一种高活性可注射材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及生物医用材料，具体地涉及一种高活性可注射材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，环境污染、自然灾害、交通事故和人口老龄化导致的骨科疾病严重威胁人类健康。尽管自体骨移植和异体骨移植作为传统骨损伤治疗手段具有较高的活性，然而存在着骨源有限、以伤养伤和免疫原性等问题。而当前临床用人工骨修复材料结构单一，缺少仿生骨成份，生物活性低，临床应用受限。可注射生物材料可以通过注射的方式将材料通过微创的方式填充到任何形状部位，而且便于活性因子的固载和管理药物释放，在组织工程和再生领域获得了广泛的关注。
3.然而，当前的可注生物材料普遍存在制备工艺复杂、生物活性差等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种均匀、稳定的具有良好相容性和成骨活性的锂藻土基可注射复合材料及其制备方法和应用。
5.本发明的第一方面，提供了一种可注射复合材料，所述复合材料包含锂藻土、成骨活性材料和任选的高分子材料，其中，
6.所述锂藻土和所述成骨活性材料的质量比为0.01-100。
7.在另一优选例中，所述锂藻土和所述成骨活性材料的质量比为0.1-50，较佳地0.3-30，更佳地0.3-10，最佳地0.3-5。
8.在另一优选例中，所述复合材料中，所述锂藻土的质量含量为5-95wt％，较佳地10-90wt％，更佳地15-85wt％；和/或
9.所述成骨活性材料的质量含量为5-95wt％，较佳地10-90wt％，更佳地15-85wt％；和/或
10.所述高分子材料的质量含量为0-30wt％，较佳地0.1-25wt％，更佳地0.5-20wt％。
11.在另一优选例中，所述锂藻土、所述成骨活性材料和所述高分子材料的总质量为所述复合材料的固相组分的80-100wt％，较佳地90-100wt％，更佳地95-100wt％。
12.在另一优选例中，所述锂藻土为直径为25nm，厚度0.92nm的纳米盘。
13.在另一优选例中，所述成骨活性材料选自下组：纳米金、生物活性玻璃、磷酸三钙、一水合磷酸二氢钙、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥、无水磷酸氢钙、氟磷灰石、磷酸四钙、硫酸镁、硫酸钙、碳化硅、二氧化硅、或其组合。
14.在另一优选例中，所述高分子材料选自下组：丝素蛋白、明胶、季铵盐壳聚糖、甲壳素、透明质酸、聚乙烯吡咯烷酮、胶原蛋白、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚二噁烷酮、层纤粘蛋白、或其组合。
15.在另一优选例中，所述锂藻土为硅酸锂镁钠盐。
16.本发明的第二方面，提供了一种本发明第一方面所述的可注射复合材料的制备方法，包括如下步骤：
17.1)提供锂藻土、成骨活性材料和任选的高分子材料；
18.2)提供水，或任选地将所述高分子材料与水混合，加热完全溶解后，得到所述高分子材料的水溶液；
19.3)将所述成骨活性材料加入水或所述高分子材料的水溶液中，充分混合，得到第一混合液；
20.4)将所述第一混合液加入所述锂藻土中，充分混合至所得混合物失去流动性，制得所述的可注射复合材料。
21.本发明的第三方面，提供了一种本发明第一方面所述的可注射复合材料的制备方法，包括如下步骤：
22.1)提供锂藻土、成骨活性材料和任选的高分子材料；
23.2)提供水，或任选地将所述高分子材料与水混合，加热完全溶解后，得到所述高分子材料的水溶液；
24.3)将所述锂藻土和所述成骨活性材料混合，得到第一混合物；
25.4)将水或所述高分子材料的水溶液加入所述第一混合物中，充分混合至所得混合物失去流动性，制得所述的可注射复合材料。
26.本发明的第四方面，提供了一种体外、非治疗性地修复骨材料的方法，使用本发明第一方面所述的可注射复合材料。
27.应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
28.图1所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的可注射性能图。
29.图2所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的扫描电镜结果图。
30.图3所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的流变结果图。
31.图4所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料的细胞活死染色结果图。
32.图5所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料的7天碱性磷酸酶染色结果图。
具体实施方式
33.本发明人经过长期而深入的研究，通过调控材料配方，意外地制备了一种均匀、稳定的具有良好相容性和成骨活性的锂藻土基可注射复合材料，所述复合材料可在临床上现配现用，具有组成简单、制备方法简单、生物活性优异的特点。在此基础上，发明人完成了本发明。
34.术语
35.如本文所用，术语“包含”表示各种成分可一起应用于本发明的复合材料中。因此，术语“主要由
…
组成”和“由
…
组成”包含在术语“包含”中。
36.复合材料及其制备方法
37.当前大多数的可注射骨修复材料制备过程和成分过于复杂，无法在临床上现配现用，且成骨活性不足。因此，如何通过简单、快捷，临床上可现配现用的方法制备具有良好成骨活性的可注射材料是当前的重大挑战。
38.本发明的目的在于克服上述缺点，将锂藻土、成骨活性材料以及高分子复合，通过锂藻土自组装形成的粘性凝胶有效阻止成骨活性材料的团聚和沉降，同时成骨活性材料的引入提高了材料的成骨能力。可以进一步在材料中引入高分子材料对材料整体的粘度起到调节作用并提高材料的生物相容性。由于整个制备过程简单快捷有效，可以实现临床上的现配现用。
39.应理解，上述机理解释仅用于说明本发明的技术方案，并不用于限制本发明。
40.具体地，锂藻土是一种硅酸锂镁钠盐，不溶于水，在搅拌条件下很容易分散在水中，并通过自组装形成透明、无色的凝胶。锂藻土已广泛被应用于天然高分子和人工合成高分子凝胶的制备中。锂藻土是一种人工合成的硅酸盐粘土，形状是固定的，直径25nm，厚度0.92nm的纳米盘。
41.在本发明中，所述锂藻土是商购获得的，购自洛克伍德(rockwood)公司。
42.成骨活性材料如纳米金、生物活性玻璃、钙磷材料、磷酸三钙、一水合磷酸二氢钙、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥、无水磷酸氢钙、氟磷灰石等，与人骨的无机成分相似，具有良好的生物相容性，在骨组织修复领域已有诸多应用。
43.明胶、丝素蛋白、透明质酸、聚乙烯吡咯烷酮等高分子，具有来源广泛，价格低廉以及良好的生物相容性等优点，已广泛应用于各种生物材料。
44.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
45.快速成型高成骨活性可注射复合材料，由锂藻土、成骨活性材料复合制备。成骨活性材料包括纳米金、生物活性玻璃、磷酸三钙、一水合磷酸二氢钙、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥、无水磷酸氢钙、氟磷灰石、磷酸四钙、硫酸镁、硫酸钙、碳化硅、二氧化硅等一种或多种组成。可进一步在材料中引入高分子材料，高分子材料为丝素蛋白、明胶、季铵盐壳聚糖、甲壳素、透明质酸、胶原蛋白、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚二噁烷酮、丝素蛋白、层纤粘蛋白等一种或多种的组合。
46.按照浓度计，所述快速成型高成骨活性可注射复合材料中的锂藻土浓度为1-100mg/ml，成骨活性材料与锂藻土粉末质量比为1:100到99:1，高分子材料的浓度在0到100mg/ml之间。上述材料共混复合获得均一稳定的高成骨活性可注射复合材料。
47.本发明提供的一种可快速成型的高成骨活性可注射复合材料的制备方法，通过调控锂藻土、成骨活性材料以及高分子材料浓度以及比例通过共混的方式复合，获得了一系列具有可快速成型的成骨活性可注射复合材料。
48.更具体地，本发明提供了一种可快速成型的高成骨活性可注射复合材料的制备方法，所述材料由锂藻土粉末、成骨活性材料以及高分子材料复合制备。按照浓度计，所述快速成型高成骨活性可注射复合材料中的锂藻土浓度为1-100mg/ml，成骨活性材料与锂藻土粉末质量比为1:100到99:1，高分子浓度在0到100mg/ml之间。
49.所述的成骨活性材料为可在水溶液中分散的颗粒，所述的成骨活性材料可以为纳米金、生物活性玻璃、磷酸三钙、一水合磷酸二氢钙、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥、无水磷酸
氢钙、氟磷灰石、磷酸四钙、硫酸镁、硫酸钙、碳化硅、二氧化硅等一种或多种组成。
50.所述的高分子材料可在水溶液中溶解分散，所述的高分子材料可以为丝素蛋白、明胶、季铵盐壳聚糖、甲壳素、透明质酸、胶原蛋白、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚二噁烷酮、丝素蛋白、层纤粘蛋白等一种或多种的组合。
51.所述复合材料的制备步骤如下：
52.(1)将高分子在一定温度下溶解于水中，将高分子溶液(如果高分子浓度为0，则为水)与成骨活性材料粉末充分混合分散。
53.(2)将一定温度的步骤1中的溶液与锂藻土粉末混合，充分混合溶液和粉末直至溶液失去流动性，即可得到高成骨活性可注射复合材料。
54.另一种制备步骤如下：
55.(1)将高分子在一定温度下溶解于水中(如果高分子浓度为0，则为水)。
56.(2)将成骨活性材料与锂藻土粉末混合，加入步骤1的溶液，充分混合溶液和粉末直至溶液失去流动性，即可得到高成骨活性可注射复合材料。
57.可注射材料相比不可注射材料具有创伤小、痛苦少、适用于各种形状骨缺损的优点，然而当前大多数的可注射骨修复材料制备过程中引入了各种引发剂、交联剂等生物相容性差的成分，使得制备过程和成分过于复杂，无法在临床上现配现用，且成骨活性不足。
58.本发明的目的在于克服上述缺点，通过锂藻土的静电自主装特性通过物理作用快速形成可注射材料，解决了可注射材料制备过程和成分过于复杂的问题。同时，进一步在锂藻土形成的高粘度材料中可以引入大量成骨活性成分，锂藻土基可注射材料的粘度能够有效阻止成骨活性成分的团聚和沉降。大量成骨活性成分的引入能够显著提高材料的成骨活性，解决了可注射材料成骨活性不足的问题。
59.与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：
60.(1)所述复合材料具有组成简单、结构均匀稳定的特点；
61.(2)所述复合材料具有优异的相容性(如生物相容性)和优异的成骨活性；
62.(3)所述制备方法可为临床上的现配先用，具有工艺简便快捷的特点；
63.(4)所述复合材料具有良好的可注射性，可适用于各种形状的非承重骨损伤部位
64.(5)所述复合材料具有抗水性，在体液以及水中不会溃散。
65.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
66.除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
67.实施例1锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的制备
68.(1)将2g明胶加入8l超纯水，37℃加热使明胶完全溶解。将明胶溶液置于冰水浴中冷却。
69.(2)将300g长度20nm、宽度10nm的纳米羟基磷灰石的粉末加入步骤1的溶液中，充分混合。
70.(3)将步骤2的溶液加入800g锂藻土粉末，充分混合直至溶液失去流动性，即可得
到锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1。
71.实施例2锂藻土/明胶/磷酸三钙可注射复合材料2的制备
72.(1)在2g明胶中加入4l超纯水，37℃加热使明胶完全溶解。将明胶溶液置于冰水浴中冷却。
73.(2)将720g磷酸三钙与240g锂藻土粉末均匀混合，得混合粉末；
74.(3)将步骤1中的溶液加入到步骤2中的混合粉末，迅速分散混合均匀直至溶液失去流动性，即可得到锂藻土/明胶/磷酸钙可注射复合材料2。
75.实施例3锂藻土/丝素蛋白/羟基磷灰石可注射复合材料3的制备
76.(1)在600g丝素蛋白中加入400l超纯水，37℃加热使丝素蛋白完全溶解。
77.(2)将12kg长度30nm、宽度10nm纳米羟基磷灰石的粉末加入到步骤1的溶液中，充分混合。
78.(3)将步骤2中的溶液加入32kg锂藻土粉末，迅速分散混合均匀直至溶液失去流动性，即可得到锂藻土/丝素蛋白/羟基磷灰石可注射复合材料3。
79.实施例4锂藻土/透明质酸/生物活性玻璃可注射复合材料4的制备
80.(1)在2g透明质酸中加入4l超纯水，37℃加热使透明质酸完全溶解。
81.(2)将200g生物活性玻璃与200g锂藻土粉末均匀混合，得混合粉末；
82.(3)将步骤1中的溶液加入到步骤2中的混合粉末，迅速分散混合均匀直至溶液失去流动性，即可得到锂藻土/透明质酸/生物活性玻璃可注射复合材料4。
83.实施例5锂藻土/海藻酸钠/硫酸镁可注射复合材料5的制备
84.(1)在80g海藻酸钠中加入80l超纯水，37℃加热使海藻酸钠完全溶解。
85.(2)将160g硫酸镁的粉末与320g锂藻土粉末均匀混合，得混合粉末；
86.(3)将步骤1中的溶液加入到步骤2中的混合粉末，迅速分散混合均匀直至溶液失去流动性，即可得到锂藻土/海藻酸钠/硫酸镁可注射复合材料5。
87.实施例6锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的可注射性
88.本实施例是对实施例1中的可注射复合材料1进行可注射性研究。将上述材料填到注射器内，向超纯水中注射材料。
89.图1所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的可注射性能图，结果表明材料1具有良好的可注射性能。
90.实施例7锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的表面形貌
91.本实施例是对实施例1中的可注射复合材料1进行表面形貌研究。将上述材料注射到扫描电子显微镜样品台上，干燥后通过扫描电子显微镜研究锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的表面形貌。
92.图2所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的扫描电镜结果图，结果表明该材料1表面具有羟基磷灰石形成的矿化结构。
93.实施例8锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的流变学
94.本实施例是对实施例1中的可注射复合材料1进行流变学研究。将上述材料1注射到流变样品台上，改变应力研究材料的力学性能。
95.图3所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的流变结果图，结果表明该材料1在低应力下具有一定力学强度，高应力下具有类似液体的性质。
96.实施例9锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射复合材料1的生物相容性
97.本实施例是对实施例1中的可注射复合材料1进行生物相容性研究。将上述材料与兔骨髓间充质干细胞进行共培养，通过活死染色研究锂藻土/纳米羟基磷灰石可注射材料1的生物相容性。
98.图4所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的细胞活死染色结果图，绿色为活细胞，红色为死细胞，结果表明细胞在材料1表面能够黏附和增殖，材料生物相容性好。
99.实施例10锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的成骨活性
100.本实施例是对实施例1中的可注射复合材料1进行成骨活性研究。将上述材料1与兔骨髓间充质干细胞rbmscs在普通细胞培养基中共培养，对共培养14天后的细胞进行碱性磷酸酶染色。
101.图5所示为锂藻土/纳米羟基磷灰石/明胶可注射材料1的7天碱性磷酸酶染色结果图。碱性磷酸酶是重要的前期成骨标志物，能够反映材料的成骨能力。碱性磷酸酶经过实验染色后呈紫色。结果表明，材料1与细胞共培养7天后，细胞出现大量紫色物质(碱性磷酸酶)，说明材料1具有良好的成骨活性。
102.材料2-5也具有与材料1类似的上述性能。
103.在本发明提及的所有文献都在本技术中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。