原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法

2023-06-16 00:20:31 1

專利名稱：原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學材料領域，具體涉及一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高 分子複合材料的方法。
背景技術：
人體硬組織(如骨和牙齒)是一種有機/無機納米雜化體，其中的無機物主要是 納米級羥基磷灰石(HA)。因此，從仿生學的角度出發，研究具有「結構仿生」的硬組織材料 是當今生物醫學材料發展的重要方向。生物礦化基於仿生的原理，以大分子為模板，通過自組裝或者自組織誘導無機晶 體的生長，複製天然骨組織的納米複合和梯度結構。目前體外礦化製備HA複合材料方法主 要是模擬體液礦化法、水溶膠法、共沉澱法及乳化法等，但是這些礦化方法均是在材料的外 表面形成一層礦化層，與天然骨組織形態相差甚遠。天然骨中的礦化有兩個重要的步驟，首 先是游離的磷酸鈣鹽與納米膠原複合，然後這種液態的高分子材料固定的無定形態磷酸鈣 (ACP)被吸附到原膠原及空隙中，作為HA的前軀體調控磷酸鈣的沉積、維度及結構，最終形 成深度礦化的複合體。天然高分子材料如甲殼素、殼聚糖及其衍生物、膠原、海藻酸鈉等多糖和蛋白是自 然界中生物複合體中主要的有機成分，作為大分子模板在生物礦化中起到了重要的作用， 而且它跟無機礦物晶體之間的相互作用提供了高度的分子識別點。而且這些材料由於具有 良好的生物相容性和生物可降解性等在組織工程研究中受到眾多研究者的青睞，因此以天 然高分子材料為大分子模板進行生物礦化是模擬天然組織的有效方法。

發明內容
本發明的首要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種反應時間短、礦化 速度快、反應條件溫和的原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法，該方法 以HA為鈣磷源提供精確的鈣磷比(1. 67)，以天然高分子材料為大分子基質材料，在酸性環 境中形成均相溶液，通過Sol-Gel相轉變，以」bottum-up」方式原位構建納米HA/天然高分 子複合多孔支架材料。本發明的另一目的是提供上述方法得到的複合材料，該複合材料以天然高分子材 料為多孔基體材料，其內部與表面經礦化附有納米羥基磷灰石。本發明的再一目的在於提供上述複合材料的應用。本發明的目的通過下述技術方案實現一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法，包括以下步驟(1)將納米羥基磷灰石(HA)加入到水中，攪拌使其形成乳白色懸浮液，逐滴加入 HNO3至HA完全溶解，調節其pH至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶於HNO3溶液得到B液；(3)在攪拌下將A液倒入B液中，混合均勻；混合液在4-40°C下不斷攪拌，同時調節PH值至11-13，形成白色凝膠，此時無機物形成磷酸鈣鹽(稱為礦化過程)，再陳化處理， 然後凍幹，得到納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料。步驟(1)中，A液中納米羥基磷灰石的濃度為0. 1-0. 75g/100mL ；所述調節pH至 2 ；步驟(2)中，B液中天然高分子材料的濃度為l_7g/100mL ；步驟⑵所述HNO3溶液的體積濃度是；步驟(3)中，納米羥基磷灰石與天然高分子材料的質量比為1 :2-1:4;步驟C3)所述陳化處理是將所得的白色凝膠置於40-70°C (優選60°C )下靜置 4-8h ；所述天然高分子材料包括甲殼素、殼聚糖、膠原、多肽、海藻酸鈉、蛋白質等及其衍 生物和複合物；在上述方法中，礦化在弱鹼條件下進行，所述的pH值分別為11-13。在上述方法中，加入HA是為了在礦化過程中提供精確的鈣磷比(1.67)。由上述方法製備得到的納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料，納米羥基磷灰石 和天然高分子材料混合均勻，因此可達到深度礦化。材料的壓縮強度為50-80Mpa，滿足非承 重部位的臨床要求。由上述方法製備得到的納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料可用作骨組織工 程材料。本發明的基本原理如下當體系pH值大於6時，殼聚糖、膠原等天然高分子材料能從其溶液中沉澱出來，天 然高分子與Ca2+絡合能力較強，能形成高分子-金屬螯合物，當pH值為9-11時，絡合能力 最強。故在鹼性溶液中，在共沉澱過程中，天然高分子與鈣離子發生絡合反應，使HA以天然 高分子中極性基團為活性位點生長，這就有效克服了 HA在基體中分布不均勻的問題，並最 終使納米HA在天然高分子上均勻附著，形成有效的有機/無機雜化複合材料。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果(1)本發明的製備方法反應時間短，礦化速度快。按照本發明方法加入氨水調節 PH值後立即產生凝膠，天然高分子與磷酸鹽共生。陳化處理會促進磷酸鹽轉化為羥基磷灰 石晶體，並隨陳化時間延長，羥基磷灰石晶體逐漸長大。(2)天然高分子與羥基磷灰石共生。在鹼性溶液中，在共沉澱過程中，天然高分子 與鈣離子發生絡合反應，使HA以天然高分子中極性基團為活性位點生長，這種磷酸鹽與殼 聚糖是分子層面的結合，不僅僅使天然高分子支架內外表面長滿磷酸鹽，所得的支架材料 是一種磷酸鹽與殼聚糖「共生」的均質材料。(3)反應體系條件溫和。本發明方法中反應介質是稀硝酸溶液，PH由氨水調節，對 天然高分子無害。共沉積過程在室溫下進行，陳化過程在60°C下進行，不會引起材料的降解 和變性；體系的PH值呈弱鹼性，也不會引起材料的降解和溶解。(4)反應方法和反應體系容易操作和控制。本發明方法中所涉及的化學試劑均為 常見試劑，容易獲得；整個操作過程簡單可行。(5)成本低。本發明方法中所涉及的所有試劑均為常見化學試劑，價格低廉；而且 整個反應條件比較溫和，避免了高能源的投入。
(6)本發明得到的有機/無機雜化複合支架材料，不但在製備過程中構建出孔支 架結構，並且礦化形成納米羥基磷灰石結晶與天然高分子材料結合緊密，不但在支架材料 內、外表面均沉積有緻密的礦化層，而且在支架的內部也形成了均質的有機/無機雜化復 合材料，因此材料的力學強度顯著增強。


圖1是pH= 11下不同陳化時間製備的HA/CS(l/4)複合支架的XRD圖；其中 (a)-(d)分別為陳化 0、4、8 和 12h ； (e)純 HA ； (f)純 CS0圖2是pH = 11下製備的HA/CS複合支架的SEM照片；其中(al)純CS支架， 100X ； (a2)陳化 0h，40000X ； (bl)陳化 4h，200X ； (b2)陳化 4h，10000X ； (cl)陳化 8h， 600 X ； (c2)陳化 8h，10000X ； (dl)陳化 12h，500X ； (d2)陳化 12h，10000 X。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 於此。實施例1 納米羥基磷灰石/殼聚糖(HA/CS)複合材料的製備將HA粉末加入去離子水中，高速攪拌形成HA濃度為0. 75g/100mL乳白色懸浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水調節pH至3，得到A液。按照HA/CS質量比為 1/4的比例稱取殼聚糖(⑶)粉末，並將其溶於的HNO3水溶液，連續攪拌，過濾後得到完 全透明的殼聚糖溶液，為B液。在磁力攪拌下將A液緩慢倒入B液中，混合均勻。40°C下， 混合液在劇烈攪拌下逐滴加入氨水調節PH值為11形成白色凝膠，陳化(70°C下)4h，然後 凍幹、洗至中性並二次凍幹，得到多孔複合支架材料。對所製備的納米羥基磷灰石/殼聚糖複合支架材料進行測試與分析。納米羥基磷灰石/殼聚糖複合材料製成5. OmmX 5. OmmX 5. Omm樣品，在島津萬能 材料試驗機(AG-I)上進行壓縮強度測試，加載速度5mm/min，壓縮強度為變形50%時所得 的數據，其壓縮強度和壓縮模量分別為59. 3士0. 04510 和148. 25士0. 112KPa，遠遠高於純 殼聚糖力學強度(壓縮強度和壓縮模量分別為39. 1 士0. 073KPa和97. 75士0. 183KPa)。納米羥基磷灰石/殼聚糖複合材料的XRD表徵如圖1，未陳化處理時(圖la)樣品 的晶相組成有多種磷酸鈣鹽。陳化時間為4h時(圖lb)，轉化為具有一定結晶度的HA。納米羥基磷灰石/殼聚糖複合支架的SEM照片如圖2，相轉變及陳化處理得到孔隙 率高，孔洞呈較規整圓形且相互貫穿的多孔支架，有利於細胞遷移、營養傳輸及代謝產物的 排出。陳化時間4h時(圖2bl、2l32)，支架的孔洞比較均勻，孔壁較薄，隨著陳化時間的延 長，孔壁變厚，支架的規整性變差。實施例2 納米羥基磷灰石/膠原(HA/C0L)複合材料的製備將HA粉末加入去離子水中，高速攪拌形成HA濃度為0. 5g/100mL乳白色懸浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水調節pH至1，得到A液。按照HA/C0L質量比為 1/2的比例稱取膠原(COL)，並將其溶於1 %的HNO3水溶液，為B液。在磁力攪拌下將A液 緩慢倒入B液中，混合均勻。4°C下，攪拌下逐滴加入氨水調節pH值為12形成白色凝膠，陳 化(40°C下)5h，然後凍幹、洗至中性並二次凍幹，得到多孔納米羥基磷灰石/膠原(HA/C0L)複合材料。對納米羥基磷灰石/膠原(HA/C0L)複合材料利用上述測試方法進行測試與分析， 其壓縮強度和壓縮模量分別為55. 6士0. 32IKPa和132. 63士0. 214KPa，遠高於純膠原力學 強度(壓縮強度和壓縮模量分別為25. 6 士 0. 02 IKPa和80. 0 士 0. 035KPa)。掃描電鏡觀察，材料的孔隙率較高，大孔孔徑平均為150 μ m，孔壁較薄，礦物層與 膠原結合緊密。實施例3 納米羥基磷灰石/海藻酸鈉複合材料(HA/SA)的製備將HA粉末加入去離子水中，高速攪拌形成HA濃度為0. lg/100mL乳白色懸浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水調節pH至2，得到A液。按照HA/SA質量比為 1/3的比例稱取海藻酸鈉(SA)，並將其溶於1 %的HNO3水溶液，為B液。在磁力攪拌下將A 液緩慢倒入B液中，混合均勻。20°C下，攪拌下逐滴加入氨水調節pH值為13形成白色凝膠， 陳化(60°C下)8h，然後凍幹、洗至中性並二次凍幹，得到多孔納米羥基磷灰石/海藻酸鈉復 合材料(HA/SA)複合材料。對納米羥基磷灰石/海藻酸鈉複合材料(HA/SA)利用上述測試方法進行測試與分 析，其壓縮強度和壓縮模量分別為78. 6士0. 0. 52IKPa和194士0. 123KPa，高於純海藻酸鈉 凝膠力學強度(壓縮強度和壓縮模量分別為65. 1 士0. 01210 和IM士0. 20IKPa)。掃描電鏡觀察，材料的孔隙率較高，大孔孔徑平均為148 μ m,孔壁較薄，礦物層與 膠原結合緊密。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法，其特徵在於包括以下 步驟(1)將納米羥基磷灰石加入到水中，攪拌形成乳白色懸浮液，逐滴加入HNO3至納米羥基 磷灰石完全溶解，調節其PH值至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶於HNO3溶液得到B液；(3)攪拌下將A液倒入B液中，混合均勻；混合液在4-40°C下不斷攪拌，同時調節pH值 至11-13，形成白色凝膠，再陳化處理，然後凍幹，得到納米羥基磷灰石/天然高分子複合材 料。
2.根據權利要求1所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於步驟(1)所述A液中納米羥基磷灰石的濃度為0. 1-0. 75g/100mL ；所述pH值 為2。
3.根據權利要求1所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於步驟( 所述HNO3溶液的體積濃度是1%。
4.根據權利要求1所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於所述納米羥基磷灰石與天然高分子材料的質量比為1:2-1: 4。
5.根據權利要求1所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於步驟C3)所述陳化處理是將白色凝膠於40-70°C下靜置4-他。
6.根據權利要求5所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於步驟C3)所述陳化處理是將白色凝膠於60°C下靜置4-他。
7.根據權利要求1所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法， 其特徵在於所述天然高分子材料為甲殼素、殼聚糖、膠原、多肽或海藻酸鈉中的一種。
8.權利要求1-7任一項所述一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方 法製備得到的納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料。
全文摘要
本發明公開了一種原位製備納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的方法，該方法包括以下步驟(1)將HA加入到水中，攪拌形成乳白色懸浮液，逐滴加入HNO3至HA完全溶解，調節其pH值至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶於HNO3溶液得到B液；(3)攪拌下將A液倒入B液中，混合均勻；在4-40℃下不斷攪拌，同時調節pH值至11-13，形成白色凝膠，再陳化處理，然後凍幹，得到納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料。本發明方法反應時間短、礦化速度快、反應條件溫和，所得到的納米羥基磷灰石/天然高分子複合材料的力學強度顯著增強。
文檔編號A61L27/44GK102133429SQ20111006914
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者周長忍, 李波, 李立華 申請人:暨南大學