本发明属于生物医用材料领域，具体地，本发明涉及一种新型高强可吸收甲壳素基骨折内固定带线锚钉的制备方法。
背景技术：
1、医疗器械中的带线锚钉是一种常用于骨骼修复和骨折治疗的设备。通过将锚钉植入骨骼中，并将缝线穿过锚钉中的孔洞，从而稳定并固定骨折或骨骼碎片。通过这种方法，带线锚钉能提供骨骼固定和支撑，在修补肌腱的同时以锚钉固定于跟腱止点，增强肌腱修复的牢靠性，可用于任何需要将软组织与骨进行重新连接的部位，具体可应用于全身各处腱性区止点断裂的修复，其中包括较粗大的股四头肌、髌腱和外侧副韧带、内侧副韧带等，及较细小的伸腕肌腱、伸指肌腱等腱性组织。
2、相对于非可吸收锚钉而言，生物可吸收锚钉在固定骨折或其他骨骼修复过程中提供支持和固定，随着时间的推移，逐渐在体内降解吸收并逐渐被人体组织所替代。理想的可吸收带线锚钉设计能够提供可靠、安全的初始固定强度，并在腱骨愈合后快速的被宿主骨吸收、替代，并且释放的代谢物无害，具有容易翻修、对影像干扰小、材料可吸收等优势。
3、因而，急需开发一种生物可吸收锚钉。
技术实现思路
1、发明人发现，甲壳素是一种从虾、蟹等动物甲壳类动物外壳中提取的天然高分子，在自然界中含量仅次于纤维素。甲壳素具有良好的生物相容性，能够在人体内经过溶菌酶作用发生降解，进而被机体吸收和代谢，在医疗用品上可做隐形眼镜、人工皮肤、人工透析膜和人工血管等。基于此，本发明提出一种制备甲壳素基骨折内固定带线锚钉的方法，所加工成型的甲壳素基复合锚钉兼具高强度和良好的生物相容性，有望在生物医用材料领域开发一种新型产品。
2、本发明的目的在于提供一种新型高强可吸收甲壳素基骨折内固定带线锚钉在骨修复和重建中的应用。
3、在本发明的第一方面，本发明提出了一种甲壳素基复合棒材。根据本发明的实施例，所述甲壳素基复合棒材包含甲壳素和无机物。该甲壳素基复合棒材可用于制备甲壳素基骨折内固定带线锚钉，该锚钉兼具高强度和良好的生物相容性，有望在生物医用材料领域开发一种新型产品。
4、根据本发明的实施例，上述甲壳素基复合棒材还可以进一步包括如下附加技术特征至少之一：
5、根据本发明的实施例，所述无机物为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或其他生物陶瓷中的一种。人体骨骼主要由有机质胶原纤维和无机质羟基磷灰石组成，羟基磷灰石沿着胶原纤维长轴进行结晶排列，构成骨骼轻质高强的结构。其中，羟基磷灰石、β-磷酸三钙等生物陶瓷具有骨引导性和诱导性，在人体中经过代谢转化，降解后的钙离子和磷酸根离子能促进骨组织修复，并且在体内可进一步生成羟基磷灰石，参与新骨的生成。
6、根据本发明的实施例，所述无机物为β-磷酸三钙。β-磷酸三钙作为一种较为常见的骨替代材料，具有良好的生物相容性、骨引导性和生物降解性，是目前骨组织工程中较为常见的支架材料之一。将β-磷酸三钙引入甲壳素溶液中，一方面可以赋予甲壳素基复合材料的骨引导性和成骨活性，另一方面可以改善甲壳素水凝胶内部的分子网络结构，增强复合材料的力学性能。
7、在本发明的另一方面，本发明还提出了一种制备甲壳素基复合棒材的方法。根据本发明的实施例，包括：
8、1)将甲壳素和无机物置入碱/尿素溶液中，进行第一混合处理，得到甲壳素基复合溶液；
9、2)将所述甲壳素基复合溶液与交联剂进行第二混合处理，得到甲壳素基复合水凝胶；
10、3)将所述甲壳素基复合水凝胶进行物理交联处理、透析处理、溶剂置换处理、干燥处理，得到甲壳素基复合棒材。该方法操作简单，且根据该方法制备得到的甲壳素基复合棒材可用于制备甲壳素基骨折内固定带线锚钉，该锚钉兼具高强度和良好的生物相容性，有望在生物医用材料领域开发一种新型产品。
11、根据本发明的实施例，上述方法还可以进一步包括如下附加技术特征至少之一：
12、根据本发明的实施例，所述碱/尿素溶液中的碱为氢氧化钠。
13、根据本发明的实施例，所述碱/尿素溶液的溶剂为去离子水。
14、根据本发明的实施例，所述碱/尿素溶液中碱的质量分数为4wt％-14wt％。发明人发现，碱浓度较低时会导致甲壳素解不完全，而碱浓度过高则会导致甲壳素溶液快速凝胶化。当碱浓度<4wt％时甲壳素不会发生溶解，而浓度超过14％是不会导致甲壳素溶解度增加，但会加速脱乙酰化。
15、根据本发明的实施例，所述碱/尿素溶液中碱的质量分数为11wt％。发明人发现，11％质量分数的碱效果最佳。
16、根据本发明的实施例，所述碱/尿素溶液中尿素的质量分数为4wt％。发明人发现，尿素的浓度较低时会导致甲壳素解不完全，而尿素浓度过量则会导致甲壳素溶液快速凝胶化。当尿素浓度较低时，加入尿素似乎可以加快甲壳素的溶解速率，并提高甲壳素的溶解度接近100％，显示出明显的增溶作用。然而，在较高的尿素浓度下，甲壳素在溶解时外表面会形成一层半透明的致密凝胶层，阻止甲壳素的进一步溶胀和溶解。4％质量分数的尿素是一个比较合适的值。
17、根据本发明的实施例，所述甲壳素在碱/尿素溶液中的质量分数为2～6wt％。发明人发现，较低的质量分数会使甲壳素溶液较稀并且形成的甲壳素水凝胶力学性能较差并且不能很好的保持甲壳素水凝胶的形状，而甲壳素水凝胶的质量分数较高时会使甲壳素溶解不完全在水凝胶中形成缺陷，并且形成的甲壳素溶液太粘稠使流动性变差不能形成均匀的水凝胶，会导致水凝胶较差的力学性能。
18、根据本发明的实施例，所述无机物与甲壳素的质量比为(0.05～0.15):1。发明人发现，无机物的含量较低会使对甲壳素基复合棒材的力学性能增加有限，而较大的无机物含量会使无机物在水凝胶中分散不均匀团聚而使复合棒材的力学性能降低。
19、根据本发明的实施例，所述无机物为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或其他生物陶瓷中的一种。人体骨骼主要由有机质胶原纤维和无机质羟基磷灰石组成，羟基磷灰石沿着胶原纤维长轴进行结晶排列，构成骨骼轻质高强的结构。其中，羟基磷灰石、β-磷酸三钙等生物陶瓷具有骨引导性和诱导性，在人体中经过代谢转化，降解后的钙离子和磷酸根离子能促进骨组织修复，并且在体内可进一步生成羟基磷灰石，参与新骨的生成。
20、根据本发明的实施例，所述无机物为β-磷酸三钙。β-磷酸三钙作为一种较为常见的骨替代材料，具有良好的生物相容性、骨引导性和生物降解性，是目前骨组织工程中较为常见的支架材料之一。将β-磷酸三钙引入甲壳素溶液中，一方面可以赋予甲壳素基复合材料的骨引导性和成骨活性，另一方面可以改善甲壳素水凝胶内部的分子网络结构，增强复合材料的力学性能。
21、根据本发明的实施例，所述第一混合处理是通过如下方式进行的：
22、将甲壳素和无机物置入碱/尿素溶液中，形成分散均匀的混合悬浮液后，再经冷冻-解冻循环，得到甲壳素基复合溶液。
23、根据本发明的实施例，所述交联剂选自环氧氯丙烷、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、二环氧甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚或京尼平中的一种或多种的组合。化学交联剂对甲壳素分子链之间进行化学交联处理，甲壳素分子链上反应活性最高的c6位羟基最先被交联并在分子链之间形成醚键。利用化学交联剂形成化学交联点将甲壳素分子链互相连接起来，形成甲壳素基化学交联水凝胶。
24、根据本发明的实施例，所述交联剂为环氧氯丙烷。
25、根据本发明的实施例，所述环氧氯丙烷的体积与甲壳素的质量比为0.1～0.3ml/g。发明人发现，当环氧氯丙烷与甲壳素的质量比为0.1～0.3ml/g时，会在甲壳素水凝胶中形成松散的化学交联网络，松散的化学交联网络对甲壳素分子链的束缚较小不影响甲壳素链之间在后面的物理交联过程中形成物理交联网络。较低的环氧氯丙烷含量(低于0.1)会使化学的交联的程度过低而不能保持较好的形状，而较高的环氧氯丙烷会使甲壳素分子链之间化学交联太紧密而影响后续的物理交联。
26、根据本发明的实施例，所述第二混合处理的通过如下方式进行的：
27、向甲壳素基复合溶液中加入交联剂，之后将溶液通过离心去除气泡后并倒入管状模具中定型处理，得到甲壳素基复合水凝胶。
28、根据本发明的实施例，所述定型处理的温度为3～10℃。发明人发现，甲壳素溶液对温度较为敏感，高温能使其发生快速凝胶化。相对较高的中和温度会引起快速凝胶化而不是相分离和沉淀，从而导致甲壳素纳米原纤维聚集体的结构松散，而形成的甲壳素水凝胶的力学性能较弱，并且导致最后形成的甲壳素棒材的透明度较低。
29、根据本发明的实施例，所述定型处理的时间为8～16h。发明人发现，较短的定型时间不能形成网络均匀的化学交联甲壳素水凝胶，较长的定型时间会使甲壳素逐渐脱乙酰化导致甲壳素水凝胶逐渐解离。
30、根据本发明的实施例，所述的物理交联处理包括：将化学交联后的甲壳素基复合水凝胶置于浓度梯度乙醇水溶液中进行物理交联处理。
31、根据本发明的实施例，所述物理交联处理中使用乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液。
32、根据本发明的实施例，所述乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液的体积分数分别为30％、50％和70％。
33、根据本发明的实施例，所述乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液的体积分数分别为30％和70％。
34、根据本发明的实施例，所述透析处理是通过去离子水透析进行的。
35、根据本发明的实施例，所述透析处理是通过如下方式进行的：将物理交联处理后的水凝胶用去离子水反复清洗直至中性。
36、根据本发明的实施例，溶剂置换处理包括：将透析处理后的甲壳素基复合水凝胶先置于浓度梯度乙醇水溶液中进行第一溶剂置换处理，再置于丙酮或正己烷进行浸泡处理。
37、根据本发明的实施例，溶剂置换处理包括：将透析处理后的甲壳素基复合水凝胶先置于浓度梯度乙醇水溶液中进行第一溶剂置换处理，再置于丙酮进行浸泡处理。
38、根据本发明的实施例，所述第一溶剂置换处理所使用的乙醇水溶液为乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液。
39、根据本发明的实施例，所述乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液的体积分数分别为50％、75％和100％。
40、根据本发明的实施例，所述乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液的体积分数分别为30％、50％、70％和100％。
41、根据本发明的实施例，所述乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液的体积分数分别为70％和100％。
42、根据本发明的实施例，所述溶剂置换处理后进一步包括干燥处理。
43、根据本发明的实施例，所述干燥处理是通过如下方式进行的：
44、先将溶剂置换处理后得到的产物在通风橱中在室温下风干至少5天，再在37℃真空干燥箱中干燥3天，得到甲壳素基复合棒材。
45、在本发明的另一方面，本发明提出了一种甲壳素基骨折内固定带线锚钉。根据本发明的实施例，所述甲壳素基骨折内固定带线锚钉包括前面所述的甲壳素基复合棒材或根据前面所述的方法制备得到的甲壳素基复合棒材。
46、在本发明的另一方面，本发明还提出了前面所述的甲壳素基复合棒材或根据前面所述的方法制备得到的甲壳素基复合棒材在制备甲壳素基骨折内固定带线锚钉中的应用。
47、在本发明的再一方面，本发明还提供一种新型高强可吸收甲壳素基骨折内固定带线锚钉的制备方法，包括以下步骤：
48、s1.配置碱/尿素溶液使用的是氢氧化钠和尿素，其中氢氧化钠和尿素在去离子水中的质量分数分别为11wt％和4wt％；
49、s2.将一定质量的甲壳素和无机物置入碱/尿素溶液中，形成分散均匀的混合悬浮液后，再经冷冻-解冻循环，得到甲壳素基复合溶液；
50、s3.向甲壳素基复合溶液中加入交联剂，随后将溶液通过离心去除气泡后并倒入管状模具中定型，得到圆柱状的甲壳素基复合水凝胶；
51、s4.所述甲壳素基复合水凝胶经物理交联处理，去离子水透析和溶剂置换处理，再经干燥，即得到高强可吸收的甲壳素基复合棒材；
52、s5.所述甲壳素基复合棒材根据实际使用规格，经卧式计算机数控车床加工后得到骨折内固定医疗器械规格的可吸收带线锚钉。
53、根据本发明的实施例，上述方法还可以进一步包括如下附加技术特征至少之一：
54、根据本发明的实施例，步骤s2中，混合均匀的悬浮液经过冷冻-解冻循环，甲壳素溶解在配置好的碱/尿素溶液中，甲壳素分子链之间的氢键被打开，高结晶度的甲壳素转变为无定型结构，形成均相稳定的甲壳素溶液。
55、根据本发明的实施例，步骤s2中，所述甲壳素在碱/尿素溶液中的质量分数为2～6wt％，无机物与甲壳素的质量比为(0.05～0.15):1。
56、根据本发明的实施例，步骤s2中，所述无机物为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或其他生物陶瓷中的一种。人体骨骼主要由有机质胶原纤维和无机质羟基磷灰石组成，羟基磷灰石沿着胶原纤维长轴进行结晶排列，构成骨骼轻质高强的结构。其中，羟基磷灰石、β-磷酸三钙等生物陶瓷具有骨引导性和诱导性，在人体中经过代谢转化，降解后的钙离子和磷酸根离子能促进骨组织修复，并且在体内可进一步生成羟基磷灰石，参与新骨的生成。
57、根据本发明的实施例，所述无机物为β-磷酸三钙，β-磷酸三钙作为一种较为常见的骨替代材料，具有良好的生物相容性、骨引导性和生物降解性，是目前骨组织工程中较为常见的支架材料之一。将β-磷酸三钙引入甲壳素溶液中，一方面可以赋予甲壳素基复合材料的骨引导性和成骨活性，另一方面可以改善甲壳素水凝胶内部的分子网络结构，增强复合材料的力学性能。
58、根据本发明的实施例，步骤s3中，所述交联剂选自环氧氯丙烷、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、二环氧甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚或京尼平中的一种或多种的组合。化学交联剂对甲壳素分子链之间进行化学交联处理，甲壳素分子链上反应活性最高的c6位羟基最先被交联并在分子链之间形成醚键。利用化学交联剂形成化学交联点将甲壳素纤维互相连接起来，形成甲壳素基化学交联水凝胶。
59、根据本发明的实施例，所述交联剂为环氧氯丙烷，且环氧氯丙烷的体积与甲壳素的质量比为0.1～0.3ml/g，加入交联剂后持续搅拌混合溶液5～10min，且该搅拌操作于冰水浴条件下进行。之后将搅拌均匀的甲壳素混合溶液在高速低温离心机中离心除去气泡后缓慢的倒入管状模具中定型。定型过程是在低温环境下进行的，温度为3～10℃，处理的时间为8～16h。之后将成型的甲壳素基化学交联水凝胶从模具中取出并在体积比为30％-70％的乙醇水溶液中进行物理交联形成甲壳素基化学物理双交联水凝胶。本发明需要对甲壳素基化学交联水凝胶置于所配制的乙醇水溶液中浸泡一定时间，在浸泡过程中，原本水凝胶网络中的碱/尿素水体系被破坏，分子链之间重新建立氢键，形成物理交联网络，最后，用去离子水洗净甲壳素基化学物理双交联水凝胶。用去离子水洗净的目的是除去残留的化学交联剂与氢氧化钠与尿素等物质。
60、根据本发明的实施例，在步骤s4中，溶剂置换处理包括：将去离子水透析后的甲壳素基复合水凝胶先置于浓度梯度乙醇水溶液中进行溶剂置换，再置于丙酮或正己烷进行浸泡。
61、根据本发明的实施例，溶剂置换处理所使用的乙醇水溶液为乙醇浓度逐渐增加的乙醇水溶液，具体为50％、75％和100％，或30％、50％、70％和100％，或70％和100％体积分数的乙醇水溶液。优选地，溶剂置换处理中，浓度梯度乙醇水溶液处理后，使用丙酮进行浸泡。
62、根据本发明的实施例，在步骤s4中，干燥处理包括：先在通风橱中在室温下风干至少5天，再在37℃真空干燥箱中干燥3天，得到收缩均匀的甲壳素基复合棒材。
63、根据本发明的实施例，在步骤s5中，甲壳素基复合棒材根据实际使用规格，经卧式计算机数控车床加工后得到骨折内固定医疗器械规格的可吸收带线锚钉。
64、在本发明的再一方面，本发明还提出了一种新型高强可吸收甲壳素基骨折内固定带线锚钉的制备方法。根据本发明的实施例，所述方法包括将上述制备的甲壳素基带线锚钉应用于骨折内固定医疗器械。
65、根据本发明的实施例，本发明具有如下技术效果至少之一：
66、1)本发明的原料为自然界丰富易得的天然高分子材料甲壳素与生物陶瓷材料，具有优异的生物相容性和生物可降解性的特点；
67、2)本发明将一定比例的环氧氯丙烷引入到甲壳素溶液中，形成化学交联点将甲壳素纤维互相连接起来制备了甲壳素化学交联水凝胶，并通过乙醇水溶液的溶剂场调控进一步形成物理交联点形成化学物理双交联的甲壳素基复合水凝胶；无机物的加入赋予了甲壳素基复合材料优异的骨引导性和成骨活性，并进一步增强复合材料的力学性能；
68、3)本发明使用溶剂置换法对的甲壳素基复合水凝胶产生进一步的物理交联作用，甲壳素纤维之间通过形成氢键的方式结合更加紧密，最终干燥后的甲壳素基复合棒材，最大弯曲强度有268mpa；
69、4)本发明制备流程简单、易操作，加工得到的甲壳素基锚钉具有良好的细胞相容性和血液相容性。
1.一种甲壳素基复合棒材，其特征在于，所述甲壳素基复合棒材包含甲壳素和无机物。
2.根据权利要求1所述的甲壳素基复合棒材，其特征在于，所述无机物为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或其他生物陶瓷中的一种；
3.一种制备甲壳素基复合棒材的方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碱/尿素溶液中的碱为氢氧化钠；
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述甲壳素在碱/尿素溶液中的质量分数为2～6wt％；
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一混合处理是通过如下方式进行的：
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交联剂选自环氧氯丙烷、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、二环氧甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚或京尼平中的一种或多种的组合；
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的物理交联处理包括：将化学交联后的甲壳素基复合水凝胶置于浓度梯度乙醇水溶液中进行物理交联处理；
9.一种甲壳素基骨折内固定带线锚钉，其特征在于，所述甲壳素基骨折内固定带线锚钉包括权利要求1或2所述的甲壳素基复合棒材或根据权利要求3-8任一项所述的方法制备得到的甲壳素基复合棒材。
10.权利要求1或2所述的甲壳素基复合棒材或根据权利要求3-8任一项所述的方法制备得到的甲壳素基复合棒材在制备甲壳素基骨折内固定带线锚钉中的应用。
