一种甘蔗衍生的各向异性的硼酸盐生物玻璃支架的制备方法与流程

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种具有各向异性的硼酸盐生物玻璃支架的制备方法。

背景技术：

骨骼是一种高度动态的结缔组织，由成骨细胞和蛋白质等组成的生物有机相以及由生物磷灰石组成的无机相构成，具有显著的各向异性。骨缺损的再生是临床主要的挑战，骨缺损严重导致患者的残疾和功能的丧失。自体和同种异体骨移植是临床治疗的金标准，虽然这些生物移植物表现出来的愈合率高，但是约有20-30％的患者接受自体移植治疗后会经历慢性疼痛和供体部位的发病感染，同时大于30％的同种异体移植手术伴随着骨折、不愈合、免疫排斥和感染的并发症。供应有限和生物活性不足，以及发病和感染风险的限制，多种并发症的爆发，种种情况表明了开发新的骨修复替代疗法的必要性和重要性。骨骼再生和修复需要具有与人骨骼类似的生物学复合材料。目前的研究已经证明具有三维构造的多孔生物活性支架在骨愈合过程中至关重要。硼酸盐生物玻璃支架具有良好的生物相容性，骨诱导性和生物降解性，在骨组织工程中发挥着重要作用。

植入材料的最终目标是制备尽可能匹配修复区域的支架。对于骨骼修复，“支架匹配”实际上包括两个方面，植入支架不仅需要“匹配”天然骨骼的元素成分，而且需要“匹配”天然骨骼的内部纹理结构，以便实现对受损部分的快速和准确的修复。随着数百万年的自然进化，生物体为了生存自发地实现了多功能化，并且在形态上拥有复杂的结构，纹理或图案，甘蔗具备有序的3d原纤维网络，在微观结构上具有显著的各向异性。因此制备一种匹配骨骼各向异性的可植入硼酸盐生物玻璃支架具有重要意义。现有的公开技术尚未有利用甘蔗的内部结构制备可植入生物玻璃支架的报道。

技术实现要素：

针对背景技术中所提出的问题，本发明提出一种匹配骨骼的甘蔗衍生的各向异性硼酸盐生物玻璃支架的制备技术。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种甘蔗衍生的各向异性的硼酸盐生物玻璃支架的制备方法，由以下步骤组成：

将天然原料甘蔗去皮后切成块状，置于不锈钢高压反应釜中进行水热碳化，恒温烘箱设置为180℃，12小时,得到黑色物。取出黑色物后，将其浸泡在60℃无水乙醇中进行除杂，每隔6h换液，48小时后取出。接着，将黑色物置于60℃去离子水中浸泡，每隔6h换液，48小时后取出。将除杂后的黑色物放在-80℃冰箱中预冻12至48小时。预冻完成后将其放在冷冻干燥机中，冷冻干燥进行12小时，干燥完成后，便得到甘蔗生物炭，如图1(a)所示。

将4毫升的无水乙醇和2毫升0.5m的硝酸混合均匀，加入10g四水合硝酸钙，在超声波超声30min,烧杯中呈现透明澄清溶液；接着，将13毫升的正硅酸乙酯和765微升的磷酸三乙酯加入烧杯中，搅拌2h；再加入3.13毫升的硼酸三丁酯，搅拌2h,此时烧杯中依然是透明澄清溶液，将得到的块状甘蔗生物炭浸没在上面制备的澄清溶液中，连续反复抽真空，在真空状态下，陈化24h后，溶液变成透明果冻状；此时的甘蔗生物炭里面负载了果冻状硼酸盐玻璃，用刀片切割掉附着在外表面的突出的果冻部分。然后将负载果冻状硼酸盐玻璃的甘蔗生物炭放在80℃干燥箱中静置24h，然后，将其放置在管式炉中以10℃/min的升温速率到600℃时保温2h，于900℃煅烧6h，冷却到室温将其后取出，便得到了甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架。接下来，对甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架进行固化，增强其抗压强度。

固化步骤为：准确称取5g(nh4)2hpo4和1gnh4h2po4，溶于100ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌至无色透明。调节溶液的ph值至7.4，制成固化液。然后将硼酸盐生物玻璃支架以0.75μl固化溶液对1mm³生物玻璃支架的比率进行固化，固化后得到的甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架如图1(b)所示。

图2(a-b)分别是动物疏质骨的横截面和纵截面的扫描电镜图，横截面显示出蜂窝状孔洞结构，纵截面呈现出平行条纹通道结构，证明天然骨骼具有明显的各向异性。

图3(a-b)分别是甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架的横截面和纵截面的扫描电镜图。支架的横截面的特征与疏质骨横截面的形态一致，也呈现出蜂窝状孔洞结构；支架的纵截面的特征与疏质骨纵截面的形貌一致，也呈现出平行条纹通道结构。这说明甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架的内部结构在横向和纵向两个维度上，与疏质骨内部的结构高度匹配。

所制备的甘蔗衍生的各向异性的硼酸盐生物玻璃支架：不仅匹配天然骨含有的主要元素类型(碳、氮、氧、硅、磷、钙)，而且呈现了天然骨骼内部横纵向各异的三维精细结构。

为了研究甘蔗衍生的各向异性硼酸盐生物玻璃支架对骨修复效果的影响，我们将新西兰雄性大白兔分成两组，一组在尺骨上造骨缺损模型，但不植入支架，作为对照组；另一组在尺骨上造相同的骨缺损，并且植入生物玻璃支架，作为实验组。如图4(b)所示，我们将内部取向与尺骨长轴方向平行的生物玻璃支架移植到兔尺骨的骨缺损处，手术中通过肌肉缝合来固定支架。

术后4周，通过拍摄x光观察植入体及其周边组织情况，如图5所示。在图5(a)中，对照组的x光影像显示尺骨缺损部位的髓腔和皮质骨还未接通，留下了明显的骨缺损遗迹。在图5(b)中，实验组的x光影像显示尺骨缺损部位的髓腔和皮质骨已经接通，外表面连线流畅。

本发明的有益效果

(1)首次实现了甘蔗衍生的各向异性硼酸盐玻璃支架的多级仿生结构的简便制备。

(2)甘蔗衍生的各向异性硼酸盐生物玻璃支架不仅可以物理支撑受损组织，在更深层次上，可以调节组织再生的各种活动，从而实现骨缺损的快速而精准的修复。

附图说明

图1(a)块状甘蔗生物炭的光学照片；(b)甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架的光学照片。

图2(a)动物疏质骨的横截面的扫描电镜图；(b)动物疏质骨的纵截面的扫描电镜图。

图3(a)甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架的横截面的扫描电镜图；(b)甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架的纵截面的扫描电镜图。

图4(a)兔尺骨的骨缺损的径向长度为7mm，横截面为3×3mm²；(b)移植的生物玻璃支架的径向长度为7mm，横截面为3×3mm²。

图5(a)对照组兔子术后4周的x射线数字图像；(b)实验组兔子术后4周的x射线数字图像。

具体实施方式

实施例1

将天然原料甘蔗去皮后切成块状，置于不锈钢高压反应釜中进行水热碳化，恒温烘箱设置为180℃，12小时,得到黑色物。取出黑色物后，将其浸泡在60℃无水乙醇中进行除杂，每隔6h换液，48小时后取出。接着，将黑色物置于60℃去离子水中浸泡，每隔6h换液，48小时后取出。将除杂后的黑色物放在-80℃冰箱中预冻12至48小时。预冻完成后将其放在冷冻干燥机中，冷冻干燥进行12小时，干燥完成后，便得到甘蔗生物炭，如图1(a)所示。

将4毫升的无水乙醇和2毫升0.5m的硝酸混合均匀，加入10g四水合硝酸钙，在超声波超声30min,烧杯中呈现透明澄清溶液；接着，将13毫升的正硅酸乙酯和765微升的磷酸三乙酯加入烧杯中，搅拌2h；再加入3.13毫升的硼酸三丁酯，搅拌2h,此时烧杯中依然是透明澄清溶液，将将得到的块状甘蔗生物炭浸没在上面制备的澄清溶液中，连续反复抽真空，在真空状态下，陈化24h后，溶液变成透明果冻状；此时的甘蔗生物炭里面负载了果冻状硼酸盐玻璃，用刀片切割掉附着在外表面的突出的果冻部分。然后将负载果冻状硼酸盐玻璃的甘蔗生物炭放在80℃干燥箱中静置24h，然后，将其放置在管式炉中以10℃/min的升温速率到600℃时保温2h，于900℃煅烧6h，冷却到室温将其后取出，便得到了甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架。接下来，对甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架进行固化，增强其抗压强度。

准确称取5g(nh4)2hpo4和1gnh4h2po4，溶于100ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌至无色透明。调节溶液的ph值至7.4，制成固化液。然后将硼酸盐生物玻璃支架以0.75μl固化溶液对1mm³生物玻璃支架的比率进行固化。固化后得到的甘蔗衍生的硼酸盐生物玻璃支架如图1(b)所示。

使用12只雄性新西兰白兔进行动物实验，体重1.5-2千克，一只兔子配备一只笼子，饲养管理条件相同。实验之前兔子适应环境2周，手术前一天晚上，兔子禁食，将灭菌的手术器械、医用碘伏、医用双氧水、小瓶装生理盐水、无菌纱布块等备用品准备妥当。手术造成动物尺骨径向长度为7mm，横截面积3×3mm²的骨缺损。对照组只造骨缺损模型，不植入生物玻璃支架；实验组造相同的骨缺损，并且植入支架，如图4所示。术后4周，通过拍摄x光观察植入体及其周边组织情况，如图5所示。

从上述图例中可以看出：具有良好的生物相容性，骨诱导性和生物降解性，可以对骨缺损进行快速而精准的修复。