CN103007342A - 生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料及其制备方法。本发明以原位络合的方法制备了生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料，该材料由磷酸三钙和γ-聚谷氨酸依靠分子间基团羧酸根络合而成，在γ-聚谷氨酸基体上沉积磷酸三钙粉末，并在交联剂的作用下增加复合材料的力学强度，改善磷酸三钙的韧性，提高磷酸三钙的骨结合能力和降解性，从而能促进骨缺损的修复。其孔径大小为60μm～280μm，孔隙率范围为64%～85%，在0.9%生理盐水浸泡并于37℃恒温下静置3个月后其失重率为8.60%～39.57%，具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及降解速率连续可调等特点，材料孔径大小合适，可作为骨修复材料应用在骨组织工程等生物医用领域。
Description
技术领域
本发明属于生物医学领域，具体涉及一种生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料及其制备方法。
背景技术
磷酸三钙（TCP）是近年来发展起来的一种人工骨移植材料，它主要由钙、磷离子构成，化学式为Ca3(PO4)2，与骨中的无机成分相似，包括高温型的α相和低温型的β相两种。TCP作为骨修复材料已经有三十多年的研究历史。但磷酸三钙单独作为骨修复材料使用时，又存在种种缺陷，使其在临床上的应用受到了限制。磷酸三钙主要不足有：（1）具有韧性差、脆性大、抗折强度低，不能承重，只能用于不承重的骨缺损；（2）缺乏诱导活性，材料植入骨缺损区后只能靠骨传导作用使骨组织生长，骨生长量少，需时长，骨长入深度有限，不适合修复长段骨的缺损；（3）降解速度难以控制，不能与新生骨生长速度相匹配。
γ-聚谷氨酸（Polyγ-glμtamic acid，γ-PGA）是一种可由微生物大量生物合成的氨基酸聚合物，它由D-型或L-型谷氨酸通过γ-酰胺键连接而成，通常它由5,000个左右谷氨酸单体组成，相对分子质量一般在10万～100万。作为一种水溶性、生物可降解性、无毒、生物适应性的高分子聚合物，γ-聚谷氨酸具有增稠、乳化、凝胶、成膜、保湿和粘结等功能，可以与其他材料聚合形成新型复合材料，在生物医学领域中，可以作为药物载体、止血剂、生物性粘着剂、组织修复，具有很大的应用前景。
发明内容：
本发明的目的是提供一种磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密、降解速率连续可调的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料及其制备方法。
本发明的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料是通过以下方法制备的，该方法包括以下步骤：
（a）将γ-聚谷氨酸和去离子水混合，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，γ-聚谷氨酸质量百分比为2~10%；
（b）将β-磷酸三钙溶解在盐酸或硝酸水溶液中，超声波处理至完全溶解，再调节PH值为4~6，得到β-磷酸三钙溶液，β-磷酸三钙质量百分比为2.5%~25%；
（c）将步骤（b）所得的β-磷酸三钙溶液和步骤（a）所得的γ-聚谷氨酸溶液相混，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液，其中β-磷酸三钙与γ-聚谷氨酸的质量之比为5:1～1:5；
（d）在步骤（c）得到的γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入交联剂溶液，交联剂与γ-聚谷氨酸的质量之比为1:2.5~25，继续搅拌直至溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌；
（e）待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加碱溶液，直至pH值为6～7时停止滴加；
（f）在步骤（e）得到的溶液中加入α-磷酸三钙粉末，α-磷酸三钙的浓度为质量体积比0～25%，快速搅拌均匀；
（g）若步骤（f）的溶液中无α-磷酸三钙，则将溶液静置，除去上清液，倾入模具中，然后置于液氮中冷却5～15min，冷冻干燥；若步骤（f）的溶液中含有α-磷酸三钙，则快速搅拌，固化前倾入模具，然后置于液氮中冷却20～30min，冷冻干燥，消毒，洗涤，再次冷冻干燥，而得到本发明的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
本发明γ-聚谷氨酸的来源是按照专利公开号为：CN1932007A，发明名称为：γ-聚谷氨酸产生菌及其利用该菌株制备γ-聚谷氨酸的方法制备获得。
所述的步骤（b）的盐酸或硝酸水溶液优选为0.1mol/L盐酸或硝酸水溶液。
步骤（d）中所述的交联剂可以为聚缩水甘油醚，包括烯丙基缩水甘油醚、甘油三缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚或聚环氧乙烷山梨醇聚缩水甘油醚及其混合物。进一步优选为质量浓度为1%的交联剂水溶液。
步骤（e）所述的碱溶液包括氢氧化钠溶液或者氨水。
步骤（g）中所述的消毒优选为将材料放入体积分数75%的乙醇水溶液中反复浸泡，一般3～6次，每次12～24h。
步骤（g）中所述的洗涤是通过真空抽滤法，加入5倍体积水反复洗涤。
本发明通过控制液氮中冷却时间，可以控制生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料内部的孔径大小，按照本发明的液氮冷却时间，制备的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料内部的孔径在60μm~280μm之间，孔隙率在64%~85%。
为了减少材料冷冻干燥的时间，采用表面带有微孔的模具为好。
本发明以原位络合的方法制备了生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料，该材料由磷酸三钙和γ-聚谷氨酸依靠分子间基团羧酸根络合而成，在γ-聚谷氨酸基体上沉积磷酸三钙粉末，并在交联剂的作用下增加复合材料的力学强度，改善磷酸三钙的韧性，提高磷酸三钙的骨结合能力和降解性，从而能促进骨缺损的修复。在微观尺度上具有分布均匀的特点。依据磷酸三钙粉末的降解速率随粉末对复合材料的降解速率进行连续调节，可以满足不同组织工程的要求。通过这种生物相容性好、降解速率可连续调节的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料在冷冻干燥工艺条件下可以制备孔径尺寸在60μm~280μm的骨修复材料，可以作为可降解生物医学材料在医疗方面得到广泛应用。
采用本发明的方法制备出的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为透明乳白色，孔径大小为60μm～280μm，孔隙率范围为64%～85%，在0.9%生理盐水浸泡并于37℃恒温下静置3个月后其失重率为8.60%～39.57%。该材料具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及降解速率连续可调等特点，材料孔径大小合适，可作为骨修复材料应用在骨组织工程等生物医用领域。
附图说明：
图1是实施例1制得的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料的扫描电镜照片。
图2是对比例1制得的磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
以下实施例中的γ-聚谷氨酸是按照专利公开号为：CN1932007A，发明名称为：γ-聚谷氨酸产生菌及其利用该菌株制备γ-聚谷氨酸的方法制备获得的。
实施例1：
将1gγ-聚谷氨酸溶解于50mL去离子水中，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，备用。将5g β-磷酸三钙加入10ml 0.1mol/L稀盐酸中，搅拌0.5h至完全溶解，然后将其用超声波处理（超声频率：40KHZ，10min），再用氢氧化钠溶液将pH值到4.0，定容至50mL，得到β-磷酸三钙溶液。在处理后的β-磷酸三钙溶液中加入γ-聚谷氨酸溶液，搅拌混合均匀，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液。在γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入10ml含0.05g烯丙基缩水甘油醚水溶液，将该混合物置于室温下搅拌1h，溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌，待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加氢氧化钠溶液调节pH值至7.0停止滴加，静置，除去上清，将下层沉积物倾入塑料培养皿中，置于液氮中冷却15min，真空冷冻干燥。以适量的氢氧化钠溶液中和材料中的稀盐酸，用体积分数75%的乙醇水溶液反复浸泡3次，每次12h，用5倍体积的去离子水真空抽滤法洗涤材料，然后将其二次真空冷冻干燥，干燥后的材料置于干燥器中干燥，由此得到本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
如图1所示，本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为透明乳白色，平均孔径为100.29±40.46μm，空隙率85.15％。将该材料浸泡于0.9%生理盐水中于37℃恒温静置3个月后其失重率为39.57%。该材料具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及可降解等特点。
实施例2
将5g γ-聚谷氨酸溶解于50mL去离子水中，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，备用。将1gβ-磷酸三钙加入10ml 1.0mol/L稀盐酸中，搅拌1h至完全溶解，然后将其用超声波处理（超声频率：40KHZ，10min），再氨水溶液调节pH值到5.0，定容至40mL，得到β-磷酸三钙溶液。在处理后的β-磷酸三钙溶液中加入γ-聚谷氨酸溶液，搅拌混合均匀，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液。在γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入10ml含0.2g甘油三缩水甘油醚水溶液，将该混合物置于室温下搅拌1h，溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌，待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加氨水调节pH值至6.5停止滴加，静置，除去上清，将下层沉积物倾入塑料培养皿，置于液氮中冷却5min，真空冷冻干燥。以适量的氢氧化钠溶液中和材料中的稀盐酸，用体积分数75%的乙醇水溶液反复浸泡4次，每次24h，用5倍体积的去离子水真空抽滤法洗涤材料，然后将其二次真空冷冻干燥，干燥后的材料置于干燥器中干燥，由此得到本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为透明乳白色，平均孔径为180.11±34.27μm，空隙率83.45％。将该材料浸泡于0.9%生理盐水中于37℃恒温静置3个月后其失重率为31.45%。该材料具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及可降解等特点。
实施例3
将2.5gγ-聚谷氨酸溶解于50mL去离子水中，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，备用。将10gβ-磷酸三钙加入20mL 1.0mol/L稀盐酸，搅拌0.5h至完全溶解，然后将其用超声波处理（超声频率：40KHZ，10min），再用氢氧化钠将pH值调节至6.0，定容至40mL，得到β-磷酸三钙溶液。在处理后的β-磷酸三钙溶液中加入γ-聚谷氨酸溶液，搅拌混合均匀，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液。在γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入10ml含1.0g聚环氧乙烷山梨醇聚缩水甘油醚水溶液，将该混合物置于室温下搅拌1h，溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌，待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加氨水调节pH值至6.0停止滴加，再加入4gα-磷酸三钙（终质量体积比为4%），快速搅拌均匀，在固化前快速倾入塑料培养皿中，置于液氮中冷却20min，真空冷冻干燥。以适量的氢氧化钠溶液中和材料中的稀盐酸，用体积分数75%的乙醇溶液反复浸泡6次，每次20h，用5倍体积的去离子水真空抽滤法洗涤材料，然后将其二次真空冷冻干燥，干燥后的材料置于干燥器中干燥，由此得到本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为透明乳白色，平均孔径为150.37±24.23μm，空隙率75.40％。将该材料浸泡于0.9%生理盐水中于37℃恒温静置3个月后，真空冷冻干燥材料并称重，其失重率为22.17%。具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密、降解速率连续可调以及生物相容性良好等特点。
实施例4
将4gγ-聚谷氨酸溶解于50mL去离子水中，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，备用。将8g β-磷酸三钙加入10ml 3.0mol/L稀硝酸，搅拌0.5h至完全溶解，然后将其用超声波处理（超声频率：40KHZ，30min），再用氨水溶液将pH值调节至5.0，定容至40mL，得到β-磷酸三钙溶液。在处理后的β-磷酸三钙溶液中加入γ-聚谷氨酸溶液，搅拌混合均匀，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液。在γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入10ml含0.2g烯丙基缩水甘油醚水溶液，将该混合物置于室温下搅拌1h，溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌，待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加氢氧化钠溶液调节pH值至6.0停止滴加，再加入25gα-磷酸三钙（终质量体积比为25%），快速搅拌均匀，在固化前快速倾入塑料培养皿中，置于液氮中冷却30min，真空冷冻干燥。以适量的氢氧化钠溶液中和材料中的稀盐酸，用体积分数75%的乙醇溶液反复浸泡5次，每次18h，用5倍体积的去离子水真空抽滤法洗涤材料，然后将其二次真空冷冻干燥，干燥后的材料置于干燥器中干燥，由此得到本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
本实施例的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为透明乳白色，平均孔径为280.22±9.71μm，空隙率64.38％。将该材料浸泡于0.9%生理盐水中于37℃恒温静置3个月后其失重率为8.60%。该材料具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及可降解等特点。
对比例1
将1gγ-聚谷氨酸溶解于50mL去离子水中，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，备用。将5g β-磷酸三钙加入10ml 0.1mol/L稀盐酸中，搅拌0.5h至完全溶解，然后将其用超声波处理（超声频率：40KHZ，10min），再用氨水溶液将pH值调节至4.0，定容至50mL，得到β-磷酸三钙溶液。在处理后的β-磷酸三钙溶液中加入γ-聚谷氨酸溶液，搅拌混合均匀，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液。在γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入10ml含0.05g烯丙基缩水甘油醚水溶液，将该混合物置于室温下搅拌1h，溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌，待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加氢氧化钠溶液调节pH值至7.0停止滴加，静置，除去上清，将下层沉积物倾入塑料培养皿中，真空冷冻干燥。以适量的氢氧化钠溶液中和材料中的稀盐酸，用体积分数75%的乙醇水溶液反复浸泡3次，每次12h，用5倍体积的去离子水真空抽滤法洗涤材料，然后将其二次真空冷冻干燥，干燥后的材料置于干燥器中干燥，由此得到本对比例的磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
如图2所示，本对比例的磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料为乳白色，扫描电子显微镜观察，由于没有经过液氮冷冻程序，该材料非多孔微观结构，因此能很好地展示复合材料中磷酸三钙在γ-聚谷氨酸质中分散均匀，两者之间看不出明显的分离痕迹，磷酸三钙颗粒被γ-聚谷氨酸包裹起来，形成了均匀的材料。将该材料浸泡于0.9%生理盐水中于37℃恒温静置3个月后其失重率为19.25%。该材料具有磷酸三钙分布均匀、磷酸三钙与γ-聚谷氨酸结合紧密以及可降解等特点。
Claims (9)
1.一种生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将γ-聚谷氨酸和去离子水混合，搅拌直至形成透明粘稠乳液，得到γ-聚谷氨酸溶液，γ-聚谷氨酸质量百分比为2~10%；
（b）将β-磷酸三钙溶解在盐酸或硝酸水溶液中，超声波处理至完全溶解，再调节PH值为4~6，得到β-磷酸三钙溶液，β-磷酸三钙质量百分比为2.5%~25%；
（c）将步骤（b）所得的β-磷酸三钙溶液和步骤（a）所得的γ-聚谷氨酸溶液相混，得到γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液，其中β-磷酸三钙与γ-聚谷氨酸的质量之比为5:1～1:5；
（d）在步骤（c）得到的γ-聚谷氨酸/β-磷酸三钙溶液中搅拌下逐滴加入交联剂溶液，交联剂与γ-聚谷氨酸的质量之比为1:2.5~25，继续搅拌直至溶液中出现白色胶状悬浮物质，停止搅拌；
（e）待胶状物质全部沉积后，继续搅拌溶液，并逐滴滴加碱溶液，直至pH值为6～7时停止滴加；
（f）在步骤（e）得到的溶液中加入α-磷酸三钙粉末，α-磷酸三钙的浓度为质量体积比0～25%，快速搅拌均匀；
（g）若步骤（f）的溶液中无α-磷酸三钙，则将溶液静置，除去上清液，倾入模具中，然后置于液氮中冷却5～15min，冷冻干燥；若步骤（f）的溶液中含有α-磷酸三钙，则快速搅拌，固化前倾入模具，然后置于液氮中冷却20～30min，冷冻干燥，消毒，洗涤，再次冷冻干燥，而得到生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（b）的盐酸或硝酸水溶液为0.1mol/L盐酸或硝酸水溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（d）中所述的交联剂为聚缩水甘油醚。
4.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的聚缩水甘油醚包括烯丙基缩水甘油醚、甘油三缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚或聚环氧乙烷山梨醇聚缩水甘油醚及其混合物。
5.根据权利要求1、3或4所述的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为质量浓度为1%的交联剂水溶液。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（e）所述的碱溶液为氢氧化钠溶液或者氨水。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（g）中所述的消毒为将材料放入体积分数75%的乙醇水溶液中浸泡3～6次，每次12～24h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（g）中所述的洗涤是通过真空抽滤法，加入5倍体积水反复洗涤。
9.一种按照权利要求1所述的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料的制备方法制备得到的生物可降解医用磷酸三钙/γ-聚谷氨酸复合材料。
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