核-壳结构纤维功能无机生物材料、制备方法及应用技术

本申请提出了一种核

【技术实现步骤摘要】
核
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壳结构纤维功能无机生物材料、制备方法及应用


[0001]本申请涉及生物医用材料尤其是涉及到骨骼及近邻软组织损伤再生修复及防控副反应问题领域，特别是涉及一种核
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壳结构纤维功能无机生物材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]因各种原因造成的骨骼肌肉损伤、缺损高效完全愈合和再生修复是目前临床上的难题。在骨损伤修复、重建方面，人们往往采用自体骨或异体骨移植，或者动物骨深加工产品进行填充修复。近20年来，人们相继研究证明以钙
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硅(CaO
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SiO2)为基质的无机活性陶瓷、玻璃或者玻璃
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陶瓷材料，能与骨组织直接骨性结合并调节免疫系统(Huang Y等，Acta Biomater 2018,66:81
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92)，甚至能够与上皮、真皮、肌肉、骨膜等软组织发生特殊作用而促进其愈合修复(Zhou Y等，Adv Healthc Mater 2018,1800144；Lv F等，Acta Biomater 2017,60:128
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143；Han Y等，J Mater Chem B 2017,5(18):3315
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3326)。钙
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磷(CaO
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P2O5)为基础的无机活性材料，如羟基磷灰石(HA)、β
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磷酸三钙(β
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TCP)以及由此复合构建的双相钙磷酸盐陶瓷等以烧结的块体、颗粒物或者通过仿生沉积与胶原蛋白复合构成有机
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无机杂化复合材料，相继应用于骨科临床。但是，这些钙磷酸盐材料降解速率和活性难以调节，使得刺激组织再生修复的效率难以调控，尤其是这类材料对存在感染风险的防控和各种慢性炎症的控制合同调节存在严重不足。
[0003]其次，以45S5玻璃为代表的非晶玻璃态材料尽管与宿主骨组织键合强度和促进软、硬组织细胞增殖分化方面显示优良的效果，而且溶出的硅、钙、磷等离子能激活成骨细胞、成纤维细胞、上皮细胞、血管内皮细胞等的转录因子、细胞周期调节因子，但是这些生物活性玻璃颗粒物动态释放的活性离子剂量难以自主可控，容易造成早期的炎症持续发展，颗粒物的降解也难以与骨损伤内骨再生修复进程匹配。不仅如此，由此类颗粒材料与水凝胶、凡士林等复合构建的软组织创面愈合材料，同样面临降解释放离子剂量难以控制问题。目前，诸多无机陶瓷或者玻璃生物材料制备方法上通过对含硅、钙、磷等成分的不同物质进行机械组合筛选，并通过机械球磨方式制备不同尺度的无机粉体颗粒，这样的制备方法难以控制材料微颗粒度、材料制品的降解速度和生物活性离子的溶出速度，很难获得对软、硬组织再生修复细胞产生最佳刺激所需成分配伍的活性材料(Yu Q等，J Mater Chem B.2019,7:5449
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5460；Kong L等，ACS Appl Mater Interfaces 2018,10:30103
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30114)。
[0004]随着材料学、细胞生物学、免疫学和再生医学的发展，人们发现一些微量元素如硅、锶、镁、铜、锌、硼等离子具有多种生物学功能，甚至能够促进骨组织、软组织的再生修复或愈合，镁、锌、铜等能防控病原菌增生导致组织感染，硅、硼等甚至还可以调节创伤内的炎症反应和促进血管化。一些研究和临床应用证实，以硅、锶、镁、锌、硼被掺入磷酸钙材料后能改善材料的骨再生修复效果。不过，这些功能性活性离子的动态释放剂量水平，直接决定了相关细胞活性和代谢水平，过高剂量的铜、锌等离子可能会引起细胞毒性，甚至引起其它离子在生理代谢失调。
[0005]近来，本专利技术人的研究发现，采用具有同轴性核
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壳结构型包裹方式发展的无机近
球形微颗粒复合材料，能够控制内部核层组分的降解速率，并且通过内、外层组分降解特性的优化配置，可以调节成骨效率(Liu L等J Am Ceram S℃2016；99:2243；Ke X等，ACS Appl.Mater Interf.2017；7:24497；Fu j等，Tissue Eng.Part A.2019；25:588；Edem Prince G
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A等，Mater Sci Eng C.2019；100:433.)。本专利技术人申报的中国专利ZL 201310148344.2公开的核
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壳结构钙硅酸盐
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钙磷酸盐生物活性陶瓷的微球材料，但是这类微球缺乏对较大骨损伤空间进行有效的结构维持及细胞快速长入，紧密堆积的微球颗粒堆砌体内孔隙率低(小于35％)，尤其是这类微粒材料对多组织愈合及多功能性设计不足。总体上讲，常规的核
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壳结构型颗粒材料的应用存在局限性，存在的主要问题比如有：
[0006]1)近似球形的核
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壳结构颗粒材料在创伤组织中的最初阶段，活性离子释放剂量严重依赖于壳层组分降解性和壳层内微孔贯通结构，且只能够通过壳层组分降解或其降解后的贯通微孔向内生长新生组织(核层组分暴露程度受到制约)；
[0007]2)极难实现多个无机物组分任意的自内向外或并列排列的包裹，也无法直接长程地形成二维、三维(纤维网络、纤维海绵状、纤维支架等形态)连续性多孔骨架结构，并发挥一定的力学支撑，对较大体积或面积骨损伤的充填及颗粒稳固性造成困难(颗粒容易滚动滑移)；
[0008]3)对核层组分分布和含量水平的调控能力差，因而会严重影响核
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壳结构中不同层内组分的降解效率；
[0009]4)这类生物活性陶瓷颗粒材料对感染、炎症等骨创伤并发症的防控，以及对骨骼近邻软组织损伤再生愈合的协同促进功效严重不足。
[0010]尽管电纺丝技术可以制造无机纳米纤维，但是纤维往往依赖于接收载体的导电性，形成的纤维太细小，堆积后的孔道空间极低，电纺丝形成的薄膜材料，纤维沉积到载体上后再次排列的难度大。根据临床应用文献报道来看，需要发展新一代的无机生物活性材料制备技术，确保无机生物活性物质组分从微观尺度到宏观尺度水平的化学组分可以精确调控，各个组分的分布可以精准控制，特定组分的内部微结构可以精细剪裁，并且还能够根据临床上骨骼及近邻软组织损伤适应证特点的需要，进行简便后加工处理，尤其是能够对无机生物活性材料通过简单的剪切、堆垛、编织或者自成海绵型，形成零维、一维、二维、三维的多个维度的通用性生物材料，这样的材料具备如下诸多要求：
[0011]1)根据缺损大小、形态需求，可以对无机生物活性材料极为简便高效地进行剪切、编织或堆垛，并且后处理过程不会破坏材料任意局部水平的组成
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结构间的序构特征，维持任意尺度水平内材料的多层次结构、生物学功能或功效，可以高效完成对骨损伤完全充填，并产生完全贯通孔道网络；
[0012]2)任何骨创伤都存在炎症反应及感染风险，因而无机生物活性材料具有不依赖于常规药物的抗感染、控炎症能力，避免各种药物滥用或耐药性问题；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，包括：由壳层无机物组分组成的纤维壳层以及至少一个由核层无机物组分组成的核层，所述核层被包裹于所述壳层内，且至少一核层的端部相对所述壳层存在暴露，所述核层无机物组分和所述壳层无机物组分内分别形成孔隙率为3％
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75％的微孔，微孔的孔隙率、微孔的尺度通过以下条件改变：在壳层无机物组分或者核层无机物组分中加入造孔微粒的相对比例；壳层无机物组分或者核层无机物组分在对应液体或半流体分散剂中的质量百分含量；制备过程中的高热处理的最高温度以及保温时长。2.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，所述微孔为所述壳层无机物组分和所述核层无机物组分在最高热处理温度时的非致密化煅烧或者烧结形成，或者，所述微孔为所述壳层无机物组分和所述核层无机物组分在添加造孔微粒后形成。3.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，核层无机物组分或者壳层无机物组分包括生物活性陶瓷、生物活性玻璃
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陶瓷和/或生物活性玻璃，或者掺杂有功能性异质金属离子、酸根离子的非化学计量比生物活性陶瓷、生物活性玻璃
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陶瓷；所述异质金属离子和/或酸根离子在核层无机物组分/壳层无机物组分的摩尔百分数占比为核层无机物组分/壳层无机物组分中所有金属离子和/或酸根离子总摩尔百分数的0.01％
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35％。4.根据权利要求3所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，异质金属离子为镁离子、锶离子、锌离子、铜离子、铁离子、锂离子、钠离子、钾离子中的至少一种；酸根离子为硼酸根离子、硅酸根离子、磷酸根离子、硫酸根离子、碳酸根离子中的至少一种。5.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，所述核层并列置于所述壳层内，或者部分所述核层自内向外排列并与至少一个核层并列置于所述壳层内，或者所有所述核层自内向外被包裹于所述壳层内。6.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，高热处理的最高温度在580
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1450℃，保温时长在30
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360分钟，造孔微粒为有机质微粒、碳酸盐微粒或者硝酸铵微粒。7.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功能无机生物材料，其特征在于，核层无机物组分和壳层无机物组分的完全体内降解时长为1个月～3年。8.根据权利要求1所述的核
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壳结构纤维功...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贤燕，苟中入，
申请(专利权)人：浙江搏谷医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：