CN103191463A - 一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无机非金属材料和生物医学材料领域的人工骨修复材料的制备技术，具体涉及一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料及其制备方法，该多孔支架材料为在壳聚糖纤维表面复合生物活性玻璃，其孔径为80-500μm，有利于人体骨细胞的黏附增殖，促进新骨的迅速形成。制备方法为，采用浸渍提拉法，将生物活性玻璃混合浆料，涂覆在用针刺加固而成的壳聚糖纤维布上，干燥，再重复0-3次。所述三维有序多孔支架材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性等优势；机械强度明显提高，具有良好的力学性能，能满足骨修复部位提供受力支撑的要求。

Description

一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料和生物医学材料领域的人工骨修复材料的制备技术，具体涉及一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料及其制备方法。

背景技术

骨髓炎、骨肿瘤、骨囊肿等手术切除以及创伤引起的较大面积骨缺损是目前国内外临床医学中最常见、最棘手的问题之一，骨组织工程研究的发展为修复大面积骨缺损提供了全新的思路和方法。目前，骨组织工程研究已经逐渐形成了较为完善的关于种子细胞、细胞载体支架材料及组织构建的理论和技术路线。在骨组织工程研究中，生物支架材料占据着非常重要的地位，它不仅起支撑作用，保持原有组织的形状，而且还起着模板作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，从而引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。理想的骨支架材料需要满足如下要求：（i）具有良好的生物学性能，包括良好的生物活性、一定的生物降解性，且无细胞毒性；（ii）具有一定的机械强度，包括一定的抗压强度、弹性模量以及断裂韧性；（iii）具有三维连通的大孔结构，以利于人体骨组织的长入。目前研究较多的人工骨支架材料主要是胶原蛋白、壳聚糖等高分子材料以及羟基磷灰石、生物玻璃等生物陶瓷。

生物玻璃因其化学组成与人体骨骼非常相似，具有优良的生物相容性以及自降解性能，且在植入人体后能与周围的骨组织和软组织形成紧密的键合，迅速有效地促进骨修复，已被成功应用于多种临床手术。壳聚糖作为天然高分子材料的一种，具有良好的生物相容性，可调控生物活性分子的释放，而且对肿瘤细胞具有抑制作用，具有明显的抗菌、抗癌活性。然而，两者作为骨修复材料均存在力学强度低的问题，不适用于临床应力集中部位的骨缺损修复应用。

为了克服单一的骨修复材料在性能上的缺陷，目前对于复合材料，特别是生物玻璃复合材料的研究已经取得了很好的进展。例如，陈学思等研究人员，通过对纳米生物玻璃颗粒进行表面改性，采用母料法制备出了一种纳米生物玻璃颗粒、其与聚酯的复合材料，增加了两者的界面相容性，从而在一定程度上提高了复合材料的力学性能；陈晓峰等研究人员，采用灌注法制备了一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料，制得的复合材料具有多孔结构及一定的力学性能；陈晓峰等研究人员，采用冷冻干燥法制备出一种胶原/生物玻璃/透明质酸组织修复材料，工艺简单，可根据不同需求制备成柱状材料、膜材料及表面多孔材料，其力学性能也有一定的改善。但是，上述复合材料普遍存在缺少三维连通的大孔结构的问题，不能同时满足具有大孔结构以及一定的力学强度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料，该支架材料具有三维有序的大孔结构，孔径为80-500μm，优良的生物学性能和较强的机械强度。

本发明的另一个目的是提供壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料，其特征在于：在壳聚糖纤维表面复合生物活性玻璃，该支架材料的孔径为80-500μm。

上述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其步骤包括，

（1）将50-150g/m²的壳聚糖纤维混合开松后，梳理成纤网，取其中的2-5块纤网平行铺网，使得纤维呈纵向排列，用针刺法加固，剪成所需骨损伤修复材料相同的形状，用无水乙醇和去离子水清洗，烘干，即得壳聚糖纤维布；优选的，烘干温度为55℃-65℃；

（2）将溶胶凝胶法制得的生物活性玻璃进行球磨，得到粒径为1-10μm的生物活性玻璃粉末；将粘结剂加入无水乙醇中，搅拌，再加入生物活性玻璃粉末，搅拌、超声振荡后抽真空，制得生物活性玻璃混合浆料；优选的，抽真空时的真空度为0.05-0.1Mpa；

（3）将步骤（2）中制得的生物活性玻璃混合浆料，采用浸渍提拉法涂覆在步骤（1）中的壳聚糖纤维布上，干燥，再重复0-3次，即制得壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料。

所述壳聚糖纤维的原料壳聚糖是由甲壳素脱乙酰基制得，脱乙酰度为60%～65%。

所述步骤（1）中，针刺法加固时的针刺频率为1000-1400刺/分钟，针刺深度为3-5mm；所述壳聚糖纤维布的孔径为100-400μm。

所述步骤（2）中无水乙醇、粘结剂及生物活性玻璃粉末的重量比为1：0.01-0.05:0.01-0.08。

所述步骤（2）中，球磨转速为100-500r/min，球磨时间为6-12小时。

所述生物活性玻璃的组成以CaO、SiO₂、P₂O₅、Na₂O、K₂O、MgO、Al₂O₃、ZnO、B₂O₃和SrO计，各组分相应的质量百分比为5%-40%、40%-90%、2-20%、0-35%、0-10%、0-5%、0-5%、0-10%、0-20%、0-20%；

所述生物活性玻璃的制备方法为，将硅源、磷源、钙源、钠源、钾源、镁源、锌源、锶源、硼源和铝源溶于含有硝酸的乙醇中，催化水解得到溶胶凝胶，在50-70℃烘干并老化后500-700℃煅烧5-7小时即可；

所述的硅源为无机硅源，磷源为磷酸酯类，钙源、钠源、钾源、镁源、锌源、锶源均为可溶性金属盐，硼源为硼酸，铝源为醇盐。优选的，所述硅源为正硅酸四乙酯，磷源为磷酸三乙酯，钙源为四水硝酸钙，钠源、钾源、镁源、锌源、锶源均为硝酸盐，硼源为硼酸、铝源为异丙醇铝；所述含有硝酸的乙醇中，硝酸的含量为0.01-0.02mol/L。

所述步骤（2）中的粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、胶原蛋白、聚氨酯中的一种。

所述步骤（3）中浸渍提拉法为，将壳聚糖纤维布浸渍到步骤（2）中的生物活性玻璃混合浆料中15-60分钟，然后以1-3mm/s的速度向上提拉壳聚糖纤维布，在30℃-100℃条件下干燥12-48小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用针刺法制备的壳聚糖纤维布作为骨支架基体材料，保留了壳聚糖纤维的原有性能，纤维之间以柔性缠结，具有较好的尺寸稳定性和弹性，制备过程无污染，并且可以根据骨损伤修复材料所需的不同形状而制备。

（2）所述壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性，以及一定的抗菌、抗癌活性；机械强度明显提高，具有较好的弹性模量、抗压强度、弯曲强度及弯曲模量，能满足骨修复部位提供受力支撑的要求。

（3）所述壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料具有三维有序的大孔结构，孔径为80-500μm，有利于人体骨细胞的黏附增殖，促进新骨的迅速形成。

（4）所述壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的孔隙率具有可调性，其孔径大小可以通过改变壳聚糖纤维的铺网方式、生物玻璃的组成成分及比重、混合浆料的浓度以及浸渍时间、次数进行调控。

附图说明

图1为实施例中1中制备的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的SEM图与未复合生物活性玻璃时的壳聚糖纤维的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

壳聚糖纤维的原料壳聚糖是由甲壳素脱乙酰基制得，脱乙酰度为60%～65%。

实施例1

1、壳聚糖纤维布层的制备：

取克重为100g/m²的壳聚糖纤维，手工扯松混合，用盖板式小梳理机梳理开松；取其中3块纤网，每块纤维的克重为550g/m²，手工平行铺网，使纤维呈纵向排列；然后用针刺机针刺加固，针刺频率为1200刺/min，针刺深度为3mm，将壳聚糖纤维布剪成骨损伤修复材料所需的形状，剪成边长为2cm、厚度为3mm的正方形，纤维布的孔径为200-300μm，用无水乙醇超声清洗30min，再用去离子水冲洗数次直至洗净，置于烘箱中，60℃烘干，以备用；

2、生物活性玻璃粉末的制备：

采用溶胶凝胶法制备生物活性玻璃，具体步骤为：取4.8g四水硝酸钙、11.6mL正硅酸四乙酯(TEOS)、0.72mL磷酸三乙酯(TEP)，加入2mL稀硝酸HNO₃溶液（浓度为1mol/L）、116mL无水乙醇，在40℃条件下催化水解，直至完全溶解，得到溶胶凝胶；将溶胶凝胶置于真空干燥箱中，60℃烘干并老化后，放入马弗炉中，600℃温度下煅烧6h，即可得到生物活性玻璃粉，该生物活性玻璃粉的组成以SiO₂、CaO及P₂O₅计，对应的质量百分比为65%、30%、5%；

将生物活性玻璃粉进行球磨，在转速为240r/min下球磨10h，制得粒径为1-10μm的生物活性玻璃粉末；

在100重量份的无水乙醇中加入2重量份的粘结剂乙基纤维素，常温下剧烈搅拌，待粘结剂完全溶解后加入4重量份的生物玻璃粉末，剧烈搅拌制成浆体，将所得浆体经30min超声以混合均匀，然后抽真空15min，真空度为0.08Mpa即制得生物活性玻璃混合浆料；

3、浸渍提拉法制备壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料：

将步骤（1）中制得的壳聚糖纤维布浸渍到步骤（2）中所配置的混合浆料中，真空浸渍30min，然后以1mm/s的速度匀速向上提拉出壳聚糖纤维布，60℃下干燥24h，即制得壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料。

对本实施例中制得的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料进行形貌表征，具体如图1中的（c）（d）扫描电镜图所示，从图1（c）中可以看出多孔支架材料具有三维有序的大孔结构，孔径大小为80μm～500μm，有利于骨细胞和营养物质的进入；从图（d）中可以看出，壳聚糖纤维束的表面很均匀的覆盖了一层生物活性玻璃。图1中（a）和（b）为没有复合生物活性玻璃的对比图，可以看出未复合生物玻璃之前，壳聚糖纤维表面很光滑，复合材料纤维束的直径明显增大。

将本实施例中制得的支架材料进行性能测试，具体如下：

降解速率测试结果：支架材料到第四周时的降解率为29.8%，随着时间的延长，降解速率加快，到第八周时，支架材料的降解率达到92%。

抗菌性能测试结果：由于壳聚糖本身具有一定的抗菌性能，实验测得复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、枯草杆菌具有抗菌性，抗菌率为20%～60%。

细胞的粘附铺展情况：

在24h时，支架材料表面细胞骨架数量很少，72小时之后，材料表面附着的细胞明显增多、铺展很均匀，且细胞伪足也较多，说明本实施例中制得的支架材料具有很好的细胞相容性。

实施例2

1、壳聚糖纤维布层的制备：

取克重为80g/m²的壳聚糖纤维，手工扯松混合，用盖板式小梳理机梳理开松；取其中3块纤网，每块纤维的克重为550g/m²，手工平行铺网，使纤维呈纵向排列；然后用针刺机针刺加固，针刺频率为1000刺/min，针刺深度为4mm，将壳聚糖纤维布剪成骨损伤修复材料所需的形状，剪成边长为2cm、厚度为3mm的正方形，纤维布的孔径为300-500μm，用无水乙醇超声清洗30min，再用去离子水冲洗数次直至洗净，置于烘箱中，60℃烘干，以备用；

步骤（2）和步骤（3）同实施例1。

实施例3

1、壳聚糖纤维布层的制备：

取克重为100g/m²的壳聚糖纤维，手工扯松混合，用盖板式小梳理机梳理开松；取其中4块纤网，每块纤维的克重为550g/m²，手工平行铺网，使纤维呈纵向排列；然后用针刺机针刺加固，针刺频率为1200刺/min，针刺深度为4mm将壳聚糖纤维布剪成骨损伤修复材料所需的形状，剪成边长为2cm、厚度为3mm的正方形，纤维布的孔径为200-300μm，用无水乙醇超声清洗30min，再用去离子水冲洗数次直至洗净，置于烘箱中，60℃烘干，以备用；

步骤（2）和步骤（3）同实施例1。

实施例4

1、壳聚糖纤维布层的制备：

取克重为100g/m²的壳聚糖纤维，手工扯松混合，用盖板式小梳理机梳理开松；取其中3块纤网，每块纤维的克重为550g/m²，手工平行铺网，使纤维呈纵向排列；然后用针刺机针刺加固，针刺频率为1200刺/min，针刺深度为3mm将壳聚糖纤维布剪成骨损伤修复材料所需的形状，剪成边长为3cm、厚度为3mm的正方形，纤维布的孔径为300-400μm，用无水乙醇超声清洗30min，再用去离子水冲洗数次直至洗净，置于烘箱中，60℃烘干，以备用；

步骤（2）和步骤（3）同实施例1。

实施例5

步骤（1）同实施例1

2、生物活性玻璃粉末的制备：

采用溶胶凝胶法制备生物活性玻璃，该生物活性玻璃的原料组分由SiO₂、CaO、P₂O₅、Na₂O组成，对应的组分的质量百分比为45%、24.5%、6%、24.5%；

将生物活性玻璃粉进行球磨，在转速为120r/min下球磨12h，制得粒径为1-10μm的生物活性玻璃粉末；

在100重量份的无水乙醇中加入2重量份的粘结剂胶原蛋白，常温下剧烈搅拌，待粘结剂完全溶解后加入3重量份的生物玻璃粉末，剧烈搅拌制成浆料，将所得浆体经30min超声以混合均匀，然后抽真空15min，真空度为0.09Mpa即制得生物活性玻璃混合浆料；

步骤（3）同实施例1。

实施例6

步骤（1）同实施例1

2、生物活性玻璃粉末的制备：

采用溶胶凝胶法制备生物活性玻璃，该生物活性玻璃的原料组分由SiO₂、CaO、P₂O₅及ZnO，对应的组分的质量百分比为64%、26%、5%、5%；

将生物活性玻璃粉进行球磨，在转速为400r/min下球磨6h，制得粒径为1-10μm的生物活性玻璃粉末；

在100重量份的无水乙醇中加入3重量份的粘结剂聚乳酸，常温下剧烈搅拌，待粘结剂完全溶解后加入5重量份的生物玻璃粉末，剧烈搅拌制成浆料，将所得浆体经30min超声以混合均匀，然后抽真空15min，真空度为0.09Mpa，即制得生物活性玻璃混合浆料。

步骤（3）同实施例1。

实施例6

步骤（1）和步骤（2）同实施例1。

3、浸渍提拉法制备壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料：

将步骤（1）中制得的壳聚糖纤维布浸渍到步骤（2）中所配置的混合浆料中，真空浸渍15min，以1mm/s的速度匀速向上提拉出壳聚糖纤维布，60℃下干燥24h，再重复3次，即制得壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料。

实施例7

步骤（1）和步骤（2）同实施例1。

3、浸渍提拉法制备壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料：

将步骤（1）中制得的壳聚糖纤维布浸渍到步骤（2）中所配置的混合浆料中，真空浸渍30min，以1mm/s匀速向上提拉出壳聚糖纤维布，60℃下干燥24h，再重复2次，即制得壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料。

将上述7个实施例中制得的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维多孔支架材料力学性能进行测试，测试结果如下表所示：

从表中的数据可看出，制得的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维多孔支架材料具有很好的力学性能，抗压强度为7.2-36.8MPa，弹性模量为1.96-3.32之间，弯曲强度为114.7-198.5MPa，弯曲模量为2.8-4.83间，能很好地满足骨修复部位的受力支撑需求。

实施例2-7中制得的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的SEM图均与实施例1中得到的结果类似。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料，其特征在于：在壳聚糖纤维表面复合生物活性玻璃，该支架材料的孔径为80-500μm。

2.权利要求1所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其步骤包括，

（1）将50-150g/m²的壳聚糖纤维混合开松后，梳理成纤网，取其中的2-5块纤网平行铺网，使得纤维呈纵向排列，用针刺法加固，剪成所需骨损伤修复材料相同的形状，用无水乙醇和去离子水清洗，烘干，即得壳聚糖纤维布；

（2）将溶胶凝胶法制得的生物活性玻璃进行球磨，得到粒径为1-10μm的生物活性玻璃粉末；将粘结剂加入无水乙醇中，搅拌，再加入生物活性玻璃粉末，搅拌、超声振荡后抽真空，制得生物活性玻璃混合浆料；

（3）将步骤（2）中制得的生物活性玻璃混合浆料，采用浸渍提拉法涂覆在步骤（1）中的壳聚糖纤维布上，干燥，再重复0-3次，即制得壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料。

3.根据权利要求2所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖纤维的原料壳聚糖是由甲壳素脱乙酰基制得，脱乙酰度为60%～65%。

4.根据权利要求2所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，针刺法加固时的针刺频率为1000-1400刺/分钟，针刺深度为3-5mm；所述壳聚糖纤维布的孔径100-400μm。

5.根据权利要求2所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中无水乙醇、粘结剂及生物活性玻璃粉末的重量比为1：0.01-0.05:0.01-0.08。

6.根据权利要求2所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，球磨转速为100-500r/min，球磨时间为6-12小时。

7.根据权利要求2或5所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述生物活性玻璃的组成以CaO、SiO₂、P₂O₅、Na₂O、K₂O、MgO、Al₂O₃、ZnO、B₂O₃和SrO计，各组分相应的质量百分比为5%-40%、40%-90%、2-20%、0-35%、0-10%、0-5%、0-5%、0-10%、0-20%、0-20%；

所述生物活性玻璃的制备方法为，将硅源、磷源、钙源、钠源、钾源、镁源、锌源、锶源、硼源和铝源溶于含有硝酸的乙醇中，催化水解得到溶胶凝胶，在50℃-70℃烘干并老化后500℃-700℃煅烧5-7小时即可；

所述的硅源为无机硅源，磷源为磷酸酯类，钙源、钠源、钾源、镁源、锌源、锶源均为可溶性金属盐，硼源为硼酸，铝源为醇盐。

8.根据权利要求7所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述硅源为正硅酸四乙酯，磷源为磷酸三乙酯，钙源为四水硝酸钙，钠源、钾源、镁源、锌源、锶源均为硝酸盐，硼源为硼酸、铝源为异丙醇铝；所述含有硝酸的乙醇中，硝酸的含量为0.01-0.02mol/L。

9.根据权利要求2或5所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、胶原蛋白、聚氨酯中的一种。

10.根据权利要求2所述的壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中浸渍提拉法为，将壳聚糖纤维布浸渍到步骤（2）中的生物活性玻璃混合浆料中15-60分钟，然后以1-3mm/s的速度向上提拉壳聚糖纤维布，在30℃-100℃条件下干燥12-48小时。

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