一种用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料以及其制备方法

1.本发明属于骨修复材料领域，特别涉及一种用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料以及其制备方式。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.治疗临界尺寸的骨缺损在医学领域仍然是一个挑战，特别是在需要特定力学和生物学特性的负重骨缺损中。骨缺损可由多种因素引起，如创伤、肿瘤、感染、骨质疏松等。这些缺陷不仅会导致疼痛和功能障碍，还会导致骨折、畸形、感染和关节炎等并发症。传统的手术修复方法包括自体或异体骨移植来填补缺损，但存在术后恢复时间长、供体匹配困难、病原体传播风险等问题。目前临床上使用的金属种植体也存在生物相容性差、种植体松动、感染等缺点。因此，理想的承重骨骨缺损修复支架，应具有良好的机械支撑能力、生物相容性、降解性和生物诱导与优化性。
4.天然骨由有机基质和无机相组成。填充物可以模拟天然骨的组成，并作为临时支架来引导骨再生。高分子材料由于其结构和力学与天然胶原蛋白相似，可用于模拟骨胶原蛋白。无机相则可以通过类骨磷灰石模拟。然而，仅仅模拟骨组织的有机和无机成分以及是不够的，因为骨组织除了提供支撑和保护外，还具有骨分泌功能。自然骨量的稳态是通过骨分泌来实现的，骨分泌平衡骨的形成和吸收。因此，在移植物材料中模拟骨分泌可能促进成骨。直接添加生长因子和蛋白质来修饰原料与负重骨修复的力学要求相协调是具有挑战性的。因此，复合加工的应用潜力在于利用人体内自然存在的稳定、安全的金属元素。不同的金属离子可根据具体情况治疗骨缺损。镁可以促进骨细胞的增殖和分化，增加骨细胞的生成和骨基质的沉积。它还调节骨骼系统中矿物质的吸收和释放，维持骨骼稳态。此外，镁在促进血管形成方面的作用超过了其他离子。
5.承重骨的松质骨区域的超临界缺损不能自愈，是临床的难题。其难点在于：1.负重骨需要承担身体重量，对修复材料的机械性能有要求；2.负重骨的松质骨的多孔结构复杂；3.由于负重骨的松质骨区域承担血管和血液的相关功能，所以其修复不仅涉及成骨还应涉及成血管；4.修复材料应具有合理的降解性和生物相容性。由与存在以上技术难点，故临床和市场上尚无专门针对承重骨的松质骨区域的复合材料产品。
6.专利cn215308753u公开了一种用镁羟基磷灰石聚乳酸复合材料制作的支架，但未给关于实物制备、力学检测，生物验证相关内容。其中，对材料性质和加工的描述都存在基础性的错误，比如“纯聚乳酸(plga)材料强度差，加入羟基磷灰石(ha)可以改善其力学强度”的论述，真实情况是：羟基磷灰石的加入，破坏了plga的结构稳定，降低复合材料的力学强度，且羟基磷灰石含量越多，力学性能越差。
7.专利cn102504508a公开了一种镁-羟基磷灰石_聚乳酸复合成型材料的制备方法，加工方式为溶解、干燥后注塑，方法复杂，存在溶剂残留和毒性残留的问题。
8.因此，急需一种制备具有较优的承担负重、成骨和成血管的能力及可加工性的mg/n-ha/plla复合材料的方法，以满足fdm 3d打印及承重骨的松质骨区域缺损修复的要求。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提供一种用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料以及其制备方法。本发明将耐热抗压无水镁化合物与类骨磷灰石均匀地与高分子材料复合，通过平衡有机-无机比例，将实现仿生方法来调整机械性能以支持负重骨骼。镁的持续、低剂量、顺序释放会模拟骨分泌，协同促进损伤部位骨和血管的再生，并促进降解。然后通过3d打印技术，制造具有解剖学上适合的外结构和相互连接的多孔内结构的支架。本发明在个性化医疗、控制成本、快速生产和适应医院环境方面具有独特的优势。最终的目标是实现新骨长入和复合结构的适应性降解，从而实现骨结构的自然重建。
10.本发明使用纳米级的磷酸钙陶瓷，镁化合物无水颗粒以及可选的pla、plga、pcl为原料，首先采用超声破碎机结合聚乙二醇400，对无机材料进行了有效分散；再配合乙醇互溶沉淀法实现了mg/n-ha/plla复合材料(有机/无机复合物)成型，避免了烘干有机溶剂造成的环境污染和毒性残留，同时，mg/n-ha/plla复合材料具有较优的承担负重、成骨和成血管的能力及可加工性(fdm 3d打印)。
11.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
12.本发明的第一个方面，提供了一种用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，包括：
13.将高分子材料溶解于有机溶剂中，得到高分子材料溶液；
14.将纳米级磷酸钙陶瓷与上述的同种有机溶液混合，使用超声破碎机，于300～350w下超声破碎5～8秒钟，暂停5～8秒钟，为一个周期，共进行20～30分钟；再加入1％～2％聚乙二醇400，加入10％～20％无水镁化合物粉末搅拌均匀后，使用超声清洗机，360w功率下隔水超声，搅拌并超声共12～16小时，并控制水温不超过50℃，得到纳米级磷酸钙陶瓷-镁化合物混合液；
15.将所述高分子材料溶液与所述无机混合液隔水超声12～16小时，并控制水温不超过50℃，得到复合溶液；
16.将所述复合溶液与无水乙醇互溶，产生沉淀，收集沉淀，干燥，即得。
17.在一些实施例中，所述有机高分子材料为左旋聚乳酸(plla)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)或聚己内酯(pcl)的颗粒。
18.在一些实施例中，所述纳米级磷酸钙陶瓷为纳米羟基磷灰石n-ha或磷酸三钙tcp。
19.在一些实施例中，所述镁化合物为无水氯化镁、磷酸镁或碳酸镁。
20.在一些实施例中，有机与无机的比例为7:3或6:4。
21.在一些实施例中，所述有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷或六氟异丙醇。
22.在一些实施例中，所述混合溶液与无水乙醇的体积比为1：3～4。
23.在一些实施例中，所述干燥的条件为70℃～80℃下真空干燥36～48h。
24.本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的用于承重骨的松质骨区域缺损的
复合材料。
25.本发明的第三个方面，提供了上述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料在fdm3d打印制备支架中的应用。
26.本发明的有益效果
27.(1)本发明提供了适用于修复承重骨的松质骨区域缺损的复合材料，能同时具有承担负重、成骨和成血管的能力(见图4-图7)，且该材料具有可加工性(3d打印)，加工成本低(材料常见且低价)，加工效率高(材料损耗率低)，加工时间短(整个加工周期仅需一周)，且复合及加工方案可根据使用场景适应性配合。
28.(2)与现有的镁羟基磷灰石聚乳酸复合材料相比，本发明使用纳米级别的磷酸钙陶瓷，与镁化合物组成无机相，化合物更易获取离子态镁，同时，可根据场景使用plga、pla与pcl。
29.(3)本发明采用绿色加工方法，加工过程中未涉及硝酸钙、磷酸铵、明胶和四氢呋喃；本发明首先使用超声破碎机和分散剂聚乙二醇400进行无机材料分散，再配合乙醇互溶沉淀复合物的方式，制备了具有较优的承担负重、成骨和成血管的能力及可加工性(fdm 3d打印)的mg/n-ha/plla复合材料，既避免了烘干有机溶剂造成的环境污染和毒性残留，同时，周期短，仅需要一次非有机溶剂的烘干即可获得产品，具有更好的分散和获取方式。
30.(4)目前sls加工需要用到的大功率激光器，除了本身的设备成本(低端的几十万元，高端的几百万元)还需要很多辅助保护，良品率低，制造和维护成本非常高。sls打印更适合对机械性能要求低的使用场景加工，如本发明限定范围外的比例(ha比例60％以上的情况)，此比例下的复合材料为脆性的易碎材料，这种比例下的材料容易在挤出式打印机加工时断裂，更适用于sls加工，但不能满足承重骨应用场景。
31.本发明先加工打印线材，再进行熔融沉积打印，结合加工进程中的分散处理和沉淀处理，打印出的样品力学强度高，能满足承重骨的需求(本发明力学强度可达到20mpa)。且加工成本极低，良品率高。加工的线材具有普适性，可根据使用场景选择不同的熔融沉积打印机现场加工。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1复合材料从生产到加工为支架的应用过程；
34.图2使用扫描电镜对复合材料进行eds检测。
35.图3对复合材料进行扫描电镜和普通相机拍摄。
36.图4将复合材料置入70摄氏度pbs中，进行加速降解实验。
37.图5将不同镁盐含量的复合材料负载兔骨髓间充质干细胞后进行细胞活性检测和活死染色。
38.图6将复合材料支架植入兔股骨髁缺损中，2个月后镁复合组新生骨的长入优于对照组。
39.图7将复合材料支架与人脐带血管内皮细胞和兔骨髓间充质干细胞共同培养后进行成管实验和茜素红染色。
具体实施方式
40.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
42.实施例1
43.以7：3有机-无机比的氯化镁/n-ha/plla复合材料为例：
44.1)使用三倍体积二氯甲烷溶解plla颗粒，静止隔夜，待摇晃未见颗粒成分为止。
45.2)取n-ha粉，加入十倍体积二氯甲烷，搅拌均匀后，使用超声破碎机，条件为300w。超声5秒钟，暂停5秒钟，为一个周期，共进行20分钟。加入聚乙二醇400(加入量为总质量分数的1％)，加入无水氯化镁粉末(设置0％、10％，20％、30％组)，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共12小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
46.3)将步骤1)的溶液与步骤2)的溶液混合，二者中无机物、有机物的质量比为7：3，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共12小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
47.4)取三倍混合溶液体积的无水乙醇，将步骤3)的混合液缓慢倒入无水乙醇中，玻璃棒持续搅拌，产生复合材料沉淀。
48.5)收集沉淀，沉淀状态为破碎膜形状，70℃真空干燥48小时，获取复合材料成品。
49.6)填充用途的使用场景可取复合材料直接使用，支架用途的使用场景，可将复合材料粉碎后置入挤出机，挤出机温度175
±
5℃的条件下，获取打印用线材，置入fdm3d打印机中，使用根据个性化松质骨设计的模板，获取个性化打印匹配支架，如图1所示。
50.实施例2
51.以7：3有机-无机比的碳酸镁/n-ha/plga复合材料为例：
52.1)使用三倍体积三氯甲烷溶解plga颗粒，静止隔夜，待摇晃未见颗粒成分为止。
53.2)取n-ha粉，加入十倍体积二氯甲烷，搅拌均匀后，使用超声破碎机，条件为350w。超声8秒钟，暂停8秒钟，为一个周期，共进行30分钟。加入聚乙二醇400(加入量为总质量分数的2％)，加入碳酸镁粉末(设置10％，20％组)，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共16小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
54.3)将步骤1)的溶液与步骤2)的溶液混合，二者中无机物、有机物的质量比为7：3，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共16小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
55.4)取三倍混合溶液体积的无水乙醇，将步骤3)的混合液缓慢倒入无水乙醇中，玻璃棒持续搅拌，产生复合材料沉淀。
56.5)收集沉淀，沉淀状态为破碎膜形状，80℃真空干燥36小时，获取复合材料成品。
57.6)填充用途的使用场景可取复合材料直接使用，支架用途的使用场景，可将复合材料粉碎后置入挤出机，挤出机温度175
±
5℃的条件下，获取打印用线材，置入fdm3d打印
机中，使用根据个性化松质骨设计的模板，获取个性化打印匹配支架。
58.实施例3
59.以6：4有机-无机比的磷酸镁/tcp/pcl复合材料为例：
60.1)使用三倍体积六氟异丙醇溶解pcl颗粒，静止隔夜，待摇晃未见颗粒成分为止。
61.2)取tcp粉，加入十倍体积二氯甲烷，搅拌均匀后，使用超声破碎机，条件为300w。超声7秒钟，暂停6秒钟，为一个周期，共进行25分钟。加入聚乙二醇400(加入量为总质量分数的1.5％)，加入磷酸镁粉末(设置15％，20％组)，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共14小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
62.3)将步骤1)的溶液与步骤2)的溶液混合，二者中无机物、有机物的质量比为6：4，悬臂搅拌机继续搅拌，并同时置入超声波清洗机中隔水超声，搅拌并超声共14小时，中途当超声波清洗机中水温超过50摄氏度则更换冷水。
63.4)取三倍混合溶液体积的无水乙醇，将步骤3)的混合液缓慢倒入无水乙醇中，玻璃棒持续搅拌，产生复合材料沉淀。
64.5)收集沉淀，沉淀状态为破碎膜形状，75℃真空干燥42小时，获取复合材料成品。
65.6)填充用途的使用场景可取复合材料直接使用，支架用途的使用场景，可将复合材料粉碎后置入挤出机，挤出机温度175
±
5℃的条件下，获取打印用线材，置入fdm3d打印机中，使用根据个性化松质骨设计的模板，获取个性化打印匹配支架。
66.对实施例1中无水氯化镁粉末(20％组)制备的复合材料进行eds检测，结果如图2所示，扫描电镜和普通相机拍摄，结果如图3所示。
67.对实施例1中无水氯化镁粉末(设置0％、10％，20％、30％组)各组置入70摄氏度pbs中，进行加速降解实验，测试结果如图4所示。
68.对实施例1中无水氯化镁粉末(设置0％、10％，20％、30％组)各组进行细胞活性检测，结果如图5中(a)所示，对实施例1中无水氯化镁粉末(20％组)的细胞活性最高。对实施例1中无水氯化镁粉末(20％组)制备的复合材料进行活死染色，结果如图5中(b)所示。
69.将实施例1中无水氯化镁粉末(20％组)制备的复合材料支架植入兔股骨髁缺损中，2个月后镁复合组新生骨的长入优于对照组，如图6所示，同时，对其力学强度进行测试，结果为20mpa。
70.将实施例1中无水氯化镁粉末(20％组)制备的复合材料支架与人脐带血管内皮细胞和兔骨髓间充质干细胞共同培养后进行成管实验和茜素红染色，结果如图7所示。
71.由此可知，本发明的方法制备的复合材料能够用作修复承重骨的松质骨区域缺损的复合材料，能同时具有承担负重、成骨和成血管的能力，且该材料具有可加工性(3d打印)，加工成本低(材料常见且低价)。
72.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将有机高分子材料溶解于有机溶剂中，得到有机高分子材料溶液；将纳米级磷酸钙陶瓷与二氯甲烷混合均匀，于300～350w下超声破碎5～8秒钟，暂停5～8秒钟，为一个周期，共进行20～30分钟；再加入1％～2％聚乙二醇400，加入10％～20％无水氯化镁粉末搅拌均匀后，隔水超声，搅拌并超声共12～16小时，并控制水温不超过50℃，得到无机溶液；将所述有机高分子材料溶液与所述无机溶液隔水超声12～16小时，并控制水温不超过50℃，得到混合溶液；将所述混合溶液倒入无水乙醇中，产生沉淀，收集沉淀，干燥，即得。2.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机高分子材料为左旋聚乳酸plla，plga或pcl的颗粒。3.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米级磷酸钙陶瓷为纳米羟基磷灰石n-ha或磷酸三钙tcp。4.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述镁盐为无水氯化镁、磷酸镁或碳酸镁。5.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，有机高分子材料与无机的比例为7:3或6:4。6.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷或六氟异丙醇。7.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液与无水乙醇的体积比为1：3～4。8.如权利要求1所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为70℃～80℃下真空干燥36～48h。9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料。10.权利要求9所述的用于承重骨的松质骨区域缺损的复合材料在fdm3d打印制备支架中的应用。

技术总结
本发明属于骨修复材料领域，提供了一种用于承重骨的松质骨区域缺损修复的复合材料以及其制备方法。本发明将耐热抗压氯化镁粉与类骨磷灰石均匀地与高分子材料复合，通过平衡有机-无机比例，将实现仿生方法来调整机械性能以支持负重骨骼。镁的持续、低剂量、顺序释放会模拟骨分泌，协同促进损伤部位骨和血管的再生，并促进降解。然后通过3D打印技术，制造具有解剖学上适合的外结构和相互连接的多孔内结构的支架。本发明在个性化医疗、控制成本、快速生产和适应医院环境方面具有独特的优势。最终的目标是实现新骨长入和复合结构的适应性降解，从而实现骨结构的自然重建。从而实现骨结构的自然重建。从而实现骨结构的自然重建。


技术研发人员：冯世庆 王文朝 周恒星 张勃庆 赵晨曦 尚生辉 张文灿
受保护的技术使用者：山东大学齐鲁医院
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/10/15