[发明专利]以壳聚糖和贝壳粉末为原料制备人工骨的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物组织工程及生物材料技术领域，特别是涉及一种人工骨的制备方法，具体说是一种以壳聚糖和贝壳粉末为原料制备人工骨的方法。

背景技术

骨缺损是矫形外科临床常见病例，通常采用自体骨移植、同种异体骨移植、带血供的游离骨移植等方法对其进行治疗。但这些方法普遍受材料来源的制约，为此，人们试图通过组织工程的方法来解决骨缺损的修复问题。人工骨替代材料是近年来人们研究的热点。

人工骨的作用原理包括3个方面。①骨生成作用(osteogenesis)：人工骨材料中包含了具有分化成骨潜能的活细胞，具有骨形成作用；②骨传导作用(osteoconduction)：人工骨材料通过促进宿主骨与人工骨表面的结合，引导骨形成；③骨诱导作用(osteoinduction)：人工骨材料通过提供一种生物刺激，诱导局部细胞或移植的细胞分化形成成熟的成骨细胞。

1)人工骨研制中的材料应用概况

材料的选择一直是生物可降解型人工骨研制工作的核心。许多种类的材料被应用于此项研究中。在这些材料中，天然生物材料主要包括脱钙骨基质(DBM)，胶原，明胶，纤维蛋白，硫酸软骨素，壳聚糖，海藻酸钠，丝素蛋白等。人工合成无机材料主要包括生物活性玻璃陶瓷(BGC)，羟基磷灰石(HA)，磷酸三钙(TCP)，磷酸钙骨水泥(CPC)和硫酸钙(CS)，半水硫酸钙(CSH)等。人工合成有机高分子材料主要包括聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)，聚乳酸和聚乙醇酸共聚物(PLGA)等。

2)贝壳在人工骨研究中的应用正逐步引起重视

软体动物贝壳由三层结构构成，由内到外依次是珍珠层、棱柱层和角质层。贝壳由95％左右的无机物和5％左右的有机物构成。其无机组成相为碳酸钙，有机组成相主要为蛋白质和多糖。

贝壳具有优良的力学性质，来源丰富，价廉物美；贝壳的成分与骨器官相似，贝壳的发育与骨修复的过程和机理非常相似；贝壳中还可能含有具有促进生物矿化作用的信号分子。所以，人们希望用贝壳制备人工骨，以实现其他材料所不能达到的骨修复效果。

由于贝壳为弧形的片状形态，其形态和厚度基本不能达到骨器官的要求，这就注定了贝壳整体材料不适合于直接被加工成人工骨。将贝壳进行粉碎制备成粉末，采用一定的工艺按特定的骨形状将贝壳粉末成型，这就成为以贝壳为材料研制人工骨的必然选择。

3)壳聚糖

壳聚糖，英文名称Chitosan，是虾蟹等无脊椎动物的几丁质外骨骼经脱乙酰反应后的产品。壳聚糖由于具有良好的生物相容性，而在生物医学及制药等方面得到了极其广泛的应用。壳聚糖的规格主要是以其脱乙酰基程度(％)来标示的。壳聚糖难溶解于水相介质，但溶于稀酸。壳聚糖易与戊二醛发生交联作用而形成水不溶性物质，同时，其机械强度得到加强。

4)贝壳粉末与羟基磷灰石的比较

在人工骨的研究中，壳聚糖与羟基磷灰石复合是最普遍的材料组合方式。羟基磷灰石是天然珊瑚的主要成分，与贝壳中的碳酸钙晶体结构的力学性质相当。但是二者又有本质的差异。在人工骨的研究中所使用的羟基磷灰石是通过化学方法所合成的，化学反应条件的细微变化均会严重影响其力学性质。贝壳良好的力学性质主要取决于碳酸钙晶体与贝壳中有机物的纳米级相对空间几何结构，这种结构在贝壳粉末中仍然得到了保持。从这种意义上讲，作为制备人工骨的材料，贝壳粉末优于羟基磷灰石。同时，贝壳的成分与骨器官相似，贝壳的发育与骨修复的过程和机理非常相似；贝壳中还可能含有具有促进生物矿化作用的信号分子。这些优良性质也是羟基磷灰石所不能比拟的。

5)目前人工骨研究中所存在的问题

目前，在人工骨的研究中，人们普遍认为高的孔隙率和直径大于100um的孔径有利于细胞在人工骨中的生长。基于这样的观点，人们在人工骨的研究中片面地追求高的孔隙率和大的孔径，所制备的人工骨每立方厘米所含干物质的量不高于0.1克，这样的人工骨材料几乎没有机械强度可言。由于机械强度差，植入体内后形态不易保持。同时，也难以进行移植前的再整形。事实上，对于一种在体内可以降解的人工骨而言，高的孔隙率和直径大于100um的孔径并不是完全必要的。因为，在材料的逐步降解及细胞对材料的逐步侵袭过程之中，在材料中会自然形成一些满足细胞生长和迁移所需要的孔隙。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种以壳聚糖和贝壳粉末为材料制备人工骨的方法，该方法着眼于骨传导作用，在优先考虑人工骨力学性能的前提下，兼顾其孔隙率和孔径。

本发明依次通过下列步骤实现：