符合软骨替代修复要求的材料。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种与软骨模量相近的凝胶复合材料，可以应用于承力 部位的软骨替代修复。
[0005] 第一方面，本发明提供了一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料，所述 复合材料包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体中的含钙磷的生物陶瓷材料，其中，所述复 合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第二端的竖直方向上，所述含钙 磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体是由丙烯晴、亲水 性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。
[0006] 优选地，所述复合材料的压缩模量为0.05_3MPa，含水量为60-80%。
[0007] 本申请中，所述凝胶本体是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶 剂的反应体系经交联固化形成，在凝胶本体形成的过程中，含钙磷的生物陶瓷材料沉淀在 凝胶本体的底部，形成双层结构的生物陶瓷凝胶复合材料。丙烯腈主要提供水凝胶中的刚 性性能，使形成的所述水凝胶表现出较高的机械强度。
[0008] 优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料的质量为所述反应体系质量的5-20%。所述 反应体系是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂和极性有机溶剂组成。
[0009] 优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布从0增加至5-20%。 [0010]进一步优选地，从所述第一端到第二端的竖直方向上，在距所述第一端的一定距 离开始时，所述含钙磷的生物陶瓷材料才开始在在所述凝胶本体中有分布。
[0011 ] 优选地，所述含|丐磷的生物陶瓷材料的粒径为50nm~200μηι。进一步优选为30-100 μπι。更优选为30_50μπι，再优选为40μπι。所述含钙磷的生物陶瓷材料的颗粒优选采用较大的 粒径，以确保形成所述双层结构的生物陶瓷凝胶复合材料。
[0012] 优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸钙或双相磷酸 钙，但不限于此。
[0013] 进一步优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石。
[0014] 本发明第一方面提供的所述生物陶瓷凝胶复合材料，含钙磷的生物陶瓷材料在所 述凝胶本体中的分布呈梯度增加，在几乎不分布或含钙磷的生物陶瓷材料分布较少的上 部，该复合材料具有和软骨接近的力学性能，而在含钙磷的生物陶瓷材料较多的下部，该复 合材料为软骨下骨的主要成分，具有很好的组织衔接性，应用于承力部位的软骨替代修复， 可以修复关节炎中期软骨损伤，延缓关节炎的发展，推迟关节置换的发生年龄。
[0015] 第二方面，本发明提供了一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料的制备 方法，包括以下步骤：
[0016] 取丙烯晴、亲水性单体和交联剂，将其溶解在极性有机溶剂中，加入含钙磷的生物 陶瓷材料，搅拌均匀后，加入引发剂，混合后，得到预聚液，将所述预聚液注入透明的密闭模 具中，将所述模具在紫外固化箱中照射20-60min，进行聚合反应，得到本发明第一方面所述 的生物陶瓷凝胶复合材料，所述复合材料包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体中的含钙磷 的生物陶瓷材料，其中，所述复合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第 二端的竖直方向上，所述含钙磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所 述凝胶本体是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固 化形成。
[0017] 优选地，所述方法还包括以下纯化步骤:在上述得到的生物陶瓷凝胶复合材料，采 用去离子水冲洗数次，并浸泡7天，每12小时更换一次去离子水;浸泡后烘干，得到纯化后的 生物陶瓷凝胶复合材料。
[0018] 进一步优选地，所述亲水性单体包括甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)、乙烯吡啶 或乙酸乙烯酯。更优选为MPC，增加凝胶的保水性和生物相容性。
[0019] 进一步优选地，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。
[0020] 进一步优选地，所述引发剂为紫外光引发剂。更优选为UV固化光引发剂1-[4-(2_ 羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2'，2'_二甲基乙酮（Irgacure2959)。
[0021] 进一步优选地，所述极性有机溶剂包括二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或四氢呋喃。
[0022] 优选地，所述丙烯腈与所述亲水性单体的质量比为(6-9) :1。
[0023]优选地，所述交联剂的质量与丙烯腈和亲水性单体的质量之和的比为（1:-3)-(3: 1)。进一步优选为〇. 5:1。
[0024] 进一步优选地，所述交联剂的质量与丙烯腈和甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的质量 和的比为（I :-3)-(3:1)。进一步优选为0.5: Io
[0025] 优选地，所述引发剂的质量为所述丙烯腈、亲水性单体与交联剂的质量和的2- 3%〇
[0026] 优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料的质量为所述反应体系的质量之和的5-20%，其中反应体系是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂、极性有机溶剂和含钙磷的生 物陶瓷材料。
[0027]优选地，所述含钙磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布从0增加至5-20%。 [0028]进一步优选地，从所述第一端到第二端的竖直方向上，在距所述第一端的一定距 离开始时，所述含钙磷的生物陶瓷材料才开始在在所述凝胶本体中有分布。
[0029] 本发明第二方面提供的所述生物陶瓷凝胶复合材料的制备方法中，本发明通过光 固化的高强度水凝胶，负载含钙磷的生物陶瓷材料的颗粒，构建了凝胶复合材料。所述凝胶 复合材料，上层的第一凝胶层具有和软骨接近的力学性能，底层的羟基磷灰石为软骨下骨 的主要成分，具有很好的组织衔接性，机械强度较高，可以应用于承力部位的软骨替代修 复，修复关节炎中期软骨损伤，延缓关节炎的发展，推迟关节置换的发生年。所述方法的操 作简单，实用性强。
[0030] 第三方面，本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的生物陶瓷凝胶复合材料 的应用。主要膝关节、髋关节、踝关节和肘关节等部位的软骨缺损替代修复。
[0031] 以实验动物羊的膝关节软骨替代修复为例，生物陶瓷凝胶复合材料的大小可根据 软骨损伤范围在5mm-15mm内进行选择，复合材料的整体厚度为I Omm，未分布有含|丐磷的生 物陶瓷材料的凝胶层的厚度为8mm，含钙磷的生物陶瓷微球占构成凝胶本体的反应体系质 量和的10%，含钙磷的生物陶瓷材料从开始在凝胶本体中有分布到占构成所述凝胶本体的 反应体系质量之和的10%为止，这一部分中凝胶层的厚度为2_。
[0032] 本发明实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而 易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明中生物陶瓷凝胶复合材料的结构示意图，其中1为第一凝胶层，2为第 二凝胶层，22为第二凝胶层中的含钙磷的生物陶瓷材料；
[0034] 图2是本发明实施例1提供的复合凝胶与对比实施例的凝胶的SEM对比图，图中标 尺是35μπι;
[0035] 图3是本发明实施例1提供的生物陶瓷凝胶复合材料与对比实施例的凝胶的生物 相容性的测试结果图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0037]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0038]若无特别说明，本发明实施例所采用的试剂皆为市售商品。
[0039] 实施例1
[0040] 本发明实施例提供了一种生物陶瓷凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0041] 将丙烯晴（ISOmg)，甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(20mg)，交联剂聚乙二醇双丙烯酸 酯（IOOmg，600)和羟基磷灰石颗粒(50mg，粒径为40μηι)，加入到反应试剂管中，用700μ1的二 甲基亚砜(DMSO)来溶解以上反应试剂，加入紫外光引发剂Irgacure2959(6mg)。将反应体系 注入透明、密闭的模具中，将模具在紫外固化箱中照射20min，进行聚合反应，得到复合凝胶 粗品；
[0042] 之后打开模具、取出凝胶，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每12小时换一次 去离子水，得到生物陶瓷凝胶复合材料。
[0043] 本实施例制得的生物陶瓷凝胶复合材料的结构示意图如图1所示，所述复合材料 1 〇〇包括凝胶本体1和分布在所述凝胶本体1中的含钙磷的生物陶瓷材料2 (本实施例中为羟 基磷灰石），其中，所述复合材料100包括相对设置的第一端101和第二端102,从所述第一端 101到第二端102的竖直方向上，所述含钙磷的生物陶瓷材料2在所述凝胶本体中的分布呈 梯度增加，所述凝胶本体1是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应 体系经交联固化形成；其中，羟基磷灰石21的质量占构成凝胶本体1的反应体系质量和的 5%。而且是从所述第一端101到第二端102的竖直方向上，在距所述第一端101的一定距离 开始时，所述含钙磷的生物陶瓷材料2才开始在在所述凝胶本体中有分布，直至达到构成凝 胶本体1的反应体系质量和的5%。
[0044] 为突出本发明的技术效果，本发明还提供了同等条件下不添加羟基磷灰石颗粒所 制备的对比凝胶。将实施例1的产品简写为HA凝胶，将对比例的凝胶简写为凝胶。
[0045] 将实施1制得的生物陶瓷凝胶复合材料进行纵向裁切后，用SEM观测其层面结构， 可见所述复合材料中，羟基磷灰石在下层形成羟基磷灰石层，构成类似软骨下骨的结构，见 附图2中B。
[0046] 采用组织打孔器从上述生物陶瓷凝胶复合材料获取圆柱体（Φ6πιπι，厚IOmm的复合 凝胶材料。在力学测试机(Shimadzu AG-I)进行压缩力学性能测试。
[0047]经测试，所述对比凝胶的压缩模量为0.09 ± 0.02MPa，本发明实施例1加入羟基磷 灰石后的生物陶瓷凝胶复合材料的压缩模量为1.42±0.02MPa。将上述两种凝胶材料称重 后进行充分干燥，检测其含水率，对比例的含水量为83.52 %，实施例1的含水量为78.68%。 以上对比说明，加入的羟基磷灰石成分能够提供复合材料的力学性能，而含水量几乎保持 不变。
[0048]生物相容性的测试：
[0049]将凝胶和凝胶羟基磷灰石复合材料消毒后浸在细胞培养液中（0.2g/mL)，浸泡 24h。L929细胞（I X IO4/孔)接种于96孔培养板，过夜培养至细胞贴壁，用I3BS洗涤后，每孔加 入IOOyL凝胶浸提液，不含材料的培养基作为对照，培养24小时后，用PBS洗涤，加入新鲜培 养基IOOyL和IOyL MTT(5mg/mL)溶液，继续培养4h后，去除培养基，加入IOOyL/孔的DMSO，震 荡10分钟后，用酶标仪上测570nm和690nm的吸光值，按以下公式计算细胞存活率。
[0050]
[0051] 结果如图3所示。从图3可知，实施例1的HA凝胶和对比例的凝胶的其细胞存活率分 别为96%和119%，表明具有良好的生物相容性。
[0052] 实施例2:
[0053] 一种生物陶瓷凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0054]将丙烯晴（ISOmg)，甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(20mg)，交联剂聚乙二醇双丙烯酸 酯（IOOmg，600)和羟基磷灰石颗粒（IOOmg，粒径为50μηι)，加入到反应试剂管中，用700μ1的 二甲基亚砜(DMSO)来溶解以上反应试剂，加入紫外光引发剂Irgacure2959(6mg)。将反应体 系注入透明、密闭的模具中，将模具在紫外固化箱中照射20min，进行聚合反应，得到复合凝 胶粗品；
[0055] 之后打开模具、取出合凝胶粗品，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每12小时 换一次去离子水，得到生物陶瓷凝胶复合材料。
[0056] 本实施例制得的生物陶瓷凝胶复合材料，包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体中 的羟基磷灰石，其中，所述复合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第二 端的竖直方向上，所述羟基磷灰石在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体是 由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。
[0057] 实施例3:
[0058] 一种生物陶瓷凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0059]将丙烯晴（ISOmg)，甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(20mg)，交联剂聚乙二醇双丙烯酸 酯（10011^，600)和羟基磷灰石颗粒(20011^，粒径为3(^111)，加入到反应试剂管中，用70(^1的 二甲基亚砜(DMSO)来溶解以上反应试剂，加入紫外光引发剂Irgacure2959(6mg)。将反应体 系注入透明、密闭的模具中，将模具在紫外固化箱中照射20min，进行聚合反应，得到复合凝 胶粗品；
[0060] 之后打开模具、取出合凝胶粗品，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每12小时 换一次去离子水，得到生物陶瓷凝胶复合材料。
[0061] 本实施例3制得的生物陶瓷凝胶复合材料，包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体 中的羟基磷灰石，其中，所述复合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第 二端的竖直方向上，所述羟基磷灰石在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体 是由丙烯晴、亲水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。
[0062] 本发明以上实施例中提供的生物陶瓷凝胶复合材料，含钙磷的生物陶瓷材料在所 述凝胶本体中的分布呈梯度增加，在几乎不分布或含钙磷的生物陶瓷材料分布较少的上 部，该复合材料具有和软骨接近的力学性能，而在含钙磷的生物陶瓷材料较多的下部，该复 合材料为软骨下骨的主要成分，具有很好的组织衔接性，应用于承力部位的软骨替代修复， 可以修复关节炎中期软骨损伤，延缓关节炎的发展，推迟关节置换的发生年龄。
[0063] 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对 本发明做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，所述复合材料包括 凝胶本体和分布在所述凝胶本体中的含钙磷的生物陶瓷材料，其中，所述复合材料包括相 对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第二端的竖直方向上，所述含钙磷的生物陶瓷 材料在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体是由丙烯晴、亲水性单体、交联 剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。2. 如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，所述复合材料的压缩模量 0 · 2~3MPa，含水量为60-80 %。3. 如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，所述含钙磷的生物陶瓷材 料的质量为所述反应体系质量的5-20%。4. 如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，所述含钙磷的生物陶瓷材 料在所述凝胶本体中的分布从〇增加至5-20%。5. 如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，优选地，所述含钙磷的生 物陶瓷材料的粒径为50nm~200μπι。6. 如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料，其特征在于，所述含钙磷的生物陶瓷材 料为羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸钙或双相磷酸钙。7. -种用于软骨替代修复的生物陶瓷凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤： 取丙烯晴、亲水性单体和交联剂，将其溶解在极性有机溶剂中，加入含钙磷的生物陶瓷 材料，搅拌均匀后，加入引发剂，混合后得到预聚液，将所述预聚液注入透明的密闭模具中， 将所述模具在紫外固化箱中照射20-60min，进行聚合反应，得到生物陶瓷凝胶复合材料，所 述复合材料包括凝胶本体和分布在所述凝胶本体中的含钙磷的生物陶瓷材料，其中，所述 复合材料包括相对设置的第一端和第二端，从所述第一端到第二端的竖直方向上，所述含 钙磷的生物陶瓷材料在所述凝胶本体中的分布呈梯度增加，所述凝胶本体是由丙烯晴、亲 水性单体、交联剂、引发剂的极性有机溶剂的反应体系经交联固化形成。8. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性单体包括甲基丙烯酰氧乙基 磷酸胆碱、乙烯吡啶或乙酸乙烯酯;所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯;所述引发剂包括1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2 '，2 ' -二甲基乙酮。9. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述含钙磷的生物陶瓷材料为所述反应 体系质量的5-20 %。10. -种如权利要求1所述的生物陶瓷凝胶复合材料在软骨替代修复中的应用。
【文档编号】A61L27/52GK106075588SQ201610512519
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】赵晓丽, 吕维加
【申请人】深圳先进技术研究院