復合型磷酸鈣人工骨及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于用于人體骨組織修復的人工骨材料，具體涉及一種復合型磷酸鈣人工骨及其制備方法。
【背景技術】
[0002]人體組織的損傷修復是現代醫學力求解決的難題之一。骨骼作為人體重要的組織器官，往往因為疾病或外傷等原因造成不同程度的骨缺損，臨床上通常采用人工材料進行修復和矯治。近年來，在骨修復材料領域，磷酸鈣骨水泥是目前研究較多并被認為是很有發展前景的一種生物活性人工骨材料。
[0003]磷酸|丐骨水泥(081(3；[1111^|110 8口1^七6061116111:，0?0是指一類以各種磷酸|丐鹽為主要成份，在生理條件下具有自固化能力及降解活性、成骨活性的無機材料。作為一種新型的自固化生物材料，磷酸鈣骨水泥較傳統人工骨材料的理化、生物學性能更為優良。
[0004]現有磷酸鈣人工骨產品主要存在兩方面的不足:第一，力學性能上還存在著較大的缺陷，它脆性大，強度低，耐壓及抗彎強度僅與松質骨相當，限制了臨床應用；第二，體內降解性差，主要表現為人工骨植入體內初期，細胞的粘附、生長與增殖速度緩慢，人工骨難以與新生骨組織較快的生長速率相匹配，很大程度上影響了人工骨的臨床應用效果。
[0005]在申請號為201410072035.6專利文獻中，公開了一種改善磷酸鈣骨水泥韌性的方法，取磷酸鈣骨水泥涂抹在PLGA納米纖維膜表面形成單層狀復合，將PLGA納米纖維膜由一端同軸卷至另一端，固化制得固化體，有效改善了磷酸鈣骨水泥脆性大的問題。
[0006]在申請號為201410137741.4專利文獻中，公開了一種制備電紡纖維增強磷酸鈣骨水泥復合材料的方法。把電紡纖維直接紡入含有殼聚糖、檸檬酸和葡萄糖的殼聚糖溶液中；然后與固體磷酸鹽混合物調配，即得所述電紡纖維增強磷酸鈣骨水泥復合材料，有效改善了磷酸鈣骨水泥強度低的問題。
[0007]在上述的研究中，廖紅兵、劉華等人通過不同的制備方法，將靜電紡絲納米纖維復合于磷酸鈣人工骨中，僅僅針對磷酸鈣人工骨脆性大、強度低等問題提高了人工骨的力學性能，并未改善磷酸鈣人工骨體內降解性差，組織初期生長緩慢等生物性能方面的缺點。在現有公開的文獻報導中，也未見針對解決磷酸鈣人工骨生物性能方面問題的相關研究。
[0008]在生物組織工程領域，靜電紡絲技術制備出的納米纖維膜具有三維多孔結構，纖維直徑在幾十納米到幾微米之間，與細胞外基質在尺寸和形貌上存在一定的相似性，因而被經常用于模擬天然的細胞外基質。此外，因納米纖維膜擁有較高的比表面積和孔隙率，更加有利于細胞的粘附、生長和增殖，是制備細胞培養載體、組織工程支架、傷口創傷敷料、藥物緩釋劑的優良材料。
[0009]靜電紡絲技術的原理是將聚合物溶液或熔體置于由發射裝置與接收裝置產生的高壓靜電場中，聚合物液滴在電場庫侖力的作用下，克服表面張力形成噴射細流，纖維絲素蒸發固化，最終落在接收裝置表面，形成無紡布狀的微/納米纖維膜。
[0010]若將靜電紡絲納米纖維膜包覆于上述的磷酸鈣人工骨材料表面，則可提高人工骨誘導組織再生的能力，幫助材料初期促進骨生長，即制備出既有磷酸鈣人工骨優良的理化、生物學性能，又兼備靜電紡絲納米纖維膜優異的組織再生誘導性能的新型人工骨復合材料。
[0011]但當前的靜電紡絲技術，還無法實現在非導體材料上直接紡絲包覆。因此，實現靜電紡絲納米纖維膜與磷酸鈣人工骨的直接復合是解決該項技術的關鍵。
【發明內容】
[0012]本發明旨在解決現有磷酸鈣人工骨體內降解性差，組織生長初期材料誘導能力弱的問題，提出一種復合型磷酸鈣人工骨及制備方法。該復合型磷酸鈣人工骨具有優異的誘導組織再生性能。
[0013]本發明復合型磷酸鈣人工骨，是在由常規制備工藝獲得的磷酸鈣人工骨基體表面上具有直接通過靜電紡絲包覆的左旋聚乳酸-玉米醇溶蛋白納米纖維層。
[0014]所述的左旋聚乳酸-玉米醇溶蛋白納米纖維是由左旋聚乳酸和玉米醇溶蛋白構成的同軸核、殼結構纖維絲。
[0015]在生物組織工程領域已獲得普遍證實，通過靜電紡絲技術制備出的納米纖維膜具有三維多孔結構，纖維直徑在幾十納米到幾微米之間，與細胞外基質在尺寸和形貌上存在一定的相似性，因而被經常用于模擬天然的細胞外基質。此外，因納米纖維膜擁有較高的比表面積和孔隙率，更加有利于細胞的粘附、生長和增殖，是制備細胞培養載體、組織工程支架、傷口創傷敷料、藥物緩釋劑的優良材料。
[0016]因此，本發明通過靜電紡絲直接將納米纖維膜包覆于磷酸鈣人工骨基體表面，有效的提高了人工骨誘導組織再生的能力，促進骨生長，該復合型磷酸鈣人工骨既有磷酸鈣人工骨優良的理化、生物學性能，又兼備靜電紡絲納米纖維膜優異的組織再生誘導性能。
[0017]本發明復合型磷酸鈣人工骨的制備方法，包括以下步驟:
[0018]a.磷酸鈣人工骨的制備:將磷酸鈣粉末與凝固液在無菌條件下混合并快速攪拌注入模具中，待固化成型后脫模晾置硬化后待用；
[0019]b.紡絲溶液的制備:將左旋聚乳酸、玉米醇溶蛋白分別溶于六氟異丙醇有機溶劑中，磁力攪拌3h，即獲得分別為6%、14%質量比的左旋聚乳酸紡絲溶液和玉米醇溶蛋白紡絲溶液;將該兩種紡絲溶液分別置入連接靜電紡絲機多流體同軸噴頭的供液裝置中；
[0020]c.在靜電紡絲機下紡絲包覆:將步驟a制得的磷酸鈣人工骨安設在本發明提供的專用靜電紡絲輔助接收裝置中的載樣臺上，調節載樣臺高度使磷酸鈣人工骨處于相對靜電紡絲輔助接收裝置極板中心，并通過調整紡絲噴頭位置和極板位置確定試樣與噴頭間的紡絲距離和試樣與極板間的距離，磷酸鈣人工骨在輔助接收裝置中自旋轉狀態下進行紡絲；[0021 ] d.紡絲結束后，在真空干燥機中，常溫干燥3-7天，即獲得表面包覆左旋聚乳酸-玉米醇溶蛋白同軸核、殼結構納米纖維層的復合型磷酸鈣人工骨。
[0022]步驟c中所述本發明提供的專用靜電紡絲輔助接收裝置，包括一絕緣體臺架、固設在該臺架上的絕緣體滑軌、設置在絕緣體滑軌上可沿滑軌縱向移動的導體座板、插置在導體座板上的其板面垂直于導體座板移動方向的極板，在對應極板中心線一側的絕緣體臺架上設置的旋轉臺及設置在該旋轉臺中心上的可調整高度的載樣臺；所述的旋轉臺與設置在絕緣體臺架內的電機驅動連接;所述的導體座板的一端與靜電紡絲機的高壓靜電發生裝置負極相連接，所述的電機與變速控制器電聯接。
[0023]所述的導體座板設有數個平行分布的極板插槽，根據紡絲工藝需要插置一塊或數塊所述的極板。
[0024]本裝置的使用方式是:
[0025]將該裝置置于靜電紡絲機的紡絲噴頭的前方，使紡絲噴頭軸線垂直于極板平面并與旋轉臺中心線處于同一平面上，通過移動導體座板位置實現調整加工試樣與極板的距離，通過調整載樣臺的高度使試樣處于極板電場中心，通過變速控制器調整旋轉臺轉速。
[0026]靜電紡絲，通常情況下，當使用固定收集器時，納米纖維呈現隨機不規則形態；當使用旋轉式收集器時，納米纖維趨向平行規則排列。在本發明中，將磷酸鈣人工骨置于轉速可控的旋轉臺上，使其纖維噴附纏繞在磷酸鈣人工骨表面，當轉速達到500-1000RPM時可以得到平行于旋轉方向的有序纖維。通過旋轉式收集裝置，利用旋轉的磷酸鈣人工骨對紡絲溶液射流的物理牽伸作用達到控制纖維定向排列的效果。
[0027]實驗表明，靜電紡絲輔助接收裝置中平行分布的極板的層數與電場強度存在一定的正比關系。隨著平行極板層數的增加，電場強度隨之增大，高分子靜電紡絲液的射流受到更大的靜電斥力作用，最終使得電紡纖維更有效的噴附于磷酸鈣人工骨表面。
[0028]實驗表明，在靜電紡絲輔助接收裝置工作中，當電壓一定時，紡絲液噴射流所受靜電力與極板面積有關:極板面積越小，極板電荷密度越大，紡絲噴頭與極板中心的電場強度越高，紡絲液射流所受靜電力越集中。通過調節極板面積與磷酸鈣人工骨接收面積的比例來控制紡絲效果。具體而言，若極板面積過大，射流纖維趨于分散而無法集中于極板前方的人工骨表面;若極板面積過小，雖然紡絲噴頭與極板中心形成較高的電場強度，但是位于極板前方的磷酸鈣人工骨阻擋了噴射流大部分靜電力作用，纖維極易改變原本紡絲方向，向四周散漫噴射。因此，對應不同體積的磷酸鈣人工骨試樣，設定不同面積的接收極板有助于納米纖維的集中噴射與粘附。實驗表明，磷酸鈣人工骨試樣接收面積與極板面積比約為S1:S2 = 1:20時，得到最優紡絲效果，纖維噴射方向穩定集中，可實現靜電紡絲納米纖維在磷酸鈣人工骨表面的均勻噴附。
[0029]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0030]本發明有效的解決了在靜電紡絲機上對非導體材料直接進行納米纖維膜的包覆復合，獲得了磷酸鈣人工骨表面包覆納米纖維膜的新型復合材料。
[0031 ]該復合材料可大大改善人工骨體內降解性差，細胞在材料植入體內初期的粘附、生長與增殖速度慢，材料難以與新生骨組織較快的生長速率相匹配等問題。該技術提高了人工骨的生物性能，使材料具有更強的誘導組織生長作用，可有效提高磷酸鈣人工骨在植入體內初期的細胞生長誘導性能，具有廣闊的應用前景。本發明工藝設備簡單，易于操作，成本較低。
【附圖說明】
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[0032]圖1為靜電紡納米纖維絲包覆磷酸鈣人工骨的工作狀態示意圖；
[0033]圖2為本發明制得的復合型磷酸鈣人工骨外觀照片圖；
[0034]圖3為實施例3制得的復合型磷酸鈣人工骨在1kv電壓下的截面掃描電鏡圖；
[0035]圖4A、B為實施例3制得的復合型磷酸鈣人工骨在不同倍率下的局部截面掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
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[0036]下面通過實施例對本發明進一步說明，但這些實施例僅用于解釋本發明，并非對本發明的具體限定。
[0037]以下為采用不同工藝參數下的復合型磷酸鈣人工骨的制備。
[0038]實施例1
[0039]1、磷酸鈣人工骨的制備:取0.70g磷酸鈣粉末、0.32ml凝固液在無菌條件下混合，快速攪拌并置入模具中，等待6min，將磷酸鈣人工骨從模具中緩慢推出，晾置1min左右，試樣進一步固化，制得直徑6mm，高I Omm的圓柱狀磷酸|丐人工骨