羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料及製備方法

2023-12-05 11:26:11

專利名稱：羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種骨修復生物醫學材料，特別是一種羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋 白納米複合材料及其製備方法。
背景技術：
羥基磷灰石(Caltl(PO4)6(OH)2, hydroxyapatite，簡稱HA)是構成人體骨骼和牙齒 的主要無機成分，具有良好的生物相容性、骨傳導性和骨誘導性，因此在骨組織工程領域有 廣泛的應用前景；然而，單一的HA材料脆性大，韌性低，植入體內後HA粒子易從移植部位遷 移，因此不能用於負重部位骨缺損的修復。人體自然骨是由70wt%的HA和30wt%的骨膠原纖維組成的，其中片狀或棒狀的 HA納米結晶有序地嵌入到骨膠原有機基質中，無機與有機組元間的密切協同作用以及它們 在分子水平上的獨特組裝賦予了自然骨獨特的多級結構和優異的力學性能；基於仿生的概 念，即模擬自然骨的生物礦化過程，人們將HA陶瓷與一些天然高分子或蛋白質複合，期望 得到在生物活性和力學性能方面滿足臨床醫學要求的人工骨修復材料。殼聚糖(chitosan，簡稱Chs)是一種天然多糖類高分子，來源於甲殼素的脫乙醯 化，而甲殼素是一種豐富的自然資源，廣泛存在於甲殼類動物的外殼中；殼聚糖具有良好的 生物相容性和生物可降解性，而且易於加工成型，適合作為組織和器官再生的模板材料及 骨固定棒材；關於HA和殼聚糖的複合國內外已經開展了大量的研究；I. Yamaguchi等人利 用共沉澱法製備了 HA/Chs複合材料(JBiomed Mater Res 2001，55 20 27)，並指出這種 材料有一定的機械韌性和可塑性，植入動物骨髓後有新骨形成；李保強等人報導了原位復 合製備的層狀結構的殼聚糖/HA(Chs/HA質量比為100/ 複合材料具有較高的彎曲強度 (高等學校化學學報2004,25(10) 1949 1952)，但其中HA含量還不到5%，若用於骨移 植，很難發揮HA應有的生物學性能；人工合成的HA/Chs複合材料兼有HA和殼聚糖的優點， 但還存在力學強度低、降解速率與機體組織在其表面的生長速率不相匹配等問題，所以至 今還沒有廣泛應用於臨床治療。絲素蛋白(silk fibroin，簡稱SF)是一種纖維性蛋白質，由17種胺基酸組成，由 天然蠶絲提取而來，因此來源充足；它具有生物相容性良好、生物可降解、機械強度高、溼態 下溶解和滲透氧的能力強等優點，被廣泛應用於手術縫線及燒傷創面覆蓋，是一種很有前 景的生物醫學材料；有研究表明，羥基磷灰石/絲素蛋白(HA/SF)納米複合材料中HA納米 結晶粒子形成的團簇與絲素蛋白纖維相互交聯(J Eur Ceram Soc 2004，24 :2707 2715)， 構建了 HA/SF的三維多孔結構，絲素蛋白與HA的複合提高了 HA的機械強度，但HA/SF缺乏 足夠的韌性，可塑性較差。綜上所述，殼聚糖賦予HA —定的韌性、賦形性和生物可降解性，絲素蛋白能提高 HA的機械強度，所以，由納米HA與殼聚糖、絲素蛋白複合有機基質形成的一個新的納米復 合材料HA/Chs-SF，不僅生物相容性和生物活性好，生物可降解，而且機械強度高，有一定的 韌性，易加工成型，有望成為一種有發展前景的新一代骨修復替代材料。

發明內容
本發明的目的在於提供一種羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料及 製備方法，保證HA粒子在有機高基質中達到納米尺度的均勻分散，實現無機與有機組元分 子水平的複合，從而得到組成、結構、生物活性及力學性能接近自然骨的羥基磷灰石/殼聚 糖-絲素蛋白納米複合材料。本發明的技術方案羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料，其特徵在 於將產物HA/Chs-SF中各組分的質量比定為HA Chs SF= (60 80) (10 20) (10 20)，氫氧化鈣和磷酸水溶液按羥基磷灰石中Ca/P的化學計量比混合，並與混 合在一起的絲素蛋白、殼聚糖溶液進行共沉澱反應，利用絲素蛋白與殼聚糖複合有機模板 對HA結晶的成核和生長的調控作用，保證納米HA粒子在複合有機基質中的均勻分散，實現 無機與有機組元在分子水平的複合，形成與天然骨相似的三維網狀結構的納米複合材料。羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料的製備方法，其特徵在於製作步驟 如下1乳液中得到A液；2)稱取)9 Ilg氫氧化鈣與100 150g水混合，稱取2 4g絲素蛋白加入到氫 氧化鈣2 4g殼聚糖在100 130g 2. 醋酸溶液中劇烈攪拌溶解，然後將其與8 Ilg 85wt%磷酸混合得到B液；3)將B液逐滴加入到充分攪拌著的A液中，滴加濃氨水調節其pH值至9 10，在 室溫下將此混合物連續攪拌反應3 6小時；4)在室溫下靜置沉化20 M小時後，將離心分離所得的沉澱物用去離子水衝洗， 再離心分離，如此重複進行至少3次；5)將衝洗後的沉澱物在溫度為50 80°C的真空乾燥箱內烘乾後研磨成粉末即可。本發明的優點在於能夠保證羥基磷灰石納米粒子在殼聚糖與絲素蛋白複合有機 基質中均勻分散；形成的複合材料不僅具有良好的生物相容性和生物活性，而且具有足夠 的力學強度及韌性；殼聚糖與絲素蛋白來源豐富且價格低廉，製備工藝在常溫、常壓條件下 實施，操作方便、成本低，本發明製備的羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料是理 想的新一代骨修復替代材料。
具體實施例方式實施例羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料，其特徵在於以自然骨 中無機與有機組分的含量比70/30作為基準，將產物HA/Chs-SF中各組分的質量比定為 HA Chs SF = 70 15 15，氫氧化鈣和磷酸水溶液按羥基磷灰石中Ca/P的化學計量 比混合，並與混合在一起的絲素蛋白、殼聚糖溶液進行共沉澱反應，利用絲素蛋白與殼聚糖 複合有機模板對HA結晶的成核和生長的調控作用，保證納米HA粒子在複合有機基質中的 均勻分散，實現無機與有機組元在分子水平的複合，形成與天然骨相似的三維網狀結構的 納米複合材料。上述羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料的製作方法，其特徵在於製作
4步驟如下1)稱取10. 32g氫氧化鈣，加入去離子水120g，配製重量百分比濃度為7. 9%的氫 氧化鈣懸浮液；2)稱取3. OOg絲素蛋白，在電動攪拌條件下徐徐加入到1)配製的氫氧化鈣懸浮液 中；3)配製2. Owt %醋酸溶液備用，稱取3. OOg殼聚糖在117g 2. Owt %醋酸溶液中磁 力攪拌2小時使其溶解；4)稱取85wt%磷酸9. 64g，在電動攪拌條件下將磷酸緩慢滴加到幻所得的混合溶 液中；5)將4)配製的混合溶液逐滴加入到充分攪拌著的2、得到的混合物中，用精密酸 度計測量該混合物的PH值為6. 2，滴加濃氨水調節其pH值至9，在室溫、常壓下連續攪拌反 應3小時；6)將5)得到的混合物在室溫下靜置M小時，然後離心分離並用去離子水衝洗，再 離心分離，如此重複進行至少3次，將沉澱放入50°C乾燥箱內下真空乾燥48小時後取出， 用瑪瑙研缽研磨成粉末，即可獲得本發明的羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料。 所製備的羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白(HA/Chs-SF)納米複合材料中，納米HA粒子均勻 分散在複合有機基質中，在複合材料內構建了較理想的三維網狀結構，與自然骨的多極結 構較為接近。其中HA晶粒呈棒狀，大約20 50nm長，IOnm寬。化學分析表明HA與複合有 機基質間存在無機-有機化學作用，這種作用能增強無機-有機界面結合力，進一步增強了 HA/Chs-SF複合材料的力學性能，如HA/Chs-SF複合材料的抗壓強度為179. 3MPa，而以同樣 方法製得的不含殼聚糖和絲素蛋白的HA的抗壓強度為89. 6MPa。
權利要求
1.羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料，其特徵在於將產物HA/Chs-SF中 各組分的質量比定為HA Chs SF= (60 80) (10 20) (10 20)，氫氧化鈣和 磷酸水溶液按羥基磷灰石中Ca/P的化學計量比混合，並與混合在一起的絲素蛋白、殼聚糖 溶液進行共沉澱反應，利用絲素蛋白與殼聚糖複合有機模板對HA結晶的成核和生長的調 控作用，保證納米HA粒子在複合有機基質中的均勻分散，實現無機與有機組元在分子水平 的複合，形成與天然骨相似的三維網狀結構的納米複合材料。
2.根據權利要求1所述的羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料的製備方法， 其特徵在於製作步驟如下1)9 Ilg氫氧化鈣與100 150g水混合，稱取2 4g絲素蛋白加入到氫氧化鈣乳液 中得到A液；2)稱取2 4g殼聚糖在100 130g2. Owt %醋酸溶液中劇烈攪拌溶解，然後將其與 8 Ilg 85wt%磷酸混合得到B液；3)將B液逐滴加入到充分攪拌著的A液中，滴加濃氨水調節其pH值至9 10，在室溫 下將此混合物連續攪拌反應3 6小時；4)在室溫下靜置沉化20 M小時後，將離心分離所得的沉澱物用去離子水衝洗，再離 心分離，如此重複進行至少3次；5)將衝洗後的沉澱物在溫度為50 80°C的真空乾燥箱內烘乾後研磨成粉末即可。
全文摘要
本發明提供了一種羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料及其製備方法。該方法包括溼態下羥基磷灰石的前驅物與殼聚糖和絲素蛋白的共沉澱反應、生成的沉澱物從液相體系中分離和乾燥以及後續加工成型等工藝過程。本發明的優點是能夠保證羥基磷灰石納米粒子在殼聚糖與絲素蛋白複合有機基質中均勻分散，形成的複合材料不僅具有良好的生物相容性和生物活性，而且具有足夠的力學強度及韌性；殼聚糖與絲素蛋白來源豐富且價格低廉，製備工藝在常溫、常壓條件下實施，操作方便、成本低。本發明製備的羥基磷灰石/殼聚糖-絲素蛋白納米複合材料是理想的新一代骨修復替代材料。
文檔編號A61L27/42GK102085391SQ20091022901
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年12月8日
發明者王莉, 範洪濤, 董向陽 申請人:國家納米技術與工程研究院