一种三维仿生骨修复材料及其制备方法与流程

本发明涉及医疗领域，具体涉及一种三维仿生骨修复材料及其制备方法。

背景技术：

骨类肿瘤、创伤、感染以及各种先天性疾病常常引起骨缺损。目前对于骨缺损的治疗方法主要包括自体移植术、异体移植术和人工植入物。自体移植术存在额外增加手术创伤和手术时间，取骨区常出现感染、疼痛等并发症等缺点。异体移植术可能引起血源性疾病的传播及引起免疫反应干扰骨愈合等缺点。人工植入物具有良好的生物相容性、生物可吸收性、骨传导性、骨诱导性、易于操作使用等特点，和前两种方式相比，越来越显示出其优势。

细胞缺乏向有利于形成三维组织的方向生长，通过设计人工植入物的三维仿生结构可促进骨组织的修复。中国专利cn103285424a公开了一种三维纤维基气凝胶组织工程支架及其制备方法，该方法制备的纤维基气凝胶其结构为各向同性的多孔结构，不具有模拟骨组织定向层状结构的特点，该方法中所用的纤维为聚合物纤维、无机物纤维或其共混纤维，机械性能存在一定的缺陷。中国专利cn102470195a公开了一种生物玻璃纤维的多孔结构，在其制备过程中需要高温煅烧，过程繁琐。上述专利公开的方法难以实现三维仿生纤维骨修复材料的简易制备。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种三维仿生骨修复材料及其制备方法，以有效模拟骨组织的有序结构和机械性能，有利于骨组织的修复，同时制备工艺简单。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种三维仿生骨修复材料，包含多个平行定向纤维层构成的多孔结构，所述定向纤维层由生物活性玻璃纤维相互贯穿形成的网状平面构成，所述生物活性玻璃纤维的交错点通过多巴胺粘结互连。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，所述生物活性玻璃纤维部分或全部经聚乳酸包覆。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，所述生物活性玻璃纤维中1/3～2/3经聚乳酸包覆。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，以质量百分比计，所述三维仿生骨修复材料包含聚乳酸0-49％，生物活性玻璃纤维50-99％，优选为包含聚乳酸6-20％，生物活性玻璃纤维79-93％。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，所述经聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维的包覆层厚度为5～100μm。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，所述聚乳酸选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、外消旋聚乳酸中一种或多种的共混物或共聚物，或选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、外消旋聚乳酸中的一种或多种与其他可吸收聚合物形成的共混物或共聚物，所述其他可吸收聚合物优选为聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基烷酸酯、聚乙交酯、聚三亚甲基碳酸酯中的一种或多种。

根据本发明三维仿生骨修复材料的一个实施方式，所述生物活性玻璃纤维的平均直径为2～10μm，生物活性玻璃纤维的平均长径比为100～1000。

本发明还提供一种制备上述的三维仿生骨修复材料的方法，包含如下步骤：

s1：将生物活性玻璃纤维均匀分散在多巴胺溶液中，形成悬浊液；

s2：将所述悬浊液注入到双向冷冻装置中冷冻，使悬浊液形成凝固体；

s3：脱除所述凝固体中凝固的溶剂，得到所述三维仿生骨修复材料。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，在所述步骤s1之前还包含如下步骤：

s1'：将生物活性玻璃纤维均匀分散在聚乳酸溶液中后，干燥除去溶剂，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维；

将所得聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维和/或未被包覆的生物活性玻璃纤维加入到多巴胺溶液中。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，所述步骤s1'中聚乳酸与生物活性玻璃纤维的质量比为(1:4)～(1:1)。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，所述聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维与未被包覆的生物活性玻璃纤维的质量比为(0～2)：(2～0)，优选为(1～2)：(2～1)。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，所述多巴胺溶液的浓度为2mg/ml-10mg/ml。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，所述步骤s1'中的溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、n-甲基吡咯烷酮或1,4-二氧六环的一种或多种的组合。

根据本发明制备三维仿生骨修复材料的方法的一个实施方式，所述步骤s3中脱除所述凝固体中凝固的溶剂的方法为冷冻干燥。

根据上述技术方案的描述可知，本发明是通过采用生物活性玻璃纤维构造的多个平行定向纤维层构成的多孔结构，从而模拟骨组织的有序结构。其中，这种有序的定向层状多孔结构是通过双向冷冻装置实现的。本发明的双向冷冻装置通过在容器底部设有一个具有一定斜度的聚二甲基硅氧烷楔形块，使得在楔形块构造的斜面上同时产生横向和纵向的温度梯度，从而使悬浮液沿着楔形斜面的底部到顶部以梯度方式双向结冰，形成多个平行定向纤维层构成的多孔结构。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的三维仿生骨修复材料，具有多个平行定向纤维层构成的多孔结构，每个定向纤维层是由生物活性玻璃纤维相互贯穿形成的网状平面，纤维交错点通过多巴胺实现有效的粘结互连。这种结构可以有效模拟骨组织的有序结构，由于每个定向纤维层是由生物活性玻璃纤维搭接构成，存在很多孔，加强了层与层之间的连通。内部三维连通有利于营养物质的输入和代谢物的排出，也有利于血管和神经的长入，有利于骨组织的修复。

生物活性玻璃纤维植入体内后表面会形成生物活性的碳酸羟基磷灰石(hca)层，与骨组织形成紧密的结合，在材料/组织界面上诱导生物或化学反应，使材料与组织之间形成较强的化学键合，达到组织修复的目的。此外，通过在生物活性玻璃纤维上复合聚乳酸有机材料，形成有机无机复合纤维，即聚乳酸复合三维仿生骨修复材料，可以增加生物活性玻璃纤维的韧性，使其构成的三维层状结构的韧性进一步增加，从而满足不同受损部位的要求。

本发明的制备工艺简单，生物活性玻璃纤维与多巴胺溶液混合得到的悬浊液，直接通过双向冷冻法得到定向层状结构，无需后续交联过程，操作简单、方便。此外，还可以根据需要控制生物活性玻璃纤维的浓度来调整层间距、孔隙率等，使所制备的骨修复材料形状、尺寸可控。

附图说明

图1为根据本发明一实施方式的双向冷冻装置结构示意图；

图2为实施例5制备的聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的sem图；

图3为实施例5制备的聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的放大倍数的sem图；

图4为实施例6制备的聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的sem图；

图5为实施例7制备的聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的sem图。

其中，附图标记说明如下：

1：冷源

2：铜板

3：盛装悬浮液的容器

4：楔形块

i：第一平面

ii：第二平面

θ：第一平面与第二平面的夹角

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域普通技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明所公开的构思下赋予不同的修饰与变更。此外，本文所有范围和值都包含及可合并地落在本文中所述的范围内的任何数值或点，例如任何整数都可以作为最小值或最大值以导出下位范围等。

本发明一实施方式的三维仿生骨修复材料，该三维仿生骨修复材料包含多个平行定向纤维层构成的多孔结构，定向纤维层由生物活性玻璃纤维相互贯穿形成的网状平面构成，生物活性玻璃纤维的交错点通过多巴胺粘结互连。其中，所述“生物活性玻璃纤维”是一种无机物纤维，植入体内后能够使材料与骨组织之间形成较强的化学键合，达到组织修复的目的。优选地，该生物活性玻璃纤维的平均直径为2～10μm，生物活性玻璃纤维的平均长径比为100～1000。

于本发明一实施方式中，该生物活性玻璃纤维还可以包含被聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维，即所述“生物活性玻璃纤维”包含“聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维”和/或“未被包覆的生物活性玻璃纤维”。聚乳酸是一种良好的生物可降解材料，优选地，本发明所述的“聚乳酸”可以选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、外消旋聚乳酸中一种或多种的共混物或共聚物，还可以选自上述聚合物(即：左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、外消旋聚乳酸中的一种或多种)与聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基烷酸酯、聚乙交酯、聚三亚甲基碳酸酯等可吸收聚合物中的一种或多种所形成的共混物或共聚物。通过在生物活性玻璃纤维中加入聚乳酸改性，可以增强生物活性玻璃纤维的韧性，提高三维仿生骨修复材料的机械性能。

本发明一实施方式的三维仿生骨修复材料的制备方法，包含如下步骤：

s1：将生物活性玻璃纤维均匀分散在多巴胺溶液中，形成悬浊液；

s2：将所述悬浊液注入到双向冷冻装置中冷冻，使悬浊液形成凝固体；

s3：脱除所述凝固体中凝固的溶剂，得到所述三维仿生骨修复材料。

进一步地，为了制备含有聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维的骨修复材料，在步骤s1之前还包含如下步骤：

s1'：将生物活性玻璃纤维均匀分散在聚乳酸溶液中后，干燥除去溶剂，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维；

将所得聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维和/或未被包覆的生物活性玻璃纤维加入到多巴胺溶液中。

于本发明一实施方式中，所述的“双向冷冻装置”如图1所示，该装置从下到上依次包括冷源1、铜板2和盛装悬浮液的容器3。其中，冷源1由盛有液氮的绝热泡沫盒构成，铜板2用于冷却置于铜板2上的容器3，容器3为四块聚四氟乙烯板构成的方形容器，在该容器3底部设有聚二甲基硅氧烷楔形块4，该楔形块4具有第一平面i和第二平面ii，其中第一平面i和第二平面ii的夹角θ优选为1°到40°。优选地，双向冷冻装置的冷却速度为1℃/min～20℃/min。

本发明的双向冷冻装置制备定向层状多孔结构的原理如下：通过在容器底部设有一个具有一定斜度的聚二甲基硅氧烷楔形块，使得在楔形块构造的斜面上同时产生横向和纵向的温度梯度，从而使悬浮液沿着楔形斜面的底部到顶部以梯度方式双向结冰，形成多个平行定向纤维层构成的多孔结构。

下面通过具体实施例说明：

实施例1三维仿生骨修复材料的制备

将1.5g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得三维仿生骨修复材料1.52g。该三维仿生骨修复材料的体密度为16mg/cm³，层间距20μm，孔隙率90％。

实施例2聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将1.5g的上述纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得三维仿生骨修复材料1.52g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为16mg/cm³，层间距20μm，孔隙率90％。其压缩断裂应变较实施例1所得的三维仿生骨修复材料增加100％。

实施例3聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将1g的上述纤维和0.5g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料1.52g。所述聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为16mg/cm³，层间距20μm，孔隙率90％。压缩断裂应变较实施例1增加70％。

实施例4聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将0.75g的上述纤维和0.75g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料1.52g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为16mg/cm³，层间距20μm，孔隙率89％。压缩断裂应变较实施例1增加50％。

实施例5聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将0.5g的上述纤维和1g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料1.52g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为16mg/cm³，层间距20μm，孔隙率88％。压缩断裂应变较实施例1增加30％。其层状结构见图2所示的扫描电子显微镜(sem)成像图。图3为进一步放大倍数的sem图。

实施例6聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将2g的上述纤维和1g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料3.03g。所述聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为33mg/cm³，层间距10μm，孔隙率88％。其层状结构见图4所示的sem图。

实施例7聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将1g的聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶解到200ml三氯甲烷溶液中，再加入4g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将3g的上述纤维和1.5g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为5mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料4.54g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为46mg/cm³，层间距7μm，孔隙率87％。其层状结构见图5所示的sem图。

实施例8聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将0.5g的聚乳酸与0.5g聚己内酯溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将1g的上述纤维和0.5g的生物活性玻璃纤维加入到100ml浓度为2mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料1.51g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为17mg/cm³，层间距20μm，孔隙率88％。

实施例9聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的制备

先将2g的聚乳酸溶解到100ml三氯甲烷溶液中，再加入2g生物活性玻璃纤维，在100转/min的条件，搅拌1h后过滤，并在60℃的烘箱中干燥10h，得到聚乳酸包覆的生物活性玻璃纤维。将3g的上述纤维加入到100ml浓度为10mg/ml的多巴胺的溶液中，用均质机均匀分散15分钟，将所得的分散液300转/min的条件下搅拌24h，将所得的均匀分散液注入到双向冷冻装置中，并在双向冷冻装置中冷冻，15分钟取出，将得到的冷冻样品放到冷冻干燥机中，-50℃，真空度小于20pa的条件下干燥24h，再水洗除去未反应的多巴胺和杂质，冷冻干燥即得聚乳酸复合三维仿生骨修复材料3.05g。该聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的体密度为33mg/cm³，层间距10μm，孔隙率89％。

在上述实施例中，所述聚乳酸复合三维仿生骨修复材料的“复合”，既是指生物活性玻璃纤维是复合的，被聚乳酸改性过；也指体系是复合的：包括包覆聚乳酸的生物活性玻璃纤维与未包覆的生物活性玻璃纤维的复合。

应当理解的是，本发明所述的“多个平行定向纤维层构成的多孔结构”、“定向层状多孔结构”、“层状结构”等均是为了便于描述和表达本发明所制备三维仿生骨修复材料的微观结构，其含义不对该三维仿生骨修复材料的具体微观结构限定，任何在本领域中通过本发明的方法制备的相同或类似结构均落在本发明所要保护的范围中。

上述实施例仅为例示性说明，而非用于限制本发明。任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的构思及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围是由本发明所附的权利要求书所定义，只要不影响本发明的效果及实施目的，应涵盖于此公开技术内容中。