一种骨填充材料及其制备方法与流程

1.本发明属于医用生物材料工程应用技术领域，尤其涉及一种骨填充材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前，聚乳酸是生物材料研究中常用的可降解材料，最终水解产物为co2和h2o。良好的生物相容性使得聚乳酸成为目前研究和应用最多的可吸收性植入材料，在临床上，美国食品药品管理局(fda)已批准可用作医用手术缝合线和注射用微胶囊等产品上市。然而聚乳酸体内降解时间较长，力学性能较差，其降解中间产物乳酸可引起局部ph值下降，不利于骨细胞的增殖分化，影响成骨过程。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.1.降解时间较长：聚乳酸在体内降解的速度相对较慢，这可能导致在植入材料需要的时间内无法完全降解。这对于一些特定的应用，如临时支撑或修复骨组织，可能需要更快的降解速度以适应组织修复的进程。
5.2.力学性能较差：聚乳酸材料的力学性能相对较低，包括强度、刚度和韧性等方面。这限制了其在负载承受和支持组织修复方面的应用。在骨组织修复中，需要材料具有足够的力学性能以支撑和维持骨组织的正常功能。
6.3.降解产物引起骨细胞形态改变：乳酸是聚乳酸降解的中间产物，其积累可以导致局部ph值下降。这种ph值下降可能对周围的骨细胞产生不利影响，抑制其增殖和分化，从而影响骨组织的再生和修复过程。
7.综上所述，需要解决的技术问题包括加快聚乳酸材料的降解速度、提高其力学性能，并寻找解决乳酸积累引起的ph值下降问题的方法。这些问题的解决将有助于改进聚乳酸材料的应用性能，使其更适用于骨组织修复和再生的临床需求。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种骨填充材料及其制备方法。
9.本发明是这样实现的，一种骨填充材料制备方法，所述骨填充材料制备方法包括：
10.步骤一，将有机共聚物与无机物颗粒分别进行干燥；
11.步骤二，将干燥过后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物；
12.步骤三，将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体；
13.步骤四，将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业。
14.进一步，所述步骤二中，得到熔融混合物具体过程为：
15.熔融混合物通过密炼机将有机共聚物与无机物颗粒进行熔融得到。
16.进一步，所述密炼机的工作温度为100-240℃，密炼时间为30-50分钟，转速为20-40r/min。
17.进一步，所述步骤四中，静电纺丝设备由高压电源、静电纺丝注射器和接收器构成，静电纺丝注射器中注入混合液体。
18.进一步，所述静电纺丝注射器的挤出速度0.1-1ml/h，高压电源的输出电压为10-55kv。
19.进一步，所述接收器与静电纺丝注射器之间的距离为20-50cm。
20.本发明的另一目的在于提供一种基于所述骨填充材料制备方法制备的骨填充材料，所述骨填充材料包括有机共聚物和无机物颗粒，按照重量份，有机共聚物与无机物颗粒的比例为1-9:9-1。
21.进一步，所述有机共聚物由聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或者两者及以上配比混合的混合物。
22.进一步，所述无机物颗粒由磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、生物玻璃和磷酸二氢钙中的一种或者两者及以上配比混合的混合物。
23.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
24.第一，通过密炼机进行有机高分子与无机材料的熔融混合，使得无极材料均匀分散在有机高分子中，如图3所示。
25.本发明中无机物(磷酸盐类)具有良好的生物相容性和骨传导性，在聚乳酸中加入磷酸盐粉末，有助于防止因聚乳酸降解ph值下降引起的无菌性炎症，并提高了成骨活性。该复合材料是制备生物可降解人工骨的理想材料。
26.第二，本发明的创造性的利用经改造的静电纺丝技术，实现了棉花状人工骨的生产，如图4所示。棉花状人工骨具有超过90％的孔隙率，在目前同类产品中遥遥领先。
27.第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：全球人工骨市场规模超过了30亿美元，中国也达到了20多亿人民币，且每年复合增长率近20％，预计2026年将达到百亿人民币的巨大规模。本发明的技术方案转化后，即使保守估计市占率在10％左右，也至少有10亿人民币的商业价值。
28.本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明的技术方案填补了国内技术空白，处于国际领先地位。
29.本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明的技术方案解决了两大技术难题：1.复合材料的均匀混合难题；2.极大提高了骨填充材料的孔隙率。
30.第四，以下是每个步骤的具体取得的显著技术进步：
31.步骤一：干燥有机共聚物和无机物颗粒
32.通过干燥处理，去除有机共聚物和无机物颗粒中的水分，确保后续混合和熔融过程的质量稳定性和可控性。
33.步骤二：混合加热熔融有机共聚物和无机物颗粒
34.通过混合加热熔融过程，实现有机共聚物和无机物颗粒的均匀混合和融合，确保材料的一致性和性能的提升。
35.步骤三：溶解熔融混合物
36.利用有机溶剂对熔融混合物进行溶解，实现溶液状态的形成，提高材料的可处理
性和加工性。
37.步骤四：静电纺丝
38.使用静电纺丝技术将混合溶液转化为纤维状材料，显著提高了材料的表面积和纳米尺度的纤维结构形成，增强了材料的力学性能和生物活性。
39.通过以上每个步骤的技术进步，可以实现骨填充材料的制备过程的优化和控制，提高材料的一致性、力学性能、生物相容性和加工可控性。这些技术进步对于开发更有效的骨填充材料，满足临床需求具有重要意义。
附图说明
40.图1是本发明实施例提供的骨填充材料制备方法流程图；
41.图2是本发明实施例提供的静电纺丝设备结构示意图；
42.图3是本发明实施例提供的有机高分子与无机材料的熔融混合示意图；
43.图4是本发明实施例提供的棉花状人工骨的生产示意图；
44.图5和图6是本发明实施例提供的动物实验中取得良好的骨修复效果示意图；
45.图中：1、静电纺丝注射器；2、接收器；3、高压电源。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。
47.本发明实施例提供的骨填充材料制备方法，所述骨填充材料制备方法包括：
48.步骤一：将有机共聚物与无机物颗粒分别进行干燥
49.将有机共聚物和无机物颗粒分别放置在烘箱或真空干燥器中，以去除其中的水分或挥发性成分。
50.干燥条件可根据具体材料而定，在适当的温度和时间下进行干燥，以确保材料的干燥程度和稳定性。
51.步骤二：将干燥后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物
52.将干燥后的有机共聚物和无机物颗粒按照一定比例混合，并放置在加热设备中进行加热熔融。
53.加热设备可以是熔融炉、加热板或加热搅拌器等，确保混合物能够达到熔化状态并均匀混合。
54.步骤三：将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体将熔融混合物放置在容器中，加入适量的有机溶剂。
55.使用搅拌器或其他混合装置将熔融混合物和有机溶剂充分混合，使混合物溶解并形成均匀的液体。
56.步骤四：将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业
57.将混合液体装入静电纺丝设备中，确保液体能够通过喷嘴或针尖形成纤维。
58.静电纺丝设备可以是电纺纺丝机、电纺纺丝枪等，利用高电压场使液体形成纤维，
并在收集器上收集纤维形成骨填充材料。
59.每个步骤的实施方案可能会根据具体的材料和设备而有所不同。上述方案提供了一般的步骤和操作流程，以制备骨填充材料。在实际应用中，可能需要根据具体需求进行参数调整和工艺优化。本发明实施例提供的骨填充材料包括有机共聚物和无机物颗粒，按照重量份，有机共聚物与无机物颗粒的比例为1-9:9-1。
60.所述有机共聚物由聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或者其中两者或两者以上随意配比混合的混合物，所述有机共聚物包含以上所述物质，但不仅仅局限于以上所述物质。
61.所述无机物颗粒由磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、生物玻璃和磷酸二氢钙中的一种或者其中两者或两者以上随意配比混合的混合物，所述无机物颗粒包含以上所述物质，但不仅仅局限于以上所述物质。
62.如图1所示，本发明实施例提供的骨填充材料制备方法包括：
63.s101：将有机共聚物与无机物颗粒进行分别干燥；
64.s102：将干燥过后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物；
65.s103：将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体；
66.s104：将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业。
67.本发明实施例提供的s102中，得到熔融混合物具体过程为：
68.熔融混合物通过密炼机将有机共聚物与无机物颗粒进行熔融得到。
69.所述密炼机的工作温度为100-240℃，密炼时间为30-50分钟，转速为20-40r/min。
70.如图2所示，本发明实施例提供的s104中，静电纺丝设备由高压电源3、与高压电源3正极电性连接的静电纺丝注射器1以及安装有接地线的接收器2构成，静电纺丝注射器中注入混合液体。
71.所述静电纺丝注射器的挤出速度0.1-1ml/h，高压电源的输出电压为10-55kv，接收器与静电纺丝注射器之间的距离为20-50cm。
72.骨缺损填充的人工骨，可用于骨科，口腔颌面外科及神经外科的创伤或手术造成的骨缺损治疗。
73.利用本发明制作的骨填充材料，在动物实验中取得良好的骨修复效果，如图5，图6所示，在兔子的腿骨缺损动物模型中，发现术后第八周开始有新骨生成，同时棉花状骨填充材料开始降解；第12周新骨成片生长，伴散在骨填充材料；第26周骨缺损修复完全，骨填充材料完全降解。半年后骨缺损完美愈合，填充材料完全降解，达到了生理愈合，功能恢复。
74.以下是两个具体的实施例及其实现方案：
75.实施例1：制备聚乳酸/羟基磷灰石(ha)骨填充材料
76.步骤一：将聚乳酸和羟基磷灰石颗粒分别进行干燥
77.将聚乳酸颗粒和羟基磷灰石颗粒分别放置在烘箱中，温度设定为60℃，时间为12小时，以去除其中的水分。
78.步骤二：将干燥后的聚乳酸和羟基磷灰石颗粒进行混合加热熔融
79.将干燥后的聚乳酸和羟基磷灰石颗粒按照聚乳酸与羟基磷灰石的质量比例(例如4:1)混合，放置在熔融炉中进行加热熔融。加热温度设定为160℃，加热时间为30分钟，确保
混合物充分熔化和均匀混合。
80.步骤三：将得到的熔融混合物使用甲酸乙酯进行溶解
81.将熔融混合物放置在容器中，加入适量的甲酸乙酯作为有机溶剂。使用搅拌器将混合物和溶剂充分混合，以达到溶解的状态。
82.步骤四：将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业
83.将溶解后的混合液体装入电纺纺丝机的注射器中，通过高电压场使液体形成纤维。
84.选择适当的电纺纺丝机参数，如电压、流量和喷嘴直径，以控制纤维的形成和直径。
85.在收集器上收集电纺纤维，形成聚乳酸/羟基磷灰石骨填充材料。
86.实施例2：制备聚乳酸/β-三磷酸钙(β-tcp)骨填充材料
87.步骤一：将聚乳酸和β-三磷酸钙颗粒分别进行干燥
88.将聚乳酸颗粒和β-三磷酸钙颗粒分别放置在真空干燥器中，温度设定为50℃，时间为24小时，以去除其中的水分。
89.步骤二：将干燥后的聚乳酸和β-三磷酸钙颗粒进行混合加热熔融
90.将干燥后的聚乳酸和β-三磷酸钙颗粒按照聚乳酸与β-三磷酸钙的质量比例(例如3:2)混合，放置在加热板上进行加热熔融。加热温度设定为180℃，加热时间为20分钟，确保混合物充分熔化和均匀混合。
91.步骤三：将得到的熔融混合物使用二氯甲烷进行溶解
92.将熔融混合物放置在容器中，加入适量的二氯甲烷作为有机溶剂。使用搅拌器将混合物和溶剂充分混合，以达到溶解的状态。
93.步骤四：将得到的混合液体使用电纺纺丝枪进行静电纺丝作业
94.将溶解后的混合液体装入电纺纺丝枪的储液室中，通过高电压场使液体形成纤维。
95.控制电纺纺丝枪的工作参数，如电压、流量和喷嘴距离，以控制纤维的形成和直径。
96.在收集器上收集电纺纤维，形成聚乳酸/β-三磷酸钙骨填充材料。
97.以上实施例提供了两种制备聚乳酸基骨填充材料的具体方案。根据具体需求，可以进行参数调整和工艺优化。
98.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种骨填充材料制备方法，包括：步骤一，将有机共聚物与无机物颗粒分别进行干燥；步骤二，将干燥过后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物；步骤三，将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体；步骤四，将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业。2.如权利要求1所述骨填充材料制备方法，其特征在于，骨填充材料制备方法，其特征在于，具体包括：步骤一：将有机共聚物与无机物颗粒分别进行干燥将有机共聚物和无机物颗粒分别放置在烘箱或真空干燥器中，以去除其中的水分或挥发性成分；干燥条件可根据具体材料而定，在适当的温度和时间下进行干燥，以确保材料的干燥程度和稳定性；步骤二：将干燥后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物将干燥后的有机共聚物和无机物颗粒按照一定比例混合，并放置在加热设备中进行加热熔融；加热设备可以是熔融炉、加热板或加热搅拌器等，确保混合物能够达到熔化状态并均匀混合；步骤三：将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体将熔融混合物放置在容器中，加入适量的有机溶剂；使用搅拌器或其他混合装置将熔融混合物和有机溶剂充分混合，使混合物溶解并形成均匀的液体；步骤四：将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业将混合液体装入静电纺丝设备中，确保液体能够通过喷嘴或针尖形成纤维；静电纺丝设备可以是电纺纺丝机、电纺纺丝枪；利用高电压场使液体形成纤维，并在收集器上收集纤维形成骨填充材料。3.如权利要求2所述骨填充材料制备方法，其特征在于，所述密炼机的工作温度为100-240℃，密炼时间为10-30分钟，转速为10-30r/min。4.如权利要求1所述骨填充材料制备方法，其特征在于，所述步骤四中，静电纺丝设备由高压电源、静电纺丝注射器和接收器构成，静电纺丝注射器中注入混合液体。5.如权利要求4所述骨填充材料制备方法，其特征在于，所述静电纺丝注射器的挤出速度0.1-1ml/h，高压电源的输出电压为10-25kv。6.如权利要求4所述骨填充材料制备方法，其特征在于，所述接收器与静电纺丝注射器之间的距离为10-30cm。7.如权利要求4所述骨填充材料制备方法，其特征在于，所述高压电源正极与静电纺丝注射器电性连接，接收器安装有接地线。8.一种基于如权利要求1～7任意一项所述骨填充材料制备方法制备的骨填充材料，其特征在于，所述骨填充材料包括有机共聚物和无机物颗粒，按照重量份，有机共聚物与无机物颗粒的比例为1-6:4-9。9.如权利要求8所述骨填充材料，其特征在于，所述有机共聚物由聚乳酸、聚乳酸-羟基
乙酸共聚物、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或者两者及以上配比混合的混合物。10.如权利要求8所述骨填充材料，其特征在于，所述无机物颗粒由磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、生物玻璃和磷酸二氢钙中的一种或者两者及以上配比混合的混合物。

技术总结
本发明属于医用生物材料工程应用技术领域，公开了一种骨填充材料及其制备方法，所述骨填充材料制备方法包括：将有机共聚物与无机物颗粒进行分别干燥；将干燥过后的有机共聚物与无机物颗粒进行混合加热熔融，得到熔融混合物；将得到的熔融混合物使用有机溶剂进行溶解，得到混合液体；将得到的混合液体使用静电纺丝设备进行静电纺丝作业。熔融混合物通过密炼机将有机共聚物与无机物颗粒进行熔融得到。本发明中无机物具有良好的生物相容性和骨传导性，在聚乳酸中加入β-TCP，有助于防止因聚乳酸降解PH值下降引起的无菌性炎症，并提高了成骨活性。该复合材料是制备生物可降解人工骨的理想材料。的理想材料。的理想材料。


技术研发人员：姚先锋 舒忠
受保护的技术使用者：杭州卫达生物材料科技有限公司
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/20