[发明专利]一种制备具有多级结构的三维矿化胶原支架材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备具有多级结构的三维矿化胶原支架材料的方法，通过控制中间体自由能选择合适分子量及浓度的聚合物对钙离子进行络合及转移，制备具骨样多级结构的三维矿化胶原支架材料和非多级结构胶原支架及纤维外矿化胶原支架材料，聚丙烯酸与钙离子形成中间体进而通过释放钙离子和促使羟基磷灰石在胶原纤维上成核晶化，中间体能量过高，羟基磷灰石将无差别沉积在胶原纤维的间隙区和重叠区并成核晶化，最终导致非等级结构的胶原支架形成，而中间体能量过低，从而产生纤维化矿化的胶原支架，实现对天然骨的完美模拟，并在骨修复材料制备领域具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体是一种制备具有多级结构的三维矿化胶原支架材料的方法。

背景技术

骨是一种复杂的、动态的物质。骨包含一种矿化基质，其中心空腔含有红骨髓，能够确保哺乳动物始终维持骨组织的完整。临床中，由于肿瘤、创伤、遗传疾病导致的颌面部骨组织缺损一直居高不下。据统计，每年由于肿瘤切除导致骨缺损就有上百万人口。随着器官和组织的供应不足，使用天然或合成的生物材料移植体如聚合物、金属、陶瓷、自体或异体移植骨等材料作为移植体的组织工程学的高速发展应运而生。制备类天然骨材料就要完全复制其等级结构和表面形貌，间隙区和重叠区交错排列的纳米拓补构造便于细胞的附着、增殖和分化。具严格等级结构的三维矿化胶原支架材料模拟了天然骨的等级结构和表面形态，并以此提供利于招募宿主细胞的微环境，最后从结构和功能上实现骨再生。然而引导三维支架材料自组装的能量调控机理尚未明确。材料合成步骤中的能量交换完全不同于活体中的自然过程。自然界中通过连续不断地消耗生物能达到等级结构错列的纳米结构，这是一个能量升高的过程。生物体在酶的作用和三磷酸腺苷的消耗下，在胶原纤维的间隙区域实现钙离子的选择性通过和纳米羟基磷灰石的结晶化沉积。与之相反，体外的自组装是个消耗自由能的能量下降的过程。一些体外模型解释了纤维内矿化的机理，包括毛细力理论、尺寸排外理论和静电相互作用理论。然而，这些理论只适用于解释羟基磷灰石的纤维内成核，不能解释等级结构的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备具有多级结构的三维矿化胶原支架材料的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种制备具有多级结构的三维矿化胶原支架材料，包括以下原料及采购来源：鼠尾I型原胶原溶液(BD Bio-sciences)、透析袋(3500Da,Invitrogen,Paisly,UK)、PAA(M.W.72，2000，5000)(Sigma-Aldrich,USA)、磷酸缓冲液(Gibco,Invitrogen,Paisly,UK)及甘氨酸(Sigma-Aldrich，USA)；利用聚合物与钙的螯合物作为中间体，通过控制中间体自由能选择合适分子量及浓度的聚合物对钙离子进行络合及转移，制备具骨样多级结构的三维矿化胶原支架材料和非多级结构胶原支架及纤维外矿化胶原支架材料，所述聚合物分子量越高羧基含量越大，与钙离子结合强度越大，从而自由能越低；所述聚合物分子量越低羧基含量越小，不易于钙离子结合其自由能越高，当中间体自由能高于钙离子与胶原间隙区结合自由能，并低于钙离子与胶原重叠区结合自由能时；由热力学控制钙离子定向专递给胶原间隙区，实现具骨样多级结构的三维矿化胶原。

作为本发明进一步的方案：所述聚合物为聚丙烯酸，聚乳酸，聚甲基丙烯酸，聚甲基丙烯酸甲酯，聚马来酸，聚天冬氨酸，聚谷氨酸，聚乙二醇的嵌段共聚物中的一种。

作为本发明进一步的方案：聚合物与钙结合的中间体自由能由以下公式计算得出：

△G_{(聚合物-钙中间体)}＝-RTlnK_{(聚合物-钙中间体)}+RTln_{([聚合物-钙中间体浓度])/([钙离子浓度]}^螯合数_{[聚合物浓度])}