CN102430149A

CN102430149A - 一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料

Info

Publication number: CN102430149A
Application number: CN2011103693978A
Authority: CN
Inventors: 梁文; 郑凯; 王娇娇; 顾冬林
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明涉及一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料，具体地说是关于该材料的原料和制备方法。本发明的技术方案如下：一种硼磷酸盐玻璃纤维，按摩尔百分比其组成为：P₂O₅40-50％，B₂O₃0-10％，Na₂O10-30％，K₂O 0-20％，CaO 5-25％，MgO 0-15％，SrO 0-5％，通过粘结法将其制备成复合材料。本发明的优点表现在：使用了一种新型组分的玻璃纤维做为原材料，此组分具有生物相容性和生物活性，而且由于纤维之间连通更加广泛，所制备的复合多孔材料孔隙率较高，具有三维多孔结构。实验结果表明，支架开孔孔隙率达到80-90％，孔径为250-400μm，抗压强度达到1.3-2.5MPa。该材料能满足对组织缺损部位提供支撑的要求，方法简单实用，容易实现规模化生产。

Description

一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料

技术领域

本发明涉及一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料，具体地说是关于一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合多孔支架材料及其制备方法和应用。

背景技术

骨组织工程是组织工程中被公认的最有效的和最有前途的分支之一，其主要从事的是组织工程化新生骨的研究。在骨组织工程中，支架占据着非常重要的地位。它不仅有保持原有组织形状的作用，而且还起到模板作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。生物玻璃是一种具有优良生物相容性及生物活性的材料，它能够在植入部位迅速发生一系列表面反应，形成与骨组织都能产生良好结合的羟基磷灰石层。理想的骨支架修复材料，应具有三维立体多孔结构。因为三维立体多孔机构才有利于细胞黏附增殖、细胞外基质沉淀、营养和氧气进入及代谢产物排出，也利于血管和神经长入。目前多孔支架的制备方法主要是烧结法、造孔剂法和气体发泡法。其中，烧结法制备的支架其孔隙率较低且连通性差；造孔剂法难以得到高的孔隙率，并且易造成材料的孔径分布不均匀；而气体发泡法制得的支架其机械性能不高。较为典型的有：

(1)美国专利P7241486中提到用组成wt％为SiO₂53-60％，P₂O₅0.5-6％，Na₂O 0-34％，K₂O 1-20％，MgO 0-5％，CaO 5-25％，B 0-4％的玻璃纤维烧结制备了一种三维多孔支架材料。其孔隙率达到了90％，且具有良好的生物活性。

(2)中国专利CN101018573中提到制备了一种多孔生物玻璃支架材料，其组分含SiO₂，CaO，Na₂O和P₂O₅。该支架材料其抗压强度较高，最高达70MPa，但其孔隙率较低为50％～80％。

(3)中国专利CN101642589中提到了用灌注法制备了生物玻璃/壳聚糖三维多孔支架。生物玻璃有溶胶凝胶法制得，其组分含CaO，P₂O₅和SiO₂。其抗压强度达到了1.15～1.30MPa，显气孔率70％～80％。

(4)中国专利CN1562834公开了一种可降解多孔生物活性玻璃支架及其制备方法，该玻璃支架组成的质量百分比为CaO 24-45％，SiO₂34-50％，Na₂O 0-25％，P₂O₅5-17％，MgO 0-5％以及CaF₂0-1％。该支架在人体模拟体液中浸泡后表面即有羟基磷灰石生成，显示具有良好的生物活性，可望用作硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料。

理想三维支架材料一个很重要的条件就是需要较大的孔隙率和孔径。当前很多制备方法制得的支架其孔隙率和孔径都不能很好满足临床应用。而且常见的生物玻璃其组分都含硅元素，其在人体内的代谢机理还不清楚且很难降解，这就造成了临床应用中患者和医生的担忧。硼磷酸盐生物玻璃在人体内能够完全降解且其降解速率可控。

发明内容

本发明的目的在于：

(1)提供一种新型硼磷酸盐生物玻璃纤维；

(2)提供一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料及其制备方法；

(3)提供硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料的应用。

本发明的目的是通过以下技术方法来实现的：(一)原料的预处理。考虑到磷酸的挥发性，对五氧化二磷的引入方式进行了一系列的研究。对比实验发现，以固体偏磷酸(HPO₃)引入时，原料易于潮解，称量准确性差，不易粉碎，粉料无从均匀混合且当其被加热而熔融时，产生分层现象，挥发损失大。以磷酸(H₃PO₄)倾入粉料而直接进行熔制，由于磷酸盐形成不完全，游离磷酸易于挥发，且在低温时易渗入坩埚壁的气孔内，加强对耐火材料的侵蚀，且磷酸化学反应后产生了水分，引起发泡现象。至于合成的磷酸盐，由于玻璃中五氧化二磷的含量较高，往往不能制得所需的玻璃成分。研究发现，以部分合成磷酸盐和五氧化二磷共同引入对玻璃的熔制最有利。原料的预处理过程如下：按玻璃配方进行准确称量，将称量好的原料搅拌均匀，装入石英坩埚中，以缓慢的升温速率1-2℃/min在马弗炉中升温至180-250℃，保温4小时。原料预处理的目的是为了去除原料中引入的水分(有些原料如五氧化二磷极易吸潮)；使原料预反应，防止下一步玻璃的高温熔制过程中五氧化二磷的过度挥发。热处理所得的块状固体经粉碎后即可用于熔制。(二)玻璃的熔制。原料预处理后，从石英坩埚中取出粉碎研磨至一定细度，在白金坩埚内进行熔制。熔制温度为900℃-1200℃，保温时间为1-1.5小时。试探性的熔制实验结果表明，硼磷酸盐玻璃约1000℃时，粘度已达到澄清所需的数值，为减少五氧化二磷的挥发，结合硼磷酸盐玻璃的特点，采取快速熔制是合适的。(三)玻璃纤维的制备。将制得的玻璃熔体在石墨模子中浇注成玻璃棒，在400-550℃退火3-5小时，然后随炉冷却到室温。最后用预制棒法拉制玻璃纤维，制得的玻璃纤维其直径为20-50μm。(四)复合材料的制备。取一定量的玻璃纤维无序地放入圆柱形塑料模具，每隔0.5-2小时滴加0.05-0.2ml壳聚糖溶液到模具中，连续滴加8-48小时，将制得的多孔支架放入37℃恒温箱中干燥12-48小时。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效益：

1、本发明所制得的硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料具有生物相容性好、孔隙率高、孔径大小合适、三维联通的孔隙结构，为理想的骨组织支架材料，有利于细胞黏附增殖、细胞外基质沉积、营养和氧气进入及代谢产物的排出，也利于血管和神经长入。

2、本发明制备的复合多孔材料其孔隙率可以达到80-90％，孔径为250-400μm，抗压强度为1.3～2.5MPa，能够满足实际应用。

3、本发明的复合材料采用粘结法制备，粘结剂采用壳聚糖酸性溶液。壳聚糖是一种天然阳离子多聚糖，具有来源广泛，无细胞毒性和抗原性，生物相容性及生物可降解性良好等特点。采用壳聚糖溶液做粘结剂能够增强复合多孔支架材料的生物相容性。

4、本发明使用玻璃纤维作为多孔体的骨架，由于纤维本身所具有的一些性质，相比于颗粒，制得的多孔支架具有更合适的孔隙率和孔径。

具体实施方式

下面将通过结合实施例进一步阐明本发明的有关内容，但实施例并不限制其保护范围：

实施例1

按照表1中所示组成比准确称量原料，将原料搅拌，装入石英坩埚中，以缓慢的升温速率2℃/min在马弗炉中升温至200℃，保温4小时；从石英坩埚中取出粉碎研磨，在白金坩埚内进行熔制，熔制温度为1000℃，保温时间为1小时；将制得的熔体在石墨模子中浇注成玻璃棒，在500℃退火5小时，然后随炉冷却到室温。最后在520℃用220RPM转速拉制玻璃纤维，制得的玻璃纤维其直径为30μm。

本发明是利用粘结法制备多孔支架，壳聚糖溶液做为粘结剂。为了制备壳聚糖溶液，首先将低分子量壳聚糖加入到去离子水中，然后加入分析纯醋酸，搅拌8小时得到均一稳定的壳聚糖溶液。其中壳聚糖与去离子水质量比为1∶50，去离子水与醋酸的体积比为50∶1。取0.5g的玻璃纤维无序地放入圆柱形塑料模具，每隔1小时滴加0.1ml壳聚糖溶液到模具中，连续滴加24小时，将制得的多孔支架放入37℃恒温箱中干燥24小时，即制得多孔复合材料支架。

复合支架材料的孔隙率、孔径和抗压强度与其实际应用有着密切联系。采用液体置换法测定材料的孔隙率和表观密度。首先将质量为W的复合支架放入装了体积为V1乙醇的刻度量筒中，此时量筒的刻度记为V2，然后将量筒放入真空泵中，直到没有气泡为止，记下此时的体积为V3。所以，支架的总的体积V为V＝V2-V3；复合支架的表观密度ρ＝W/(V2-V3)；复合支架的开孔孔隙率为ε＝(V1-V3)/(V2-V3)。复合支架的抗压强度测试采用GB1964-80。测得支架的开孔气孔率达到86.8±1.4％，表观密度为0.314±0.004g/cm3，抗压强度为1.5MPa。

通常，材料生物活性的评估方法是将材料置于生理模拟液(SBF)中，测定其在SBF溶液中生成羟基磷灰石的能力。SBF溶液中各种离子的浓度分别为：Na⁺142.0mM，K⁺5.0mM，Mg²⁺1.5mM，Ca²⁺2.5mM，Cl^-148.8mM，HCO^-34.2mM和HPO4^2-1.0mM，模拟体液是将NaCl，NaHCO₃，KCl，K₂HPO₄.3H₂O，MgCl₂.6H₂O，CaCl₂和Na₂SO₄溶解在去离子水中，溶液用((CH₂OH)₃CNH₂)和HCl缓冲pH值至7.4。本次实验中对复合多孔支架材料的生物活性的评价为样品在SBF模拟体液中浸泡一定时间其表面是否生成羟基磷灰石(HA)。复合支架表面的结构分析包括日本JEOL公司的SEM(JSM-6360LV)型扫描电镜，美国Nicolet公司的红外吸收光谱Nicolet Magna IR550和日本RIGAKU的转靶X射线多晶衍射仪D/MAX 2550VB/PC分析。实验结果表明，在模拟体液中浸泡7天后，复合支架表面产生羟基磷灰石，浸泡28天后，支架表面布满了羟基磷灰石，表明该复合支架具有较高的生物活性，能作为替代材料促进骨组织生长。

根据1982年美国国家标准学会和牙科协会(ANSI/ADA)公布的评价生物相容性实验标准草案，评价生物相容性的实验方法有全身毒性试验(口服法)、细胞培养法(细胞毒性试验法)、急性全身毒性试验(静脉注射法)、吸入毒性试验、溶血试验、皮下植入试验、骨内植入试验、过敏试验等。其中，细胞培养法作为检测材料毒性的手段，具有简便、敏感性高、节省动物、节约经费、缩短生物材料研究周期等优点。本次实验中对复合支架材料的生物相容性的评价标准主要是用人体骨肉瘤细胞MG63进行细胞培养。测试结果表明，没有细胞的死亡，相反，细胞1小时后就开始在材料上贴壁吸附，48小时后细胞完全吸附覆盖在材料表面并且繁殖生长。

实施例2

按照表1中所示组成比准确称量原料，除了玻璃纤维拉制温度为500℃，拉制速度为250RPM其余与实施例1相同。测试与实施例1相同。制得的玻璃纤维其直径为20μm。在模拟体液中浸泡7天后，复合支架材料表面生成了羟基磷灰石，细胞培养测试结果表明，没有细胞的死亡，细胞1小时后就开始在材料上贴壁吸附，24小时后细胞吸附覆盖在材料表面并且繁殖生长。

实施例3

按照表1中所示组成比准确称量原料，除了玻璃纤维拉制温度为550℃，拉制速度为190RPM外。其余与实施例1相同。制得的玻璃纤维直径为40μm。在模拟体液中浸泡24小时后，复合支架表面生成了羟基磷灰石，细胞培养测试结果表明，没有细胞的死亡，细胞1小时后就开始在材料上贴壁吸附，24小时后细胞吸附覆盖在材料表面并且繁殖生长。

表1实施例玻璃的组分

显然，本发明中的硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料是在大量实验的基础上，以理论为依据创造的一类三维多孔复合支架材料，它以硼磷酸盐生物玻璃纤维为骨架，以壳聚糖酸性溶液为粘结剂，采用粘结法制备。该多孔复合支架具有很高的生物活性和生物相容性，有优良的力学性能，可作为替代材料用于人造骨、人造牙、人造关节等方面。

Claims

1.一种硼磷酸盐玻璃纤维/壳聚糖复合材料，其特征在于：采用了一种新型组分玻璃纤维做为原材料，使用了壳聚糖酸性溶液做为粘结剂，该材料具有可控的降解率，合适的孔隙率，孔径和抗压强度，具有生物活性及生物相容性。

2.根据权利要求1所述的硼磷酸盐玻璃纤维，按摩尔百分比其成分为：

所述P₂O₅与B₂O₃摩尔比为4-5

所述P₂O₅与CaO摩尔比为2-8。

3.根据权利要求1所述的硼磷酸盐玻璃纤维，按摩尔百分比其成分为：

所述P₂O₅与CaO摩尔比为1.6-2.5。

4.根据权利要求1所述的硼磷酸盐玻璃纤维，按摩尔百分比其成分为：

5.制备权利要求1所述硼磷酸盐玻璃纤维的方法，其特征在于该方法包括由以下步骤组成：

(a)原料的预处理：将原料搅拌，装入石英坩埚中，以缓慢的升温速率1～2℃/min在马弗炉中升温至180～250℃，保温4小时；

(b)玻璃的熔制：从石英坩埚中取出粉碎研磨，在白金坩埚内进行熔制，熔制温度为900℃～1200℃，保温时间为1～1.5小时；

(c)玻璃纤维的制备：将(b)步骤制得的熔体在石墨模子中浇注成玻璃棒，在400～550℃退火3～5小时，然后随炉冷却到室温。最后在450℃～550℃用220RPM～400RPM转速拉制玻璃纤维，制得的玻璃纤维其直径为20～50μm。

6.制备权利要求1所述的硼磷酸盐玻璃纤维的方法，其特征在于：(a)步骤中原料在马弗炉中升温至200℃，(b)步骤中熔制温度为1000℃，保温时间为1小时，(c)步骤中退火温度为500℃，退火时间为4小时，玻璃纤维拉制温度为520℃，纤维拉制转速为220RPM，制得的玻璃纤维直径为30μm。

7.制备权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括由以下步骤组成：

(a)壳聚糖酸性溶液的制备：首先将低分子量壳聚糖加入到去离子水中，然后加入分析纯醋酸，搅拌8小时得到均一稳定的壳聚糖溶液。其中壳聚糖与去离子水质量比为1∶50，去离子水与醋酸的体积比为50∶1；

(b)复合材料的制备：取0.1～0.5g的玻璃纤维无序地放入圆柱形塑料模具，每隔0.5～2小时滴加0.05～).2ml壳聚糖溶液到模具中，连续滴加8～48小时，将制得的多孔支架放入37℃恒温箱中干燥12～48小时。

8.制备权利要求1所述的复合材料的方法，其特征在于：(b)步骤中玻璃纤维质量为0.3g，每隔1小时滴加0.15ml壳聚糖溶液，连续滴加24小时后放入37℃恒温箱中干燥12-48小时。

9.权利要求2-4中任一所述的硼磷酸玻璃组分制得的玻璃纤维/壳聚糖复合材料用于骨缺损修复填充材料或组织工程的三维支架的应用。