[发明专利]一种用于骨组织修复的三维支架材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于组织工程和生物制造领域，特别涉及一种用于骨组织修复的三维支架材料及其制备方法。

背景技术

目前，由于创伤、肿瘤切除、感染、发育异常等原因造成的骨缺损的发病率较高，对患者日常生活产生了严重影响。现有的方法主要是自体骨和异体骨移植，自体骨的来源较少，且会给病人带来一定的痛苦；异体骨移植容易引发排斥反应，其应用受到限制。近年来，以生物材料为基础的骨组织工程的发展为治疗骨缺损提供了新的途径。骨组织工程包括种子细胞、生长因子和支架三个要素。其中三维空间支架可以为细胞的生长提供粘附位点、营养输送和代谢废物的排放场所。骨组织工程改变了骨缺损修复的传统模式，以少量细胞修复大块组织缺损，同时可以根据实际需要进行塑造达到理想状态。

目前，快速成型技术三维打印被广泛应用于个性化骨修复支架材料的制备，是生物医学、材料科学和现代制造技术等多学科交叉发展的产物，能够满足临床治疗的迫切需求。三维打印骨组织工程支架的强力较大，更接近于天然骨的力学性能。该方法有效地缩短了开发周期，降低了研发费用，其精确定制可以满足不同部位不同形状的骨缺损修复，在复杂性状的骨支架制备方面具有独特的优势。可以根据病人个性化的要求快速制备出任意形状大小的骨组织工程支架。然而现有的三维打印骨组织工程支架由于打印技术的限制，其结构无法再更精细的尺度上模仿天然骨的结构，孔径尺寸过大无法提供所必需的粘附位点使得组织难以长入支架内部(Roosa，Kemppainen et al.2010)。而且可以通过此方法加工的材料比较有限，多为高聚物合成材料，其生物相容性受到了限制。

此外，冷冻干燥技术也被应用于制备三维多孔骨组织工程支架材料，利用冷冻过程中冰晶的生长在支架内部形成比较均匀的分布，冷冻干燥后，冰晶被去除，冰晶所在的位置形成大小均匀且相互贯通的孔洞。利用此方法可以将多种水溶性蛋白质或其它生物材料制备成多孔结构的支架。利用该种方所制备的支架，其孔洞大小可控、取向排列可控(Wu，Liu et al.2010)，具有良好的生物相容性，研究表明其能够促进细胞的增殖与渗透(Mandal and Kundu2009)，并被应用于组织工程支架和医用敷料的制备。然而该种微孔支架的力学性能较差，尤其是湿态下容易变形，限制了其在骨组织工程中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于骨组织修复的三维支架材料及其制备方法，该支架的聚合物骨架能够为骨组织再生提供必需的力学支撑，而蛋白质材料形成的微孔结构能够为骨组织细胞提供有利的生长环境，有效的促进骨组织的再生。

本发明的一种用于骨组织修复的三维支架材料，由具有相互贯通的大孔结构的三维打印聚合物骨架和作为填充材料且具有微孔结构的蛋白质材料组成。

所述大孔结构孔径为0.1-20毫米；所述微孔结构孔径为0.05-0.6毫米。

所述聚合物是聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯中的一种或几种；所述蛋白质是明胶、再生丝素、胶原等水溶性蛋白中的一种或几种。

所述聚合物骨架与纳米羟基磷灰石形成聚合物/纳米羟基磷灰石骨架，纳米羟基磷灰石的质量百分比为10％-60％。

所述蛋白质中包含活性物质；其中，活性物质为药物、生长因子、无机纳米颗粒中的一种或几种。

所述药物是庆大霉素、四环素等抗菌类药物、抗炎症类药物、紫杉醇等抗癌症类药物中的一种或几种；生长因子是骨形态发生蛋白或者转化生长因子，骨形态发生蛋白为BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-7或BMP-14；转化生长因子为TGF-α或TGF-β；无机纳米颗粒为纳米羟基磷灰石或纳米生物玻璃颗粒，无机纳米颗粒直径为30-200纳米，无机纳米颗粒与蛋白质的质量比为1∶0.5-10。

所述聚合物骨架外观形状为立方体、圆柱体、长方体、截面为异形多边形或圆环的柱体中的一种。

本发明的一种用于骨组织修复的三维支架材料的制备方法，其包括下述步骤：

(1)三维打印：将聚合物加热使其熔融，利用三维打印机挤出，挤出的聚合物流体冷却凝固，形成聚合物三维骨架；

(2)蛋白质水溶液的配制：将蛋白质固体溶于去离子水中，经过搅拌至完全溶解，得到蛋白质水溶液；

(3)冷冻干燥：将打印成型的聚合物骨架放置于模具中，将蛋白质水溶液注入模具，将聚合物骨架完全浸没，然后将模具置于-80℃冷冻，进行冷冻干燥处理；

(4)交联：利用交联剂交联蛋白质使其不溶于水，交联之后用去离子水洗涤去除交联剂，再次冷冻干燥，即得。