專利名稱：一種仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體的制備方法
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層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體的制備方法。
背景技術(shù)：
軟骨組織的修復(fù)和替代是臨床外科的常見(jiàn)手術(shù)。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人工軟骨置換。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、缺乏生物活性等等不足，替代軟骨的生理功能還有待進(jìn)一步提高。采用輻射交聯(lián)和冷凍-熔融交聯(lián)等方法得到高結(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(guò)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(méi)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。
為解決上述問(wèn)題，發(fā)明了一種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料的制備方法(申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)200510012257.x，發(fā)明人鄭裕東等)，通過(guò)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，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(wèn)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。
盡管這種仿生多層結(jié)構(gòu)軟骨植入材料在結(jié)構(gòu)和性能上大大提高，但對(duì)人體軟骨植入修復(fù)時(shí)，還存在與軟骨下骨固定的問(wèn)題?，F(xiàn)在臨床上一般采用嵌入固定、螺絲固定、不銹鋼網(wǎng)固定等，但各自均存在不同問(wèn)題，如連接松動(dòng)、固定效果差、人工軟骨與底骨結(jié)合不牢固、手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)大等，影響了人工軟骨的置換和替代效果。為進(jìn)一步改善和提高植入軟骨的生物力學(xué)性能和生理功能，本發(fā)明人提出在體外在同種異體骨、異體骨上仿生組裝人工軟骨，得到一種層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體，臨床上可通過(guò)骨水泥粘結(jié)、硬組織上的螺絲固定等方法植入缺損部位，提高了軟骨與骨的結(jié)合和固定效果，減小手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體的制備方法，通過(guò)該方法可獲得一種表面為耐磨潤(rùn)滑軟骨、中間為受力層和鈣化層、底部為多孔同種異體骨或異種骨的軟骨/骨復(fù)合植入體。解決了臨床人工軟骨置換存在的連接松動(dòng)、固定效果差、人工軟骨與底骨結(jié)合不牢固、手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，提高人工軟骨的替代效果和生理功能。
本發(fā)明的制備工藝如下第一步多孔同種異體骨或異種骨植入體的制備取人或動(dòng)物關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工為圓柱狀、方柱狀或球面狀，根據(jù)臨床要求尺寸可為截面積1.0～900mm2，厚度1.0～20.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗10～180分鐘；在空氣中干燥0.5～5天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理10～150分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈，進(jìn)行免疫處理后，冷凍保存(稱為骨樣)。使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用。
第二步人工軟骨預(yù)制體的制備a、將分析純聚乙烯醇(PVA)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、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℃下攪拌后，靜置12～48小時(shí)或真空排氣2～8小時(shí)，至氣泡完全排除(預(yù)制體II)。
c、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粒與溶液I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(預(yù)制體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(wú)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、PVA/納米磷酸三鈣、PVA/生物活性玻璃復(fù)合溶液(預(yù)制體III)。
第三步仿生層狀軟骨/骨復(fù)合體的制備d、用不銹鋼管或鋁合金管加工為與骨樣截面積相同，長(zhǎng)度為2～30mm的模具，經(jīng)水洗、超聲波清洗后，將骨樣置于模具下端。在加壓或負(fù)壓條件下，先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的負(fù)壓使預(yù)制體與骨樣完全接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為0.05～5mm，表面找平，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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
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)明人提供的制備方法，可在體外條件下在同種異體骨、異體骨上仿生組裝人工軟骨，得到一種表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為生物活性軟骨/骨結(jié)合層的仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體。不僅解決了現(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(wèn)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。而且這種軟骨/骨復(fù)合植入體在臨床上可通過(guò)骨水泥粘結(jié)或螺釘固定等方法植入缺損部位，提高了軟骨與骨的結(jié)合和固定效果，減小手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度。此外采用本方法所得到的軟骨/骨復(fù)合材料，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，可滿足軟骨的生物力學(xué)性能和生理功能。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1a、取豬關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工為圓柱狀，直徑為10.0mm，厚度5.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗90分鐘；在空氣中干燥2天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理45分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈后，冷凍保存。使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用。
b、將分析純聚乙烯醇(PVA)在90℃恒溫水浴中，配制為重量百分比濃度為15％的均勻溶液(溶液I)。
c、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預(yù)制體II。
d、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)，得到均勻預(yù)制體III。
e、用直徑10mm，長(zhǎng)度8mm的不銹鋼管為模具，充分清洗后，將骨樣置于模具下端。先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為0.2mm，施加0.5MPa的負(fù)壓使預(yù)制體與骨樣充分接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為0.1mm，表面找平，加壓壓實(shí)。
f、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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
實(shí)施例2a、取豬關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工為方柱狀，截面積8×8mm2，厚度10.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗30分鐘；在空氣中干燥1天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理30分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈后，冷凍保存(稱為骨樣)。使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用。
b、將分析純聚乙烯醇(PVA)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)。
c、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?，真空排?小時(shí)，至氣泡完全排除，得到預(yù)制體II。
d、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，得到均勻預(yù)制體III。
e、用不銹鋼加工截面積為8×8mm2，長(zhǎng)度為13mm的模具，清洗后，將骨樣置于模具下端。在加壓或負(fù)壓條件下，先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為1mm，施加1Mpa的負(fù)壓使預(yù)制體與骨樣充分接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為1.5mm，表面找平，加壓壓實(shí)。
f、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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
實(shí)施例3a、取豬關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后球面狀，球面半徑為10mm，厚度15.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗150分鐘；在空氣中干燥3天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理150分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈后，冷凍保存。
b、將分析純聚乙烯醇在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％的均勻溶液(溶液I)。
c、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℃下攪拌后靜置48小時(shí)，至氣泡完全排除后得到預(yù)制體II。
d、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(wú)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(預(yù)制體III)。
e、用鋁合金管加工為直徑21mm，長(zhǎng)度20mm的模具，清洗后，將骨樣置于模具下端。在加壓條件之，先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為5mm，施加3Mpa的壓力使預(yù)制體與骨樣完全接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為4mm，表面找平，加壓壓實(shí)。
f、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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
實(shí)施例4a、取牛關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工為圓柱狀，直徑為5mm，厚度為20.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗180分鐘；在空氣中干燥5天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理150分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈后冷凍保存，使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用。
b、將分析純聚乙烯醇在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％的均勻溶液(溶液I)。
c、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預(yù)制體II。
d、將磷酸三鈣研磨至30μm以下，加入至95℃PVA水溶液中，其含量為PVA重量的10％，用超聲分散儀處理5小時(shí)以上，得到均勻預(yù)制體III。
e、用不銹鋼管加工為直徑為30mm，厚度為25mm的模具，清洗后，將骨樣置于模具下端。先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為8mm，施加9Mpa的壓力使預(yù)制體與骨樣完全接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為5mm，表面找平，加壓壓實(shí)。
f、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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
實(shí)施例5a、取牛關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工方柱狀，截面積5×5mm2，厚度8.0mm。用高壓水槍反復(fù)沖洗90分鐘；在空氣中干燥2天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理100分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原等有機(jī)質(zhì)和骨屑等完全清洗干凈后，冷凍保存。使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用。
b、將分析純聚乙烯醇在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)。
c、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℃下攪拌后，真空抽氣6小時(shí)，至氣泡完全排除后得到預(yù)制體II。
d、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(wú)水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述PVA溶液中，攪拌反應(yīng)后得到PVA/納米羥基磷灰石復(fù)合溶液(預(yù)制體III)。
e、用不銹鋼加工截面積為5×5mm2，長(zhǎng)度為10mm的模具，清洗后，將骨樣置于模具下端。先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為1mm，施加2Mpa的壓力使預(yù)制體與骨樣完全接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為1mm，表面找平，加壓壓實(shí)。
f、將上述模具和樣品置入-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，即得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
權(quán)利要求
1.一種仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體的制備方法，其特征在于，制備工藝為(1)多孔同種異體骨或異種骨植入體的制備取人或動(dòng)物關(guān)節(jié)處骨頭，清洗后加工為圓柱狀、方柱狀或球面狀，用高壓水槍反復(fù)沖洗10～180分鐘；在空氣中干燥0.5～5天；用砂紙打磨骨植入體表面，并于室溫下在超聲清洗器中處理10～150分鐘，直到骨塊內(nèi)的骨細(xì)胞、骨髓、膠原有機(jī)質(zhì)和骨屑清洗干凈，進(jìn)行免疫處理后，冷凍保存，稱為骨樣；使用前1小時(shí)在冰水中浸泡備用；(2)人工軟骨預(yù)制體的制備a、將分析純聚乙烯醇在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，為溶液I；b、分別在聚乙烯醇水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮、殼聚糖、透明質(zhì)酸或透明質(zhì)酸鈉，其中聚乙烯吡咯烷酮和殼聚糖加入量為聚乙烯醇重量的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；透明質(zhì)酸鈉先溶于生理鹽水中配制為均勻溶液，再加入聚乙烯醇水溶液中，透明質(zhì)酸鈉在聚乙烯醇溶液中的濃度為0.1～3％重量百分比。上述混合溶液在85～95℃下攪拌后，靜置12～48小時(shí)或真空排氣2～8小時(shí)，至氣泡完全排除，為預(yù)制體II；c、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粒與溶液I復(fù)合；(3)仿生層狀軟骨/骨復(fù)合體的制備用不銹鋼管或鋁合金管加工為與骨樣截面積相同，長(zhǎng)度為2～30mm的模具，經(jīng)水洗、超聲波清洗后，將骨樣置于模具下端。在加壓或負(fù)壓條件下，先將預(yù)制體III注入模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的負(fù)壓使預(yù)制體與骨樣完全接觸；再注入預(yù)制體II，厚度為0.05～5mm，表面找平，加壓壓實(shí)；將模具置入-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，得到一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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粒與溶液I復(fù)合的方法為；分別將羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃等研磨至30μm以下，加入至85～95℃聚乙烯醇水溶液中，生物活性成分的含量為聚乙烯醇重量的5～20％，并用超聲分散儀處理1～5小時(shí)以上，得到預(yù)制體III。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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粒與溶液I復(fù)合的方法為；在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為2％～20％的乙醇鈣溶液加入聚乙烯醇溶液中；按Ca/P比為1.0～3.0配制成濃度H3PO4無(wú)水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻后，緩慢滴加到上述聚乙烯醇溶液中，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到聚乙烯醇/納米羥基磷灰石、聚乙烯醇/納米磷酸三鈣、聚乙烯醇/生物活性玻璃復(fù)合溶液，為預(yù)制體III。
全文摘要
一種仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料或生物復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。工藝為多孔同種異體骨或異種骨植入體的制備、人工軟骨預(yù)制體的制備和層狀軟骨/骨復(fù)合體的制備。將人或動(dòng)物關(guān)節(jié)處骨頭臨床要求的形狀和尺寸，進(jìn)行清洗和免疫處理后，置于特制模具底部；在加壓和負(fù)壓的條件下，依次將聚乙烯醇/生物活性分子預(yù)制體和聚乙烯醇/潤(rùn)滑分子預(yù)制體注入模具中，表面找平，加壓壓實(shí)。經(jīng)反復(fù)冷凍―溶融成型，得到仿生層狀結(jié)構(gòu)軟骨/骨植入體。優(yōu)點(diǎn)在于得到一種表層為耐磨潤(rùn)滑層，中間層為受力層，底層為生物活性軟骨/骨結(jié)合層的仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨/骨復(fù)合植入體；可滿足軟骨的生物力學(xué)性能和生理功能。
文檔編號(hào)A61F2/30GK1961975SQ20061016495
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者鄭裕東, 姚學(xué)峰, 黃小山, 徐紅, 王迎軍 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)