CN103285428A - 一种人工骨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工骨材料的制备方法，该制备方法包括：提供原料，所述原料包括羟基磷灰石、聚乳酸和纳米纤维素。所述制备方法包括：将聚乳酸溶于溶剂中，配制成质量百分比浓度为1～5％的聚乳酸溶液；将纳米纤维素和羟基磷灰石加入聚乳酸溶液，搅拌共混、105℃干燥10～24h、研磨得到人工骨材料；所述制备方法还可以包括：将聚乳酸、纳米纤维素及羟基磷灰石加入挤出机中熔融共混5～20分钟，175～185℃挤出，粉碎得到人工骨材料。该材料具有优秀的生物活性、生物相容性和骨传导性，不但孔隙率高、孔隙交通性能好，而且强度高、机械性能好，可作为人工骨或其他硬组织的替代材料，还能够应用于3D打印。

Description

一种人工骨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种材料，尤其涉及一种人工骨材料及其制备方法。 

背景技术

事故或疾病所造成的骨缺损是临床常见的病例，目前常用的修复材料有自体骨、异体骨以及人工骨合成材料，这些材料均在一定程度上存在不足，不能完全满足临床的需要。天然骨本身是纳米羟基磷灰石和胶原的复合材料，因此纳米羟基磷灰石就成了最重要的骨修复和替代材料。用纳米羟基磷灰石所制造的人工骨材料植入人体后能通过正常的新陈代谢途径置换Ca、P，可通过羟基形成的氢键与人体组织达到完美的亲和，生物相容性极好，无免疫排异现象，是一种生物性能优越的人工骨材料，被广泛应用于临床。然而，纳米羟基磷灰石属于生物陶瓷材料，不可避免的存在一些性能缺陷，如脆性，抗弯曲强度较低，不能用于负重部位骨缺损的修复，并且煅烧后结晶度比较高，很难为机体降解和吸收。 

因此，希望提供一种生物相容性好、机械强度高的人工骨材料。 

发明内容

为此，本发明提出了一种可以解决上述问题的至少一部分的新型人工骨材料。 

根据本发明的一个方面，提供了一种人工骨材料的制备方法，该制备方法包括：提供原料，所述原料包括羟基磷灰石、聚乳酸和纳米纤维素。 

优选地，所述羟基磷灰石的粒径为20-60nm。纳米级的羟基磷灰石具有纳米尺寸效应、大比表面积以及自强界面结合，与大尺寸羟基磷灰石相比物理力学性能更优。 

用纳米羟基磷灰石所制备的人工骨材料植入人体后能通过正常的新陈代谢途径置换Ca、P，可通过羟基形成的氢键与人体组织达到完美 的亲和，生物相容性极好，无免疫排异现象，是一种生物性能优越的人工骨材料，被广泛应用于临床。 

聚乳酸（PLA）是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。此外，聚乳酸是一种高分子材料，利用聚乳酸良好的加工性和优良的柔韧性和断裂伸长性可以弥补磷灰石的不足。但是该复合材料仍然存在机械性能差、孔隙率低、孔隙交通性能差的缺点。 

纤维素是自然界主要是植物通过光合作用合成的取之不尽、用之不绝的天然高分子。将纤维素用酸水解处理即可得到尺寸在纳米范围内的纳米纤维素。与普通的纤维素相比，纳米纤维素具有很多优良的性能，如高纯度、高结晶度、高杨氏模量，还具有高强度、高生物降解性和良好的生物相容性等。将羟基磷灰石、聚乳酸与纳米纤维素采用仿生矿化的方法制备复合材料，用于人体支架材料，可显著提高支架的机械性能，并提高其孔隙率及孔隙交通性能。 

可选地，根据本发明的制备方法，其中提供的所述羟基磷灰石占原料总重量的40～60％，所述聚乳酸占原料总重量的30～50％，所述纳米纤维素占原料总重量的0.5～10％。当纳米纤维素占原料总重量的0.5～10％时，制备出的人工骨材料的机械强度最优。 

可选地，根据本发明的制备方法，包括步骤S1200溶液共混法制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料： 

将所述聚乳酸溶于溶剂中，配制成质量百分比浓度为1～5％的聚乳酸溶液；之后将所述纳米纤维素和所述羟基磷灰石加入制备所得的聚乳酸溶液，搅拌共混、105℃干燥10～24h、研磨得到人工骨材料。 

可选地，根据本发明的制备方法，包括步骤S2200熔融共混法制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将所述聚乳酸、所述纳米纤维素和所述羟基磷灰石加入挤出机中熔融共混5～20分钟，175～185℃挤 出，粉碎得到人工骨材料。 

可选地，根据本发明的制备方法，进一步包括步骤S1100制备羟基磷灰石：配制0.025～0.2mol/l含Ca²⁺溶液，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，将含Ca²⁺溶液滴入H₃PO₄溶液中，之后用碱性溶液调节pH值为7～10之间，老化24～48h，洗涤，105℃干燥，研磨得羟基磷灰石。 

可选地，根据本发明的制备方法，所述含Ca²⁺溶液为CaCl₂或Ca（NO₃）₂。 

可选地，根据本发明的制备方法，其中，调节pH值的所述碱性溶液为氨水或氢氧化钠。 

可选地，根据本发明的制备方法，其中，步骤S1100中105℃干燥的时间为2～4天。将羟基磷灰石干燥2～4天能够保证材料中的水分完全蒸发，从而在研磨的时候避免羟基磷灰石粉体团聚，以便更容易地获得纳米羟基磷灰石。 

可选地，根据本发明的制备方法，配制所述聚乳酸溶液的溶剂为下列中的任意一种：氯仿、四氢呋喃和1,4-二氧六环。 

根据本发明的另一个方面，提供了一种人工骨材料。 

本发明提供的人工骨材料包括羟基磷灰石、聚乳酸和纳米纤维素，极大地提高了材料的生物相容性和机械强度。将纳米纤维素与羟基磷灰石和聚乳酸复合，结合3D打印技术，可制备成高孔隙率、高机械强度的人工骨，不仅能够提供临床的需求，还能够根据需要进行定制，以满足个性化需要。 

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中： 

图1示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法；以 及 

图2示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法。 

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。 

本发明所述的人工骨材料的制备方法包括两种，分别为溶液共混法和熔融共混法。 

其中，溶液共混法的制备方法如下所述： 

首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.025～0.2mol/l含Ca²⁺溶液，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，将含Ca²⁺溶液滴入H₃PO₄溶液中，之后用碱性溶液调节pH为7～10，老化24～48h，洗涤，105℃干燥2～4天，研磨得羟基磷灰石。其中，所述含Ca²⁺溶液为CaCl₂或Ca（NO₃）₂。所述碱性溶液为氨水或氢氧化钠。所述溶剂为下列中的任意一种：氯仿、四氢呋喃和1,4-二氧六环。然后进入步骤S1200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将聚乳酸溶于溶剂中，配制成质量百分比浓度为1～5％的聚乳酸溶液；将纳米纤维素和步骤S1100制备的粒径在纳米级的羟基磷灰石粉体加入聚乳酸溶液，搅拌共混、105℃干燥10～24h、研磨得到人工骨材料。 

熔融共混法的制备方法如下所述：首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.025-0.2mol/l含Ca²⁺溶液，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，将含Ca²⁺溶液滴入H₃PO₄溶液中，之后用碱性溶液调节pH为7～10，老化24～48h，洗涤，105℃干燥2～4天，研磨得羟基磷灰石。所述含Ca²⁺溶液为CaCl₂或Ca（NO₃）₂。所述碱性溶液为氨水或氢氧化钠。所述溶剂为下列中的任意一种：氯仿、四氢呋喃和1,4-二氧六环。然后进入步骤S2200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将聚乳酸、纳米纤维素和步骤S1100制备的粒径在纳米级的羟基磷灰石加入挤出机中熔融共混5～20分钟，175～185℃挤出，而后粉碎得到人工骨材料。 

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。 

首先通过具体示例对溶液共混法制备人工骨材料作进一步地解释： 

实施例1 

图1示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法。 

首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.2mol/l的Ca（NO₃）₂溶液20ml，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，边搅拌边将Ca（NO₃）₂溶液缓慢滴入24ml浓度为0.1mol/lH₃PO₄溶液中，之后用氨水溶液调节pH为8，生成羟基磷灰石的凝胶体，经24h老化，洗涤，置于105℃的干燥箱中干燥2天，得纳米级的羟基磷灰石粉体。 

然后进入步骤S1200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将聚乳酸溶于1,4-二氧六环中，配制成10ml浓度为5％的溶液，加入步骤S1100制备的纳米羟基磷灰石和质量百分比为1％的纳米纤维素强力搅拌共混，之后置于105℃的烘箱中干燥12h，球磨8h，得复合材料粉体。 

实施例2 

图1示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法。 

首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.05mol/l的CaCl₂溶液100ml，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，边搅拌边将CaCl₂溶液缓慢滴入30ml浓度为0.1mol/l的H₃PO₄溶液中，之后用氢氧化钠溶液调节pH为7.5，生成羟基磷灰石的凝胶体，经24h老化，洗涤，置于105℃的干燥箱中干燥2天，研磨得纳米级的羟基磷灰石粉体。 

然后进入步骤S1200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将聚乳酸溶于四氢呋喃中，配制成16ml浓度为3％的溶液，加入步骤S1100制备的纳米羟基磷灰石和质量百分比为1％的纳米纤维素强力搅拌共混，之后置于105℃的烘箱中干燥12h，球磨10h，由此得到人工骨材料。 

以下通过具体示例对熔融共混法的制备人工骨材料作进一步地解释： 

实施例3 

图2示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法。 

首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.1mol/l的CaCl₂溶液65ml，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，边搅拌边将CaCl₂溶液缓慢滴入39ml浓度为0.1mol/lH₃PO₄溶液中，之后用氢氧化钠溶液调节pH为7，生成羟基磷灰石的凝胶体，经36h老化，洗涤，置于105℃的干燥箱中干燥3天，研磨得纳米级的羟基磷灰石粉体。 

然后进入步骤S2200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将质量百分比为55％的羟基磷灰石、质量百分比为40％的聚乳酸和质量百分比为5％的纳米纤维素加入到双螺杆挤出机中熔融共混，挤出温度为180℃，共混时间为10分钟。待材料冷却后放入粉碎机中粉碎，由此得到人工骨材料。 

实施例4 

图2示出了根据本发明一个实施方式的人工骨材料的制备方法。首先进入步骤S1100制备羟基磷灰石：配制浓度为0.1mol/l的CaCl₂溶液65ml，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，边搅拌边将CaCl₂溶液缓慢滴入39ml浓度为0.1mol/lH₃PO₄溶液中，之后用氢氧化钠溶液调节pH为7，生成羟基磷灰石的凝胶体，经36h老化，洗涤，置于105℃的干燥箱中干燥3天，研磨得纳米级的羟基磷灰石粉体。 

然后进入步骤S2200制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：将质量百分比为50％的羟基磷灰石、质量百分比为49.5％的聚乳酸和质量百分比为0.5％的纳米纤维素加入到双螺杆挤出机中熔融共混，挤出温度为180℃，共混时间为5分钟。待材料冷却后放入粉碎机中粉碎，由此得到人工骨材料。 

为了充分证明根据本发明的制备方法得到的羟基磷灰石/胶原/纳米纤维素复合材料具有优良的性能，选取了实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备得到材料，进行了弯曲性能测试和拉伸性能测试。 

测试1： 

根据GB1040-79分别将羟基磷灰石颗粒，以及实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素颗粒制成弯 曲强度测试试样。 

用Instron1341材料试验机对试样进行弯曲性能测试，试样检测环境为：加载速度10mm/分钟,室温：25℃，湿度：65％， 

计算公式：                                                   ${\mathrm{\σ}}_f=\frac{3\mathrm{pL}}{2b{h}^2},$

其中σf-弯曲强度，MPa；P-破坏载荷，N；L-试样的跨距，mm；b-试样宽度，mm；h-试样厚度，mm。 

具体测试结果如下表所示： 

项目	空白	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						弯曲强度/Mpa	128	156	145	168	160

根据上表的数据可以看出，加入纳米纤维素对人工骨材料进行改性后，得到的羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料的弯曲强度都得到了提高。 

测试2 

根据GB1040-79分别将羟基磷灰石颗粒，以及实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素颗粒制成拉伸强度测试试样。 

用Instron1341材料试验机对试样进行拉伸强度性能测试，试样检测环境为：加载速度10mm/分钟,室温：25℃，湿度：75％， 

计算公式    ${\mathrm{\σ}}_t=\frac{P}{a\×h}$

其中σ_t-拉伸强度，MPa；P-破坏载荷，N；a-试样的中间宽度，mm；h-试样厚度，mm。 

具体测试结果如下表所示： 

项目	空白	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						拉伸强度/Mpa	37	52	43	47	49

根据上表的数据可以看出，加入纳米纤维素对人工骨材料进行改性后，得到的羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料的拉伸强度都得到了提高。 

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设 计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。 

Claims (10)

1.一种人工骨材料的制备方法，该制备方法包括：提供原料，所述原料包括羟基磷灰石、聚乳酸和纳米纤维素。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中提供的所述羟基磷灰石占原料总重量的40～60％，所述聚乳酸占原料总重量的30～50％，所述纳米纤维素占原料总重量的0.5～10％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，包括步骤（S1200）溶液共混法制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：

将所述聚乳酸溶于溶剂中，配制成质量百分比浓度为1～5％的聚乳酸溶液；之后将所述纳米纤维素和所述羟基磷灰石加入制备所得的聚乳酸溶液，搅拌共混、105℃干燥10～24h、研磨得到人工骨材料。

4.根据权利要求1所述的制备方法，包括步骤（S2200）熔融共混法制备羟基磷灰石/聚乳酸/纳米纤维素复合材料：

将所述聚乳酸、所述纳米纤维素和所述羟基磷灰石加入挤出机中熔融共混5～20分钟，175～185℃挤出，粉碎得到人工骨材料。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，进一步包括步骤（S1100）制备羟基磷灰石：配制0.025～0.2mol/l含Ca²⁺溶液，按照Ca/P摩尔比为1.67的比例，将含Ca²⁺溶液滴入H₃PO₄溶液中，之后用碱性溶液调节pH值为7～10之间，老化24～48h，洗涤，105℃干燥，研磨得羟基磷灰石。

6.根据权利要求5所述的制备方法，所述含Ca²⁺溶液为CaCl₂或Ca（NO₃）₂。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，调节pH值的所述碱性溶液为氨水或氢氧化钠。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤（S1100）中105℃干燥的时间为2～4天。

9.根据权利要求3所述的制备方法，配制所述聚乳酸溶液的溶剂为下列中的任意一种：氯仿、四氢呋喃和1,4-二氧六环。

10.根据权利要求1-9中任意一项制备方法得到的人工骨材料。

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