一种基于马钱子碱的3d打印人工骨组合物和制备基于马钱子碱的3d打印人工骨的方法
阅读说明：本技术 一种基于马钱子碱的3d打印人工骨组合物和制备基于马钱子碱的3d打印人工骨的方法 (Strychnine-based 3D printing artificial bone composition and method for preparing strychnine-based 3D printing artificial bone ) 是由 吴萍 李勇敏 黄丹 胡师 帅词俊 冯佩 杨春光 陈慧 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及3D打印人工骨领域,公开了一种基于马钱子碱的3D打印人工骨组合物和制备基于马钱子碱的3D打印人工骨的方法,该组合物中含有左旋聚乳酸(PLLA)、聚乙醇酸(PGA)、羟基磷灰石和马钱子碱,其中,在所述组合物中,所述羟基磷灰石的含量为5-20wt％,所述马钱子碱的含量为1-10wt％,以及所述左旋聚乳酸和所述聚乙醇酸的总含量为70-94wt％。本发明的方案能够克服基于马钱子碱、PLLA和PGA一起形成的3D打印人工骨组合物机械强度低的缺陷。(The invention relates to the field of 3D printing artificial bones, and discloses a strychnine-based 3D printing artificial bone composition and a method for preparing the strychnine-based 3D printing artificial bone, wherein the composition contains 5-20 wt% of levorotatory polylactic acid (PLLA), 1-10 wt% of polyglycolic acid (PGA), hydroxyapatite and strychnine, and the total content of the levorotatory polylactic acid and the polyglycolic acid is 70-94 wt%. The scheme of the invention can overcome the defect of low mechanical strength of the 3D printing artificial bone composition formed by the strychnine, PLLA and PGA together.)
技术领域
本发明涉及3D打印人工骨领域，具体涉及一种基于马钱子碱的3D打印人工骨组合物和一种制备基于马钱子碱的3D打印人工骨的方法
背景技术
创伤、感染、骨肿瘤切除及其它骨疾病经常会导致粉碎性骨折、骨质丧失、骨坏死等现象的出现，致使骨骼间形成较大间隙从而造成骨缺损。
由于人体自身对骨的修复能力有限，缺损部位难以自我愈合，因此寻找一种既能起支撑作用，又能修复骨缺损促使骨组织重建的替代物是非常有必要的。
人工骨，作为替代人体骨或者修复骨组织缺损的人工生物材料，其可再生、来源广、易成型、具有良好的生物相容性，且具有合适的力学性能，并具有使新生骨组织生长的合适孔隙率等优点。若能将人工骨做到降解速度可控，使得其与宿主新生骨生长速度基本匹配的话，将有助于在骨组织重建中由人造体向生物体的转化，从而很好地修复骨缺损。长期以来，人工骨支架材料的选择及支架构建，一直是生物材料研究领域中的热点之一。
左旋聚乳酸(Poly(L-lactide)，PLLA)，作为美国药品食品监管局批准的生物可降解聚合物材料之一，它具有良好的生物相容性和机械性能，但其较差的亲水性限制了其降解速率。
相比而言，聚乙醇酸(Polyglycolide，PGA)，具有良好的生物相容性和优越的亲水性能，在水中的降解速率快且降解产物无毒，可被人体自然吸收，是一种有影响力的生物可降解医用高分子材料，缺点是PGA材料的力学强度较低，致使塑型能力差，机械性能不佳。
羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)，是生物有机体骨骼和牙齿的主要无机成分，生物活性好，能促进骨传导，刺激骨的形成与结合。由于HA单一使用时高度易脆，限制了其在骨缺损修复领域的应用，因此目前HA往往会结合其它材料一起制备成复合支架，提高复合材料的机械性能及生物相容性。
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)，是3D打印的一种，其原理主要是通过计算机控制激光束的功率，使激光束温度达到材料熔点对材料粉末进行瞬间烧结，然后逐层打印使粉末循环粘连堆积，直至打印出所需支架的三维结构。SLS技术能快速成型，制备工艺简单，可对多种混合粉末及药物进行烧结，打印出来的支架孔径及孔隙率能满足骨组织生长的基本要求，任何一种粉状物质或药物，只要在激光束下能熔化且不分解，都可用来构建人工骨支架，使同一支架中包含不同的物质成为可能。因此，SLS技术为具有复杂成分的载药骨支架构建提供了新工艺与方法。
马钱子碱，是中药马钱子中的有效成分之一，具有促进创伤愈合，抗肿瘤，镇痛抗炎，促进血液循环，调节免疫等作用。且近代研究表明，马钱子碱有促进软骨细胞增殖的作用，且能加快骨折修复细胞的分化、增殖，诱导骨折局部BMP合成。但由于其治疗窗窄，有效剂量与最小中毒剂量较为接近，限制了其在临床上的应用。因此，我们将马钱子碱作为生物活性物质，以复合生物材料为载药支架材料，利用3D打印技术构建马钱子碱仿生人工骨支架，随着支架材料在组织中的缓慢降解，马钱子碱被仿生控释出来，达到局部控释给药的作用，既可以避免全身给药的毒性，又可以发挥其诱导细胞扩增和成骨分化及矿化的目的，从而促进骨缺损的修复和成骨再生。
发明内容
本发明期望解决的技术问题是克服基于马钱子碱、PLLA和PGA一起形成的3D打印人工骨组合物机械强度低的缺陷。
本发明的发明人是基于如下构思获得本发明的技术方案的：
在人工骨的3D打印中，协调解决人工骨的生物可降解性、生物相容性、亲水性和机械性能是人工骨的实用性对其的基本要求。发明人基于现有技术的研究后发现PLLA和PGA的联用能够很好地解决人工骨的生物可降解性、生物相容性、亲水性和机械性能，但是，发明人发现，当将具有抗炎作用的马钱子碱或者其他药物和生物活性物质与PLLA和PGA一起用于3D打印人工骨时，获得的人工骨的机械强度明显降低，从而导致载药人工骨的实践应用受限。为了解决该问题，发明人进行了大量的创造性实验，期望能够通过向形成人工骨的组合物中添加具有较高硬度的安全添加剂来改善该状况，但是，在应用大量的具有较高硬度的添加剂例如磷酸钙生物陶瓷、氧化铝生物陶瓷、玻璃陶瓷等进行试验后发现，由此形成的组合物在亲水性、生物相容性、可降解性等综合来说具有各种缺陷。然而，发明人在实验中意外地发现，具有高度脆性的羟基磷灰石(HA)以特定含量加入以PLLA和PGA为基体材料用于3D打印载药人工骨的组合物时，由于加入了药物马钱子碱而导致的人工骨机械强度低的缺陷完美地被克服了。
有鉴于此，首先，本发明提供了一种基于马钱子碱的3D打印人工骨组合物，其特征在于，该组合物中含有左旋聚乳酸、聚乙醇酸、羟基磷灰石和马钱子碱，其中，在所述组合物中，所述羟基磷灰石的含量为5-20质量％，所述马钱子碱的含量为1-10质量％，以及所述左旋聚乳酸和所述聚乙醇酸的总含量为70-94质量％。
优选情况下，在所述组合物中，所述羟基磷灰石的含量为8-12质量％，所述马钱子碱的含量为2-6质量％，以及所述左旋聚乳酸和所述聚乙醇酸的总含量为82-90质量％。该优选情况下的组合物获得的3D打印人工骨的机械强度明显更高。
根据一种优选的
具体实施方式
，以所述左旋聚乳酸和所述聚乙醇酸的总质量为基准，所述左旋聚乳酸的含量为40-90质量％。
根据一种更优选的具体实施方式，以所述左旋聚乳酸和所述聚乙醇酸的总质量为基准，所述左旋聚乳酸的含量为50-80质量％。
发明人发现，上述提供的两种优选的具体实施方式下的组合物获得的3D打印人工骨的生物可降解性、生物相容性、亲水性、机械强度和抗炎作用能够实现最佳匹配。
然后，本发明还提供了一种应用前述的组合物制备基于马钱子碱的3D打印人工骨的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将左旋聚乳酸、聚乙醇酸和羟基磷灰石在无水乙醇中进行超声处理，得到第一混合物；
(2)将所述第一混合物进行搅拌混合，得到第二混合物；
(3)将所述第二混合物进行过滤，得到作为第三混合物的滤渣；
(4)将所述第三混合物进行干燥，得到第四混合物；
(5)应用SLS技术将粉末状的马钱子碱和粉末状的所述第四混合物一起形成3D打印人工骨。
本文的制备基于马钱子碱的3D打印人工骨的方法中的各组分的种类和含量均与前文的组合物中所述内容相同，本发明在此不再进行重复说明。
优选地，在步骤(1)中，所述超声处理的条件包括：温度为0-50℃，时间为0.1-5h，超声频率为10-50KHz。本发明对无水乙醇的用量没有特别的要求，例如以左旋聚乳酸、聚乙醇酸和羟基磷灰石的总质量为1g计，所述无水乙醇的用量可以为20ml。
优选地，在步骤(2)中，所述搅拌混合的条件包括：温度为0-50℃，时间为0.1-10h，搅拌速度为50-500rpm。
在步骤(3)中，例如，所述过滤可以采用抽滤方式进行。
优选地，在步骤(4)中，所述干燥的条件包括：温度为20-80℃，时间为2-24h。
优选地，在步骤(5)中，所述马钱子碱的平均粒径为1-10μm。
优选地，在步骤(5)中，所述第四混合物的平均粒径为1-50μm。
本发明对SLS技术形成3D打印人工骨的具体操作方法没有特别的限定，本领域技术人员可以应用本发明提供的组合物采用本领域常规的操作方法进行3D打印以获得3D打印人工骨，例如，本发明可以采用“选择性激光烧结羟基磷灰石人工骨的装备控制与工艺研究”(聂毅.选择性激光烧结羟基磷灰石人工骨的装备控制与工艺研究[D].湖南：中南大学,2013)中提供的方法进行3D打印。
本发明提供的组合物制备得到的3D打印载药人工骨具有优异的机械强度。
本发明提供的组合物制备得到的3D打印载药人工骨能够缓控降解，并释放马钱子碱，释放出来的马钱子碱不仅能缓解3D打印人工骨降解引起的炎症和排异反应，还能促进创伤愈合和骨细胞扩增，从而修复骨缺损和诱导骨再生。
本发明提供的组合物制备得到的3D打印人工骨的生物相容性、亲水性和降解速度均较优，并且能够促进骨组织再生。
附图说明
图1为本发明部分实例的细胞黏附性电镜结果图；
图2是本发明部分实例测试3D打印人工骨支架毒性的CCK-8检测结果图。
具体实施方式
以下将通过试验例对本发明进行详细描述。以下试验例中，在没有特别说明的情况下，使用的各种原料均为市售品。
磷酸钙生物陶瓷购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，CAS号：7758-87-4；
氧化铝生物陶瓷购自上海信裕生物有限公司，CAS号：1344-28-1；
玻璃陶瓷购自昆山中国科技新材料有限公司。
试验例1
分别称取PLLA，PGA，HA粉末，将其倒入玻璃烧杯中，加无水乙醇至完全覆盖，将烧杯置于25℃超声仪中以40KHz频率超声30min。然后在25℃下以120rpm的速率搅拌1.5h，用滤纸过滤，所得滤渣在50℃烘箱烘干至恒重，所得粉末研磨1h以上。
称取上述粉末和平均粒径为500μm的马钱子碱，置于研钵研磨1h，获得平均粒径为10μm的混合物粉末。收集该混合物粉末，备用于人工骨制备。
采用SLS技术对混合物粉末进行激光烧结，层层粘连堆积至所需三维结构，其中，SLS技术的操作工艺如下：激光功率为2.0W，扫描速度为100mm/min，扫描间距1.0mm，光斑直径为0.2mm。
得到3D打印载药人工骨B1。
试验例2至试验例7、全部对比试验例采用与试验例1相同的工艺进行，所不同的是，原料用量或者工艺参数与试验例1不同，具体列于表1中。
表1
表中的试验例1至试验例7中添加剂1表示HA；表中的对比试验例1和对比试验例4中添加剂1表示磷酸钙生物陶瓷，表中的对比试验例2中添加剂1表示氧化铝生物陶瓷，表中的对比试验例3中添加剂1表示玻璃陶瓷。
表1(续表)
表中的试验例1至试验例7中添加剂1表示HA；表中的对比试验例1和对比试验例4中添加剂1表示磷酸钙生物陶瓷，表中的对比试验例2中添加剂1表示氧化铝生物陶瓷，表中的对比试验例3中添加剂1表示玻璃陶瓷。
测试例1
本测试例用于评价由以上试验例制备得到的3D打印载药人工骨的体外药物释放情况，具体地：
采用动态浸泡法，以磷酸缓冲液(PBS)模拟人体体液环境，3D打印人工骨重量与PBS体积比例为1(g)：400(ml)，将3D打印人工骨放入试管中，试管置于37℃的恒温摇床中，摇床转速为120rmp/min，在特定时间点采集试管中的释放液1ml，并随即补充1ml新鲜PBS于试管，采样时间点为12h,1d,3d,10d,20d,30d,40d和50d。所采样本用高效液相(HPLC)检测其溶液中马钱子碱的含量，根据计算其不同时间点内的药物释放累计量来计算3D打印人工骨中药物释放率。其中，每组3D打印人工骨平行进行3组实验，取样编号，结果取平均值。每组3D打印人工骨中马钱子碱的累计释放率(释放量与原含量的重量百分比)如表2中所示。
从表中数据可以看出，随着马钱子碱的加入量不断加大，载药支架中的药物释放比率也有所提升，制备的3D打印人工骨都有合适的释放速度，但试验例3前期释放速度过快，可能会引起毒性。
12h
1d
3d
10d
20
30
40
50
试验例1
2.17％
4.64％
9.55％
11.68％
12.56％
12.98％
13.65％
14.01％
试验例2
4.64％
8.86％
14.46％
18.42％
19.53％
21.04％
23.51％
23.49％
试验例3
9.19％
17.12％
21.86％
25.23％
27.36％
29.41％
32.83％
33.19％
试验例4
2.01％
3.19％
6.72％
8.38％
9.62％
10.47％
11.12％
12.84％
试验例5
1.76％
2.09％
4.37％
4.96％
5.59％
5.99％
6.23％
7.62％
试验例6
3.42％
4.97％
11.02％
12.73％
13.11％
13.95％
14.38％
15.27％
试验例7
1.89％
3.48％
8.32％
9.06％
10.93％
11.52％
12.62％
13.49％
对比试验例1
3.62％
5.21％
10.68％
12.71％
13.55％
14.16％
14.96％
15.67％
对比试验例2
1.82％
2.33％
6.49％
6.93％
7.21％
7.72％
8.16％
8.78％
对比试验例3
1.79％
2.47％
6.33％
7.09％
7.54％
7.92％
8.0％
8.27％
对比试验例4
4.83％
10.12％
17.37％
23.64％
24.92％
27.55％
30.00％
35.49％
表2：3D打印人工骨在不同时间累计释放率
测试例2
本测试例用于评价由以上试验例制备得到的3D打印人工骨的细胞生物相容性，具体地：
体外研究3D打印人工骨的生物相容性研究是采用成骨细胞hFOB1.19(购自上海中科院细胞库)，将灭好菌的各组支架放入6孔板，加入1ml的完全培养基，待支架全部润湿后，再加入1ml细胞悬液，其中，细胞悬液的密度为2*105个/ml，3D打印人工骨与细胞共培养，将其置于33.5℃，5体积％二氧化碳细胞培养箱中。各组3D打印人工骨进行3组平行实验，主要从两个实验来观察3D打印人工骨的细胞相容性。
1、细胞黏附性：3D打印人工骨与细胞共培养3天后，取出各组3D打印人工骨，预冷的PBS漂洗2次，用2.5％(v/v)戊二醛于4℃固定4h，再用PBS漂洗2次，然后用30％-100％(v/v)的酒精从低浓度到高浓度按梯度脱水，37℃烘箱过夜烘干后，将各组3D打印人工骨支架喷金，电镜观察，部分试验例和对比试验例的结果如图1所示。
2、3D打印人工骨支架毒性：在24孔板中成骨细胞-支架复合物培养3d后，吸出培养液，加入新鲜完全培养液(含10％CCK-8试剂)，37℃无菌孵育4h，用酶标仪测定其在450nm波长处的吸光度(OD值)，根据CCK-8试剂盒说明书，OD值与活细胞数呈正比，通过对比不同组之间的OD值，考察细胞增殖情况，部分试验例和对比试验例的结果如图2所示。
从图1可以看出，试验例1和2的细胞形态基本保持完整，为正常梭形或多边角形，细胞膜轮廓清晰。试验例3和对比试验例1相比较前两者而言，骨细胞细胞膜难以维持正常，细胞活性低。其它组细胞黏附情况与试验例或对比试验例1相似，细胞形态模糊，或者形态与试验例1和2相似，但粘附数量低。从图2来看，通过组间对比，试验例1和2的OD值稍高，说明支架对细胞无毒性且与对比对比试验例1相比，细胞数量偏多。其中试验例3的OD值稍低，这可能与马钱子碱的加入量偏高有关。
测试例3
使用MTS Insight机电测试机(MTS systems Corp.，China)以0.5mm/min的螺杆速度测试支架的压缩强度，评价支架的力学性能。测试机传感器的最大检测量程为1000N。从应力-应变曲线的初始斜率获得弹性模量。在这两个实验中，每组五个样品被测试，平均值结果列于表3中。
表3
弹性模量(Gpa)
压缩强度(Mpa)
试验例1
2.57
25.56
试验例2
3.36
29.01
试验例3
3.05
26.41
试验例4
2.41
23.78
试验例5
2.13
26.89
试验例6
2.44
21.37
试验例7
2.79
24.24
对比试验例1
1.34
14.36
对比试验例2
1.83
15.24
对比试验例3
1.42
16.35
对比试验例4
1.09
13.22
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。