[发明专利]生物活性纳米复合物材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机/有机杂合纳米复合物、该复合物的制备以及该复合物在组织工程学中作为大孔支架的应用。

背景技术

随着保健的提高和预期寿命的增加，人们活得比身体器官更久，包括骨骼。骨移植的方法被用来使那些由于疾病和损伤被除去或损坏的骨再生。在欧洲每年实施超过300000例骨移植手术。目前，实践中最好的手术方法是从髂嵴(iliac crest)取出健康的骨(自体移植)，将其置于希望的位置。虽然有效，但是这种方法需要额外的手术时间(额外的创伤性手术)并且导致手术后在取出骨的位置产生疼痛以及长的康复时间。所述骨的供应也是有限的。骨的更充分的供应是异体移植；骨来源于骨库，骨库提供来自于尸体的骨。这些骨通常不具有自体移植的骨的机械强度，并且有可能发生免疫排斥和传播疾病。患者可能需要终生服用昂贵的免疫抑制剂药物，这些药物也可能产生危险的副作用。也可以使用动物骨(异种移植)，例如，冻干牛骨，但机械性能差，并且也存在传播疾病的风险。

骨移植被用在：(i)颌面外科中，(ii)骨矫形外科中用于修复由于损伤、肿瘤和囊肿造成的缺陷，和(iii)牙科中，骨移植经常被用来治疗牙周炎(在牙根处的骨损失)。很多脊骨、骨盆和四肢的外科治疗方法需要移植。在由于使用尼古丁，或存在例如糖尿病或自身免疫缺陷的疾病导致的很难痊愈的情况下，也可能需要骨移植。

对于老年人和青少年，再生的支架特别重要。老年人的所有组织的痊愈都由于缺少细胞活性而缓慢。因此，一种合成的骨痊愈材料，使外科医生不需定制可以立即植入骨缺陷处，能够显著地提高全球病人的生活质量。

脊骨外科中骨移植最常见的使用在于脊柱融合术，这是需要降低令人虚弱的痛苦的活性的手术。每700个新生儿中就有1个患有腭裂(cleft pallet)。颌面外科使用的能够对生理环境反应的材料是有生命力的，从而能够随着儿童的生长在再生位置重塑。

生物材料能够用于生物医学应用中，特别是组织再生和组织工程中，并且可以替代骨移植。这种再生的骨移植替代物有潜力很大地提高保健治疗和病人的生活质量。生物学上有活性的(或生物活性的)材料是一种当植入活体组织中时能促使形成材料与周围组织之间的界面结合的材料。

典型的促进骨再生的策略包括使用支架材料。支架是在其上能够三维增长(3D)、形成组织和支架的构成物的模板。涉及使用支架的两个主要的骨再生策略为原位组织再生和组织工程。通常，组织工程涉及在体外生物反应器中的支架上生长细胞，然后将该支架植入，之后该支架应该随着骨重塑溶解入成熟的骨。在原位骨再生中，支架被直接植入体内。在这两种情况下，植入的支架材料都必须适应生理环境。骨修复的理想支架应当：1)作为骨三维生长的模板；2)具有生物相容性(无毒)；3)与宿主骨(host bone)形成连结(被称为“生物活性”的性质)并促进骨生长；4)在受控的速率下溶解成无毒的降解产物；5)具有与移植其上的宿主骨相匹配的机械性能；和6)能够商业生产和消毒以用于临床使用。

为了满足标准1，该支架应当具有在3D上互相连接的多孔网状结构，相互结合足够大以允许细胞移动、液体流动(营养输送)以及骨的3D生长。用于具有血液供应的骨在其中生长的最小的相互结合尺寸被认为是100μm。

细胞需要信号来刺激它们放弃新的组织。该信号通常由生长因子或荷尔蒙提供。在骨组织工程中，该信号既可以通过生物生长器中的添加剂提供，也可以由材料释放。对于原位骨再生，它们只能由材料释放。

生物陶瓷常被用来形成支架，用于硬组织修复中。有可能满足很多理想支架的标准的材料是生物活性玻璃。第一种生物活性玻璃是Hench发现的，被称作自从二十世纪八十年代中期起，该生物活性玻璃已经在临床上被用作填充粉末的再生骨，产品名为和生物活性玻璃连接到骨是由于在它们与体液接触的表面上形成了碳酸化羟基磷灰石(Hydroxycarbonated apatite，HCA)层。HCA与骨矿物质的组成相似，并与之形成很强的结合。生物活性玻璃在体内安全地溶解，释放出临界浓度的在基因水平上用作刺激骨细胞的硅和钙离子，即使在很少的活性细胞存在时，也会引发新骨生长。这对于老年患者是特别重要的。

同时生物活性玻璃适合于用作再生材料，复合物不适于多孔支架的生产。这是因为需要烧结步骤，该烧结步骤要求将玻璃加热到玻璃化转变温度以上以启动局部流动。该复合物在玻璃化转变温度以上立即结晶，且一旦结晶就失去了生物活性。