一种多功能复合多孔支架及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及医用生物材料技术领域，尤其涉及一种多功能复合多孔支架及其制备方法与应用。


背景技术：

2.骨缺损是临床最常见的疾病之一，造成骨缺损的原因往往是多样的，包括先天性骨疾病、创伤，骨肿瘤切除等等。以肿瘤切除后的骨缺损修复为例，虽然手术联合辅助化疗可以大大提高患者的生存率，但仍存在癌症复发或转移的风险。此外，伴随手术治疗所造成的骨缺损几乎是不可避免的，这通常需要植入骨支架来引导新骨长入。因此，开发一种既能促进成骨，又能切除残留肿瘤细胞的新型骨架修复材料至关重要。
3.近年来，利用双功能骨组织工程支架治疗肿瘤相关缺损已成为一大研究热电。这些骨组织工程支架通常由骨修复材料与光热转换制剂涂层组成。光热转换制剂涂层可将近红外光转化为热进行肿瘤治疗，而骨修复材料能促进骨缺损部位再生。虽然这些复合支架具有良好的骨修复和抗肿瘤能力，但目前所用光热制剂普遍不具备生物活性，且所用激光主要集中在近红外一区，组织穿透深度有限，很难满足临床需求。与近红外一区光相比，近红外二区光对组织的穿透更深，最大允许能量更高。因此，开发具备生物活性的近红外二区光热制剂，并制备成多孔支架用于骨肿瘤切除后的缺损修复更有临床意义。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多功能复合多孔支架及其制备方法与应用，旨在解决现有复合支架仅具有红外一区光热转换性能，无法实现更深层的肿瘤治疗与组织修复的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种多功能复合多孔支架的制备方法，其中，包括步骤：
8.对生物陶瓷块材进行超声剥离处理，得到生物陶瓷纳米片，所述生物陶瓷纳米片具备近红外光热转换性能；
9.将所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料混合，得到打印用复合膜；
10.将所述打印用复合膜进行3d打印，制备得到多功能复合多孔支架。
11.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，所述生物陶瓷块材为srcusi4o
10
和bacusi4o
10
中的一种或两种。
12.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，对生物陶瓷块材进行超声剥离处理，得到生物陶瓷纳米片的步骤包括：
13.将生物陶瓷块材加入到剥离溶剂中，得到生物陶瓷块剥离溶液，所述剥离溶剂为纯水、盐酸、单宁酸和n
‑
甲基吡咯烷酮中的一种或多种；
14.对所述生物陶瓷块剥离溶液进行超声剥离处理，得到生物陶瓷纳米片。
15.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，所述生物高分子材料为聚己内酯、海藻酸钠、壳聚糖和明胶中的一种或多种。
16.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，将所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料混合的步骤中，所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料的质量比为0.1
‑
2:10。
17.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，所述近红外光热转换性能包括近红外一区光热转换性能和近红外二区光热转换性能，所述近红外一区的波长为780
‑
1100nm，所述近红外二区的波长为1100
‑
2526nm。
18.所述多功能复合多孔支架的制备方法，其中，将所述打印用复合膜进行3d打印的步骤中，3d打印的温度为20
‑
200℃。
19.一种多功能复合多孔支架，其中，采用本发明所述多功能复合多孔支架的制备方法制得。
20.一种多功能复合多孔支架的应用，其中，将本发明所述的多功能复合多孔支架用于制备治疗肿瘤的药物。
21.一种多功能复合多孔支架的应用，其中，将本发明所述的多功能复合多孔支架用于骨缺损修复的药物。
22.有益效果：本发明提供一种多功能复合多孔支架的制备方法，通过利用生物高分子材料优异的打印性能以及生物相容性制备出多功能复合多孔支架，该方法制备工艺简单、易于操作，有利于临床推广和应用。本发明制得的多功能复合多孔支架具备优异的近红外二区光热转换性能，可用于更深层次的肿瘤光热治疗；同时其能够降解释放活性元素cu，si等微量元素，有利于骨缺损修复。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种多功能复合多孔支架的制备方法流程图。
24.图2是本发明实施例1提供的样品扫描及透射电子显微镜图片。
25.图3是本发明实施例2提供的样品宏观照片及扫描电子显微镜图片。
26.图4是本发明实施例2所制备的复合多孔支架的离子释放曲线。
27.图5是本发明实施例2所制备的复合多孔支架的光热转换曲线。
28.图6是本发明实施例3所中复合多孔支架抑制肿瘤生长的曲线。
29.图7是本发明实施例4中组织切片染色(h&e)图片。
具体实施方式
30.本发明提供一种多功能复合多孔支架及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.研究发现，通过对骨修复材料表面修饰光热转换制剂能够赋予材料光热肿瘤治疗作用，但目前所用光热转换制剂普遍集中在近红外一区，且缺乏生物活性，并不是理想的骨修复材料。
32.基于此，本发明提供了一种多功能复合多孔支架的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
33.s10、对生物陶瓷块材进行超声剥离处理，得到生物陶瓷纳米片，所述生物陶瓷纳米片具备近红外光热转换性能；
34.s20、将所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料混合，得到打印用复合膜；
35.s30、将所述打印用复合膜进行3d打印，制备得到多功能复合多孔支架。
36.在本实施例中，所述多功能复合多孔支架中的生物陶瓷纳米片具备优异的近红外一区(780
‑
1100nm)光热转换性能和近红外二区(1100
‑
2526nm)光热转换性能，这使得所述多功能复合多孔支架可以用于更深层次的肿瘤治疗；同时生物陶瓷纳米片降解释放的活性元素cu，si等微量元素有利于血管生成以及新骨长入，能够促进填充部位的缺损修复。所述多功能复合多孔支架中的生物高分子材料是生物相容性极好的生物高分子材料，具备较低的熔点以及合适的流变性，非常适合挤出式3d打印技术，将其与生物陶瓷纳米片复合后，可通过打印程序得到最终的所需所述多功能复合多孔支架。
37.在本实施例中，所述多功能复合多孔支架活性一方面可以作为术后缺损部位的填充物，起到引导骨长入的作用，另一方面可以通过近红外二区激光照射产生热清除缺损周围残留肿瘤。因此，本实施例制备的所述多功能复合多孔支架可用于制备治疗肿瘤的药物或用于骨缺损修复的药物，具有很好的临床应用前景。
38.在一些实施方式中，将生物陶瓷块材加入到剥离溶剂中，得到生物陶瓷块剥离溶液，所述剥离溶剂为纯水、盐酸、单宁酸和n
‑
甲基吡咯烷酮中的一种或多种；对所述生物陶瓷块剥离溶液进行超声剥离处理，得到生物陶瓷纳米片。本实施例中，所述生物陶瓷块材为srcusi4o
10
和bacusi4o
10
中的一种或两种，但不限于此。作为举例，当所述生物陶瓷块材为srcusi4o
10
时，对其进行超声剥离处理得到的生物陶瓷纳米片在近红外二区由很好的光热转换性能，赋予了材料光热治疗肿瘤的潜力，且所述生物陶瓷纳米片由人体必须的微量元素组成，其能够在生物体内降解并释放sr，cu，si等生物活性离子，促进骨组织再生。
39.在一些实施方式中，所述生物高分子材料为聚己内酯、海藻酸钠、壳聚糖和明胶中的一种或多种。本实施例中，所述生物高分子材料均具备较低的熔点、较佳的生物相容性以及合适的流变性，非常适合挤出式3d打印技术，将其与生物陶瓷纳米片复合后，可通过打印程序得到最终的所需所述多功能复合多孔支架。
40.在一些实施方式中，所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料通过物理混合的方法制备打印用复合膜，本实施例中，所述物理混合包括加热混合或室温混合。
41.在另一些实施方式中，将所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料加入到氯仿溶液中搅拌均匀，氯仿挥发后得到所述打印用复合膜。
42.在一些实施方式中，将所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料混合制备打印用复合膜的步骤中，所述生物陶瓷纳米片与生物高分子材料的质量比为0.1
‑
2:10。在本实施例中，若生物陶瓷纳米片含量占比过低，则不能保证制得的多功能复合多孔支架具有足够的光热转换性能；若所述生物陶瓷纳米片含量占比过高，则会产生一定的细胞毒性。
43.在一些实施方式中，通过设定好的打印程序将所述打印用复合膜打印成多功能复合多孔支架。本实施例中，3d打印的温度为20
‑
120℃，但不限于此。
44.在一些具体的实施方式中，所述3d打印为挤出式3d打印，3d打印所用针头为23
‑
32g，打印的参数包括：单层厚度0.05
‑
0.5mm，打印速度1
‑
20mm/s，气压为100
‑
800kpa，打印温度为60
‑
120℃。
45.在一些实施方式中，还提供一种多功能复合多孔支架，其采用本发明所述多功能复合多孔支架的制备方法制得。所述多功能复合多孔支架具有较好的力学强度，可以按照骨缺损大小进行打印并填充于缺损部位；所述多功能复合多孔支架还具有较好的光热性能，能够在近红外二区激光照射下产生热，清除手术残余肿瘤；同时支架降解所释放的活性元素sr，cu，si又能促进血管长入、新骨再生，有望用于肿瘤切除后的骨缺损修复。
46.下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
47.实施例1
48.取20mg生物陶瓷(srcusi4o
10
)块材分散到水溶液中，利用细胞破碎仪对生物陶瓷块材进行超声剥离，超声功率1000w，时间为6h，获得的生物陶瓷纳米片通过分段离心方式富集(4000～8000rmp)。
49.本实施例所用生物陶瓷块材的扫描电子显微镜(sem)照片，以及制备得到的生物陶瓷纳米片的透射电子显微镜(tem)照片如附图2所示。
50.附图2b显示本实施例制得的生物陶瓷纳米片大小200～300nm，厚度5～10nm。
51.实施例2
52.通过挤出式3d打印技术制备不同比率的复合多孔支架。简单地说，将生物高分子(聚己内酯，pcl)和srcusi4o
10
纳米片(2、4、8wt％)在氯仿中均匀混合，并浇铸在烧杯内壁形成薄膜。待在氯仿蒸发后，将复合膜被转移到打印注射器中用于3d打印(bioscaffold 3.1,gesim，德国)，打印温度为80℃。作为对照，纯pcl支架也使用同样的步骤进行3d打印。
53.本实施例制备得到的复合多孔支架的宏观照片及sem照片如附图3所示，其离子释放性能如附图4所示，光热性能如附图5所示。
54.附图3的宏观照片(a)显示随着srcusi4o
10
纳米片含量的提高，支架整体透明度降低；sem照片(b)显示各支架尺寸类似，结构规整，没有明显的差别。
55.附图4显示活性元素sr,cu,si能够从复合多孔支架中持续释放出来，且释放量随着srcusi4o
10
纳米片含量的提高而提高。
56.附图5显示相比与纯pcl支架，复合多孔支架具有很好的光热转换性能，且支架的光热强度随着srcusi4o
10
纳米片含量的提高而提高。
57.实施例3
58.将实施例2中得到的srcusi4o
10
纳米片含量为4％的复合多孔支架植入荷瘤小鼠皮下肿瘤附近，用1064nm激光照射材料产生光热效应杀死肿瘤。附图6的肿瘤体积曲线显示激光照射复合多孔支架组能够有效低抑制肿瘤生长，表明材料有很好的抗肿瘤效果。
59.实施例4
60.将实施例2中得到的srcusi4o
10
纳米片含量为4％的复合多孔支架植入大鼠颅骨缺损中，纯生物高分子支架作为对照。
61.附图7的苏木精
‑
伊红染色(h&e)照片显示本实施例制得的样品应用于大鼠颅骨修复后，观察到明显的新骨长入，表明材料有很好的促成骨效果。
62.通过上述实施例可知，本发明基于srcusi4o
10
纳米片良好的光热转换性能以及生物活性，利用3d打印技术将其与pcl进行复合，制备出srcusi4o
10
纳米片/pcl复合多孔支架，该复合支架继承了具有较高的力学强度，同时继承生物陶瓷纳米片的光热性能和生物活性。支架植入体内后，一方面可以通过近红外二区激光照射产生热清除肿瘤，另一方面材料
降解释放的sr，cu,si活性元素有利于血管长入以及新骨形成，能够促进骨缺损再生。本发明所提供的制备方法工艺简单，制备成本低，符合工业生产的要求。多功能复合支架的构建元素均为人体安全的生物高分子或者生物活性陶瓷，具备良好的生物相容性，生物可降解性和生物活性，具有良好的应用前景。
63.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进或变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。