CN109394394A - 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用 - Google Patents

仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109394394A
CN109394394A CN201811542326.1A CN201811542326A CN109394394A CN 109394394 A CN109394394 A CN 109394394A CN 201811542326 A CN201811542326 A CN 201811542326A CN 109394394 A CN109394394 A CN 109394394A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bioactive
bracket
hollow pipe
bioactive materials
slurry
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811542326.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109394394B (zh
Inventor
吴成铁
李天�
常江
翟东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhongkesino (Taicang) biomaterial Technology Co.,Ltd.
Original Assignee
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Ceramics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority to CN201811542326.1A priority Critical patent/CN109394394B/zh
Publication of CN109394394A publication Critical patent/CN109394394A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109394394B publication Critical patent/CN109394394B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2835—Bone graft implants for filling a bony defect or an endoprosthesis cavity, e.g. by synthetic material or biological material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30108—Shapes
    • A61F2002/30199—Three-dimensional shapes
    • A61F2002/30224—Three-dimensional shapes cylindrical
    • A61F2002/30235—Three-dimensional shapes cylindrical tubular, e.g. sleeves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2002/30985—Designing or manufacturing processes using three dimensional printing [3DP]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/60—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a special physical form
    • A61L2300/602—Type of release, e.g. controlled, sustained, slow
    • A61L2300/604—Biodegradation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用，所述生物活性支架包括：生物活性材料空心管、以及位于所述生物活性材料空心管内部的生物活性材料棒，所述生物活性材料棒具有连续层状结构。

Description

仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用，属生物材料领域。
背景技术
三维打印作为工程领域一项重要的技术，已经在很多方面得到应用与发展，但是由于三维打印自身的限制问题，其更多的是应用在材料的宏观制造。对于三维打印支架的微纳米尺度结构的设计则很少有人实现，然而对于材料的应用来说微纳尺度的设计对材料的各方面性能巨大[1-4]。所以实现三维打印的微结构设计显得尤为重要。大块骨缺损的修复一直是现代医学临床上的一个挑战，植入三维打印的多孔生物支架是目前常用的修复大块骨缺损的方法[5,6]。同时，传统的三维打印生物支架都是由实心的基元一层一层堆积而成，支架大部分为实心结构，孔隙率相对较低，载药效率较低，且孔隙不能形成连续孔道结构，研究表明骨修复材料中如果材料存在大量的比表面积更加有利于养料与细胞的存贮[7,8]。冰模板法是近些年制备仿生层状微结构的热门方法，吸引了大量的研究目光，其可以制备出联通有序的层状微结构[9-11]。
现有技术文献：
1 Yang,Y.et al.3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure forMicrodroplet Manipulation and Oil/Water Separation.Adv Mater 30,doi:10.1002/adma.201704912(2018).
2 Yang,C.,Zhang,C.&Liu,L.Excellent degradation performance of 3Dhierarchical nanoporous structures of copper towards organicpollutants.Journal of Materials Chemistry A 6,20992-21002,doi:10.1039/c8ta07973k(2018).
3 Stevens,M.M.&George,J.H.Exploring and Engineering the Cell SurfaceInterface.Science 310,1135-1138,doi:10.1126/science.1106587(2005).
4 Hollister,S.J.Porous scaffold design for tissue engineering.NatureMaterials 4,518,doi:10.1038/nmat1421(2005).
5 Feng,C.et al.3D Printing of Lotus Root-Like Biomimetic Materials forCell Delivery and Tissue Regeneration.Adv Sci(Weinh)4,1700401,doi:10.1002/advs.201700401(2017).
6 Ma,H.et al.3D printing of high-strength bioscaffolds for thesynergistic treatment of bone cancer.NPG Asia Materials 10,31-44,doi:10.1038/s41427-018-0015-8(2018).
7 Mehdizadeh,H.,Sumo,S.,Bayrak,E.S.,Brey,E.M.&Cinar,A.Three-dimensionalmodeling of angiogenesis in porous biomaterial scaffolds.Biomaterials 34,2875-2887,doi:10.1016/j.biomaterials.2012.12.047(2013).
8 Bose,S.,Vahabzadeh,S.&Bandyopadhyay,A.Bone tissue engineering using 3Dprinting.Materials Today 16,496-504,doi:10.1016/j.mattod.2013.11.017(2013).
9 Cheng,Q.,Huang,C.&Tomsia,A.P.Freeze Casting for Assembling BioinspiredStructural Materials.Adv Mater 29,doi:10.1002/adma.201703155(2017).
10 Bai,H.et al.Bioinspired Hydroxyapatite/Poly(methyl methacrylate)Composite with a Nacre-Mimetic Architecture by a Bidirectional FreezingMethod.Adv Mater 28,50-56,doi:10.1002/adma.201504313(2016).
11 Deville,S.,Saiz,E.,Nalla,R.K.&Tomsia,A.P.Freezing as a Path to BuildComplex Composites.Science 311,515-518,doi:10.1126/science.1120937(2006).。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有层状微结构的生物活性支架及其制备方法和应用。
一方面，本申请提供一种生物活性支架，其特征在于，包括：生物活性材料空心管、以及位于所述生物活性材料空心管内部的生物活性材料棒，所述生物活性材料棒具有连续层状结构。
本发明的生物活性支架与现有的生物活性支架相比，具有连续丰富的孔道结构和大的比表面积，因而可以装载大量药物，并且具有优异的药物释放性能，同时更有利于细胞的粘附和增殖以及分化效果，具有更好的体内成骨活性，更适合于大块骨缺损的修复。
较佳地，所述生物活性材料空心管的内径为1mm～2mm，厚度为0.1mm～0.5mm。
较佳地，所述生物活性材料棒的直径为0.1mm～1mm，所述连续层状结构的层间距为20μm～50μm。
较佳地，所述生物活性支架装载有药物，优选地，所述药物是具有成骨活性的药物。
较佳地，所述生物活性材料空心管和/或所述生物活性材料棒的材质为生物陶瓷，优选自镁黄长石、氧化石墨烯、磷酸三钙中的至少一种。
另一方面，本申请提供上述生物活性支架的制备方法，包括以下步骤：
通过三维打印制备生物活性材料空心管生坯；
将所述生物活性材料空心管生坯烧结，得到生物活性材料空心管；
将所述生物活性材料空心管置于具有生物活性材料的浆料中，利用单向冷源进行冷冻，得到坯体；
将所述坯体冷冻干燥后烧结，得到所述生物活性支架。
根据本发明，先利用三维打印技术制备生物活性材料空心管，然后结合冰模板法在烧结后的空管支架的空心管内长入具有连续层状结构的生物活性材料棒，经过冷冻干燥后将材料烧结得到仿热狗结构的生物活性支架。具体而言，在冷冻过程中，冰晶会沿着温度梯度生长将浆料中陶瓷粉体推至冰晶两侧，经过冷冻干燥使冰升化后留下层状陶瓷坯体，然后烧结得到层状的棒状结构。通过改变冰模板浆料中生物活性材料的浓度，可调控棒状结构的直径以及层间距，进而调控生物活性支架的载药和释药性能以及成骨性能。
较佳地，所述具有生物活性材料的浆料的溶剂为水，并含有质量分数为20％～50％的生物活性材料、质量分数为1％～2％的分散剂例如聚丙烯酸钠、以及质量分数为1％～2％的粘结剂例如聚乙烯醇；优选地，所述具有生物活性材料的浆料是通过将各原料在300～800r/min下球磨1.5～2小时而得。
较佳地，所述制备方法还包括将所得生物活性支架在药物溶液中浸泡以装载药物。
第三方面，本申请提供上述生物活性支架在制备骨修复材料中的应用。
本发明的生物活性支架具有可控的药物装载以及释放性能，载药的生物活性支架具有较好的体外生物活性和体内促进成骨能力，有望作为大块骨缺损的修复材料。
附图说明
图1为三维打印仿热狗结构支架正面(a-c)侧面(d-f)内部(g-h)结构。由数码照片、光学显微镜图以及SEM和micro-CT图可以看出层状棒状结构具有连续连通的特性且均匀大面积的分布在单通道三维打印支架当中。
图2为三维打印仿热狗结构支架整体结构(a-c)和剖面结构(d-e)。可以明显看出棒状结构是层状的且具有有序联通的结构，且在不同深度均是有序连通。
图3为不同形貌棒状结构的三维打印仿热狗支架，空管三维打印支架(a、f、k、p)，冰模板浆料镁黄长石质量分数分别为20％、30％、40％、50％的20AKT(b、g、l、q)、30AKT(c、h、m、r)、40AKT(d、i、n、s)、50AKT(e、j、o、t)。
图4为不同棒状结构的仿热狗结构支架的载药(a-e)与释放情况(f)。从图中可以看出不同结构的仿热狗支架具有不同的载药能力与效率，相比于传统的三维支架，仿热狗支架有更优异的效果具有超长的缓释作用。
图5为骨髓基质干细胞在传统实心三维打印支架ST-AKT(a、e)、空管三维打印支架HT-AKT(b、f)仿热狗结构支架30AKT(c、g)以及载药的30AKT(d、h)上的细胞粘附的共聚焦照片和仿热狗结构支架截面细胞的分布状态(i、j)。可以看出细胞在四种材料以及棒状结构上均可以实现粘附。
图6为骨髓基质干细胞在传统三维打印支架ST-AKT(a、e、i)、空管三维打印支架HT-AKT(b、f、j)仿热狗结构支架30AKT(c、g、k)以及载药的30AKT(d、h、l)上的粘附的SEM照片。可以看出在三种材料上细胞均可以实现粘附生长，且细胞状态良好，触脚铺展很开。
图7分别为骨髓基质干细胞在四种支架上的增殖结果。
图8为骨髓基质干细胞在ST-AKT、HT-AKT、30AKT、载药30AKT分化结果，表明药物提高了骨髓基质干细胞的成骨相关的基因表达(a),(b),(c),(d)。
图9分别为棒状结构为氧化石墨烯(GO)的仿热狗支架(a、b)以及以磷酸三钙(β-TCP)(c、d)为原料制备的三维打印仿热狗结构支架。
图10为兔子股骨实验中不同组动物实验的光学照片、CT扫描的二维以及三维照片。
图11为兔子股骨实验中不同组分的成骨定量数据统计。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
图1示出本发明一实施方式的生物活性支架的图片。如图1所示，该生物活性支架(或称仿热狗结构支架)具有仿热狗结构，具体而言，具有宏观空心管结构以及空心管内部具有微观层状结构的棒。
空心管的尺寸可以根据需要调节，例如其内径可为1mm～2mm，厚度为0.1mm～0.5mm，在该尺寸时具有易于成骨细胞进入促进新骨长出的优点。
棒可沿空心管的轴向延伸。棒的外周面可以紧贴在空心管内壁上，也可以与空心管内壁之间可具有一定间距，间距例如可为0mm～0.5mm。
棒的直径可调，例如可为0.1mm～1mm。棒的长度可与空心管的长度大致相等。
棒具有微观层状结构，各层之间具有间距，因而具有连通有序的孔道。本发明中的层状通道结构相较于莲藕结构设计了更微观的结构，从而使得比表面积以及孔隙率进一步增大，从而使得营养传输、载药性能提升，更加有利于细胞的增殖与成骨。各层之间的间距可调，例如可为20μm～50μm。
空心管和/或棒的材质为生物活性材料，例如生物陶瓷、石墨烯等。空心管和棒的材质可以相同，也可以不同。所谓生物陶瓷是指具有生物或生理功能的陶瓷材料。在此，生物陶瓷没有特别限定，可以是本领域常用的生物陶瓷，例如可为镁黄长石(Ca2MgSi2O7)、氧化石墨烯、磷酸三钙(β-TCP)、nagel陶瓷(Ca7Si2P2O16)等。
生物活性支架中可装载有药物。所述药物优选为具有成骨活性的药物，如淫羊藿苷(Icraiin)、***等。
本公开的生物活性支架具有良好的药物可控释放性能、生物活性、成骨性。
以下，作为示例，说明上述生物活性支架的制备方法。
首先，制备空心管。空心管优选采用三维(3D)打印的方法制备。3D打印精度高、打印的形状尺寸高度可控。
关于3D打印，可以先将生物活性材料粉配制成浆料。该浆料中还可含有添加剂，例如粘结剂、增稠剂等，以使浆料更适于3D打印。浆料的溶剂可为水等。一个示例中，浆料中含有海藻酸钠和F127。海藻酸钠可增加浆料的粘稠度和弹性。F127可作为粘结剂和分散剂。F127也可由聚乙烯醇替代或两者同时使用。一个示例中，将生物活性材料粉：海藻酸钠：F127(质量分数为20％的水溶液)以质量比为1:(0.05～0.07)：(0.4～0.6)进行混合，得到浆料(半固态浆料)。
利用程序设计支架具体参数，调控支架的形状、尺寸等，进行3D打印，得到空心管生坯。
将空心管生坯烧结，得到空心管。烧结制度可根据材料选择，例如可在1000～1350℃烧结3～5小时。
然后，将空心管放置到含有冰模板浆料的模具中，利用冰模板法长入层状结构的棒。所谓冰模板法是指利用单向冷源进行冷冻，在此过程中，冰晶会沿着温度梯度生长将浆料中陶瓷粉体推至冰晶两侧，经过冷冻干燥使冰升华后留下层状陶瓷坯体，然后烧结得到层状的棒状结构。单向冷源为在浆料的一侧营造低温环境，另外一侧为比上述一侧温度高的温度(例如室温)，由此出现温度梯度，在此温度梯度下，冰晶出现生长方向的趋势，如此烧结后会出现层状棒状结构。如果不使用单向冷源，最终会得到棒状结构，但不是有序层状的。一个示例中，利用-80℃到-70℃的单向冷源进行冷冻，即浆料的一侧为-80℃到-70℃，另一侧为室温。冷冻时间可为至完全冷冻为止，例如为10分钟～1小时。
冰模板浆料中含有生物活性材料粉。生物活性材料粉在冰模板浆料中的质量分数可调，例如可为5％～50％。通过调节生物活性材料粉在冰模板浆料中的质量分数，可以调控棒的直径和/或层间距。例如，随着冰模板浆料中生物活性材料粉含量的增加，支架中棒状结构直径逐渐变大，棒中的层间距在逐渐减小。
冰模板浆料的溶剂可为水。另外，冰模板浆料中还可含有助剂，例如分散剂、粘结剂等。一实施方式中，冰模板浆料中含有聚丙烯酸钠以及聚乙烯醇(PVA)。聚丙烯酸钠以及聚乙烯醇的含量可根据生物活性材料粉的材料来选择。一个示例中，聚丙烯酸钠的质量分数为1％～3％，聚乙烯醇的质量分数1％～6％。一实施方式中，冰模板浆料可以是通过将各原料进行高能球磨而得。一个示例中，在200～500r/min下球磨1.5～5小时。
一个示例中，将空心管放置到含有冰模板浆料的模具中后，在-80～-70℃冰冻10min～1h，得到坯体。
将所得的坯体进行冷冻干燥，取出包埋在坯体块体中的支架进行烧结，得到生物活性支架。冷冻干燥时间可为1～3天，优选为24～48h。烧结制度可根据材料选择，例如在1000～1350℃烧结3～5h。所得支架中棒状结构具有连续的均匀层状微孔道结构。
制得的生物活性支架可用于装载药物。一实施方式中，将生物活性支架在药物溶液中浸泡，从而在支架表面吸附大量的药物。一个示例中，将生物活性支架在淫羊藿苷溶液中进行药物装载，淫羊藿苷的浓度为20～50mg/mL，装载时间为1～3天，装载温度为20～60℃。
装载淫羊藿苷后，仿热狗结构支架相较于传统的三维打印支架具有更好的药物释放性能，可以实现37℃PBS中、120r/min摇床下长达90天以上的可控释放。通过调控仿热狗支架棒状结构，进而调控药物的装载量与缓释时间。同时装载淫羊藿苷的仿热狗结构支架生物相容性保持良好，兔子的骨髓基质干细胞在支架表面铺展、粘附良好。具有热狗结构的支架更加有利于细胞的增殖，其装载淫羊藿苷后能显著促进兔子成骨相关基因的表达。体内动物实验进一步证实，在上述仿热狗结构支架内部，有新骨组织的生成，与传统三维打印支架相比，仿热狗结构支架内部有更多的骨组织生成，骨缺损的修复效果更好。装载淫羊藿苷之后的仿热狗支架具有更好的成骨效果。综上说明，与传统三维打印支架相比，本发明实施方式的载药三维打印热狗结构支架更有利于细胞的粘附和增殖以及分化效果，具有更好的体内成骨活性，更适合于大块骨缺损的修复。
根据上述实施方式，利用三维打印制备空心管，利用冰模板法构筑具有层状连通有序的棒状结构，将三维打印支架与冰模板法结合从而将三维打印支架赋予微结构，同时构建出的微结构有利于成骨药物的负载，在大块骨缺损的修复中起到了重要的作用。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
取5g纯镁黄长石粉体(购自昆山华侨科技新材料有限公司)，0.32g海藻酸钠粉与2.5g质量分数为20％的F127水溶液充分混合后，利用三维打印技术制备空心管三维打印支架。
将打印支架在1350℃煅烧3小时，得到纯的空心管三维打印支架HT-AKT。
配制冰模板浆料：镁黄长石在水溶液中的质量分数分别为20％、30％、40％、50％，聚丙烯酸钠质量分数为1.5％，PVA的质量分数为1.5％，浆料在高能球磨机500r/min下球磨1.5h。
将空心管支架(HT-AKT)置于含有上述各镁黄长石冰模板浆料的模具中，利用冰模板法，利用-70～-80℃的单向冷源进行冷冻，使得浆料长入空心管道中。将得到的坯体进行冷冻干燥36h，取出包埋在坯体块体中的支架进行1350℃烧结4h，分别得到20AKT、30AKT、40AKT、50AKT(分别对应上述镁黄长石的质量分数20％、30％、40％、50％)仿热狗结构生物陶瓷支架。
将仿热狗结构生物陶瓷支架浸泡在30mg/mL的淫羊藿苷(简称ICA)-DMSO溶液中进行装载，装载2天，装载温度为25℃。
对比例1
取5g纯镁黄长石粉体，0.32g海藻酸钠粉与2.5g质量分数为20％的F127水溶液充分混合后，利用三维打印技术制备实心三维打印支架ST-AKT，其与上述HT-AKT的区别仅在于其为实心而HT-AKT为空心。
通过光学显微镜、SEM、micro-CT等方式对各支架进行表征。图1示出30AKT支架正面(a-c)侧面(d-f)内部(g-h)结构。由数码照片、光学显微镜图以及SEM和micro-CT图可以看出层状棒状结构具有连续连通的特性且均匀大面积的分布在单通道三维打印支架当中。
图2为30AKT支架整体结构(a-c)和剖面结构(d-e)。可以明显看出棒状结构是层状的且具有有序联通的结构，且在不同深度均是有序连通。
图3为不同形貌棒状结构的三维打印仿热狗支架，空管三维打印支架HT-AKT(a、f、k、p)，冰模板浆料镁黄长石质量分数分别为20％、30％、40％、50％的20AKT(b、g、l、q)、30AKT(c、h、m、r)、40AKT(d、i、n、s)、50AKT(e、j、o、t)。可以看出通过改变冰模板浆料中陶瓷的含量进行支架形貌调控，发现随着浆料浓度增加，内部棒状逐渐增粗，层厚加大，层间距减小。
对所得的各支架进行性能评价，具体如下所述。
载药仿热狗结构生物陶瓷支架的药物装载与释放性能
药物装载通过将支架浸泡在淫羊藿苷的DMSO溶液中，并放在37℃120r/min摇床3天，释放量通过酶标仪检测吸光度从而有测出的淫羊藿苷的吸光度曲线得到浓度值，从而计算释放量。
图4为不同棒状结构的仿热狗结构支架的载药(a-e)与释放情况(f)。其中a表示淫羊藿苷特征吸收峰为355nm，b表示淫羊藿苷的吸光度与浓度的定量关系，c表示各支架的载药率，d表示各支架的载药量，e表示进行热重分析药物的装载量。图e中Control30AKT表示没有装载药物的热狗支架。从图中可以看出不同结构的仿热狗支架具有不同的载药能力与效率，相比于传统的三维支架，仿热狗支架有更优异的效果，具有超长的缓释作用。
通过改变冰模板浆料浓度、化学组分等可对仿热狗结构支架的形貌进行调控，将支架浸泡淫羊藿苷-DMSO溶液中进而调控载药的效率，从而调控药物释放的性能，进而调节成骨。结果显示，载药仿热狗结构生物陶瓷支架具有优异的调控药物释放的性能。
载药仿热狗结构生物陶瓷支架与兔子骨髓基质干细胞的相互作用
将骨髓基质细胞种分别植在传统实心三维打印支架ST-AKT和空心管三维打印支架HT-AKT、仿热狗结构支架30AKT以及载药仿热狗结构支架30AKT上，培养3天后用扫描电镜观察细胞的形貌，并采用MTT法检测细胞1，3，7天的增殖能力。通过RT-PCR测试骨髓基质干细胞在陶瓷支架上及支架浸提液内的基因表达。
图5为骨髓基质干细胞在传统实心三维打印支架ST-AKT(a、e)、空管三维打印支架HT-AKT(b、f)仿热狗结构支架30AKT(c、g)以及载药的30AKT(d、h)上的粘附的共聚焦照片和仿热狗结构支架30AKT截面细胞的分布状态(i、j)。可以看出细胞在四种材料以及棒状结构上均可以实现粘附，其中，粘附量由多到少依次为：载药的30AKT、仿热狗结构支架30AKT、空管三维打印支架HT-AKT、传统实心三维打印支架ST-AKT。
图6为骨髓基质干细胞在传统三维打印支架ST-AKT(a、e、i)、空管三维打印支架HT-AKT(b、f、j)仿热狗结构支架30AKT(c、g、k)以及载药的30AKT(d、h、l)上的粘附的SEM照片。可以看出在仿热狗结构支架30AKT以及载药的30AKT上细胞均可以实现粘附生长，且细胞状态良好，触脚铺展很开，其状态优于ST-AKT和HT-AKT。
图7分别为骨髓基质干细胞在四种支架上的增殖结果。其中“Blank”表示在二维爬片上进行细胞培养证明细胞状态良好，30AKT-ICA表示载有淫羊藿苷的30AKT。从图7可以看出仿热狗支架30AKT相较于传统实心支架ST-AKT更有利于细胞的增殖。
图8为骨髓基质干细胞在ST-AKT、HT-AKT、30AKT、载药30AKT(30AKT-ICA)分化结果，表明药物提高了骨髓基质干细胞的成骨相关的基因表达。
以上结果表明骨髓基质干细胞能够在四种支架材料上进行很好的黏附和增殖，仿热狗结构支架相对于空心及实心支架、载药的仿热狗结构支架相对于非载药支架更能促进骨髓基质干细胞的成骨相关的基因表达。说明仿热狗结构支架和载药功能化支架具有很好的诱导骨髓基质干细胞的成骨分化能力。
载药仿热狗结构生物陶瓷支架在动物体内的成骨能力
进行Blank(空白对照组，未植入任何支架)、HT-AKT、30AKT、30AKT-ICA四组的兔子的股骨实验，每组六个平行样。于八周之后观察成骨情况。
Micro-CT结果显示(参见图10)，支架植入兔子股骨缺损部位八周后，HT-AKT、30AKT、载药30AKT的内部和周围都有大量新生骨组织生成，定量结果(参见图11)表明仿热狗支架以及载药仿热狗结构支架有更好的成骨效果。该结果证实载药仿热狗生物陶瓷支架有促进体内成骨的能力。上述研究表明，仿热狗支架相较于传统三维打印支架具有优异的体内外成骨活性，经过载淫羊藿苷处理后，支架的生物活性有明显的提高。
实施例2
取5g纯β-TCP粉体(购自昆山华侨科技有限公司)，0.22g海藻酸钠粉与1.5g质量分数为30％的F127水溶液充分混合后，利用三维打印技术制备单通道空管三维打印支架。
将打印支架在11000℃煅烧3小时，得到纯的单通道三维打印支架。
配制冰模板浆料：β-TCP在水溶液中的质量分数为10％-50％，聚丙烯酸钠质量分数为1％-3％，PVA的质量分数为4％-5％，浆料在高能球磨机500r/min下球磨1.5-5h。
将单通道β-TCP支架置于含有质量分数10％-50％β-TCP冰模板浆料的模具中，利用冰模板法，使得浆料长入空心管道中。将得到的坯体进行冷冻干燥24-48h，取出包埋在坯体块体中的支架进行1100℃烧结3-5h，得到β-TCP仿热狗结构生物陶瓷支架。
实施例3
取6g纯镁黄长石粉体，0.3g海藻酸钠粉与1.5g质量分数为20％的F127水溶液充分混合后，利用三维打印技术制备空心管三维打印支架。
将打印支架在1350℃煅烧3小时，得到纯的空心管三维打印支架HT-AKT。
配制冰模板浆料：氧化石墨烯(GO)(购自昊冶有限公司)在水溶液中的质量分数为5-20％，聚丙烯酸钠质量分数为1.5％-2.5％，PVA的质量分数为3％-6％，浆料在高能球磨机500r/min下球磨1.5-2h。
将空心管支架(HT-AKT)置于含有质量分数5％-20％GO冰模板浆料的模具中，利用冰模板法，使得浆料长入空心管道中。将得到的坯体进行冷冻干燥24-48h，得到GO仿热狗结构生物陶瓷支架。
图9分别为实施例3制得的棒状结构为氧化石墨烯(GO)的仿热狗支架(a、b)以及实施例2制得的以磷酸三钙(β-TCP)(c、d)为原料制备的三维打印仿热狗结构支架的图片。可以看出，均可以得到热狗结构支架。

Claims (10)

1.一种生物活性支架，其特征在于，包括：生物活性材料空心管、以及位于所述生物活性材料空心管内部的生物活性材料棒，所述生物活性材料棒具有连续层状结构。
2.根据权利要求1所述的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性材料空心管的内径为1mm～2mm，厚度为0.1mm～0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性材料棒的直径为0.1mm～1mm，所述连续层状结构的层间距为20μm～50μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性支架装载有药物，优选地，所述药物是具有成骨活性的药物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性材料空心管和/或所述生物活性材料棒的材质为生物陶瓷，优选自镁黄长石、氧化石墨烯、磷酸三钙中的至少一种。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的生物活性支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过三维打印制备生物活性材料空心管生坯；
将所述生物活性材料空心管生坯烧结，得到生物活性材料空心管；
将所述生物活性材料空心管置于具有生物活性材料的浆料中，利用单向冷源进行冷冻，得到坯体；
将所述坯体冷冻干燥后烧结，得到所述生物活性支架。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述具有生物活性材料的浆料中生物活性材料的质量分数为5%～50%，溶剂为水；优选地，所述具有生物活性材料的浆料是通过将各原料在200～500r/min下球磨1.5～5小时而得。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述单向冷源的温度为-80～-70℃。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将所得生物活性支架在药物溶液中浸泡以装载药物。
10.一种权利要求1至5中任一项所述的生物活性支架在制备骨修复材料中的应用。
CN201811542326.1A 2018-12-17 2018-12-17 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用 Active CN109394394B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811542326.1A CN109394394B (zh) 2018-12-17 2018-12-17 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811542326.1A CN109394394B (zh) 2018-12-17 2018-12-17 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109394394A true CN109394394A (zh) 2019-03-01
CN109394394B CN109394394B (zh) 2020-10-23

Family

ID=65459527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811542326.1A Active CN109394394B (zh) 2018-12-17 2018-12-17 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109394394B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114939226A (zh) * 2022-07-25 2022-08-26 中南大学 应用于胰肠吻合术的胰酶灭活支架引流管及其制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1793057A (zh) * 2005-12-29 2006-06-28 武汉理工大学 层状多孔磷酸钙生物陶瓷的制备方法及其应用
CN103876862A (zh) * 2012-12-22 2014-06-25 深圳先进技术研究院 骨支架成型***
CN104478463A (zh) * 2014-11-21 2015-04-01 大连理工大学 一种层状多孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法
CN105769382A (zh) * 2016-02-24 2016-07-20 浙江大学 适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架及其制造方法
CN106075591A (zh) * 2016-07-12 2016-11-09 东华大学 一种增强片层复合材料及其制备方法
CN106310368A (zh) * 2016-08-31 2017-01-11 聊城市人民医院 用于肋骨结构特征缺损的修复材料及制备方法和制造模具
CN107698261A (zh) * 2017-07-26 2018-02-16 航天特种材料及工艺技术研究所 一种3d打印陶瓷材料
CN108030956A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 ***性骨缺损的生物活性玻璃陶瓷支架及其制备方法和应用
WO2018089939A1 (en) * 2016-11-10 2018-05-17 206 Ortho, Inc. Method for treating bone fractures, and fortifying bone, using composite implants, for medical and non-medical applications

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1793057A (zh) * 2005-12-29 2006-06-28 武汉理工大学 层状多孔磷酸钙生物陶瓷的制备方法及其应用
CN103876862A (zh) * 2012-12-22 2014-06-25 深圳先进技术研究院 骨支架成型***
CN104478463A (zh) * 2014-11-21 2015-04-01 大连理工大学 一种层状多孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法
CN105769382A (zh) * 2016-02-24 2016-07-20 浙江大学 适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架及其制造方法
CN106075591A (zh) * 2016-07-12 2016-11-09 东华大学 一种增强片层复合材料及其制备方法
CN106310368A (zh) * 2016-08-31 2017-01-11 聊城市人民医院 用于肋骨结构特征缺损的修复材料及制备方法和制造模具
WO2018089939A1 (en) * 2016-11-10 2018-05-17 206 Ortho, Inc. Method for treating bone fractures, and fortifying bone, using composite implants, for medical and non-medical applications
CN107698261A (zh) * 2017-07-26 2018-02-16 航天特种材料及工艺技术研究所 一种3d打印陶瓷材料
CN108030956A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 ***性骨缺损的生物活性玻璃陶瓷支架及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114939226A (zh) * 2022-07-25 2022-08-26 中南大学 应用于胰肠吻合术的胰酶灭活支架引流管及其制备方法
CN114939226B (zh) * 2022-07-25 2022-11-25 中南大学 应用于胰肠吻合术的胰酶灭活支架引流管及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109394394B (zh) 2020-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111070376B (zh) 一种3d打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法
Huang et al. Porous and strong bioactive glass (13–93) scaffolds fabricated by freeze extrusion technique
JP5154729B2 (ja) 多孔質人工骨移植片およびその製造方法
CN105311673B (zh) 3d打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架及其制备方法和用途
Aguilar-Reyes et al. Processing and in vitro bioactivity of high-strength 45S5 glass-ceramic scaffolds for bone regeneration
Li et al. Preparation of bioactive β-tricalcium phosphate microspheres as bone graft substitute materials
EP1117626B2 (en) Foamed ceramics
CN107441552B (zh) 一种仿生莲藕结构的生物活性支架及其制备方法和应用
Hong et al. Preparation of porous bioactive ceramic microspheres and in vitro osteoblastic culturing for tissue engineering application
Wang et al. Three-dimensional fully interconnected highly porous hydroxyapatite scaffolds derived from particle-stabilized emulsions
CN110092653A (zh) 一种3D打印可降解β-磷酸三钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法和用途
CN113101410A (zh) 一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用
Zhang et al. Fabrication and properties of porous β-tricalcium phosphate ceramics prepared using a double slip-casting method using slips with different viscosities
CN110171979B (zh) 一种大尺寸个性化生物活性陶瓷植入体的制备方法
CN110054505B (zh) 一种负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的制备方法
Lei et al. Biphasic ceramic biomaterials with tunable spatiotemporal evolution for highly efficient alveolar bone repair
CN114129771A (zh) 仿海绵骨针微结构的柔性生物陶瓷支架及其制备方法和应用
CN109394394A (zh) 仿热狗结构生物活性支架及其制备方法和应用
JP7341502B2 (ja) 水溶性塩粒子を含有する組成物およびそれから作製される多孔性材料
Yang et al. Fabrication of β-TCP scaffold with pre-designed internal pore architecture by rapid prototyping of mask projection stereolithography
Hesaraki Freeze-casted nanostructured apatite scaffold obtained from low temperature biomineralization of reactive calcium phosphates
Swain Processing of porous hydroxyapatite scaffold
CN114014647B (zh) 一种硅酸锌复合磷酸三钙陶瓷支架及其制备方法与应用
CN108079369B (zh) 具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架及其制备方法和用途
Sa et al. Fabrication and evaluation of 3D β-TCP scaffold by novel direct-write assembly method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220113

Address after: 215499 south side of the second floor, building 2, No. 6, Liangfu Road, Chengxiang Town, Taicang City, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee after: Zhongkesino (Taicang) biomaterial Technology Co.,Ltd.

Address before: 200050 No. 1295 Dingxi Road, Shanghai, Changning District

Patentee before: SHANGHAI INSTITUTE OF CERAMICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES