CN109745581A

CN109745581A - 一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架及其制备方法

Info

Publication number: CN109745581A
Application number: CN201811517034.2A
Authority: CN
Inventors: 陈晓峰; 田婷; 陈雪颖; 史淼; 曾蕾
Original assignee: Foshan Today Biotechnology Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: Foshan Today Biotechnology Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明公开了一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸‑羟基乙酸共聚物复合支架及其制备方法。该含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸‑羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架由以下方法制得：将生物活性玻璃、莰烯、聚乳酸‑羟基乙酸共聚物（PLGA）按一定比例依次加入至有机溶剂1,4‑二氧六环中，超声、搅拌并分散均匀，然后倒入模具中，预冻成型后冷冻干燥。该支架制备工艺简单，操作便捷，质量稳定；由于生物活性玻璃的加入，可补充提高力学性能，其具有良好的生物活性和骨诱导性；另外莰烯的加入，可仿生构建出与天然骨类似的多级连通孔结构，在骨缺损修复和骨组织工程等领域具有良好的应用前景。

Description

一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料的制备领域，具体涉及一种含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架及其制备方法。

背景技术

目前临床上对骨缺损患者的治疗还普遍使用传统的自体骨移植和异体骨移植，但是由于自体骨移植来源有限、供体不足，异体骨移植存在免疫排斥和疾病传染等缺点，难以满足病患对骨修复的要求，因此临床对具有修复功能的骨组织工程支架的需求越来越强烈，这也促使骨修复支架研究的迅猛发展，并使骨修复材料的研究和开发成为国际研究热点。

骨组织的主要成分是胶原和羟基磷灰石。基于仿生学角度，采用与天然骨成分相似的有机和无机物制备骨修复材料已成为目前的研究热点之一。生物活性玻璃作为典型的无机非金属生物医学材料，具有良好的生物相容性、骨引导性和骨诱导性，在骨修复领域具有广泛的应用。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）由两种单体——乳酸和羟基乙酸随机聚合而成的线性聚合物，是一种可降解的功能高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能，被广泛应用于制药、医用工程材料和现代化工业领域。同时，PLGA已通过美国FDA认证，被正式作为药用辅料收录进美国药典。生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合材料在组成上与人骨组织类似，且具有良好的生物相容性和诱导成骨作用等生物学特性，在一定程度上满足骨修复材料的要求。

另外，骨具有天然的多级孔结构，根据仿生学原理，具有多级孔结构的组织工程骨修复支架更有利于骨修复过程的进行。骨修复支架的功能是为细胞的增殖提供三维空间和新陈代谢的环境，并决定新生组织、器官的形状和大小。理想的细胞支架首先应该具有互相连通的三维多孔结构和足够的比表面积，以提高细胞接种的密度，并有利于所需营养成分的供给和代谢废物的排放，促使接种细胞通过骨架孔隙向周围组织扩散，便于组织中血管和神经的生成。但是目前骨修复支架依然存在多级孔结构难构建的技术问题，并最终导致体液浸润效果不佳、支架内部细胞存活缺乏足够的营养物质以及骨、血管长入情况不理想等问题。

莰烯，2,2-二甲基-3-亚甲基二环[2,2,1]庚烷，白色蜡质固体，一种易挥发性物质，可用于组织工程支架的制备，通过将其与溶剂一起去除，构建孔结构。在生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架中加入莰烯，其在预冻成型过程中形成微晶，并在冷冻干燥时升华致微孔，最终与有机溶剂形成的较大孔结构结合，仿生构建出类似于天然骨的多级孔结构，从而促进细胞粘附及长入并提升骨修复效果。

本发明采用冷冻干燥法制备含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架。该复合支架具有较好的力学性能，且生物活性玻璃释放的Si、Ca和P离子可有效促进骨修复；同时，莰烯与有机溶剂的去除形成了数微米至百微米的连通多级孔结构，有利于体液浸润、营养物质运输及细胞长入。该支架制备方法简单，操作便捷，在骨组织修复领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有支架在结构上的缺陷，提供一种含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架及其制备方法，获得一种具有良好生物活性和骨诱导能力的多级孔修复支架，仿生天然骨结构和成分，促进骨组织的修复和再生。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下。

一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架的制备方法，包括如下步骤：

（1）将生物活性玻璃粉体加入至有机溶剂1,4-二氧六环中，超声、磁力搅拌，使生物活性玻璃粉体均匀分散于有机溶剂中，得到悬浮液A；

（2）将莰烯加至步骤（1）所得的悬浮液A中，磁力搅拌直至分散均匀，得到悬浮液B；

（3）将聚乳酸-羟基乙酸共聚物加入至步骤（2）所得的悬浮液B中，并磁力搅拌直至混合均匀，得到混合溶液C；

（4）将步骤（3）所得混合溶液C倒入聚四氟乙烯模具板中，预冻成型后冷冻干燥，得到含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架。

优选的，步骤（1）中所用生物活性玻璃粉体为采用有机模板结合溶胶-凝胶法制备的微纳米球形生物活性玻璃粉体。

优选的，步骤（1）中所述生物活性玻璃粉体在混合溶液C中的浓度为0.01-0.04 g/mL。

优选的，步骤（1）中超声分散15-30min，磁力搅拌15-30 min。

优选的，步骤（2）中所述莰烯的质量是聚乳酸-羟基乙酸共聚物质量的50-300%，优选为200%。

优选的，步骤（2）中所述磁力搅拌15-30 min。

优选的，步骤（3）中所述磁力搅拌6-8 h。

优选的，步骤（3）中所述聚乳酸-羟基乙酸共聚物在混合溶液C中的浓度为0.06-0.10 g/mL。

优选的，步骤（4）中所述预冻成型的温度为-15~-25℃。

优选的，步骤（4）中所述预冻成型的时间为4-24 h。

优选的，步骤（4）中所述冷冻干燥的温度为-55~-75℃。

优选的，步骤（4）中所述冷冻干燥的时间为2-4天。

由以上所述的制备方法制得的一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及效果：

（1）本发明选取生物活性玻璃和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）两种材料进行复合，得到的支架具有良好的生物相容性和骨诱导能力；且原料易得，价格适中；通过冷冻干燥制备多孔支架，方法简便，质量稳定。

（2）本发明选取特定的制孔剂——莰烯，结合有机溶剂制备出多级孔结构，该结构利于体液浸润、细胞长入和代谢过程的进行。

（3）本发明的含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架可应用于骨组织修复和骨组织工程等领域。

附图说明

图1a、图1b分别为不加莰烯的多孔生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架的放大500倍、2000倍的钨灯丝扫描电镜图。

图1c、图1d分别为本发明实施例3中加莰烯的含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架的放大500倍、2000倍的钨灯丝扫描电镜图。

图2a、图2b分别为本发明实施例3中加莰烯的含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架与小鼠骨髓间充质干细胞（mBMSCs）共培养1天和4天的活死染色图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架，其制备方法如下:

（1）生物活性玻璃粉体的制备步骤：

先将40 g十二胺（DDA）加入至250 mL去离子水和800 mL无水乙醇的混合溶液中，再置于40°C的恒温水浴中磁力搅拌，待十二胺完全溶解；用注射泵以0.5 mL/min的速度加217.34 mL正硅酸乙酯，此过程中由于Si网络逐渐形成，溶液变浑浊，成为乳白色；再用注射泵以0.5 mL/min的速度加22.02 mL磷酸三乙酯；然后将 137.47 g四水合硝酸钙溶解于200mL的去离子水中，缓慢加入反应溶液中，继续搅拌3 h，室温下陈化24 h；最后将玻璃溶胶离心得到白色沉淀，置于-20 ℃的冰箱中预冻2 h后冷冻干燥；然后置于650°C的马弗炉中热处理3 h，即得300-500 nm的生物活性玻璃粉体。

（2）含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架的制备步骤：

将0.01 g生物活性玻璃粉体加入1 mL 1,4-二氧六环有机溶剂中，超声分散15 min后磁力搅拌15 min，使生物活性玻璃均匀分散在有机溶剂中，得到悬浮液A；将0.1 g莰烯加至所得的悬浮液A中，磁力搅拌15 min，使莰烯均匀分散在悬浮液中，得到悬浮液B；将0.05 g聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）加至所得的悬浮液B中，磁力搅拌使其完全溶解，得到混合液C；将混合溶液C倒入至聚四氟乙烯模具中，在-20℃预冻4h后在-60℃冷冻干燥2天，得到具有多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架。

实施例2

（1）生物活性玻璃粉体的制备步骤：

先将4 g十二胺（DDA）加入至25 mL去离子水和80 mL无水乙醇的混合溶液中，再置于40°C的恒温水浴中磁力搅拌，待十二胺完全溶解；用注射泵以0.5 mL/min的速度加21.73mL正硅酸乙酯，此过程中由于Si网络逐渐形成，溶液变浑浊，成为乳白色；再用注射泵以0.5mL/min的速度加2.2 mL磷酸三乙酯；然后将 13.75 g四水合硝酸钙溶解于200 mL的去离子水中，缓慢加入反应溶液中，继续搅拌3 h，室温下陈化24 h；最后将玻璃溶胶离心得到白色沉淀，置于-20℃的冰箱中预冻2 h以上后冷冻干燥；然后置于650°C的马弗炉中热处理3 h；即得300-500 nm的生物活性玻璃粉体。

将0.04 g生物活性玻璃粉体加入至1 mL 1,4-二氧六环有机溶剂中，超声分散15 min后磁力搅拌15 min，使生物活性玻璃均匀分散在有机溶剂中，得到悬浮液A；将0.18 g莰烯加至所得的悬浮液A中，磁力搅拌15 min，使莰烯均匀分散在悬浮液中，得到悬浮液B；将0.06 g聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）加至所得的悬浮液B中，磁力搅拌使其完全溶解，得到混合液C；将混合溶液C倒入至聚四氟乙烯模具中，在-20℃预冻24h后在-60℃冷冻干燥4天，得到具有多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架。

实施例3

（1）生物活性玻璃粉体的制备步骤：

先将8 g十二胺（DDA）加入至50 mL去离子水和160 mL无水乙醇的混合溶液中，再置于40°C的恒温水浴中磁力搅拌，待十二胺完全溶解；用注射泵以0.5 mL/min的速度加43.46mL正硅酸乙酯，此过程中由于Si网络逐渐形成，溶液变浑浊，成为乳白色；再用注射泵以0.5mL/min的速度加4.4 mL磷酸三乙酯；然后将27.48 g四水合硝酸钙溶解于200 mL的去离子水中，缓慢加入反应溶液中，继续搅拌3 h，室温下陈化24 h；最后将玻璃溶胶离心得到白色沉淀，置于-20 ℃的冰箱中预冻2 h以上后冷冻干燥；然后置于650°C的马弗炉中热处理3h；即得300-500 nm的生物活性玻璃粉体。

将0.2 g生物活性玻璃粉体加入至10 mL 1,4-二氧六环有机溶剂中，超声分散15 min后磁力搅拌15 min，使生物活性玻璃均匀分散在有机溶剂中，得到悬浮液A；将0.8 g莰烯加至所得的悬浮液A中，磁力搅拌15 min，使莰烯均匀分散在悬浮液中，得到悬浮液B；将0.8 g聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）加入至所得的悬浮液B中，磁力搅拌使其完全溶解，得到混合液C；将混合溶液C倒入至聚四氟乙烯模具中，在-20℃预冻12h后在-60℃冷冻干燥3天，得到具有多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架。

对实施例1、2、3所得的含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架进行表征，由于实施例1、2、3的效果图类似，因此只提供了实施例3所得的含多级孔结构的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物的扫面电镜图（见图1c、图1d）和活死染色图（见图2a和图2b）。由图1a、图1b可知，不加莰烯的支架仅具有多孔结构，孔壁密实；由图1c、图1d可知，实施例1、2、3所得的加莰烯的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）复合支架不仅具有良好的多孔连通结构，且具有大小孔交替分布的特征，100 μm左右的大孔孔壁和周围上分布着10 μm左右的小孔，以及10-100 μm的孔，构成具有多级孔的三维结构。细胞活死染色图（图2a和图2b）显示实施例3制备的多级孔支架与mBMSCs共培养1天和4天后，支架具有良好的生物相容性，能促进细胞的黏附和增殖。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所用生物活性玻璃粉体为采用有机模板结合溶胶-凝胶法制备的微纳米球形生物活性玻璃粉体。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述生物活性玻璃粉体在混合溶液C中的浓度为0.01-0.04 g/mL。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述莰烯的质量是聚乳酸-羟基乙酸共聚物质量的50-300%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述聚乳酸-羟基乙酸共聚物在混合溶液C中的浓度为0.06-0.10 g/mL。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述预冻成型的温度为-15~-25℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述预冻成型的时间为4-24 h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述冷冻干燥的温度为-55~-75℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述冷冻干燥的时间为2-4天。

10.由权利要求1~9任一项所述的制备方法制得的一种含多级孔的生物活性玻璃/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架。