CN102085391A - 羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料及其制备方法。该方法包括湿态下羟基磷灰石的前驱物与壳聚糖和丝素蛋白的共沉淀反应、生成的沉淀物从液相体系中分离和干燥以及后续加工成型等工艺过程。本发明的优点是：能够保证羟基磷灰石纳米粒子在壳聚糖与丝素蛋白复合有机基质中均匀分散，形成的复合材料不仅具有良好的生物相容性和生物活性，而且具有足够的力学强度及韧性；壳聚糖与丝素蛋白来源丰富且价格低廉，制备工艺在常温、常压条件下实施，操作方便、成本低。本发明制备的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料是理想的新一代骨修复替代材料。

Description

羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料及制备方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种骨修复生物医学材料，特别是一种羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料及其制备方法。

(二)背景技术：

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，hydroxyapatite，简称HA)是构成人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性，因此在骨组织工程领域有广泛的应用前景；然而，单一的HA材料脆性大，韧性低，植入体内后HA粒子易从移植部位迁移，因此不能用于负重部位骨缺损的修复。

人体自然骨是由70wt％的HA和30wt％的骨胶原纤维组成的，其中片状或棒状的HA纳米结晶有序地嵌入到骨胶原有机基质中，无机与有机组元间的密切协同作用以及它们在分子水平上的独特组装赋予了自然骨独特的多级结构和优异的力学性能；基于仿生的概念，即模拟自然骨的生物矿化过程，人们将HA陶瓷与一些天然高分子或蛋白质复合，期望得到在生物活性和力学性能方面满足临床医学要求的人工骨修复材料。

壳聚糖(chitosan，简称Chs)是一种天然多糖类高分子，来源于甲壳素的脱乙酰化，而甲壳素是一种丰富的自然资源，广泛存在于甲壳类动物的外壳中；壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，而且易于加工成型，适合作为组织和器官再生的模板材料及骨固定棒材；关于HA和壳聚糖的复合国内外已经开展了大量的研究；I.Yamaguchi等人利用共沉淀法制备了HA/Chs复合材料(JBiomed Mater Res 2001，55：20～27)，并指出这种材料有一定的机械韧性和可塑性，植入动物骨髓后有新骨形成；李保强等人报道了原位复合制备的层状结构的壳聚糖/HA(Chs/HA质量比为100/5)复合材料具有较高的弯曲强度(高等学校化学学报2004，25(10)：1949～1952)，但其中HA含量还不到5％，若用于骨移植，很难发挥HA应有的生物学性能；人工合成的HA/Chs复合材料兼有HA和壳聚糖的优点，但还存在力学强度低、降解速率与机体组织在其表面的生长速率不相匹配等问题，所以至今还没有广泛应用于临床治疗。

丝素蛋白(silk fibroin，简称SF)是一种纤维性蛋白质，由17种氨基酸组成，由天然蚕丝提取而来，因此来源充足；它具有生物相容性良好、生物可降解、机械强度高、湿态下溶解和渗透氧的能力强等优点，被广泛应用于手术缝线及烧伤创面覆盖，是一种很有前景的生物医学材料；有研究表明，羟基磷灰石/丝素蛋白(HA/SF)纳米复合材料中HA纳米结晶粒子形成的团簇与丝素蛋白纤维相互交联(J Eur Ceram Soc 2004，24：2707～2715)，构建了HA/SF的三维多孔结构，丝素蛋白与HA的复合提高了HA的机械强度，但HA/SF缺乏足够的韧性，可塑性较差。

综上所述，壳聚糖赋予HA一定的韧性、赋形性和生物可降解性，丝素蛋白能提高HA的机械强度，所以，由纳米HA与壳聚糖、丝素蛋白复合有机基质形成的一个新的纳米复合材料HA/Chs-SF，不仅生物相容性和生物活性好，生物可降解，而且机械强度高，有一定的韧性，易加工成型，有望成为一种有发展前景的新一代骨修复替代材料。

(三)发明内容

本发明的目的在于：提供一种羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料及制备方法，保证HA粒子在有机高基质中达到纳米尺度的均匀分散，实现无机与有机组元分子水平的复合，从而得到组成、结构、生物活性及力学性能接近自然骨的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料。

本发明的技术方案：羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料，其特征在于：将产物HA/Chs-SF中各组分的质量比定为HA∶Chs∶SF＝(60～80)∶(10～20)∶(10～20)，氢氧化钙和磷酸水溶液按羟基磷灰石中Ca/P的化学计量比混合，并与混合在一起的丝素蛋白、壳聚糖溶液进行共沉淀反应，利用丝素蛋白与壳聚糖复合有机模板对HA结晶的成核和生长的调控作用，保证纳米HA粒子在复合有机基质中的均匀分散，实现无机与有机组元在分子水平的复合，形成与天然骨相似的三维网状结构的纳米复合材料。

羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料的制备方法，其特征在于：制作步骤如下：

1乳液中得到A液；

2)称取)9～11g氢氧化钙与100～150g水混合，称取2～4g丝素蛋白加入到氢氧化钙2～4g壳聚糖在100～130g 2.0wt％醋酸溶液中剧烈搅拌溶解，然后将其与8～11g 85wt％磷酸混合得到B液；

3)将B液逐滴加入到充分搅拌着的A液中，滴加浓氨水调节其pH值至9～10，在室温下将此混合物连续搅拌反应3～6小时；

4)在室温下静置沉化20～24小时后，将离心分离所得的沉淀物用去离子水冲洗，再离心分离，如此重复进行至少3次；

5)将冲洗后的沉淀物在温度为50～80℃的真空干燥箱内烘干后研磨成粉末即可。

本发明的优点在于：能够保证羟基磷灰石纳米粒子在壳聚糖与丝素蛋白复合有机基质中均匀分散；形成的复合材料不仅具有良好的生物相容性和生物活性，而且具有足够的力学强度及韧性；壳聚糖与丝素蛋白来源丰富且价格低廉，制备工艺在常温、常压条件下实施，操作方便、成本低，本发明制备的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料是理想的新一代骨修复替代材料。

(四)具体实施方式：

实施例：羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料，其特征在于：以自然骨中无机与有机组分的含量比70/30作为基准，将产物HA/Chs-SF中各组分的质量比定为HA∶Chs∶SF＝70∶15∶15，氢氧化钙和磷酸水溶液按羟基磷灰石中Ca/P的化学计量比混合，并与混合在一起的丝素蛋白、壳聚糖溶液进行共沉淀反应，利用丝素蛋白与壳聚糖复合有机模板对HA结晶的成核和生长的调控作用，保证纳米HA粒子在复合有机基质中的均匀分散，实现无机与有机组元在分子水平的复合，形成与天然骨相似的三维网状结构的纳米复合材料。

上述羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料的制作方法，其特征在于制作步骤如下：

1)称取10.32g氢氧化钙，加入去离子水120g，配制重量百分比浓度为7.9％的氢氧化钙悬浮液；

2)称取3.00g丝素蛋白，在电动搅拌条件下徐徐加入到1)配制的氢氧化钙悬浮液中；

3)配制2.0wt％醋酸溶液备用，称取3.00g壳聚糖在117g 2.0wt％醋酸溶液中磁力搅拌2小时使其溶解；

4)称取85wt％磷酸9.64g，在电动搅拌条件下将磷酸缓慢滴加到3)所得的混合溶液中；

5)将4)配制的混合溶液逐滴加入到充分搅拌着的2)得到的混合物中，用精密酸度计测量该混合物的pH值为6.2，滴加浓氨水调节其pH值至9，在室温、常压下连续搅拌反应3小时；

6)将5)得到的混合物在室温下静置24小时，然后离心分离并用去离子水冲洗，再离心分离，如此重复进行至少3次，将沉淀放入50℃干燥箱内下真空干燥48小时后取出，用玛瑙研钵研磨成粉末，即可获得本发明的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料。所制备的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白(HA/Chs-SF)纳米复合材料中，纳米HA粒子均匀分散在复合有机基质中，在复合材料内构建了较理想的三维网状结构，与自然骨的多极结构较为接近。其中HA晶粒呈棒状，大约20～50nm长，10nm宽。化学分析表明HA与复合有机基质间存在无机-有机化学作用，这种作用能增强无机-有机界面结合力，进一步增强了HA/Chs-SF复合材料的力学性能，如HA/Chs-SF复合材料的抗压强度为179.3MPa，而以同样方法制得的不含壳聚糖和丝素蛋白的HA的抗压强度为89.6MPa。

Claims (2)

1.羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料，其特征在于：将产物HA/Chs-SF中各组分的质量比定为HA∶Chs∶SF＝(60～80)∶(10～20)∶(10～20)，氢氧化钙和磷酸水溶液按羟基磷灰石中Ca/P的化学计量比混合，并与混合在一起的丝素蛋白、壳聚糖溶液进行共沉淀反应，利用丝素蛋白与壳聚糖复合有机模板对HA结晶的成核和生长的调控作用，保证纳米HA粒子在复合有机基质中的均匀分散，实现无机与有机组元在分子水平的复合，形成与天然骨相似的三维网状结构的纳米复合材料。

2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石/壳聚糖-丝素蛋白纳米复合材料的制备方法，其特征在于制作步骤如下：

1)9～11g氢氧化钙与100～150g水混合，称取2～4g丝素蛋白加入到氢氧化钙乳液中得到A液；

2)称取2～4g壳聚糖在100～130g 2.0wt％醋酸溶液中剧烈搅拌溶解，然后将其与8～11g 85wt％磷酸混合得到B液；

3)将B液逐滴加入到充分搅拌着的A液中，滴加浓氨水调节其pH值至9～10，在室温下将此混合物连续搅拌反应3～6小时；

4)在室温下静置沉化20～24小时后，将离心分离所得的沉淀物用去离子水冲洗，再离心分离，如此重复进行至少3次；

5)将冲洗后的沉淀物在温度为50～80℃的真空干燥箱内烘干后研磨成粉末即可。