CN102058903A - 取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法。在pH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性钙盐、可溶性磷酸盐或磷酸和交联剂，然后放置，得到水凝胶；在水凝胶表面倾倒碱性水溶液，保持温度在-4-4℃，让碱性水溶液向下渗透，得到取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料；将得到的天然高分子/磷酸钙盐复合材料用纯净水反复清洗至淋洗液pH=7，然后干燥脱水。本发明方法工艺简单，工艺参数较易控制。该方法制备的取向性孔洞结构的天然高分子/磷酸钙盐多孔复合材料可作为骨组织工程材料中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法，属于医学材料技术领域。
背景技术
理想的骨替代材料应该是在组成上接近真实骨的有机/无机复合材料，还必须具备多孔结构，包括必要的孔隙率（大于75%）和孔径尺寸（100微米到500微米，在这个范围内越大越好），并且尽量模拟真实骨的孔洞结构和力学性能。天然骨是一种各向异性的复合材料，具有优异的力学性能，其成分为胶原和羟基磷灰石的复合材料。以小梁骨为例，其径向的抗压强度大约在10MPa左右，纵向的抗压强度在5MPa左右；径向的抗压模量在100MPa左右，纵向的抗压模量在50MPa左右。天然高分子有着无毒，生物相容性好，且体内可以生物降解的特性；磷酸钙盐和天然骨中羟基磷灰石的成分类似，并且有可以转化为羟基磷灰石的性质，所以天然高分子/磷酸钙盐复合材料与天然骨的成分十分类似。目前，已经发展出了很多种制备多孔复合材料的方法，这些方法通常有如下不足：1、步骤比较复杂，往往是先制备好复合材料，然后运用一些制孔技术在复合材料上制造孔洞；2、孔洞结构通常没有特定的取向，得到的多孔复合材料的力学性能一般难以满足真实骨的力学性能，不能用在承重部位的骨移植。
因此，发展一种取向多孔的复合材料的制备方法在骨组织工程领域有着非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法。该方法过程简单，容易操作。
为解决上述技术问题，本发明制备方法包括以下步骤：
在pH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性钙盐、交联剂、可溶性磷酸盐或磷酸，然后放置，得到水凝胶；
在水凝胶表面倾倒碱性水溶液，保持温度在-4～4℃，让碱性水溶液向下渗透，得到取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料；
将得到的天然高分子/磷酸钙盐复合材料用纯净水反复清洗至淋洗液pH=7，然后干燥脱水。
由于存在水洗阶段，加入的原材料中，没有反应掉的组分可以在水洗阶段洗掉，所以对四种原材料的比例没有严格的要求。当所用的四种原材料比例使得产物中磷酸钙盐占天然高分子/磷酸钙盐的总质量的30%～70%时，基本可以满足骨替代材料所需的力学强度；
进一步地，当所用的四种原材料比例使得产物中磷酸钙盐占天然高分子/磷酸钙盐的总质量的50%～60%时，此多孔复合材料的力学性能最为优异，成分上有机/无机的比例也最接近天然骨成分的有机/无机比例。
所述天然高分子可为胶原、明胶、壳聚糖、甲壳素、丝胶、丝素和琼脂糖中的一种或其任意组合。
所述可溶性钙盐可为钙金属的硝酸盐、硫酸盐、碳酸氢盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐、氯化物中的一种或其任意组合。
所述可溶性磷酸盐可为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、聚磷酸钠、焦磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钾、聚磷酸钾、焦磷酸钾、磷酸二氢钙和磷酸氢钙中的一种或其任意组合。
所述交联剂可为戊二醛、京尼平或其混合物。
所述碱性水溶液可为氨水、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种或其任意组合。
所述干燥脱水的方法可以如下：室温下自然干燥或者在低于300℃的烘箱中常压干燥。
本发明方法是通过碱性溶液向天然高分子凝胶扩散，造成碱性环境，促使钙磷盐前驱离子在天然高分子凝胶中原位沉淀，同时天然高分子随着碱性溶液的扩散，自发收缩，形成取向性孔洞结构，这种制备方法中复合材料制备和孔洞形成一步完成，因而具有简单经济、能耗低、操作方便和便于实现规模化生产的优点。
本发明方法制备的取向性孔洞结构的天然高分子/磷酸钙盐多孔复合材料中磷酸钙盐和天然高分子的质量分数可调。
本发明方法制备的天然高分子/磷酸钙盐多孔复合材料，在无机/有机成分组成上与天然骨的组成相似，其孔隙率高达85%，孔径尺寸在200微米到500微米之间，力学性能佳，满足理想骨替代材料的各项要求。其中材料的取向性孔洞结构，赋予材料各项异性的特性，与天然小梁骨极其类似。
与现有技术比较，本发明方法具有以下有益效果：
1、工艺简单，工艺参数较易控制，有工业生产的前景；
2、制备的天然高分子/磷酸钙盐多孔复合材料的孔隙率和孔洞尺寸均满足理想骨替代材料的各项要求；
3、制备的天然高分子/磷酸钙盐多孔复合材料的力学性能大大优于其他制孔方法，优于天然小梁骨的力学参数。
附图说明
图1为实施例1中制得的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的扫描电镜图。
图2为实施例2中制得的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的扫描电镜图。
图3为实施例3中不同质量分数比例的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的抗压强度直方图。
图4为实施例3中不同质量分数比例的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的抗压模量直方图。
图5为实施例4中制得的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料的扫描电镜图。
图6为实施例5中制得的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明公开了一种取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：
在pH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性钙盐、可溶性磷酸盐或磷酸和交联剂，然后放置，得到水凝胶；
在水凝胶表面倾倒碱性水溶液，保持温度在-4～4℃，让碱性水溶液向下渗透，得到取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料；
将得到的天然高分子/磷酸钙盐复合材料用纯净水反复清洗至淋洗液pH=7，然后干燥脱水。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
制备质量分数比例为70/30的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入40ml体积分数为2%的醋酸溶液，称取0.56g壳聚糖（浙江金壳公司，壳聚糖分子量为30万），在40℃下加入醋酸溶液中搅拌2小时至壳聚糖完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.564g四水硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.189g磷酸氢二铵（(NH4)2HPO4）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在60℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.1ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌5分钟。随后将液体C静置于4℃的环境中12小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水，然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到质量分数比例为70/30的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料。将得到的质量分数比例为70/30的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料自然干燥得到最终材料。
上述取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法中，复合材料的形成和取向性孔洞结构的产生一步完成，没有额外的制孔步骤，大大简化了多孔材料的制备过程。
质量分数比例为70/30的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的形貌表征：
用扫描电镜（荷兰FEI公司，型号Quanta200）分析质量分数比例为70/30的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料形貌。结果如图1所示，此多孔材料的孔径尺寸在200微米至500微米之间,孔洞结构具有明显的取向性。
实施例2
制备质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入40ml体积分数为2%的醋酸溶液，称取0.32g壳聚糖（浙江金壳公司，壳聚糖分子量为30万），在40℃下加入醋酸溶液中搅拌2小时至壳聚糖完全溶解，得到液体A。在液体A中加入1.128 g四水硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.378g磷酸氢二铵（(NH4)2HPO4）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在60℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.1ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌5分钟。随后将液体C静置于4℃的环境中12小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水，然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料。将得到的质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料自然干燥得到最终材料。
质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的形貌表征：
用扫描电镜（荷兰FEI公司，型号Quanta200）分析质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料形貌。结果如图2所示，此多孔材料的孔径尺寸在400微米至500微米之间,孔洞结构具有明显的取向性。
实施例3
不同质量分数比例的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料在抗压材料上的应用
质量分数比例分别为70/30、60/40、50/50、40/60、30/70的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法类似实例1和实例2，只有原材料的比例不同，制备流程相同。
不同质量分数比例的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的力学性能表征：将材料切割成长宽高各1厘米的立方体，用万能测试机（日本岛津公司，型号AGS-J）进行压缩实验，压缩方向分为两种，第一种方向与取向性孔洞的孔轴平行（纵向压缩）；另一种方向与取向性孔洞的孔轴方向垂直（横向压缩）。每个样品测试3个，最终结构取平均值。测试结果如图3、图4所示，图3是不同比例材料的抗压强度；图4是不同比例材料的抗压模量。从图3、图4中可以看到，不同质量分数比例的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的力学性能也具有明显的各项异性，其中质量分数比例为40/60的取向性孔洞结构的壳聚糖/羟基磷灰石多孔复合材料的力学性能，几乎与天然小梁骨的力学性能相当。
实施例4
制备取向性孔洞结构的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料
在50ml的烧杯里加入15ml体积分数为0.5%的盐酸溶液，称取0.09g胶原（四川大学生物医学中心），在常温下加入盐酸溶液中搅拌3小时至胶原完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.232 g氯化钙（CaCl2）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.178g磷酸氢二钠（Na2HPO4）（天津市医药公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在37℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.1ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌2分钟。随后将液体C静置于2℃的环境中8小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入20ml浓氢氧化钠溶液（PH>10），然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到取向性孔洞结构的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料在37℃烘箱里干燥得到最终材料。
取向性孔洞结构的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料的形貌表征：
用扫描电镜（荷兰FEI公司，型号Quanta200）分析取向性孔洞结构的胶原/磷酸钙盐多孔复合材料形貌。结果如图5所示，此多孔材料的孔径尺寸在500微米左右,孔壁厚度在100微米左右，孔洞结构具有明显的取向性。
实施例5
制备取向性孔洞结构的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入40ml体积分数为2%的醋酸溶液，分别称取0.3g壳聚糖（浙江金壳公司，壳聚糖分子量为30万）和0.1g明胶（国药集团化学试剂有限公司），在40℃下加入醋酸溶液中搅拌3小时至壳聚糖和明胶均完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.59g四水硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.189g磷酸氢二铵（(NH4)2HPO4）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在60℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.1ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌3分钟。随后将液体C静置于4℃的环境中14小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水，然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到的取向性孔洞结构的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料自然干燥得到最终材料。
取向性孔洞结构的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料的形貌表征：
用扫描电镜（荷兰FEI公司，型号Quanta200）分析取向性孔洞结构的壳聚糖-明胶/磷酸钙盐多孔复合材料形貌。结果如图6所示，此多孔材料的孔径尺寸在300微米至500微米之间,孔洞结构具有明显的取向性。
实施例6
制备取向性孔洞结构的明胶/磷酸钙盐多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入30ml体积分数为1%的磷酸溶液，称取0.4g明胶（国药集团化学试剂有限公司），在常温下加入磷酸溶液中搅拌4小时至明胶完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.277 g氯化钙（CaCl2）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.327g三水磷酸氢二钾（K2HPO4·3H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在37℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.8ml的京尼平（日本和光株式会社，含京尼平12mg），继续搅拌5分钟。随后将液体C静置于6℃的环境中10小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入30ml浓氢氧化钾溶液（PH>10），然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的明胶/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到取向性孔洞结构的明胶/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料在37℃烘箱里干燥得到最终材料。
实施例7
制备取向性孔洞结构的甲壳素/磷酸钙盐多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入40ml体积分数为5%的盐酸溶液，称取0.4g甲壳素（广东南星化学试剂厂），在常温下加入盐酸溶液中搅拌24小时至甲壳素完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.59g四水硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.327g三水磷酸氢二钾（K2HPO4·3H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在37℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.2ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌1分钟。随后将液体C静置于4℃的环境中12小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水，然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的甲壳素/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到取向性孔洞结构的甲壳素/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料在自然干燥得到最终材料。
实施例8
制备取向性孔洞结构的丝胶/磷酸钙盐多孔复合材料
称取20g蚕茧壳（湖北省农科院），剪成碎片，放入沸水中脱胶（浴比1:30）30分钟左右，用纱布过滤得到丝胶蛋白溶液。将丝胶蛋白溶液在旋转蒸发仪中浓缩至质量分数为8%，取40ml此丝胶溶液加入100ml的烧杯里，同时加入0.8ml醋酸，得到液体A。在液体A中加入0.277 g氯化钙（CaCl2）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.189g磷酸氢二铵（(NH4)2HPO4）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在37℃下，边搅拌边向液体C中滴加1ml的京尼平（日本和光株式会社，含京尼平15mg），继续搅拌5分钟。随后将液体C静置于2℃的环境中12小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水和氢氧化钠的混合溶液（PH>10），然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的丝胶/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到取向性孔洞结构的丝胶/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料自然干燥得到最终材料。
实施例9
制备取向性孔洞结构的琼脂糖/磷酸钙盐多孔复合材料
在100ml的烧杯里加入40ml体积分数为1%的磷酸溶液，称取0.5g琼脂糖（中国医药上海化学试剂公司），在90℃下加入磷酸溶液中搅拌3小时至琼脂糖完全溶解，得到液体A。在液体A中加入0.59g四水硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体B。在液体B中加入0.189g磷酸氢二铵（(NH4)2HPO4）（国药集团化学试剂有限公司）搅拌至完全溶解，得到液体C。在50℃下，边搅拌边向液体C中滴加0.1ml的戊二醛（国药集团化学试剂有限公司，质量分数为25%），继续搅拌1分钟。随后将液体C静置于4℃的环境中6小时，得到水凝胶E。在水凝胶E表面倒入40ml浓氨水，然后将此体系静置于-4～4℃的环境中24小时，得到取向性孔洞结构的琼脂糖/磷酸钙盐多孔复合材料。将得到取向性孔洞结构的琼脂糖/磷酸钙盐多孔复合材料用纯净水反复清洗至清洗液PH=7，然后将材料自然干燥得到最终材料。
Claims (8)
1.一种取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料的制备方法，其特征在于：
在pH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性钙盐、交联剂、可溶性磷酸盐或磷酸，然后放置，得到水凝胶；
在水凝胶表面倾倒碱性水溶液，保持温度在-4～4℃，让碱性水溶液向下渗透，得到取向多孔的天然高分子/磷酸钙盐复合材料；
将得到的天然高分子/磷酸钙盐复合材料用纯净水反复清洗至淋洗液pH=7，然后干燥脱水。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用的四种原材料比例使得产物中磷酸钙盐占天然高分子/磷酸钙盐的总质量的30%～70%。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所用的四种原材料比例使得产物中磷酸钙盐占天然高分子/磷酸钙盐的总质量的50%～60%。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述天然高分子为胶原、明胶、壳聚糖、甲壳素、丝胶、丝素或琼脂糖中的一种或其任意组合。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述可溶性钙盐为钙金属的硝酸盐、硫酸盐、碳酸氢盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐或氯化物中的一种或其任意组合。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述可溶性磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、聚磷酸钠、焦磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钾、聚磷酸钾、焦磷酸钾、磷酸二氢钙或磷酸氢钙中的一种或其任意组合。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述交联剂为戊二醛、京尼平或其混合物。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述碱性水溶液为氨水、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种或其任意组合。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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