CN104941005B - 一种羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，该方法具体为：将羟基磷灰石粉末加入由还原法从天然角蛋白纤维中提取得到的角蛋白溶液中，通过超声分散使两者均匀混合后，将混合溶液注入模具并快速冷冻，而后通过冷冻干燥法得到羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料，将该复合多孔材料浸泡在PBS(pH＝7.4)溶液中进行增强处理，而后再次进行冷冻干燥获得具有良好力学性能的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。与未经增的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料相比，增强后的复合支架不易碎，抗压强度范围为200‑800KPa，可满足非承重骨骼短期修复使用过程中的力学性能要求，促进了羟基磷灰石/角蛋白复合生物支架材料作为骨替代材料的应用。
Description
技术领域
本发明提供了一种羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，属于生物复合材料与生物工程技术领域。
背景技术
由于自然资源的过度开发与使用，人类越来越关注如何利用可再生的天然资源制备出各种新型生物材料。我国纺织和畜牧业每年产生大量的废弃动物毛发纤维，对环境造成极大污染。而毛发纤维中含有大量角蛋白，角蛋白因其具有良好的生物相容性，能支持多种细胞粘附和分化，适用于重建组织工程材料，近年来，以角蛋白为基材的各种生物膜及支架材料也应运而生。
羟基磷灰石是人类骨骼和牙齿的主要无机成分，是一种具有良好生物相容性和生物活性的材料，在植入人体后能在短时间内与人体硬组织紧密结合，从而促进骨细胞的增值分化，并提供骨诱导因子。因而由羟基磷灰石组成的复合材料也在迅速发展，有望成为一种新型的骨修复材料。
虽然角蛋白和羟基磷灰石都具有良好的生物相容性，但是由于纯角蛋白的硬度低且纯羟基磷灰石材料韧性不足，两者相复合制备的复合多孔支架材料呈现脆性，从而限制了它们在骨修复材料领域中的应用。天然骨主要是由羟基磷灰石和胶原蛋白复合而成，具有一定的力学强度、韧性及微孔结构。因此，想要开发羟磷灰石增强角蛋白复合骨材，首要解决的问题是提高该复合材料的力学性能。
中国专利(102908664 A)，该发明将水溶液中共沉淀得到的磷灰石与角蛋白复合物冲洗、过滤，最后通过冻干的方式制备成磷灰石/角蛋白复合支架，可用于骨组织的再生，并随着骨组织的生成最终降解。
外国学者Akira Tachibana在2005年的报道中提出，将通过还原法从羊毛中提取到的角蛋白溶液用冷冻干燥的方法制备出角蛋白支架，然后把角蛋白支架放入含有羟基磷灰石微粒的PBS溶液中，1小时后取出并清洗、冻干得到羟基磷灰石/角蛋白复合支架(生物材料，2005(3)297-302)。研究结果表明溶液中70％的羟基磷灰石都嵌入在角蛋白支架上，制备出的复合支架也能较好的诱导成骨细胞的生成和分化。
以上专利和文献报道均从不同方面对角蛋白复合支架进行了报道，并充分证明了羟基磷灰石与角蛋白复合制成具有生物相容性多孔支架材料的可行性，试验中得到的复合支架具有较好的孔隙率和生物相容性，但所得的支架抗压强度低无法满足作为骨支架的要求，从而限制了该材料的广泛运用。因此本发明从提高羟基磷灰石/角蛋白复合材料力学性能的角度出发，对该复合材料进行增强处理，从而提高羟基磷灰石/角蛋白复合支架作为骨替代材料的使用性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，该方法制备羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度为200-800KPa，能够满足非承重骨骼短期修复使用过程中的力学性能要求。
本发明采取如下技术方案：
①将天然角蛋白纤维开松、除杂后剪断成5-10mm的纤维段，然后用石油醚和去离子水清洗去除油脂等杂质，自然风干；
②将上述毛纤维以固液比为10-16g/250ml浸入到PH为9的还原剂和变性剂混合溶液中，在50℃-80℃条件下搅拌4-8h，搅拌速度为100-300r/min；
③将上述搅拌后的混合溶液用100目筛网过滤除去未反应的毛纤维，而后将过滤得到的溶液在室温条件下透析36h，得到角蛋白溶液；
④将上述角蛋白溶液进行离心除杂，离心速度为3000rmp/min-8000rmp/min，离心时间10min-30min，而后浓缩得到浓度为50mg/ml-150mg/ml的纯角蛋白溶液；
⑤将羟基磷灰石按质量百分比浓度为1％-15％加入上述纯角蛋白溶液中，经超声分散使两者均匀混合，而后将混合溶液注入模具进行快速冷冻，再经冷冻干燥的方式得到羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。
⑥将上述羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料浸入pH＝7.4的PBS溶液中，并保持水浴温度为37℃，待1-7天后取出支架清洗，再经冷冻干燥，得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
所述的天然角蛋白纤维为废弃人发、羊毛、猪毛、兔毛、牛毛或驼毛。
所述的还原剂为巯基乙醇(又称为β-巯基乙醇)、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾或偏重亚硫酸钠，还原剂的质量百分比浓度为4％-7％。
所述的蛋白质变性剂为尿素、硫脲或溴化锂，蛋白质变性剂的质量百分比浓度为15-25％。
所述的超声分散具体为：将羟基磷灰石与纯角蛋白溶液的混合物放入玻璃仪器中，以50-100W的功率和20-40Hz的频率超声振荡10-30min。
本发明所用的羟基磷灰石和废弃角蛋白天然纤维来源广泛、成本低廉，所制备的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材安全无毒，具有良好的生物相容性，有利于细胞的快速生长和分化。
本发明中采用的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料增强处理显著改善了羟基磷灰石增/蛋白复合多孔材料的力学性能，并完善羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料的孔隙结构，操作方法简单，成本低，所得羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度可达200-800KPa，能够满足非承重骨骼短期修复使用过程中的力学性能要求，促进了羟基磷灰石/角蛋白复合生物支架材料作为骨替代材料的应用。
附图说明
图1为本发明方法得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料的截面电镜图片，其中角蛋白浓度为110mg/ml，羟基磷灰石含量为5％。
图2为羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的截面电镜图片，其中角蛋白浓度为110mg/ml，羟基磷灰石含量为5％，PBS溶液中增强处理时间为1天。
图3为不同角蛋白浓度的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度，其中角蛋白浓度依次为70mg/ml、90mg/ml、110mg/ml、130mg/ml，羟基磷灰石含量为5％，PBS溶液中增强处理时间为1天。
图4为不同羟基磷灰石含量的角蛋白浓度羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度，其中角蛋白浓度为110mg/ml，羟基磷灰石含量为依次为1％、3％、5％、7％，PBS溶液中增强处理时间为1天。
图5为不同增强处理时间条件下角蛋白浓度羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度，其中角蛋白浓度为110mg/ml，羟基磷灰石含量为5％，PBS溶液中增强处理时间依次为1、3、5、7天。
具体实施方式
下面通过实施例来具体说明本发明。
实施例1
将人发纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗晾干，以固液比为14g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液中，其中还原剂为巯基乙醇，质量百分比浓度为5％；蛋白质变性剂为尿素，质量百分比浓度为25％，混合溶液PH为9，在60℃条件下对混合物搅拌8h，搅拌器转速200r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过虑得到的溶液进行透析，而后离心处理去除沉淀物质，离心速度5000rpm/min，离心时间15min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为110mg/ml的纯角蛋白溶液。
向110mg/ml的纯角蛋白溶液中加入5％的羟基磷灰石，以功率50W和频率20kHz超声波振荡处理15min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理3天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
实施例2
将羊毛纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗晾干，以固液比为10g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液中，其中还原剂为偏重亚硫酸钠，质量百分比浓度为7％；蛋白质变性剂为硫脲，质量百分比浓度为20％，混合溶液PH为9，在80℃条件下对混合物搅拌4h，搅拌器转速100r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过滤得到的溶液进行透析，而后离心处理去除溶液中沉淀物质，离心速度7000rpm/min，离心时间10min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为90mg/ml的纯角蛋白溶液。
向90mg/ml的纯角蛋白溶液中加入7％的羟基磷灰石，以功率80W和频率20kHz超声波振荡处理10min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理1天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
实施例3
将猪毛纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗晾干，以固液比为16g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液中，其中还原剂为亚硫酸氢钾，质量百分比浓度为4％；蛋白质变性剂为溴化锂，质量百分比浓度为15％，混合溶液PH为9，在50℃条件下对混合物搅拌6h，搅拌器转速300r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过滤得到的溶液进行透析，而后离心处理去除溶液中沉淀物质，离心速度8000rpm/min，离心时间10min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为70mg/ml的纯角蛋白溶液。
向70mg/ml的纯角蛋白溶液中加入15％的羟基磷灰石，以功率100W和频率20kHz超声波振荡处理30min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理7天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
实施例4
将兔毛纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗晾干，以固液比为12g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液中，其中还原剂为亚硫酸钠，质量百分比浓度为7％；蛋白质变性剂为尿素，质量百分比浓度为18％，混合溶液PH为9，在60℃条件下对混合物搅拌6h，搅拌器转速300r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过滤得到的溶液进行透析，而后离心处理去除溶液中沉淀物质，离心速度3000rpm，离心时间30min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为150mg/ml的纯角蛋白溶液。
向150mg/ml的纯角蛋白溶液中加入1％的羟基磷灰石，以功率80W和频率20kHz超声波振荡处理15min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理5天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
实施例5
将牛毛纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗烘干，以固液比为13g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液，其中还原剂为亚硫酸钾，质量百分比浓度为5％；蛋白质变性剂为溴化锂，质量百分比浓度为22％，混合溶液PH为9，在70℃条件下对混合物搅拌7h，搅拌器转速200r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过滤得到的溶液进行透析，而后离心处理去除溶液中沉淀物质，离心速度5000rpm/min，离心时间20min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为50mg/ml的纯角蛋白溶液。
向50mg/ml的纯角蛋白溶液中加入10％的羟基磷灰石，以功率50W和频率20kHz超声波振荡处理15min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理1天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
实施例6
将驼毛纤维开松、除杂后切断成5-10mm长的纤维段，然后清洗晾干，以固液比为16g/250ml浸入到含有还原剂和蛋白质变性剂的溶液，其中还原剂为巯基乙醇，质量百分比浓度为7％；蛋白质变性剂为硫脲，质量百分比浓度为15％，混合溶液PH为9，在60℃条件下对混合物搅拌6h，搅拌器转速300r/min。混合物经100目筛网过滤去除未反应纤维，然后在室温下将过滤得到的溶液进行透析，而后离心处理去除溶液中沉淀物质，离心速度6000rpm/min，离心时间20min。对离心得到的上清液进行浓缩处理，得到质量浓度为90mg/ml的纯角蛋白溶液。
向90mg/ml的纯角蛋白溶液中加入13％的羟基磷灰石，以功率70W和频率20kHz超声波振荡处理30min，使羟基磷灰石在角蛋白溶液中均匀分散，将混合溶液注入模具后快速冷冻后，而后经冷冻干燥制得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料。将得到的羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料放入PBS溶液中，水浴温度为37℃下增强处理3天，而后取出，再次冷冻干燥得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
Claims (5)
1.一种羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，其特征在于，该制备方法将由废弃天然角蛋白纤维经还原法得到纯角蛋白溶液和羟基磷灰石共混，经超声分散后冷冻干燥获得羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料，将该复合多孔材料浸泡在PBS溶液中进行增强处理，而后再次进行冷冻干燥获得具有良好力学性能的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材，所得羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的抗压强度范围为200-800KPa，羟基磷灰石与角蛋白基质的质量比为1-15∶99-85，角蛋白溶液的浓度范围是50mg/ml-150mg/ml。
2.如权利要求1所述的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，其特征在于，所述的天然角蛋白纤维为废弃人发、羊毛、猪毛、兔毛、牛毛或驼毛。
3.如权利要求1所述的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，其特征在于，所述的还原法所用试剂为还原剂和蛋白质变性剂的组合物，所述的还原剂为β-巯基乙醇、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾或偏重亚硫酸钠，还原剂的质量百分比浓度为4％-7％，所述的蛋白质变性剂为尿素、硫脲或溴化锂，蛋白质变性剂的质量百分比浓度为15-25％。
4.如权利要求2所述的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
①将天然角蛋白纤维开松、除杂后剪断成5-10mm的纤维段，然后用石油醚和去离子水清洗去除油脂等杂质，自然风干；
②将上述毛纤维以固液比为10-16g/250ml浸入到pH为9的还原剂和变性剂混合溶液中，在50℃-80℃条件下搅拌4-8h，搅拌速度为100-300r/min；
③将上述搅拌后的混合溶液用100目筛网过滤除去未反应的毛纤维，而后将过滤得到的溶液在室温条件下透析36h，得到角蛋白溶液；
④将上述角蛋白溶液进行离心除杂，离心速度为3000rmp/min-8000rmp/min，离心时间10min-30min，而后浓缩得到浓度为50mg/ml-150mg/ml的纯角蛋白溶液；
⑤将羟基磷灰石按质量百分比浓度为1％-15％加入上述纯角蛋白溶液中，经超声分散使两者均匀混合，而后将混合溶液注入模具进行快速冷冻，再经冷冻干燥的方式得到羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材料；
⑥将上述羟基磷灰石/角蛋白复合多孔材浸入pH＝7.4的PBS溶液中，并保持水浴温度为37℃，待1-7天后取出清洗，再经冷冻干燥，得到羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材。
5.如权利要求1所述的羟基磷灰石增强角蛋白复合骨材的制备方法，其特征在于，所述的超声分散具体为：将羟基磷灰石与纯角蛋白溶液的混合物放入玻璃仪器中，以50-100W的功率和20-40Hz的频率超声振荡10-30min。
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