專利名稱：一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料或生物復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法。
背景技術(shù)：
在生物體中，軟骨組織承受骨骼傳導(dǎo)的負(fù)荷，能夠吸收震蕩，起到緩沖擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力以及減小關(guān)節(jié)面運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦和磨損的作用。軟骨由軟骨細(xì)胞和基質(zhì)組成，正常的成熟軟骨細(xì)胞代謝緩慢，生長(zhǎng)分化能力低。軟骨組織一旦發(fā)生損傷或病變，其自身修復(fù)和自愈能力極其有限，必須進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和移植。軟骨組織疾病是臨床骨外科的常見現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年大約有10萬名是由軟骨病變引起的關(guān)節(jié)病患者。目前臨床上關(guān)節(jié)軟骨的治療主要采用自體或異體軟骨移植和關(guān)節(jié)假體置換，但異體軟骨移植存在供體來源有限、潛在傳染病毒和免疫排斥等問題，因此必須研究和開發(fā)具有優(yōu)異生物力學(xué)性能和替代軟骨功能的人工軟骨材料和植入體來滿足關(guān)節(jié)軟骨治療的需求。
目前研究較多的人工軟骨材料主要有金屬-超高分子量聚乙烯對(duì)磨關(guān)節(jié)假體、硅橡膠、聚氨酯關(guān)節(jié)軟墊材料、聚乙烯醇水凝膠等。這些軟骨假體雖然在一定程度上能起到替代軟骨的作用，但還存在易磨損松動(dòng)、界面潤(rùn)滑性差、缺乏生物活性等不足，尤其在成分和結(jié)構(gòu)上的單一性，很難真正實(shí)現(xiàn)代替軟骨功能。例如，采用輻射交聯(lián)和冷凍-熔融交聯(lián)等方法可得到高結(jié)晶度的聚乙烯醇水凝膠彈性體，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、彈性和延展性能，以及良好的生物相容性、高含水量、多微孔組織和水透過性，其理化性能和生物學(xué)性能比其它人工合成材料更接近生物組織，是一種較理想的軟骨替代材料。但PVA水凝膠表面光滑，沒有生物活性，作為軟骨假體植入關(guān)節(jié)部位時(shí)與骨基底的結(jié)合性能差，影響了軟骨的固定和修復(fù)功能，我們采用PVA與生物活性羥基磷灰石復(fù)合來解決這個(gè)問題(有關(guān)技術(shù)已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán))，但同時(shí)又帶來導(dǎo)致PVA潤(rùn)滑性下降的問題；而且現(xiàn)有的提高軟骨假體表面潤(rùn)滑性的方法又可能使其生物力學(xué)性能下降。如何賦予軟骨植入材料高的生物力學(xué)性能，同時(shí)使其具有優(yōu)異的表面潤(rùn)滑性和生物活性連接性，這是國(guó)內(nèi)外均沒有解決的難題。
眾所周知，成熟的關(guān)節(jié)軟骨根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能變化可分為淺表層、中層、深層和鈣化層。其中淺表層的細(xì)胞呈梭形，長(zhǎng)軸平行于關(guān)節(jié)面，膠原纖維沿切線方向排列，主要承受剪切負(fù)荷和潤(rùn)滑作用；中層和深層的軟骨細(xì)胞漸呈橢圓形、圓形、直至柱形，膠原纖維粗大且垂直方向排列，主要承受擠壓負(fù)荷；鈣化層的鈣化基質(zhì)和深層的部分縱向纖維起著將關(guān)節(jié)軟骨面牢固地固定在軟骨下骨質(zhì)上的作用。其不同層次的結(jié)構(gòu)和功能保證了軟骨的生物力學(xué)性能和生理功能。為此，本發(fā)明根據(jù)天然軟骨的結(jié)構(gòu)，提出了一種表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的新型仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法，通過該方法可以獲得一種表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的仿生多層結(jié)構(gòu)復(fù)合水凝膠人工軟骨植入材料，從根本上解決了現(xiàn)有水凝膠軟骨材料難以同時(shí)滿足潤(rùn)滑性、生物活性和生物力學(xué)性能的問題，使人工軟骨材料在結(jié)構(gòu)和功能上與天然軟骨更接近。
本發(fā)明的制備工藝如下a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在85～95℃恒溫水浴或110～150MPa壓力鍋中溶于的二次蒸餾水中，配制為重量百分比濃度為15～30％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備分別在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、殼聚糖、透明質(zhì)酸或透明質(zhì)酸鈉(HA)，其中聚乙烯吡咯烷酮和殼聚糖加入量為PVA重量的5～40％，殼聚糖應(yīng)在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小時(shí)后在加入PVA溶液中；HA先溶于生理鹽水中配制為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.1～3％重量百分比。上述混合溶液在85～95℃下充分?jǐn)嚢韬?，靜置12～48小時(shí)或真空排氣2～8小時(shí)，至氣泡完全排除(溶液II)。
c、生物活性層制備分別采用羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨的顆?；驂K體與PVA水溶液復(fù)合，可采用以下方法之一(1)分別將羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量為PVA重量的5～20％，并用超聲分散儀處理1～5小時(shí)以上，得到均勻懸浮溶液III。(2)在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為2％～20％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.0～3.0配制成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到PVA/納米羥基磷灰石或PVA/納米磷酸三鈣復(fù)合溶液(溶液III)。(3)分別將多孔狀羥基磷灰石，珊瑚羥基磷灰石，β-磷酸三鈣，生物活性玻璃和同種異體骨等塊體切割為正方體或圓柱體狀，置于帶活塞的模具中，注入PVA溶液并用活塞作用將其完全充滿多孔材料中，得到液-固復(fù)合的混合溶液(溶液III)。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入在圓柱狀或矩形的模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為0.05～5mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷凍3～24小時(shí)，然后于15～40℃溶融2～10小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融2～8次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果采用本發(fā)明提供的制備方法，可以得到一種表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的新型仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料，與天然軟骨的結(jié)構(gòu)和功能相似，其不同層次的結(jié)構(gòu)和功能保證了軟骨的生物力學(xué)性能和生理功能，采用本方法得到的軟骨植入材料的在無水對(duì)磨時(shí)表面摩擦系數(shù)可小于0.1，彈性模量可大于15Mpa，達(dá)到甚至超過天然軟骨的性能；植入動(dòng)物軟骨8周后，可觀察到有骨組織長(zhǎng)入軟骨植入體中，即軟骨材料與骨基底形成了牢固的骨連接，實(shí)現(xiàn)了在滿足軟骨植入材料高的生物力學(xué)性能要求的同時(shí)，賦予其優(yōu)異的表面潤(rùn)滑性和生物活性連接性。此外采用本方法所得到的多層材料，層與層之間緊密結(jié)合，在本體材料破壞前，各層之間不會(huì)明顯分界或剝離，具有很好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在90℃恒溫水浴中，配制為重量百分比濃度為15％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量為PVA重量的10％，混合溶液在90℃下充分?jǐn)嚢韬?，靜置24小時(shí)，至氣泡完全排除后得到溶液II。
c、生物活性層制備將珊瑚羥基磷灰石研磨至30μm以下，加入至90℃PVA水溶液中，珊瑚羥基磷灰石的含量為PVA重量的10％，并用超聲分散儀處理3小時(shí)，得到均勻懸浮溶液III。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入在圓柱狀或方形的模具中，厚度為1mm，施加0.3的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度2mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為0.5mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍6小時(shí)，然后于25℃溶融8小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融4次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
實(shí)施例2a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在95℃恒溫水浴中，配制為重量百分比濃度為30％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備將殼聚糖在0.5％的稀乙酸溶液中溶解24小時(shí)后，加入PVA溶液中，殼聚糖加入量為PVA重量的8％；將混合溶液在95℃下充分?jǐn)嚢韬螅婵张艢?小時(shí)，至氣泡完全排除，得到溶液II。
c、生物活性層制備將生物活性玻璃研磨至30μm以下，加入至95℃PVA水溶液中，其含量為PVA重量的15％，用超聲分散儀處理5小時(shí)以上，得到均勻懸浮溶液III。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入在圓柱狀的模具中，厚度為3mm，施加3Mpa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度5mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為1mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-30℃的冰箱中，冷凍4小時(shí)，然后于30℃溶融10小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融6次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
實(shí)施例3a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在125MPa壓力鍋中溶于的二次蒸餾水中，配制為重量百分比濃度為20％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備將透明質(zhì)酸(HA)溶于生理鹽水中配制為均勻溶液，加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.15％重量百分比。上述混合溶液在95℃下充分?jǐn)嚢韬?，靜置48小時(shí)，至氣泡完全排除后得到溶液II。
c、生物活性層制備在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為5％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為2.0配制成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到PVA/納米磷酸三鈣復(fù)合溶液(溶液III)。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入在矩形模具中，厚度為5mm，施加5Mpa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度8mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為2mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍10小時(shí)，然后于25℃溶融8小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融8次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
實(shí)施例4a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在115MPa壓力鍋中溶于的二次蒸餾水中，配制為重量百分比濃度為25％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備將透明質(zhì)酸鈉(HA)溶于生理鹽水中配制為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為2.5％重量百分比。上述混合溶液在90℃下充分?jǐn)嚢韬?，真空排?小時(shí)，至氣泡完全排除得到溶液II。
c、生物活性層制備多孔狀同種異體骨塊體切割為正方體，置于帶活塞的模具中，注入PVA溶液并用活塞作用將其完全充滿多孔材料中，得到液-固復(fù)合的混合溶液(溶液III)。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入矩形模具中，厚度為8mm，施加9Mpa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度15mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為5mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-35℃的冰箱中，冷凍20小時(shí)，然后于35℃溶融8小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融6次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
實(shí)施例5a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精制后在95℃恒溫水浴中，配制為重量百分比濃度為25％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤(rùn)滑層制備在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量為PVA重量的20％，混合溶液在95℃下充分?jǐn)嚢韬?，真空抽?小時(shí)，至氣泡完全排除后得到溶液II。
c、生物活性層制備生物活性層制備在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為5％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.67配制成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到PVA/納米羥基磷灰石復(fù)合溶液(溶液III)。
d、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入圓柱狀模具中，厚度為4mm，施加1MPa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度為8mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為2mm，加壓壓實(shí)。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍6小時(shí)，然后于30℃溶融8小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融4次，即得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
權(quán)利要求
1.一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法，其特征在于制備工藝為a、潤(rùn)滑層制備分別在PVA水溶液，稱為溶液I中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP、殼聚糖、透明質(zhì)酸或透明質(zhì)酸鈉HA，其中聚乙烯吡咯烷酮和殼聚糖加入量為PVA重量的5～40％，殼聚糖應(yīng)在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小時(shí)后在加入PVA溶液中；HA先溶于生理鹽水中配制為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.1～3％重量百分比；上述混合溶液在85～95℃下充分?jǐn)嚢韬螅o置12～48小時(shí)或真空排氣2～8小時(shí)，至氣泡完全排除得到溶液II；b、生物活性層制備分別采用羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨的顆?；驂K體與PVA水溶液復(fù)合，得到PVA/生物活性成分復(fù)合溶液，稱為溶液III；c、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備將溶液III注入在圓柱狀或矩形的模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的壓力壓實(shí)；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加壓力壓實(shí)；注入溶液II，厚度為0.05～5mm，加壓壓實(shí)；d、將上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷凍3～24小時(shí)，然后于15～40℃溶融2～10小時(shí)，經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融2～8次，得到一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，生物活性層溶液III的制備方法為分別將羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量為PVA重量的5～20％，并用超聲分散儀處理1～5小時(shí)以上，得到均勻懸浮溶液III。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，生物活性層溶液III的制備方法為在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為2％～20％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.0～3.0配制成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到PVA/納米羥基磷灰石或PVA/納米磷酸三鈣復(fù)合溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于生物活性層溶液III的制備方法為分別將多孔狀羥基磷灰石，珊瑚羥基磷灰石，β-磷酸三鈣，生物活性玻璃和同種異體骨等塊體切割為正方體或圓柱體狀，置于帶活塞的模具中，注入PVA溶液并在活塞作用下將其完全充滿多孔材料中，得到液-固復(fù)合的混合溶液。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料或生物復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。工藝包括潤(rùn)滑層制備、生物活性層制備、多層結(jié)構(gòu)水凝膠制備，將PVA/生物活性成分復(fù)合溶液注入在圓柱狀或矩形的模具中，再注入PVA溶液，施加壓力壓實(shí)；注入PVA潤(rùn)滑層溶液，加壓壓實(shí)；將上述模具置于－10～－40℃的冰箱中，經(jīng)反復(fù)冷凍—熔融2～8次，得到仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料。優(yōu)點(diǎn)在于得到的軟骨植入材料表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層，在無水對(duì)磨時(shí)表面摩擦系數(shù)小于0.1，彈性模量大于15MPa，達(dá)到天然軟骨的性能，實(shí)現(xiàn)了在滿足軟骨植入材料高的生物力學(xué)性能要求的同時(shí)，賦予其優(yōu)異的表面潤(rùn)滑性和生物活性連接性。
文檔編號(hào)A61F2/30GK1718250SQ20051001225
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者鄭裕東, 楊槐, 姚學(xué)鋒, 王迎軍, 謝建新 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)