CN102499995A - 一种甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生物医用材料技术领域的一种甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料及制备方法。该支架材料由具有良好生物相容性的高分子材料聚乳酸PLA、天然多糖甲壳素纺织成的高强纤维CF组成。制备过程主要包括物理混合和超声波分散技术相结合的方法。为了使CF更好地起到增强作用，可采用蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC交联CF和PLA。本发明是一种新颖的用于骨修复的支架材料，具有三维多孔结构；具有良好的生物相容性和力学性能，很有希望作为骨组织缺损用修复材料在临床上得到广泛应用。

Description

一种甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料及制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域。更确切地说，本发明涉及用于骨组织缺损修复的一种甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料及制备方法。

背景技术

骨组织作为人体最大、同时也是最容易引起缺损的组织器官，每年有数以百万计的骨组织损坏患者需要接受手术治疗。骨组织缺损后，通常用自体骨移植的方法加以修复。移植替代物有同种异体松质骨或皮质骨、关节、脱钙骨基质等。但是，对于长骨干的大块骨缺损、骨肿瘤大块切除以及关节切除后同种、异种骨与关节的重建或修复仍然不理想。自体骨移植在骨科临床应用广泛，是开展最多的外科手术之一。然而，自体骨移植仍有不少问题，包括骨源有限、取骨处受到削弱、增加患者痛苦、不适宜于少年儿童等。因此，自体骨移植并非为最理想的移植物。骨移植除了自体骨移植之外还有异体骨移植。但是，异体骨移植所带来的问题除了供受体之间的不匹配之外，显而易见的并发症是生命科学尚未完全解决的免疫排斥反应。骨组织工程学可以实现骨的再生，为临床骨缺损的修复提供新的方法和途径。近几年来，骨组织工程的应用研究已经在骨科、矫形外科、口腔外科及颅面外科等多个领域蓬勃展开。骨组织工程用支架材料通常需制备成三维多孔材料以便于细胞、血管和组织等的长入，此外还需要具有一定的力学性能。

聚乳酸(PLA)是最早被美国FDA批准用于人体的生物材料之一，成型性很好。然而，作为支架材料，PLA，就其本身而言，有两个主要缺点：1.制备成多孔材料后，其强度与天然骨相比，仍然较低；并且强度随着降解的进行，降低太快[Li XM，Feng QL，Liu XH，Dong W，Cui FZ.Collagen-based implants reinforced by chitin fibres in a goat shank bone defect model.Biomaterials 2006；27：1917-1923；Li XM，Feng QL，Cui FZ.In vitro degradation of porousnano-hydroxyapatite/collagen/PLLA scaffold reinforced by chitin fibres.Mater Sci Eng.C 2006；26：716-720；Li XM，Feng QL，Wang WJ，Cui FZ.Chemical characteristics and cytocompatibilityof collagen-based scaffold reinforced by chitin fibers for bone tissue engineering.J Biomed MaterRes B 2006；77B：219-226.7]。2.PLA在体内可降解为无毒的正常代谢产物——乳酸。但是，随着PLA降解产物乳酸在局部的聚集，导致局部组织内的pH值下降，[H+]刺激局部组织而发生无菌性炎症。根据文献[Daniels A，Heller A，Heller J.Toxicity of absorbable polymersproposed for fracture fixation devices.Mar.Biol.1996；125：525-529]报道，PLA植入后4周左右因大量乳酸释放，造成局部组织pH值明显下降，最低可达3.0。在这样的环境下，不可避免地会发生骨质溶解、组织细胞变性坏死等。

甲壳素是自然界中产量仅次于纤维素的天然多糖，是甲壳类动物、软体动物和昆虫的甲壳的重要成分，还存在于一些海藻和真菌的细胞壁中。具有良好的生物相容性和生物降解性，降解产物为N-乙酰葡萄糖和氨基葡萄糖具有明显碱性，在体内不堆积，对人体无毒、无害、无免疫原性，可以中和聚乳酸的降解产物——乳酸。通过适当改性和湿法纺丝工艺，可将甲壳素纺织成高强纤维，目前可从市场购买。可用甲壳素纤维制备纤维(CF)增强材料[Li XM，Feng QL，Jiao YF.Collagen-based scaffolds reinforced by chitosan fibres for bone tissueengineering.Polym Int.2005，54(7)：1034-40]。甲壳素在体内是溶菌酶催化水解，与聚乳酸的本体水解机理不同，其纤维降解速率，尤其是强度衰减方面慢于聚乳酸。所以加入甲壳素纤维CF有望改善聚乳酸PLA本身的不足。

本发明用甲壳素纤维CF增强聚乳酸PLA，制备一类新颖的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔骨组织工程支架材料。

发明内容

本发明公开了属于生物医用材料技术领域的一类甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料及其制备方法。

所述支架材料含有生物降解性高分子材料聚乳酸PLA和高强天然多糖甲壳素纤维CF。二者采用物理混合和超声波分散技术相结合的方法复合而成。

所述生物降解性高分子材料聚乳酸PLA为聚L-乳酸或聚D，L-乳酸，分子量为3.0×10⁵-5.0×10⁵kDa。

所述高强天然多糖甲壳素纤维CF的断裂强力为4.5-4.7cN，其表面经过脱乙酰基处理，表面脱乙酰度为80-85％。

所述的甲壳素纤维CF的功能之一是起增强作用，可以通过蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC与聚乳酸PLA进行交联以增加增强效果；功能之二是因为它的降解产物本身具有明显的碱性，从而在体内可以中和聚乳酸的酸性降解产物。PLA和CF的具体添加比例需要考虑它们最终合成物降解产物的酸碱性。

所述未经过蛋白交联的纤维增强三维多孔支架材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)确定一个合适的聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF添加比例。PLA和CF按不同比例分别浸泡于含有一定溶解酵素的PBS溶液中，分别在一定时间内测定浸泡液的pH值，最后选用pH值波动较小的PLA和CF的添加比例。经过反复实验得出当CF的体积含量为30-35％时，支架材料浸泡液pH值波动最小。

(2)确定甲壳素纤维CF的最佳长度。纤维只有在其长度大于一个临界长度的情况下，才能对基体产生增强作用。但是在纤维含量一定的情况下，如果纤维的长度太长，增强材料的压缩强度会略有下降。在本试验所能涉及的范围内，经过多次重复，得到甲壳素纤维CF的最佳长度为1.4-1.5mm。

(3)将分子量为3.0×10⁵-5.0×10⁵kDa的聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为50-150g/L的溶液。然后按体积含量为30-35％加入甲壳素纤维CF，在常温下经过1-3小时的磁力搅拌并超声波分散2-5小时，制得聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF混合液体。

(4)采用冷冻干燥的方法制备聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF三维多孔支架材料。将上述第三步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻18-36小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥36-48小时，为了将溶剂彻底清除，冷冻干燥后的材料需在40-60℃的真空干燥箱中烘干12-24小时。

(5)将上述第四步制得的材料用环氧乙烷蒸气消毒3-6小时，即为未经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

所述经过蛋白交联的纤维增强三维多孔支架材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)确定一个合适的聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF添加比例。PLA和CF按不同比例分别浸泡于含有一定溶解酵素的PBS溶液中，分别在一定时间内测定浸泡液的pH值，最后选用pH值波动较小的PLA和CF的添加比例。经过反复实验得出当CF的体积含量为30-35％时，支架材料浸泡液pH值波动最小。

(2)交联聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF。为了使材料的力学性能和结构更加优良，将CF和PLA进行交联。将CF、PLA和交联剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC溶于二氯甲烷中，在0℃下经过磁力搅拌3-5小时后放置过夜以完成交联，此后将CF从溶液中取出并分别用二氯甲烷和去离子水清洗，从而得到经过与PLA交联的CF。通过尝试不同添加比例的三种物质对最终支架材料力学性能的影响，确定了CF、PLA和DCC的最佳加入量之比为5∶15∶4。

(3)确定经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维CF的最佳长度。纤维只有在其长度大于一个临界长度的情况下，才能对基体产生增强作用。但是在纤维含量一定的情况下，如果纤维太长，其增强效果也会略有下降。在本试验所能涉及的范围内，经过多次重复，得到经过与PLA交联的CF的最佳长度为1.1-1.2mm。

(4)将分子量为1.0×10⁵-3.0×10⁵kDa的聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为50-150g/L的溶液。然后按体积含量为30-35％加入与聚乳酸PLA交联后的甲壳素纤维CF，在常温下经过1-3小时的磁力搅拌并超声波分散2-5小时，制得经过蛋白交联的聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF混合液体。

(5)采用冷冻干燥的方法制备经过蛋白交联的聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF三维多孔支架材料。将上述第三步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻18-36小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥36-48小时，为了将溶剂彻底清除，冷冻干燥后的材料需在40-60℃的真空干燥箱中烘干12-24小时。

(6)将上述第五步制得的材料用环氧乙烷蒸气消毒3-6小时，即为经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

本发明的有益效果是通过上述方法得到甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架复合材料具有以下且不限于以下的优点：

(1)充分利用了高分子聚合物聚乳酸PLA成型性好的优点；加入高强甲壳素纤维CF既可以中和PLA的酸性降解产物又能进一步增强材料。

(2)根据在实际应用中对力学性能的要求，也可以选择用蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC交联甲壳素纤维CF和聚乳酸PLA，使得CF的增强作用得到较大程度地发挥。

(3)制备的支架材料具有较高的孔隙率，约为85-90％，通过调整混合液浓度可控孔隙率，混合液浓度越小孔隙率越大。既含有200μm以上的较大孔隙，以有助于细胞、血管和组织等的长入；又含有10μm以下的微孔，以有助于增大材料的表面积、增强蛋白吸附能力从而促进骨组织生成。

所以，本发明是一种新颖的用于骨修复的支架材料，具有三维多孔结构；具有良好的生物相容性和力学性能，很有希望作为骨组织缺损用修复材料在临床上得到广泛应用。

附图说明

附图1所示为甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料宏观图，附图2所示为甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料扫描电镜图，其中附图2(a)未经交联的增强材料；附图2(b)经过交联的增强材料，经过交联，甲壳素纤维CF与基体结合得非常好，图中箭头所指为CF。

具体实施方式

本发明为满足由创伤、肿瘤、感染等造成的骨组织缺损修复的需求而提供一种甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料的制备方法。所述支架材料主要含有聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF，两种材料采用物理混合和超声波分散相结合的方法复合而成。

经过多次反复实验确定，所述甲壳素纤维在与PLA混合物中的最佳体积含量为30-35％。

根据在实际应用中对力学性能的要求，可以选择用蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC交联甲壳素纤维CF和聚乳酸PLA，以进一步增强支架材料。

经过多次反复实验确定，所述蛋白交联过程中，CF、PLA和DCC的最佳加入量之比为5∶15∶4。

经过多次反复实验确定，所述未经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维的最佳长度为1.4-1.5mm；经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维的最佳长度为1.1-1.2mm。

所述支架材料采用冷冻干燥以获得三维多孔结构。为了将溶剂彻底清除，冷冻干燥后的材料在真空干燥箱中进一步烘干。

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但该实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例1：未经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料的制备

(1)将6g聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为100g/L的溶液。然后按体积含量为30％加入未经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维CF，在常温下经2小时的磁力搅拌并超声波分散4小时，制得未经交联的聚乳酸/甲壳素纤维混合液体。

(2)将第一步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻24小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥36小时。

(3)将第二步所得到的冷冻干燥后的材料在50℃的真空干燥箱中烘干18小时。

(4)将材料用环氧乙烷蒸气消毒5小时，即制得未经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

实施例2：经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料的制备

(1)将5克长度为1.1mm的甲壳素纤维CF、15克聚乳酸PLA以及4g交联剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC溶于二氯甲烷中，在0℃下经过磁力搅拌4小时后放置24小时，然后将CF从溶液中取出并依次用二氯甲烷清洗三次、去离子水漂洗三次，在40℃的真空干燥箱中烘干即得到经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维CF。

(2)将6g聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为50g/L的溶液。然后按体积含量为35％加入第一步完成的经过与PLA交联的甲壳素纤维CF，在常温下经2小时的磁力搅拌并超声波分散4小时，制得经过交联的聚乳酸/甲壳素纤维混合液体。

(3)将第二步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻36小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48小时。

(4)将第三步所得到的冷冻干燥后的材料在50℃的真空干燥箱中烘干12小时。

(5)将第四步得到的材料用环氧乙烷蒸气消毒6小时，即制得经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

Claims (5)

1.一类主要含有生物降解性高分子材料聚乳酸PLA和高强天然多糖甲壳素纤维CF增强的三维多孔支架材料，其特征在于所述两种材料采用物理混合和超声波分散相结合的方法复合而成，为了进一步增强支架材料选择用蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC交联甲壳素纤维CF和聚乳酸PLA。

2.根据权利要求1所述，其特征在于生物降解性高分子材料聚乳酸PLA为聚L-乳酸或聚D，L-乳酸，分子量为3.0×10⁵-5.0×10⁵kDa。高强天然多糖甲壳素纤维CF的断裂强力为4.5-4.7cN，其表面经过脱乙酰基处理，表面脱乙酰度为80-85％。

3.根据权利要求1所述，其特征在于甲壳素纤维CF的功能之一是起增强作用，根据在实际应用中对支架材料力学性能的要求，可以选择用蛋白交联试剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC与聚乳酸PLA进行交联以增加增强效果；功能之二是因为其降解产物具有明显的碱性，因而在体内可以中和聚乳酸的酸性降解产物。PLA和CF的具体添加比例需要考虑它们最终合成物降解产物的酸碱性。

4.根据权利要求1所述，未经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)确定一个合适的聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF添加比例。PLA和CF按不同比例分别浸泡于含有一定溶解酵素的PBS溶液中，分别在一定时间内测定浸泡液的pH值，最后选用pH值波动较小的PLA和CF的添加比例。经过反复实验得出当CF的体积含量为30-35％时，支架材料浸泡液pH值波动最小。

(2)确定甲壳素纤维CF的最佳长度。纤维只有在其长度大于一个临界长度的情况下，才能对基体产生增强作用。但是在纤维含量一定的情况下，如果纤维的长度太长，增强材料的压缩强度会略有下降。在本试验所能涉及的范围内，经过多次重复，得到甲壳素纤维CF的最佳长度为1.4-1.5mm。

(3)将分子量为3.0×10⁵-5.0×10⁵kDa的聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为50-150g/L的溶液。然后按体积含量为30-35％加入甲壳素纤维CF，在常温下经过1-3小时的磁力搅拌并超声波分散2-5小时，制得聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF混合液体。

(4)采用冷冻干燥的方法制备聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF三维多孔支架材料。将上述第三步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻18-36小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥36-48小时，为了将溶剂彻底清除，冷冻干燥后的材料需在40-60℃的真空干燥箱中烘干12-24小时。

(5)将上述第四步制得的材料用环氧乙烷蒸气消毒3-6小时，即为未经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

5.根据权利要求1所述，经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)确定一个合适的聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF添加比例。PLA和CF按不同比例分别浸泡于含有一定溶解酵素的PBS溶液中，分别在一定时间内测定浸泡液的pH值，最后选用pH值波动较小的PLA和CF的添加比例。，经过反复实验得出当CF的体积含量为30-35％时，支架材料浸泡液pH值波动最小。

(2)交联聚乳酸PLA和甲壳素纤维CF。为了使材料的力学性能和结构更加优良，将CF和PLA进行交联。将CF、PLA和交联剂N，N’-二环己基碳酰亚胺DCC溶于二氯甲烷中，在0℃下经过磁力搅拌3-5小时后放置过夜以完成交联，此后将CF从溶液中取出并分别用二氯甲烷和去离子水清洗，从而得到经过与PLA交联的CF。通过尝试不同添加比例的三种物质对最终支架材料力学性能的影响，确定了CF、PLA和DCC的最佳加入量之比为5∶15∶4。

(3)确定经过与聚乳酸PLA交联的甲壳素纤维CF的最佳长度。纤维只有在其长度大于一个临界长度的情况下，才能对基体产生增强作用。但是在纤维含量一定的情况下，如果纤维太长，其增强效果也会略有下降。，在本试验所能涉及的范围内，经过多次重复，得到经过与PLA交联的CF的最佳长度为1.1-1.2mm。

(4)将分子量为1.0×10⁵-3.0×10⁵kDa的聚乳酸PLA溶于1，4-二氧六环中，配成浓度为50-150g/L的溶液。然后按体积含量为30-35％加入与聚乳酸PLA交联后的甲壳素纤维CF，在常温下经过1-3小时的磁力搅拌并超声波分散2-5小时，制得经过蛋白交联的聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF混合液体。

(5)采用冷冻干燥的方法制备经过蛋白交联的聚乳酸PLA/甲壳素纤维CF三维多孔支架材料。将上述第四步配成的混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20℃冰箱中冷冻18-36小时后，将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥36-48小时，为了将溶剂彻底清除，冷冻干燥后的材料需在40-60℃的真空干燥箱中烘干12-24小时。

(6)将上述第五步制得的材料用环氧乙烷蒸气消毒3-6小时，即为经过蛋白交联的甲壳素纤维增强聚乳酸三维多孔支架材料。

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