CN105148321A - 一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料及其制备方法 - Google Patents
一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料及其制备方法。它是以矿化的纳米纤维为基本单元，沿轴向平行排列形成纱线结构，再进一步交织形成板状或管状的多层纳米纤维织物作为模板，利用仿生矿化的方法得到类似于天然骨中分级结构的骨替代材料。具体制备方法为：利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维形成的纳米纤维纱线，通过机织的方法将纱线编织成多层的纳米纤维织物，溶去多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮后仿生矿化得到骨替代材料。本发明制得的骨替代材料能够从功能上和结构上仿生天然骨，具有优异的力学性能、良好的成形性和生物学性能，是一种具有较好的应用前景潜的骨替代材料。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料及其制备方法，应用于骨修复或骨替代材料。
背景技术
由于创伤、肿瘤或先天发育不足等导致人体骨组织缺损的现象非常普遍，特别是随着我国步入老年人社会，年老易引起硬组织病变如骨质疏松。因而，临床治疗对于骨替代材料有着巨大的需求。自体骨、异体骨放入移植都存在着增加手术并发症、材料来源有限、传播疾病或免疫排斥反应等问题，其临床应用受到一定的限制。现有的骨替代材料可分为无机生物材料（如金属和合金材料、生物活性陶瓷等）、有机生物材料（聚四氟乙烯、聚酯类等）、天然生物材料（胶原、透明质酸等），随着研究的深入和临床的广泛应用，人们发现现有的骨替代材料不能够完全在结构、组成和功能上与天然生物组织完全相似，存在着一些不足。制备能主动诱导、激发组织器官再生并具有良好力学性能的骨仿生材料对于解决临床日益扩大的骨修复需求具有重要的意义。天然骨是一种由约30%的有机基质和70%的羟基磷灰石构成的有机/无机生物复合材料，有机基质主要包括非胶原蛋白、粘多糖等。无机成分的羟基磷灰石纳米晶体有序地嵌在胶原纤维基质中，有机和无机组元间的密切协同作用以及分子水平的独特组装，赋予了天然骨的多级结构和优异的力学性能。因此，要制备生物相容性和力学相容性好、有生物活性的骨修复或骨替代材料，需要从分子水平设计进行仿生设计，模仿天然骨的结构和功能。
发明内容
本发明的目的是提供由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料的制备方法。通过静电纺技术与纺织技术相结合制备板状或管状的多层纳米纤维织物作为模板，利用仿生矿化的方法得到类似于天然骨中分级结构的骨替代材料。这种骨仿生材料不仅在成分上模拟了天然骨，而且在结构上实现了对天然骨的仿生，具有优异的力学性能、良好的生物相容性、生物可降解性以及良好的骨诱导性能，可激发骨的再生。
实现本发明目的技术方案是，一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，它是以矿化的纳米纤维为基本单元，沿轴向平行排列形成纳米纤维纱线结构，再进一步交织形成多层纳米纤维织物结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质比例为1:1-10，孔隙率为30%-80%。
所述的多层纳米纤维织物模板是由多个纳米纤维织物层通过纳米纤维纱线结节而成，结节点的密度为5-30个/cm2，多层纳米纤维织物的经密为100-150根/5cm，纬密为150-200根/5cm层数大于等于2。所述的纳米纤维纱线是由矿化的纳米纤维沿纱线轴向平行排列形成的，纳米纤维纱线的直径为150-300μm。所述的矿化纳米纤维是无机矿物在纳米纤维上自组装得到的。所述的纳米纤维是由聚乳酸和丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径300-900nm，丝素和聚乳酸的质量比为10：90-30:70，聚乳酸分子量大于100000，丝素蛋白分子的特性粘度[η]大于或等于0.50。所述的矿物成分为羟基磷灰石，它是由针状晶粒组成的球状形貌，针状晶粒尺寸为0.5nm-1nm。
制备这种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料的方法，其特征在于采用如下步骤：
（1）将丝素和聚乳酸按照质量比为1:1-10放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌2-5天得到质量分数为3-15%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:1-4的比例配置混合溶剂，将聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌40-120min得到质量分数为30-45%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18-25kV，纺丝溶液总流量为0.5-0.9mL/h，正负喷头溶液流量比1:0.5-2，芯溶液与壳溶液的流量比为2:1-1:2，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10-15cm，卷绕速度35-50mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为100-150根/5cm，纬密为150-200根/5cm，结节点的密度为5-30个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为80-85%的乙醇水溶液中处理30-60min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1-1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为0-50ml/h，在37℃恒温下矿化6h-72h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中50-60℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料；
与现有的骨替代材料及其制备方法相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明中丝素和聚乳酸都是生物相容性较好的材料，将含有这两种材料组分的纱线编织成不同类型（多层片状或管状）织物能够仿生骨中的分级取向纳米胶原结构。因此，本发明的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料在天然结构上能够仿生天然骨，具有很好的生物相容性和生物活性；
（2）本发明中首先纺制核壳纱线，然后在编织成型后将皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮成分去除使织物内部的孔隙变大，同时在模拟体液矿化时采用流动矿化的方法促进了羟基磷灰石在织物层中的纳米纤维间生长，能够能够使本发明的骨替代材料具有较好的强度和结构仿真性；
（3）利用静电纺丝的方法制备了纤维沿轴取向的纳米纤维纱线，结合纺织技术，采用不同的织物组织结构，可以容易获得所需的形状和大小；另外，控制织物的矿化程度，可以形成一定结构和含量的孔隙，能够满足骨移植过程中对骨替代材料类型的要求。
本发明制备的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，在成分的选择上选用的是生物材料聚乳酸、柞蚕丝素蛋白和羟基磷灰石，其中柞蚕丝素蛋白富含极性氨基酸和可作为细胞识别信号的Arg-Gly-Asp（精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸，RGD）三肽序列能够使材料有利于细胞的粘附和增值；在结构上，利用静电纺技术使纳米纤维成纱线并结合机织的方法编织多层纳米纤维织物模板，形成纳米纤维、纳米纤维纱线、纳米纤维纱线的交织的单层纳米纤维织物和多层的纳米纤维织物，可分别仿生骨中的胶原纤维、胶原纤维束、胶原纤维阵列和骨单元。模板经过矿化后能够得到在成分上和结构上与天然骨相似的具有分级结构的骨仿生材料，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1由矿化的纳米纤维构建的具有分级结构的骨仿生材料的实物图。
图2骨仿生材料中矿化的纳米纤维的SEM照片形貌。
图3由矿化的纳米纤维构建的具有分级结构的骨仿生材料的表面SEM照片。
图4由矿化的纳米纤维构建的具有分级结构的骨仿生材料的截面SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图通过实例对本发明进一步详细说明。
一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，它是以矿化的纳米纤维为基本单元，沿轴向平行排列形成纳米纤维纱线结构，再进一步交织形成多层纳米纤维织物结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质比例为1:1-10，孔隙率为30%-80%。所述的多层纳米纤维织物模板是由多个纳米纤维织物层通过纳米纤维纱线结节而成，结节点的密度为5-30个/cm2，多层纳米纤维织物的经密为100-150根/5cm，纬密为150-200根/5cm层数大于等于2。所述的纳米纤维纱线是由矿化的纳米纤维沿纱线轴向平行排列形成的，纳米纤维纱线的直径为150-300μm。所述的矿化纳米纤维是无机矿物在纳米纤维上自组装得到的。所述的纳米纤维是由聚乳酸和丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径300-900nm，丝素和聚乳酸的质量比为10：90-30:70，聚乳酸分子量大于100000，丝素蛋白分子的特性粘度[η]大于或等于0.50。所述的矿物成分为羟基磷灰石，它是由针状晶粒组成的球状形貌，针状晶粒尺寸为0.5nm-1nm。
实施例1
（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：9放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌2天得到质量分数为7%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:4的比例配置混合溶剂，将32g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌40min得到质量分数为40%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线。所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18kV，纺丝溶液总流量为0.5mL/h，正负喷头溶液流量比1:1，芯溶液与壳溶液的流量比为2:1，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10cm，卷绕速度35mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为100根/5cm，纬密为150根/5cm，结节点的密度为25个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为80%的乙醇水溶液中处理50min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为10ml/h，在37℃恒温下矿化48h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中60℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料。
表1显示了骨替代材料的力学性能、密度和孔隙率，多层管状的骨仿生材料光学图片如图1所示。矿化的纳米纤维形貌的SEM照片如图2（图中放大倍数为5000倍）所示，由图可以看出纳米纤维已经完全被羟基磷灰石覆盖。由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨仿生材料的表面和截面形貌的SEM照片如图3和图4（图中放大倍数为100倍）所示。
实施例2
（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：10放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌3天得到质量分数为6%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:1.25的比例配置混合溶剂，将17.5g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌50min得到质量分数为35%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分；静电纺丝的电压为22kV，纺丝溶液总流量为0.6mL/h，正负喷头溶液流量比2:1，芯溶液与壳溶液的流量比为1:1，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离17cm，卷绕速度35mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为110根/5cm，纬密为130根/5cm，结节点的密度为18个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为80%的乙醇水溶液中处理30min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为5ml/h，在37℃恒温下矿化24h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中55℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料。制备的骨替代材料的力学性能、密度和孔隙率如表1所示。
实施例3
（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：6放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌5天得到质量分数为9%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:2的比例配置混合溶剂，将17g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌90min得到质量分数为32%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为19kV，纺丝溶液总流量为0.6mL/h，正负喷头溶液流量比1:1，芯溶液与壳溶液的流量比为1.5:1，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离18cm，卷绕速度36mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为180根/5cm，纬密为200根/5cm，结节点的密度为10个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为85%的乙醇水溶液中处理20min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为3ml/h，在37℃恒温下矿化36h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中55℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，制备的骨替代材料的力学性能、密度和孔隙率如表1所示。
实施例4
（1）将桑蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：9放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌5天得到质量分数为8%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:4的比例配置混合溶剂，将32g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌100min得到质量分数为40%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18kV，纺丝溶液总流量为0.5mL/h，正负喷头溶液流量比1:1，芯溶液与壳溶液的流量比为2:1，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10cm，卷绕速度30mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为100根/5cm，纬密为180根/5cm，结节点的密度为20个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为85%的乙醇水溶液中处理50min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为5ml/h，在37℃恒温下矿化48h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中60℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，制备的骨替代材料的力学性能、密度和孔隙率如表1所示。
表1一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料的性能
因此，本发明得到一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，是通过将静电纺技术与纺织技术相结合制备出多层片状或管状的柞蚕丝素和聚乳酸复合米纤维织物模板，并利用模拟体液矿化的方法对纳米纤维进行矿化得到的骨仿生材料。这种骨仿生材料不仅在成分上模拟了天然骨，而且在结构上实现了对天然骨的仿生。成分中的柞蚕丝素含有的极性基团能够使羟基磷灰石在织物中定点生长并且与织物紧密结合，同时丝素中的Arg-Gly-Asp（RGD）三肽序列可作为生物识别信号促进细胞粘附；纳米纤维纱线在空间上的三维编织实现了在结构上对骨材料的分级仿生。根据本发明的方法制备的具有分级结构的骨替代材料具有优异的力学性能、良好的成形性和生物学性能，可以作为植入型的骨修复材料。
Claims (6)
1.一种由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，其特征在于它是以矿化的纳米纤维为基本单元，沿轴向平行排列形成纳米纤维纱线结构，再进一步交织形成多层纳米纤维织物结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质比例为1:1-10，孔隙率为30%-80%。
2.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，其特征在于所述的多层纳米纤维织物模板是由多个纳米纤维织物层通过纳米纤维纱线结节而成，结节点的密度为5-30个/cm2，多层纳米纤维织物的经密为100-150根/5cm，纬密为150-200根/5cm层数至少为2层。
3.根据权利要求1或2所述的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，其特征在于所述的纳米纤维纱线是由矿化的纳米纤维沿纱线轴向平行排列形成的，纳米纤维纱线的直径为150-300μm，所述的矿化纳米纤维是无机矿物在纳米纤维上自组装得到的。
4.根据权利要求1或3所述的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，其特征在于所述的纳米纤维是由聚乳酸和丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径300-900nm，丝素和聚乳酸的质量比为10：90-30:70，聚乳酸分子量大于100000，丝素蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50。
5.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料，其特征在于所述的矿物成分为羟基磷灰石，它是由针状晶粒组成的球状形貌，针状晶粒尺寸为0.5nm-1nm。
6.如权利要求1所述的由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）将丝素和聚乳酸按照质量比为1:1-10放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌2-5天得到质量分数为3-15%的静电纺纺丝溶液；
（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:1-4的比例配置混合溶剂，将聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌40-120min得到质量分数为30-45%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18-25kV，纺丝溶液总流量为0.5-0.9mL/h，正负喷头溶液流量比1:0.5-2，芯溶液与壳溶液的流量比为2:1-1:2，喷头内管内径0.3mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10-15cm，卷绕速度35-50mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的由皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用机织技术，编织形成不同层数的纳米纤维织物，纱线编织成不同层数的管状或片状的纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为100-150根/5cm，纬密为150-200根/5cm，结节点的密度为5-30个/cm2；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为80-85%的乙醇水溶液中处理30-60min，然后放入循环流动的去离子水中，去除多层纳米纤维织物中皮芯结构的纳米纤维皮层的聚乙烯吡咯烷酮；
（6）将步骤（5）中的多层纳米纤维织物浸泡在1-1.5倍的模拟体液中进行循环流动矿化，模拟体液的循环流动流速为0-50ml/h，在37℃恒温下矿化6h-72h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中50-60℃下干燥，得到由矿化的纳米纤维构建的仿生天然骨结构的骨替代材料。
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2015
- 2015-08-31 CN CN201510546418.7A patent/CN105148321B/zh not_active Expired - Fee Related
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