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CN108355166A - 一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料及制备方法 - Google Patents

一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料及制备方法 Download PDF

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CN108355166A CN201810459567.3A CN201810459567A CN108355166A CN 108355166 A CN108355166 A CN 108355166A CN 201810459567 A CN201810459567 A CN 201810459567A CN 108355166 A CN108355166 A CN 108355166A
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Abstract

本发明公开了一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料及其制备方法。所述制备方法，包括配制介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合打印墨水的步骤；运用CAD/CAM计算机辅助软件设计支架材料的外观和内部结构的步骤；低温3D打印技术制备介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的步骤。本发明制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料具有三维连通且可控的大孔结构，力学强度高，生物相容性良好且能够促进人体骨髓间质干细胞的增殖、分化和成骨，有望为临床上大段骨缺损的修复治疗提供新的策略。

Description

一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料及制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种骨组织工程支架材料，具体涉及一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料。
背景技术
由骨肿瘤、交通事故等造成的大段骨缺损的修复治疗是临床上面临的巨大挑战。目前，利用骨组织工程支架材料来修复治疗骨缺损被认为是解决相关问题的有效方法之一。通常情况下，骨组织工程支架材料需要具备三维连通的多孔结构、良好的力学支撑性能、生物降解性能以及生物活性等基本要求。因此，设计制备满足上述基本要求的骨组织工程支架材料是修复治疗骨缺损的重点问题。
介孔生物活性玻璃(MBG)具有大的比表面积和高度有序的介孔孔道，比普通生物玻璃具有更高的生物活性，同时其介孔结构赋予药物高效装载与缓释特性，具有原位药物缓释功能。研究表明，MBG虽然也能够促进成骨细胞的增殖、分化，诱导新骨再生，但是其降解产物诱导周围环境碱性增加，不利于骨细胞响应。金属有机框架(Metal-OrganicFramework，英文缩写MOF)是由金属离子或团簇和有机配体通过配位自组装形成的多孔晶体材料，其中部分铁基、锌基和锆基MOF材料具有生物相容性、生物降解性能，在生物医药领域展现出光明的应用前景；同时，MOF材料降解产物中的有机配体显弱酸性，而降解的金属离子在一定范围内可促进骨细胞响应。因此，结合介孔生物玻璃和金属有机框架来制备兼顾结构力学、生物活性、pH微环境及骨细胞响应的多孔复合支架材料，有望用于大段骨缺损的修复治疗应用。
低温3D打印技术作为新兴的快速成型技术手段，可以精确地控制支架材料的外部形状、内部结构以及孔的连通性。相比其它3D打印技术，低温3D打印操作便捷，不需要高温，对材料的损坏小，可有效用于载药复合支架材料的制备。
在现有技术背景下，运用低温3D打印技术制备介孔生物玻璃/金属有机框架复合支架材料，有望为临床上大段骨缺损的修复治疗提供新的策略。
发明内容
针对骨组织工程支架材料的制备问题，本发明提供了一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料及其制备方法，所述的这种复合支架材料的制备方法解决了现有技术中制备的骨组织工程支架材料不能精确调控支架材料的内部结构，力学性能、pH微环境调控以及生物活性不是很理想等问题。
本发明提供了一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合打印墨水的步骤，将介孔生物活性玻璃和金属有机框架粉体按一定质量比混合均匀，过200～600目的筛网，然后取一定质量的混合粉体加入到聚己内酯的三氯甲烷溶液中，
搅拌均匀得到打印墨水，然后密封保存；
2)运用CAD/CAM计算机辅助软件设计介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的外观和内部结构的步骤，支架材料模型的尺寸为15×15×15
cm及以内任何尺寸和形状，内部孔径为50～1500μm，相邻两层墨水走向夹角为0°～180°；
3)低温3D打印技术制备介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的步骤，将配制好的打印墨水装进3D打印机的料筒中，然后装上直径为100～1000μm的针头，4～8℃预冷5-15分钟；运行3D打印程序，打印机气压调为1.2～5.0bar，打印速度为2.0～8.0mm/s；将墨水线打印到载物平台的玻璃培养皿中，按照层层堆积的方式精确成型得到所需的介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料，于37℃干燥12-24小时后备用。
进一步的，所述介孔生物活性玻璃和金属有机框架粉体的质量比范围为99:1至30:70之间任意比例。
进一步的，所述聚己内酯和三氯甲烷之间的质量体积比为0.1g/mL至0.15g/mL，介孔生物活性玻璃/金属有机框架混合粉体和聚己内酯溶液之间的质量体积比为0.1g/mL至1g/mL。
进一步的，所述金属有机框架粉体材料包括铁基MOF材料MIL-100(Fe)、MIL-88(Fe)，锌基MOF材料ZIF-8(Zn)、ZIF-90(Zn)，锆基MOF材料Uio-66(Zr)、PCN-223(Zr)中的任意一种。
本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料。
本发明的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料，采用低温3D打印技术，将介孔生物活性玻璃优异的生物活性和金属有机框架的降解性相结合，制备出生物活性复合支架材料。对所述支架材料理化性能和生物学性能检测表明，支架材料具有三维连通且可控的大孔结构，力学强度高，生物相容性良好且能够促进人体骨髓间质干细胞的增殖、分化和成骨。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明提供了一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的3D打印制备方法。通过本发明的方法获得的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料有望为临床上大段骨缺损的修复治疗提供新的策略。
附图说明
图1是实施例1所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的光学照片.
图2是实施例1所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的扫描电镜(SEM)图。
图3是人体骨髓间质干细胞在实施例1所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料上接种3天后的扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
为了使相关领域研究人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配制介孔生物活性玻璃/金属有机框架(MBG/MOF)复合打印墨水。将MBG和MOF粉体按质量比为90:10混合均匀，过400目的筛网，然后取0.7克混合粉体加入到2.0毫升聚己内酯(PCL)/三氯甲烷溶液(0.15g/mL)中，搅拌均匀，然后密封保存。
步骤二，运用CAD/CAM计算机辅助软件设计MBG/MOF复合支架材料的外观和内部结构，支架材料模型为圆柱体(h＝10mm)，内部孔径为400μm，相邻两层墨水走向夹角为60°。
步骤三，低温3D打印技术制备MBG/MOF复合支架材料。将配制好的打印墨水装进3D打印机的料筒中，然后装上直径为400微米的针头，4℃预冷10分钟；运行3D打印程序，打印机气压调为1.8～2.4bar，打印速度为4.6～6.2mm/s；将墨水线打印到载物平台的玻璃培养皿中，按照层层堆积的方式精确成型得到所需的MBG/MOF复合支架材料，于37℃干燥12小时后备用。
实施例2
一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配制MBG/MOF复合打印墨水。将MBG和MOF粉体按质量比为70:30混合均匀，过400目的筛网，然后取0.7克加入到3.0毫升的聚己内酯(PCL)/三氯甲烷溶液(0.1g/mL)中，搅拌均匀，然后密封保存。
步骤二，运用CAD/CAM等计算机辅助软件设计MBG/MOF复合支架材料的外观和内部结构，支架材料模型为圆柱体(h＝10mm)，内部孔径为300μm，相邻两层墨水走向夹角为60°。
步骤三，低温3D打印技术制备MBG/MOF复合支架材料。将配制好的打印墨水装进3D打印机的料筒中，然后装上直径为300微米的针头，8℃预冷15分钟；运行3D打印程序，打印机气压调为1.8～2.0bar，打印速度为4.0～5.6mm/s；将墨水线打印到载物平台的玻璃培养皿中，按照层层堆积的方式精确成型得到所需的MBG/MOF复合支架材料，于37℃干燥12小时后备用。
实施例3
一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配制MBG/MOF复合打印墨水。将MBG和MOF粉体按质量比为50:50混合均匀，过300目的筛网，然后取0.7克加入到3.0毫升的聚己内酯(PCL)/三氯甲烷溶液(0.1g/ml)中，搅拌均匀，然后密封保存。
步骤二，运用CAD/CAM计算机辅助软件设计MBG/MOF复合支架材料的外观和内部结构，支架材料模型为圆柱体(h＝10mm)，内部孔径为200μm，相邻两层墨水走向夹角为90°。
步骤三，低温3D打印技术制备MBG/MOF复合支架材料。将配制好的打印墨水装进3D打印机的料筒中，然后装上直径为200微米的针头，4℃预冷15分钟；运行3D打印程序，打印机气压调为1.9～2.2bar，打印速度为4.4～5.6mm/s；将墨水线打印到载物平台的玻璃培养皿中，按照层层堆积的方式精确成型得到所需的MBG/MOF复合支架材料，于37℃干燥12小时后备用。
实施例4细胞粘附测试例
人体骨髓间质干细胞在实施例1所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料上粘附情况研究，包括以下步骤：
步骤一，根据文献报道提取人体骨髓间质干细胞[Matsubara T,Suardita K,Ishii M,et al.Alveolar bone marrow as a cell source for regenerativemedicine:differences between alveolar and iliac bone marrow stromalcells.Journal of Bone and Mineral Research,2005,20,399-409]，后续实验所用细胞都是传代培养至第五代的细胞。
步骤二，将实施例1所制备的MBG/MOF复合支架材料在紫外灯下照射24小时灭菌，随后放入24孔培养板中，加入l毫升含10％胎牛血清的DMEM细胞培养基预先润湿24小时后去除培养基。然后，将含有1×105人体骨髓间质干细胞的100微升的培养液滴加到每个支架材料上，让细胞预粘附4小时后加入1毫升含10％胎牛血清的DMEM细胞培养基，并在37℃、5％CO2气氛的培养箱中培养。
步骤三，细胞在支架材料上培养3天后，先在37℃下用PBS缓冲液洗涤三次，接着用含有2.5％戊二醛的PBS固定1小时，固定剂通过含有4％蔗糖的缓冲溶液PBS除去，然后通过含有1％的四氧化锇的PBS缓冲溶液进行固定，再通过梯度乙醇溶液(50％，70％，90％，95％，100％)和六甲基二硅胺烷溶液(HMDS)脱水处理。
步骤四，用扫描电镜(FEI Quanta 450)观察细胞在支架材料表面的粘附情况，支架材料样品用导电胶粘在金属基座上，观察前进行喷金60秒处理。
结果如图3所示，人体骨髓间质干细胞在MBG/MOF复合支架材料上粘附良好并且完全铺展开，表明MBG/MOF复合支架材料有利于细胞粘附，具有良好的生物相容性。
上述制备过程，可以通过改变MBG和MOF粉体的质量比、有机溶剂的种类、调节打印参数、设计不同支架材料模型，制备出不同成分含量，不同内部结构的MBG/MOF复合支架材料。
对所述复合支架材料进行理化性能和生物学性能分析表明，本发明所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料具有三维连通且可控的大孔结构，力学强度满足松质骨强度(2-12MPa)，生物相容性良好且能够促进人体骨髓间质干细胞的增殖、分化和成骨。因此，本发明所制备的介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料有望为临床上大段骨缺损的治疗带来新技术。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于这些实施例。因此，在不脱离本发明总体构思下的修改和替换，应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配制介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合打印墨水的步骤，将介孔生物活性玻璃和金属有机框架粉体按一定质量比混合均匀，过200～600目的筛网，然后取一定质量的混合粉体加入到聚己内酯的三氯甲烷溶液中，搅拌均匀得到打印墨水，然后密封保存；
2)运用CAD/CAM计算机辅助软件设计介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的外观和内部结构的步骤，支架材料模型的尺寸为15×15×15cm及以内任何尺寸和形状，内部孔径为50～1500μm，相邻两层墨水走向夹角为0°～180°；
3)低温3D打印技术制备介孔生物活性玻璃/金属有机框架支架材料的步骤，将配制好的打印墨水装进3D打印机的料筒中，然后装上直径为100～1000μm的针头，4～8℃预冷5-15分钟；运行3D打印程序，打印机气压调为1.2～5.0bar，打印速度为2.0～8.0mm/s；将墨水线打印到载物平台的玻璃培养皿中，按照层层堆积的方式精确成型得到所需的介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料，于37℃干燥12-24小时后备用。
2.根据权利要求1所述的一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，其特征在于：介孔生物活性玻璃和金属有机框架粉体的质量比范围为99:1至30:70之间任意比例。
3.根据权利要求1所述的一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，其特征在于：聚己内酯和三氯甲烷之间的质量体积比为0.1g/mL-0.15g/mL。
4.根据权利要求1所述的一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，其特征在于：介孔生物活性玻璃/金属有机框架混合粉体和聚己内酯溶液之间的质量体积比为0.1g/mL至1g/mL。
5.根据权利要求1所述的一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料的制备方法，其特征在于：所述金属有机框架粉体材料包括铁基MOF材料MIL-100(Fe)、MIL-88(Fe)，锌基MOF材料ZIF-8(Zn)、ZIF-90(Zn)，锆基MOF材料Uio-66(Zr)、PCN-223(Zr)中的任意一种。
6.一种介孔生物活性玻璃/金属有机框架复合支架材料，其特征在于：使用权利要求1至5任意一项所述方法制备而成。
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