一种骨修复n-HA/CS多孔支架及制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种骨修复n‑HA/CS多孔支架及制备方法和应用，该骨修复支架以n‑HA/CS多孔支架为基础结构，在该n‑HA/CS多孔支架表面经多巴胺修饰形成多巴胺涂层，且在多巴胺涂层表面接枝经戊二醛交联的壳聚糖微球。本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架原料配方简单，成分安全，具有良好的生物相容性、生物降解性，以及促成骨和血管化等功能，在骨缺损重建过程中能有效促进骨修复，同时表面接枝的CS微球可负载药物和生长因子，为进一步构建一种可进行局部药物/生长因子控释的功能性骨修复体系提供了基础。

权利要求

1.一种骨修复n‑HA/CS多孔支架，其特征在于，该多孔支架以n‑HA/CS多孔支架为基础结构，在该n‑HA/CS多孔支架表面经多巴胺修饰形成多巴胺涂层，且在多巴胺涂层表面接枝戊二醛交联的壳聚糖微球；

所述n‑HA/CS多孔支架的孔隙率大于30％，孔径大小为200～500μm。

2.根据权利要求1所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架，其特征在于，所述n‑HA/CS多孔支架是通过将n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液混合获得的。

3.根据权利要求2所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架，其特征在于，所述n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液的质量比为3：7。

4.根据权利要求1所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架，其特征在于，所述戊二醛交联壳聚糖微球是通过将壳聚糖乙酸溶液与液体石蜡、Span80和Tween80在室温条件下搅拌并加入戊二醛溶液而获得的。

5.根据权利要求4所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架，其特征在于，所述戊二醛溶液的浓度为50％。

6.一种如权利要求1‑5中任意一项所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，其特征在于，该方法包含：

(1)将壳聚糖乙酸溶液加入到液体石蜡、Span80和Tween80的混合体系中，在恒温条件下搅拌形成白色乳状W/O乳液，向该W/O乳液中加入戊二醛溶液，搅拌，洗涤，干燥处理后，得到戊二醛交联的壳聚糖微球；

(2)将n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液以质量比3：7混合并搅拌至具有适当粘度的复合浆料；

(3)通过3D打印，调试三维打印机的参数，并设置需要的支架形状、结构和尺寸后，在一定压力下将料筒内浆料挤出，获得n‑HA/CS多孔支架；

(4)将n‑HA/CS多孔支架浸入含有戊二醛交联壳聚糖微球的多巴胺溶液中，室温避光搅拌，获得表面接枝CS微球的n‑HA/CS多孔支架。

7.根据权利要求6所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的质量分数为2wt％。

8.根据权利要求6所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖微球的洗涤剂为石油醚和异丙醇。

9.根据权利要求6所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，其特征在于，所述多巴胺溶液为，以10mmol/L Tris‑HCl缓冲液为溶剂配制的2mg/mL的多巴胺溶液。

10.一种如权利要求1‑5中任意一项所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的用途，其特征在于，所述n‑HA/CS多孔支架用于作为骨修复材料。

说明书

一种骨修复n‑HA/CS多孔支架及制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种医用多孔支架，具体涉及一种骨修复n‑HA/CS多孔支架及制备方法和应用。

背景技术

[0002] 骨髓炎是由微生物感染引起的一种严重的骨科疾病，病情漫长。常导致局部骨缺损甚至坏死。调查数据显示，开放性骨关节损伤的感染率可高达5％‑25％，由此带来的创伤
性骨髓炎发病率也大为增加。同时，在临床常规手术中，骨折切开复位和钢板内固定术的术
后伤口感染以及骨外露等并发症也屡见不鲜，这种由于医源性因素引起的局部骨组织感染
是创伤性骨髓炎增多的另一个重要原因。一旦感染骨髓炎，如不及时治疗或治疗不彻底则
会发展成慢性骨髓炎，最终导致化脓性关节，骨膜脓肿，脓性肌炎，深静脉血栓，肢体永久性
损伤，菌血症或多脏器衰竭等，严重时需要截肢甚至会导致死亡。

[0003] 临床上骨髓炎的治疗方式包括手术清除感染组织，消灭死腔，骨稳定性重建并联合应用抗生素，但手术清除死骨会导致骨的支撑作用减弱，并且由于骨髓炎患者局部骨及
软组织血供差导致病变骨质缺血硬化，通过口服和注射全身应用抗生素显然已很难有效的
治疗。因此，外科清创手术联合局部抗生素载体的应用成为临床上研究的热点。

[0004] 早期，人们局部应用富含抗生素的聚甲基异丁烯酸(Polymethylmethacrylate,PMMA)串珠防治骨及软组织感染，但由于其不能被机体吸收，需二次手术取出，并且本身无
成骨作用，不能对骨缺损进行修复。而现有的载药人工骨虽大多可以在体内缓慢降解而不
需手术取出，在塑型过程中不产生热量，但受体系设计和工艺技术的限制，存在结构单一、
可塑性差，药物长期缓释作用有限，且对骨修复的复杂空间结构缺乏足够研究等缺陷，已无
法满足临床上个体化治疗的要求。

[0005] 近年来，3D打印支架因其在组织再生工程中的独特优势而受到广泛关注。运用3D打印技术可对三维多孔支架材料的形状、尺寸和外观进行辅助设计，对支架的孔隙结构进
行微米级的调控。通过3D打印技术，能够得到与骨缺损大小和尺寸相匹配并且孔的尺寸、形
状、空间走向和分布较理想的支架，解决了传统加工方法遇到的问题。

[0006] 因此，有必要提供一种结构可调且能负载药物或生长因子的功能性3D打印骨修复支架。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种骨修复n‑HA/CS多孔支架及制备方法和应用，解决了传统的多孔骨修复支架结构单一、可塑性差的问题，并为药物或功能性生长因子的负载及缓
控释提供了依据。

[0008] 为了达到上述目的，本发明提供了一种骨修复n‑HA/CS多孔支架，该多孔支架以n‑HA/CS多孔支架为基础结构，在该n‑HA/CS多孔支架表面经多巴胺修饰形成多巴胺涂层，且
在多巴胺涂层表面接枝经戊二醛交联的壳聚糖微球。

[0009] 本发明以壳聚糖作为药物载体材料，其在体内可以被溶解酶分解，且其降解产物无毒性、无致敏性及无致癌性，具有良好的生物相容性、生物降解性、生物粘附性的作用。采
用的n‑HA具有良好的骨传导性能，能促进骨再生。

[0010] 优选地，所述n‑HA/CS多孔支架是通过将n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液混合并搅拌获得。

[0011] 优选地，所述n‑HA浆料与壳聚糖乙酸溶液的质量比为3：7。

[0012] 优选地，所述戊二醛交联壳聚糖微球是通过将壳聚糖乙酸溶液与液体石蜡、Span80、Tween80在室温条件下搅拌并加入戊二醛溶液而获得的。

[0013] 优选地，所述戊二醛溶液的浓度为50％。

[0014] 本发明的另一目的是提供一种所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，该方法包含：

[0015] (1)将壳聚糖乙酸溶液加入到液体石蜡中，在室温条件下搅拌形成白色乳状W/O乳液，向该W/O乳液中加入戊二醛溶液，搅拌，洗涤，干燥后，得到戊二醛交联的壳聚糖微球；

[0016] (2)将n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液以质量比3：7混合并搅拌至具有适当粘度的复合浆料；

[0017] (3)通过3D打印，调试三维打印机的参数，并设置需要的支架形状、结构和尺寸后，在一定压力下将料筒内浆料挤出，获得n‑HA/CS多孔支架；

[0018] (4)将n‑HA/CS多孔支架浸入含有戊二醛交联壳聚糖微球的多巴胺溶液中，室温避光搅拌，获得表面接枝CS微球的n‑HA/CS多孔支架；

[0019] 优选地，所述壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的质量分数为2wt％。

[0020] 优选地，所述洗涤剂为石油醚和异丙醇。

[0021] 优选的，所述干燥方式为加热鼓风干燥。

[0022] 优选地，所述n‑HA为干燥粉末。

[0023] 优选地，所述多巴胺溶液为，以10mmol/L Tris‑HCl缓冲液为溶剂配制的2mg/mL的多巴胺溶液。

[0024] 本发明的另一目的是提供一种所述的骨修复n‑HA/CS多孔支架的用途，所述骨修复n‑HA/CS多孔支架用于作为骨修复材料。

[0025] 本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架及制备方法和应用，解决传统的多孔骨修复支架结构单一、可塑性差的问题，并为药物或功能性生长因子的负载及缓控释提供了依据，具
有以下优点：

[0026] 本发明的n‑HA/CS骨修复支架原料配方简单，成分安全，具有良好的生物相容性、生物降解性，以及促成骨和血管化等功能，在骨缺损重建过程中能有效促进骨修复。

[0027] 本发明的壳聚糖微球可作为药物或生长因子载体材料，为进一步构建一种可进行局部药物/生长因子控释的功能性骨修复体系提供了基础。壳聚糖在体内可以被溶解酶分
解，且其降解产物无毒性、无致敏性及无致癌性，具有良好的生物相容性、生物降解性、生物
粘附性等作用。

[0028] 本发明可利用3D设计和3D打印技术，制备的n‑HA/CS具有高贯通性，个性化的多孔骨修复材料复合多孔支架，能够通过调节材料的孔隙率或者贯通性等方法提高材料的骨传
导性，增加自体骨向骨修复材料内部生长，实现骨修复材料与自体骨的融合而起到固定和
支撑的作用。

附图说明

[0029] 图1为本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备示意图。

[0030] 图2为本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架的作用示意图。

[0031] 图3为本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架植入新西兰大白兔股骨髁部位的实验流程图。

[0032] 图4为本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架植入新西兰大白兔股骨髁部位9W后的样本图。

[0033] 图5为本发明的骨修复n‑HA/CS多孔支架植入新西兰大白兔股骨髁部位9W后的X光图。

具体实施方式

[0034] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。

[0035] 实施例1

[0036] 一种骨修复n‑HA/CS多孔支架的制备方法，参见图1，该方法包含：

[0037] (1)戊二醛交联壳聚糖微球的制备

[0038] 用质量分数1.5wt％的乙酸溶液配制一定量的壳聚糖乙酸溶液，该壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的质量分数为2wt％。

[0039] 取28.0g壳聚糖乙酸溶液加入到84.0g液体石蜡、1.6g Span80和0.4g Tween80中，在室温下快速搅拌30min，形成白色乳状W/O乳液，向该W/O乳液中加入2mL戊二醛溶液
(50％)，继续搅拌2～3h，用石油醚和异丙醇充分洗涤，离心分离，于45℃烘干过夜，制得棕
色戊二醛交联壳聚糖微球粉末。

[0040] (2)载CS微球n‑HA/CS多孔支架的制备

[0041] 将壳聚糖(CS)溶于质量分数1.5wt％的乙酸溶液中配置得到壳聚糖乙酸溶液，该壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的质量分数为2wt％。

[0042] 取质量比3：7的n‑HA粉末与壳聚糖乙酸溶液进行共混，得到n‑HA/CS复合浆料。

[0043] 将上述复合浆料加入到3D打印机料筒内，调试三维打印机的参数，并设置需要的支架形状、结构和尺寸后，在一定压力下将料筒内材料挤出，制得n‑HA/CS多孔支架。利用3D
设计和3D打印技术，通过调试3D打印机的参数，并设置需要的支架形状、结构和尺寸，对材
料的微观结构进行精确控制，保证多孔支架的表面结构、孔隙率和贯通性能，孔隙率大于
30％，孔径大小为200～500μm，使其有利于细胞的黏附，组织和血管的长入。

[0044] (3)多巴胺修饰的载CS微球的n‑HA/CS多孔支架制备

[0045] 用多巴胺对上述n‑HA/CS多孔支架进行表面修饰，以10mmol/LTris‑HCl缓冲液为溶剂配制2mg/mL的多巴胺溶液；将n‑HA/CS多孔支架浸入50mL该含有戊二醛交联壳聚糖微
球的多巴胺溶液中，在1000r/min下(在该转速下能够促进多巴胺溶液完全渗入支架内部)
室温避光(防止多巴胺氧化变质)磁力搅拌24h后，蒸馏水反复冲洗去除未聚合的多巴胺，于
60℃烘干过夜，得到表面接枝CS微球的n‑HA/CS多孔支架。

[0046] 试验例1骨缺损模型建立

[0047] 将7只饲养观察2周后的新西兰大白兔称重后固定于实验手术台，自耳缘静脉注射3％戊巴比妥钠注射液(每公斤注射1mL)，在股骨髁手术区域附近备皮，常规消毒铺巾。于股
骨髁内侧切开长约1cm的切口，制造φ5mm深6～7mm的缺损，于左右两侧分别植入材料，植入
材料后用骨蜡封闭，逐层缝合后使用聚维酮碘消毒。术后一天，注射青霉素钠溶液防止因感
染导致动物死亡，并允许实验动物自由活动，所有动物单笼饲养。

[0048] 试验例2生物学效应试验

[0049] 对实施例1制备的骨修复n‑HA/CS多孔支架进行生物学效应试验，具体如下：

[0050] 将试验例1构建的7只新西兰兔的骨缺损模型，A、B组各3只，剩余1只为C组，A组、B组、C组植入的材料具体如下：

[0051] A组：植入n‑HA/CS多孔支架；

[0052] B组：植入表面接枝CS微球的n‑HA/CS多孔支架；

[0053] C组：空白组，不植入任何材料。

[0054] 将试验例1所构建骨缺损模型，按照上述分组植入材料。

[0055] 植入材料3W，6W和9W后处死实验兔，A组和B组每个时间点各随机处死1只，空白组于最后一个时间点处死。分离股骨与胫骨连接处软组织，暴露股骨髁，在离股骨髁下端约
1cm处截取样本，用4％多聚甲醛浸泡保存，进行大体观察与X光检测。

[0056] 样本(9W)大体观察照片如图4所示，从左至右依次为A、B、C组。样本(9W)的X光照片如图5所示，从左至右依次为A、B、C组。从大体观察照片和X光图片可以看到，三组样本均具
有较好的骨修复效果，X光照片显示缺损区域有大量新骨生成，几乎完全覆盖缺损区，这表
明支架具有很好的引导骨组织再生的作用。其中B组的修复效果较A组更佳，说明微球的加
入并未影响骨缺损的修复，反而还起到了促进作用。这可能是由于壳聚糖本身就具有一定
的骨传导性和一定的骨诱导能力，同时微球载于支架表面，增加了支架表面的粗糙程度，更
有利于细胞的黏附和长入。

[0057] 综上所述，本发明制备的表面接枝CS微球的骨修复n‑HA/CS多孔支架具有高贯通性，是个性化的骨修复材料复合多孔支架，能够通过调节材料的孔隙率或者贯通性等方法
提高材料的骨传导性，增加自体骨向骨修复材料内部生长，实现骨修复材料与自体骨的融
合而起到固定和支撑的作用，动物实验表明，该支架能有效修复骨缺损。同时，表面接枝的
CS微球为进一步的药物或生长因子的负载和缓控释提供了可能，为进一步构建一种可进行
局部药物/生长因子控释的功能性骨修复体系提供了基础，使该支架在骨组织工程领域具
有了更广阔的应用前景。

[0058] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的
多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。