CN101822852B

CN101822852B - 仿生磷酸钙纤维复合支架材料及制备方法

Info

Publication number: CN101822852B
Application number: CN 200910078991
Authority: CN
Inventors: 杨小平; 张歆; 张慎; 蔡晴; 邓旭亮
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: CN101822852A

Abstract

本发明提供了一种仿生磷酸钙纤维复合支架材料及其制备方法，该支架材料具有与天然网状骨相似的成分与结构，由纳/微米的磷酸钙纤维基体和表面的生物高分子涂层组成，其中磷酸钙支架纤维间相互搭接形成三维类网状骨结构，孔隙率不低于80％，高分子涂层厚度为100～1000nm。其制备方法是把含钙离子的溶液滴加到水解的磷酸盐溶液中，调节磷酸盐溶液的PH值在1～10之间，钙磷比为1.0～1.6，经过低温陈化得到前驱体溶胶，在溶胶中加入高分子助纺剂进行静电纺丝得到连续的三维结构的纳/微米纤维，经过后处理定型、高温烧结、浸渍和干燥过程得到仿生磷酸钙纤维复合支架材料。

Description

仿生磷酸钙纤维复合支架材料及制备方法

技术领域

本发明属生物复合材料的制备，涉及一种磷酸钙纤维复合支架材料及制备方法，该复合支架材料可作为骨缺损填充材料、骨组织工程支架材料和药物缓释载体等。

背景技术

磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石(HAP)、磷酸三钙(α-TCP，β-TCP)、焦磷酸钙(CPPD)、磷酸四钙(TTCP)、五水磷酸八钙(OCP)、透钙磷石(DCPD)、无水磷酸二钙(DCPA)和无定形磷酸钙(ACP)及其混合物等。在目前科学研究和临床应用的组织替换生物材料中，磷酸钙类生物陶瓷材料占有较大的比重。从自然骨的微观结构上看，骨是由纳米磷酸钙盐晶体弥散分布在胶原蛋白纤维及其它生物高分子中构成的连续多相复合体。磷酸钙陶瓷具有与骨骼矿化物类似的成分、表面及体相结构，具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，植入人体后可通过体内的生化反应与自然骨形成牢固的骨性结合，部分磷酸钙陶瓷还具有引导骨细胞粘附和生长的功能，是理想的骨修复材料。上述磷酸钙陶瓷中，β-TCP的体内降解速率与新骨生长速率最为接近，在局部区域内缓慢释放出的钙、磷离子有利于骨细胞的增殖、分化和代谢，能够促进新生骨的形成。

磷酸钙陶瓷支架材料制备方法很多，如采用气体发泡法、盐析沥滤法、聚合物模板法等制备多孔基体材料，然后通过加压烧结，最终得到颗粒状或多孔块状材料，使用时可通过与自体血浆混合或直接填充到缺损部位，从而实现骨组织再生。然而，上述方法所得的磷酸钙支架材料在结构上与天然骨组织细胞外基质(ECM)差别较大，不具备天然骨所具有的适宜的孔径、高连通性和机械强度等优点，难以适应组织工程支架的要求。近十年来，利用静电纺丝技术制备具有类天然ECM网络结构的纳/微米纤维材料在骨组织再生和骨组织工程领域里得到了广泛的关注和应用。将溶胶-凝胶与静电纺丝技术相结合，由有机/无机复合物前驱体溶胶溶液通过静电纺丝成型，经高温烧结可制备出多种具有连续相的无机纳米纤维，如Xiaoshu Dai等采用溶胶-凝胶静电纺丝技术，通过磷酸盐的水解、前驱体溶胶的制备、加入高分子助纺剂后的静电纺丝成型，制备出了纳/微米HA纤维材料(Materials Letters 61(2007)2735-2738，Material Science andEngineering C 28(2008)336-340)，并提出用该纳/微米HA纤维材料可以用于骨修复支架材料，但是该纳/微米HA纤维存在以下问题：1、在制备溶胶前驱体的过程中，磷酸酯水解不完全且易挥发，所得到的纳/微米HA纤维中存在着大量的氧化钙杂相，对骨组织的再生产生不利影响；2、该方法经由静电纺丝得到的纳/微米纤维为膜状，本身不具三维支架结构，植入人体后难以维持再生空间，需要采用缠绕、压制等工艺成型为三维结构支架材料。与此同时，由于烧结温度较低，制备出的HA纤维材料结晶度不高。此外，一般溶胶凝胶-静电纺丝法制备的纳/微米陶纤维极脆，很难满足骨支架材料的强度要求，因而该纳/微米HA纤维本身无法直接用作骨修复支架材料。目前用静电纺丝磷酸钙纤维制备仿生骨修复复合支架材料未见报道。

发明内容

本发明提供了一种仿生磷酸钙纤维复合支架材料及其制备方法，该支架材料具有与天然网状骨相似的成分与结构，磷酸钙相的结晶度和纯度很高，可为骨细胞的粘附、生长和增殖提供更适宜的条件，并且该复合支架材料复合有高分子涂层，可有效提高纤维支架的强度和韧性。该方法通过优化前驱体制备工艺，提高磷酸钙纯度，采用静电纺丝直接制备得到三维结构的纳/微米纤维，并且通过浸渍复合高分子涂层，制备出具有高强度和韧性的仿生磷酸钙纤维复合支架材料。

本发明提供的复合支架材料，由纳/微米的磷酸钙纤维基体和表面的生物高分子涂层组成，其中磷酸钙支架纤维间相互搭接形成三维类网状骨结构，磷酸钙纤维直径为100～5000nm，纤维间空隙为10～100μm，孔隙率不低于80％，高分子涂层为具有生物相容性的生物高分子，涂层的厚度为100～1000nm。

本发明提供的复合支架材料，磷酸钙纤维的横截面可为圆形、椭圆形或不规则形状，纤维内部可为实心或多孔结构。

本发明提供的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，包括磷酸盐的水解、前驱体溶胶的制备、加入高分子助纺剂静电纺丝成型，高温烧结、浸渍和干燥。其中前驱体溶胶的制备过程是，把含钙离子的溶液滴加到水解的磷酸盐溶液中，磷酸盐溶液的PH值在1～10之间调节，钙磷比调节范围为1.0～1.6，经过-20～10℃低温陈化得到前驱体溶胶，将高分子助纺剂加入到溶胶中配成纺丝液，对其施加-10～-25kV的静电电压，在高温接收器上得到连续的三维结构的纳/微米纤维，经过后处理定型、高温烧结、浸渍和干燥等过程得到仿生磷酸钙。

本发明的制备方法中所述的前驱体溶胶制备中，调节钙磷比和低温陈化对支架成分影响很大，控制钙磷比在1.0～1.5范围，酸性低温条件pH＝1～5、-20～10℃，可获得主晶相为磷酸三钙的纤维支架。钙磷比在1.3～1.6范围，碱性条件pH＝8～10、-20～10℃，获得主晶相为羟基磷灰石的纤维支架。

本发明的制备方法中所述的静电纺丝成型是公知方法，其中，控制板状接收器温度为50～90℃，环境温度为30～70℃，环境湿度低于30％，静电电压为-10～-25kV，纺丝液流速为0.2～5.0mL/h，可获得三维结构的纳/微米纤维。

本发明的制备方法中所述的高温烧结过程中，纤维后处理温度为80～150℃，煅烧温度为600～1300℃，烧结时间为1～12h，升温过程中通入空气气氛，升温速度为1～5℃/min，降温过程中通入高纯氮气，降温速度为1～10℃/min。

本发明的制备方法中所述的浸渍过程中，所用的生物高分子溶液的浓度为1～10％wt.，最终在磷酸钙纤维表面形成的生物高分子涂层的厚度为10～1000nm。

本发明的仿生磷酸钙纤维复合支架材料制备方法中，通过调节磷酸盐水解酸碱性、溶胶钙磷比及烧结温度，可以控制磷酸钙的成分，可为α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸二钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、焦磷酸钙的一种或多种的复合。

本发明的制备方法中所述的提供钙离子的原料包括硝酸钙、氯化钙、醋酸钙、乳酸钙、柠檬酸钙等钙盐的的一种或多种的组合。

本发明的制备方法中所述的磷酸盐包括三甲基磷酸、三乙基磷酸、三丁基磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵的一种或多种的组合。

本发明的制备方法中所述的静电纺丝成型过程中所采用的聚合物助纺剂包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、明胶、壳聚糖等水溶性高分子的一种或多种的组合。

本发明的制备方法中所述的用于浸渍磷酸钙陶瓷纳米纤维支架的聚合物包括脂肪族聚酯(PLA、PGA、PCL等)、明胶、聚乙烯吡咯烷酮、藻酸纳、水凝胶、胶原、明胶、丝素蛋白、壳聚糖、聚羟基丁酸(PHA、PHB)、几丁质、羟基烷酸酯类(PHAs)等多种生物相容性的生物高分子的一种或多种的复合。浸渍溶剂为水、乙醇、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿等的一种或几种的混合。

技术效果：

(1)本发明通过严格控制前驱体溶胶的初始钙磷比、调节反应体系的温度和酸碱度，溶胶的陈化温度和时间，以及纤维的煅烧温度和时间，溶液的酸碱性可以有效的控制烧结产物的成分，并避免CaO杂相的生成。最终可获得高纯度、高结晶度的β-TCP、HA单相及β-TCP/HA复相磷酸钙材料。

(2)本发明以水溶性聚合物为助纺剂，通过控制静电纺丝的工艺参数，可使纤维之间可相互独立或搭接在一起，直接获得三维的微/纳米纤维材料，经高温烧结制备出直径在100～5000nm的连续磷酸钙纤维支架。

(3)本发明所制备的磷酸钙纤维复合支架材料具有三维的网状空间结构，这种结构与天然网状骨近似，植入骨缺损区域后不仅能够维持再生空间，而且还可以为骨细胞的粘附、生长和增殖提供更适宜的环境，能有效促进骨组织的修复和再生。

(4)本发明的复合支架材料由磷酸钙陶瓷纤维基体和纤维表面的生物高分子涂层复合而成，可逐步被人体部分或完全吸收，在修复区域能够释放出大量钙磷元素，加快生物矿化过程，促进新骨的形成。

(5)本发明所采用的制备和加工方法简单，可控性强，能用于工业化生产。

附图说明

图1是实施例1、2、3所述的磷酸钙纤维支架材料的XRD图谱；

图2是实施例2所述的采用静电纺丝制备的混杂纤维材料。

图3是实施例1所述的磷酸钙陶瓷纤维烧结前的SEM图。

图4是实施例1所述的磷酸钙陶瓷纤维烧结后的SEM图。

图5是实施例2所述的磷酸钙陶瓷纤维浸渍后的SEM图。

图6是实施例2所述的磷酸钙纤维复合支架材料的实物照片。

具体实施方式

(a)将磷酸盐溶于去离子水和有机醇的混合溶液中(M_磷酸盐∶M_乙醇∶M_水＝1∶1∶1～1∶10∶10)，在自然状态或酸、碱催化条件下剧烈搅拌水解1～5天，水解温度为20～90℃；

(b)按照Ca/P＝1.0～1.6的比例滴加含钙离子的醇溶液，滴加完毕后在-20～10℃下继续低温陈化1～10天，得到无色透明的均相溶胶前驱体；

(c)将前驱体溶液按1∶1～1∶10(wt./wt.)的比例溶于去离子水中，加入聚合物助纺剂配制成纺丝液。采用静电纺丝法制备混杂纤维材料，电纺环境温度为30～70℃，施加的静电电压为-10～-25kV，纺丝液流速为0.2～5.0mL/h，纤维接收器温度为50～90℃，环境温度为30～70℃，湿度低于30％；

(d)将上述纤维材料直接或卷绕后置于80～150℃下处理6～24h后，于600～1300℃高温条件下进行煅烧，得到磷酸钙纤维支架；

(e)将上述陶瓷支架浸渍到0.1～10％wt.的生物高分子溶液中1～4h，取出后进行冷冻干燥，得到磷酸钙复合纤维支架材料。

本发明所提出的仿生磷酸钙纤维复合支架材料可应用与各种骨缺损的修复和再生，如外伤、肿瘤、种植体等引起的缺损，以及整形外科、口腔外科、神经外科、颅面外科等手术中的骨折愈合、骨不连续修复和骨内外固定等等。

实施例1

将3.643g磷酸三乙酯、2.76g乙醇和1.08g去离子水混合配成溶液，并滴加硝酸调节溶液pH＝2，在80℃下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P＝1.0的化学计量比缓慢滴加2mol/L硝酸钙的乙醇溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18℃的环境下陈化7天。将其按照溶胶∶水＝3∶1的质量比配制纺丝液，加入PVP(Mn＝1300,000)作为助纺剂，PVP的浓度为4％wt.。静电纺丝工艺参数如下：环境温度40℃、湿度低于30％、纺丝液流速为0.5mL/h、静电电压为-18kV，喷丝口与纤维接收器之间的距离为15cm，纤维接收器表面温度为80℃。纺丝10h后，得到白色棉花状的混杂纤维材料。所得到纳米纤维在100℃处理3h后置于碳化炉中在1300℃烧结，升温速度为5℃/min，以5℃/min的降温速度冷却，得到β-TCP陶瓷纤维材料，XRD分析结果如图1中的TCP谱图所示。将所得的β-TCP陶瓷纤维支架置于1％wt.的胶原溶液(0.5M醋酸溶液，pH＝2)中浸渍3d，取出后于-20℃下冷冻48h，然后在-54℃、100Pa条件下干燥48h，即可得到具有三维结构的β-TCP/胶原复合纤维支架材料。

实施例2

将4.554g磷酸三乙酯、3.45g乙醇和1.35g去离子水混合配成溶液，在50℃下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P＝1.5的化学计量比缓慢滴加3mol/L硝酸钙的乙醇溶液，滴加完毕后继续搅拌2h，置于-18℃陈化7天。将其按照溶胶∶水＝5∶1的质量比配制纺丝液，加入PVA(Mn＝100,000)作为助纺剂，PVA的浓度为8％wt.。静电纺丝工艺参数如下：环境温度40℃、湿度低于30％、纺丝液流速为0.8mL/h、静电电压为-22kV，喷丝口与纤维接收器之间的距离为15cm，纤维接收器表面温度为80℃。电纺10h后，得到白色，棉花状状的纳米纤维材料，实物如图2所示，其微观形貌如图3的SEM照片所示。所得纤维在150℃处理12h后置于碳化炉中在1100℃烧结3h，升温速度为2℃/min，以10℃/min的降温速度冷却，得到HA/β-TCP复相陶瓷纤维材料，XRD分析结果如图1中的HA/β-TCP谱图所示，其微观形貌如图4的SEM照片所示。进一步将HA/β-TCP陶瓷纤维支架置于1％wt.的明胶溶液中浸渍3h，取出置于45℃的真空烘箱中干燥48h，即可得到具有三维仿生结构的β-TCP/HA/明胶纤维复合支架材料，其微观形貌如图5的SEM照片所示，样品实物如图6所示。

实施例3

将2.802g磷酸三甲酯、1.84g甲醇和0.72g去离子水混合配成溶液，并滴加氨水调节溶液pH＝9，在50℃下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P＝1.5的化学计量比缓慢滴加2mol/L硝酸钙的乙醇溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18℃的的环境下陈化7天。将其按照溶胶∶水＝6∶1的质量比配制纺丝液，加入高分子量的PEO作为助纺剂，PEO的浓度为10％wt.。静电纺丝工艺参数如下：环境温度40℃、湿度低于30％、纺丝液流速为0.8mL/h、静电电压为-10kV，喷丝口与纤维接收器之间的距离为10cm，纤维接收器表面温度为80℃。电纺10h后，得到白色棉花状的纳米纤维。所得混杂纤维在150℃处理12h后置于碳化炉中在1100℃烧结6h，升温速度为2℃/min，以10℃/min的降温速度冷却，得到HA陶瓷纤维材料，XRD分析结果如图1中的HA谱图所示。将所得HA陶瓷纤维支架置于1％wt.的PLDLA(Mn＝100,000，DA/LA＝7∶3)的氯仿溶液中浸渍5h，取出后置于50℃真空条件下干燥48h，即可得到HA/PLDLA复合纤维支架材料。

实施例4

将M_{五氧化二磷}∶M_乙醇∶M_水＝1∶1.5∶1.5的比例混合，并滴加硝酸调节溶液pH＝2，在80℃下剧烈搅拌水解8h，按照Ca/P＝1.6的化学计量比缓慢滴加3mol/L氯化钙的乙醇溶液，混合溶液搅拌2h后置于-10℃的条件下继续陈化5天。按照溶胶∶水＝6∶1(wt./wt.)的比例配制纺丝液，加入明胶作为助纺剂，明胶的浓度为10％wt.。静电纺丝工艺参数如下：环境温度40℃、湿度低于30％、纺丝液流速为0.3mL/h、静电电压为-22kV，喷丝口与纤维接收器之间的距离为15cm，纤维接收器表面温度为50℃。电纺10h后，得到白色棉花状的纳/微米纤维。所得纤维在80℃处理12h后置于碳化炉中在900℃烧结6h，升温速度为5℃/min，以10℃/min的降温速度冷却，得到HA/β-TCP复相陶瓷纤维材料。将所得陶瓷纤维支架置于1％wt.的PLGA(Mn＝100,000，LA/GA＝75∶25)的氯仿溶液中浸渍4h，取出后置于40℃真空条件下干燥48h，即可得到HA/β-TCP/PLGA复合纤维支架材料。

Claims

1.一种仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，其特征在于：制备过程包括磷酸盐的水解、前驱体溶胶的制备、加入高分子助纺剂后的静电纺丝成型、高温烧结、浸渍和干燥步骤，其中前驱体溶胶的制备为把含钙离子的溶液滴加到已充分水解的磷酸盐溶液中，调节磷酸盐溶液的pH＝1～10、钙磷比范围为1.0～1.6，经过-20～10℃低温陈化得到前驱体溶胶；其中加入高分子助纺剂后的静电纺丝成型为将高分子助纺剂加入到前驱体溶胶中，控制环境温度为30～70℃和环境湿度低于30％条件下，调节静电电压-10～-25kV，纺丝液流速为0.2～5.0mL/h，接收器温度50-90℃，得到连续的三维结构纳/微米纤维；其中高温烧结为将上述三维结构纳/微米纤维在80～150℃进行后处理后，于600～1300℃进行高温烧结1～12h；其中浸渍和干燥为将烧结得到的磷酸钙纤维支架采用生物高分子溶液浸渍，干燥后得到仿生磷酸钙纤维复合支架材料。

2.根据权利要求1的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，所述的高分子助纺剂包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、明胶或壳聚糖水溶性高分子中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，所述的高温烧结过程分为升温和降温两个过程：升温过程中通入空气，升温速度为1～5℃/min；降温过程中通入高纯氮气，降温速度为1～10℃/min。

4.根据权利要求1的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，所述的前驱体溶胶中，当钙磷比在1.0～1.5、pH＝1～5、-20～0℃酸性低温条件陈化时，获得的磷酸钙纤维支架其主晶相为磷酸三钙；当钙磷比在1.3～1.6、pH＝8～10、-10～10℃碱性条件陈化时，获得的磷酸钙纤维支架其主晶相为羟基磷灰石。

5.根据权利要求1的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，所述的用于浸渍磷酸钙纤维支架的生物高分子包括脂肪族聚酯、聚乙烯吡咯烷酮、藻酸钠、胶原、明胶、丝素蛋白、壳聚糖、聚羟基丁酸、几丁质中的一种或多种的复合。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的仿生磷酸钙纤维复合支架材料的制备方法，其特征在于：得到的仿生磷酸钙纤维复合支架材料由磷酸钙纤维支架和纤维表面生物高分子涂层所组成，其中磷酸钙纤维支架的纤维相互搭接形成三维的类网状骨结构，孔隙率不低于80％；磷酸钙纤维支架的纤维直径为100～5000nm，纤维间空隙为10～100μm，纤维表面生物高分子涂层的厚度为100～1000nm。