CN106668956A - 一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法，包括如下步骤：首先制备蚕丝蛋白溶液；然后将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材；最后将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。通过调节分子量、固化参数及成型手段，可以调节并控制蚕丝蛋白的力学性能和降解速度，以满足不同的临床需要。该发明提出的蚕丝蛋白骨钉对人体无毒负作用，可被人体吸收，力学性能优良，制备过程不使用任何毒副作用化学试剂，可用以替代传统金属和聚合物材料骨钉。
Description
技术领域
本发明属于可降解骨钉及其制备技术领域，涉及一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法。
背景技术
在医学上，骨钉是骨修复过程中常用的骨固定器械。传统的骨钉都采用由不锈钢、钛及其合金材料制成，这些材料具有强度高、韧性好的优点，其缺点是待患者康复后还要进行二次手术以取出金属骨钉，给患者带来二次痛苦，而且在二次手术后留下的空洞也会给患者留下潜在的骨折危险。传统固定断骨的金属材料通常都不会降解，而且同骨骼相比，金属螺钉力学强度较大，时间长了会造成骨骼受力上的差异，造成其他地方骨骼的骨质疏松，有些也会引起异物反应。目前国内关于骨钉的研究大部分采用Mg、Ti、Zn、Fe、Sn等一些金属合金材料，其中有可降解的，也有不可降解的。金属基可降解骨钉的生物相容性及骨诱导性都不理想，同时金属在体内的降解给肾脏造成很大的压力。
以可降解材料为基体的可吸收高分子骨钉能克服传统骨钉材料的诸多缺陷之处，引起了广泛关注。目前，国外已开始采用聚乳酸(PLA)、聚乙交酯-丙交酯(PLGA)等人体可吸收材料应用于骨修复临床，但聚乳酸(PLA)等材料降解会形成些酸性产物，给人体组织带来负面影响。此类材料降解时会引起酸性积累，且无骨传导性，从而不能促进骨细胞的生长。此类材料降解速度较快，不适合主要承力骨的修复。另外，该类材料的力学性能不能完全满足骨修复临床需求，需要通过添加加强纤维等方式提高其力学性能。同时，也有一些人用PLA增韧陶瓷基材料制备骨内置材料，力学性能达到的同时也增加了生物相容性，但是不能完全降解。磷酸钙骨材料具有可降解性，良好的骨传导性，生物相容性，而且被证实作为骨修复材料的合理性，磷酸钙骨水泥可以承受压缩载荷，但是具有低断裂强度、脆性、易疲劳性。
蚕丝是熟蚕结茧时分泌液凝固而成的连续长纤维，蚕丝蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，含量约占蚕丝的70％～80％，含有18种氨基酸。在不溶化处理过程中，蚕丝蛋白的结构会发生从任意卷曲到β结构的转变。在蚕丝蛋白发生结构转变后，侧链与侧链间、侧链与主链间以及分子与分子之间可形成大量的氢键结合，产生大量的次级交联点，可以有效地控制蚕丝蛋白的溶解性。此外，蚕丝蛋白本身具有良好的机械性能和理化性质，并且与人体有极好的生物相容性，蚕丝蛋白材料在人体降解之后是氨基酸和多肽，对人体无毒害作用，所以蚕丝蛋白被广泛应用于生物医学研究领域。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法，用于解决现有技术中骨钉强度不够、和人体组织兼容性较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种蚕丝蛋白骨钉的制备方法，所述制备方法包括：
制备蚕丝蛋白溶液；
将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材；
通过后处理工艺调节所述蚕丝蛋白棒材的溶解率和降解率；
将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。
优选地，所述制备蚕丝蛋白溶液的方法为：
1)将蚕茧置于碳酸钠溶液中加热，进行脱胶，形成蚕丝；
2)将所述蚕丝置于超纯水中洗涤，重复数次，进行干燥；
3)将干燥后的所述蚕丝浸没于溴化锂溶液中并充分混合，保温一定时间，得到蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液；
5)将所述蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液装入透析袋中，置于超纯水中透析；
5)透析后，将所述透析袋中的溶液进行离心分离，收集上层清液，最终得到所需的蚕丝蛋白溶液。
优选地，所述步骤1)中，碳酸钠溶液的浓度为0～100g/L，蚕茧质量和碳酸钠溶液体积比为10：(1～100)g/L。
优选地，所述步骤1)中，加热方式为电炉加热或高压锅加热，加热温度为50～120℃，加热压强为0.5～1MPa，加热时间为1s～1000h。
优选地，所述步骤2)中，洗涤方式为搅拌洗涤或静置浸泡，其中，搅拌洗涤的搅拌方式为机械搅拌或磁力搅拌，磁力搅拌速度为1～2000r/min；单次洗涤过程中，蚕丝和水质量比为1：(10～1000)，时间为1s～200h，每次洗涤后取出蚕丝并挤干，洗涤重复次数为1～50次。
优选地，所述步骤2)中，进行干燥的方式为自然风干或加热通风干燥，其中，加热通风干燥的加热温度为40～100℃，干燥时间为0.1～100h。
优选地，所述步骤3)中，溴化锂溶液浓度为0.01～2g/mL，干燥的蚕丝质量和溴化锂溶液体积比为(1～100)：100g/mL。
优选地，所述步骤3)中，保温温度为20～100℃，保温时间为0.1～100h。
优选地，所述步骤4)中，透析袋规格为10～10000000Da，透析方式为静置透析或磁力搅拌透析，其中，磁力搅拌透析的搅拌速度为1～2000r/min，透析过程中换水的时间间隔为0.1～100h，每次所换超纯水的体积为1mL～1000L。
优选地，所述步骤5)中，离心分离的转速为1～40000r/min，时间为1s～10h，离心时的温度为-3～10℃。
优选地，浓缩后的所述蚕丝蛋白溶液的重量百分浓度为0.5％～50％。
优选地，所述蚕丝蛋白溶液浓缩后、干燥之前，还包括在所述蚕丝蛋白溶液中添加药物的步骤，获得蚕丝蛋白与药物的混合溶液，所述药物为消炎类药物或者促骨生长类药物。
优选地，所述蚕丝蛋白溶液的干燥方式为置于透析袋环境中干燥或在开放式环境中干燥固化，其中，所述透析袋规格为10～10000000Da，干燥环境为使用聚乙二醇溶液或空气环境，环境温度范围为10℃～90℃，环境湿度范围为20％～100％。
优选地，所述蚕丝蛋白棒材形状为圆柱形棒材、方形棒材或三角形棒材，直径范围为0.5～50mm，长度范围为1～500mm
优选地，述后处理工艺为应力处理或水蒸气退火处理，其中，应力处理方式为滚压处理或喷砂处理；水蒸气退火处理温度范围为1℃～100℃，时间范围为1s～1000h，压力范围为真空度-100KPa～-25KPa(相对于大气压)。
本发明还公开一种蚕丝蛋白骨钉，由上述方法制备获得。
如上所述，本发明的一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法，具有以下有益效果：
1、蚕丝蛋白是一种人体亲和性好、无免疫排斥反应的生物材料，在人体组织具有良好的兼容性，对人体无毒害作用。
2、通过控制蚕丝蛋白溶液制备参数、干燥固化参数，可以控制蚕丝蛋白骨钉的力学性能和降解速度，以满足不同的临床需要。
3、本发明提出的蚕丝蛋白骨钉制备方法中不包括任何毒副作用化学试剂，因此，获得的蚕丝蛋白骨钉中无毒副作用化学试剂残留，具有良好的环境和人体适应性。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图。
图2～图4为本发明实施例二制备蚕丝蛋白骨钉的结构流程图。
图5～图8为本发明实施例三制备蚕丝蛋白骨钉的结构流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种蚕丝蛋白骨钉的制备方法，具体制备步骤为：
首先执行步骤S1，制备蚕丝蛋白溶液。
制备所述蚕丝蛋白微针的具体方法为：
1)将蚕茧置于碳酸钠溶液中加热，进行脱胶，形成蚕丝。
作为示例，所述碳酸钠溶液的浓度为0～100g/L，加入的蚕茧质量和碳酸钠溶液体积比为10：(1～100)g/L。加热方式为电炉加热或高压锅加热，加热温度为50～120℃，加热时间为1s～1000h。通过调节脱胶过程的工艺参数，可以控制蚕丝蛋白的分子量。
2)将所述蚕丝置于超纯水中洗涤，重复数次，进行干燥。
作为示例，本步骤所述洗涤可以是搅拌洗涤或者静置浸泡。其中，搅拌洗涤可以是机械搅拌或磁力搅拌。若采用磁力搅拌，则磁力搅拌速度为1r/min～2000r/min。单次洗涤过程中，蚕丝和水质量比为1：(10～1000)，时间为1s～200h，每次洗涤后取出蚕丝并挤干，洗涤重复次数为1～50次。干燥的方式为自然风干或加热通风干燥，其中，加热通风干燥的加热温度为40～100℃，干燥时间为0.1～100h。
3)将干燥后的所述蚕丝浸没于溴化锂溶液中，保温一定时间，得到蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液。
作为示例，所述溴化锂溶液的浓度为0.01～2g/mL，干燥的蚕丝质量和溴化锂溶液体积为(1～100)：100g/mL，保温温度为温度为20～100℃，保温时间为0.1～100h。
4)将所述蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液装入透析袋中，置于超纯水中透析。
作为示例，所述透析袋规格为10～10000000Da(道尔顿)，透析方式为静置透析或磁力搅拌透析，其中，磁力搅拌透析的搅拌速度为1～2000r/min，透析过程中换所述超纯水的时间间隔为0.1～100h，每次所换超纯水的体积为1mL～1000L。
5)透析后，将所述透析袋中的溶液进行离心分离，收集上层清液，最终得到所需的蚕丝蛋白溶液。
作为示例，所述离心分离的转速为1r/min～40000r/min，时间为1s～10h，离心时的温度为-3℃～10℃。
然后制备步骤S2，将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材。
所述蚕丝蛋白溶液的干燥方式为置于透析袋环境中干燥或在开放式环境中干燥固化，其中，所述透析袋规格为10～10000000Da，干燥环境为使用聚乙二醇溶液或空气环境，干燥固化过程的环境温度范围为10℃～90℃，环境湿度范围为20％～100％，。通过调节环境温度和湿度来控制蚕丝蛋白的干燥速度。
浓缩后的所述蚕丝蛋白溶液的重量百分浓度为0.5％～50％。
所述蚕丝蛋白棒材形状为圆柱形棒材、方形棒材或三角形棒材，当然，也可以是其他合适的棒材形状，在此不限。所述蚕丝蛋白棒材直径范围为0.5～50mm，长度范围为1～500mm。需要说明的是，方形、三角形等棒材的直径指得是水力直径。
本步骤中，所述蚕丝蛋白溶液浓缩后、干燥之前，还包括在所述蚕丝蛋白溶液中添加药物的步骤，获得蚕丝蛋白与药物的混合溶液，所述药物为消炎类药物或者促骨生长类药物。
接着执行步骤S3，通过后处理工艺调节所述蚕丝蛋白棒材的溶解率和降解率。
本步骤通过后处理工艺进一步调节蚕丝蛋白分子交联次级结构，从而进一步调节蚕丝蛋白材料在人体内的溶解和降解速率。
所述后处理工艺为应力处理或水蒸气退火处理，其中，应力处理方式为滚压处理或喷砂处理；水蒸气退火处理温度范围为1℃～100℃，时间范围包括1s～1000h，压力范围为真空度-100KPa～-25KPa(相对于大气压)。
接着执行步骤S4，将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。
根据具体的骨修复临床要求，将所述蚕丝蛋白棒材切削成不同尺寸的骨钉。
实施例二
本实施例制备的是蚕丝蛋白骨钉。
如图2～图4所示，1为蚕丝蛋白溶液，2为蚕丝蛋白棒材，3为蚕丝蛋白骨钉。具体的实施步骤包括：
首先执行步骤S1：如图2所示，制备蚕丝蛋白溶液1。
具体的，在本实施例中，首先，每份10g蚕茧剪碎置于4L浓度为2g/L的碳酸钠溶液中，用电炉加热沸腾并磁力搅拌，转速为200r/min，加热时间为0.5h。
然后，将每份煮过的蚕丝置于2L超纯水中搅拌洗涤捏干，重复6次，再进行干燥，搅拌速度为200r/min，搅拌时间20min，每次所换超纯水的体积为2L，干燥方式为25℃、常压(0.1MPa)下干燥。
接着，将干燥的蚕丝浸没于浓度为0.98g/mL的溴化锂溶液中，溴化锂溶液的体积与干燥后蚕丝的关系为4mL:1g，在60℃保温4h，得到蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液。
接着，将蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液装入截留分子量为3500Da透析袋中，置于4L超纯水中透析，间隔0.5h换一次超纯水，每次换水体积4L，透析总共48h。
最后，透析过的蚕丝蛋白溶液在4℃下离心分离，转速12000r/min，离心时间30min，收集上层清液，最终得到所需的蚕丝蛋白溶液1。
然后执行步骤S2，如图3所示，将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材2。
具体的，本实施例中，将蚕丝蛋白溶液1置于3500Da透析袋中挥发水分浓缩，获得重量百分比浓度30％的蚕丝蛋白溶液；再将浓缩的蚕丝蛋白溶液在模具中干燥，干燥环境温度20℃、湿度40％、干燥时间60天，通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材2。
接着执行步骤S3，通过后处理工艺调节所述蚕丝蛋白棒材的溶解率和降解率。
本步骤中，将所述蚕丝蛋白在80℃、-25KPa下水蒸气退火12h，通过调节蚕丝蛋白分子交联次级结构，从而进一步调节蚕丝蛋白材料在人体内的溶解和降解速率。
最后执行步骤S4，如图4所示，根据具体的骨修复临床要求，将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉3。
实施例三
本实施例制备的是蚕丝蛋白骨钉。
如图5～图8所示，4为维生素D，5为蚕丝蛋白溶液，6为维生素D和蚕丝蛋白混合溶液，7为含维生素D的蚕丝蛋白棒材，8为含维生素D的蚕丝蛋白骨钉。具体的实施步骤包括：
首先执行步骤S1：如图5所示，制备蚕丝蛋白溶液5。
具体的，在本实施例中，首先，每份10g蚕茧剪碎置于4L浓度为2g/L的碳酸钠溶液中，用电炉加热沸腾并磁力搅拌，转速为200r/min，加热时间为0.5h。
然后，将每份煮过的蚕丝置于2L超纯水中搅拌洗涤捏干，重复6次，再进行干燥，搅拌速度为200r/min，搅拌时间20min，每次所换超纯水的体积为2L，干燥方式为25℃、常压(0.1MPa)下干燥。
接着，将干燥的蚕丝浸没于浓度为0.98g/mL的溴化锂溶液中，溴化锂溶液的体积与干燥后蚕丝的关系为4mL:1g，在60℃保温4h，得到蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液。
接着，将蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液装入截留分子量为3500Da透析袋中，置于4L超纯水中透析，间隔0.5h换一次超纯水，每次换水体积4L，透析总共48h。
最后，透析过的蚕丝蛋白溶液在4℃下离心分离，转速12000r/min，离心时间30min，收集上层清液，最终得到所需的蚕丝蛋白溶液5。
然后执行步骤S2，将所述蚕丝蛋白溶液5浓缩至20％，然后按比例每20mL浓度20％蚕丝蛋白溶液添加5ug维生素D，获得维生素D和蚕丝蛋白混合溶液6，如图6所示；再将维生素D和蚕丝蛋白混合溶液6在模具中干燥，干燥环境温度20℃、湿度60％、干燥时间60天，通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材7，如图7所示；
接着执行步骤S3，将所述蚕丝蛋白在80℃、-25KPa下水蒸气退火12h，通过调节蚕丝蛋白分子交联次级结构，从而进一步调节蚕丝蛋白材料在人体内的溶解和降解速率。
最后执行步骤S4，根据具体的骨修复临床要求，将蚕丝蛋白棒材切削成骨钉8，如图8所示。
在恢复期和功能康复期，活性维生素D具有骨内和骨外作用，不仅有增加骨量、降低再骨折率的作用，而且有助于改善神经、增进肌肉平衡能力，减少跌倒，降低再骨折发生率。综上所述，本发明提供一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法，包括如下步骤：首先制备蚕丝蛋白溶液；然后将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材；最后将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。通过调节分子量、干燥参数,可以调节并控制蚕丝蛋白的力学性能和降解速度,以满足不同的临床需要。本发明提供的制备方法可以制备强度高、脆性好且与人体组织兼容性好的蚕丝蛋白骨钉。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备蚕丝蛋白溶液；
将所述蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材；
通过后处理工艺调节所述蚕丝蛋白棒材的溶解率和降解率；
将所述蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。
2.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于：所述制备蚕丝蛋白溶液的方法为：
1)将蚕茧置于碳酸钠溶液中加热，进行脱胶，形成蚕丝；
2)将所述蚕丝置于超纯水中洗涤，重复数次，进行干燥；
3)将干燥后的所述蚕丝浸没于溴化锂溶液中并充分混合，保温一定时间，得到蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液；
4)将所述蚕丝蛋白与溴化锂的混合溶液装入透析袋中，置于超纯水中透析；
5)透析后，将所述透析袋中的溶液进行离心分离，收集上层清液，最终得到所需的蚕丝蛋白溶液。
3.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，碳酸钠溶液的浓度为0～100g/L，蚕茧质量和碳酸钠溶液体积比为10：(1～100)g/L。
4.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，加热方式为电炉加热或高压锅加热，加热温度为50～120℃，加热压强为0.5～1MPa，加热时间为1s～1000h。
5.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，洗涤方式为搅拌洗涤或静置浸泡，其中，搅拌洗涤的搅拌方式为机械搅拌或磁力搅拌，磁力搅拌速度为1～2000r/min；单次洗涤过程中，蚕丝和水质量比为1：(10～1000)，时间为1s～200h，每次洗涤后取出蚕丝并挤干，洗涤重复次数为1～50次。
6.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，进行干燥的方式为自然风干或加热通风干燥，其中，加热通风干燥的加热温度为40～100℃，干燥时间为0.1～100h。
7.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，溴化锂溶液浓度为0.01～2g/mL，干燥的蚕丝质量和溴化锂溶液体积比为(1～100)：100g/mL。
8.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，保温温度为20～100℃，保温时间为0.1～100h。
9.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，透析袋规格为10～10000000Da，透析方式为静置透析或磁力搅拌透析，其中，磁力搅拌透析的搅拌速度为1～2000r/min，透析过程中换水的时间间隔为0.1～100h，每次所换超纯水的体积为1mL～1000L。
10.根据权利要求2所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，离心分离的转速为1～40000r/min，时间为1s～10h，离心时的温度为-3～10℃。
11.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，浓缩后的所述蚕丝蛋白溶液的重量百分浓度为0.5％～50％。
12.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述蚕丝蛋白溶液浓缩后、干燥之前，还包括在所述蚕丝蛋白溶液中添加药物的步骤，获得蚕丝蛋白与药物的混合溶液，所述药物为消炎类药物或者促骨生长类药物。
13.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述蚕丝蛋白溶液的干燥方式为置于透析袋环境中干燥或在开放式环境中干燥固化，其中，所述透析袋规格为10～10000000Da，干燥环境为使用聚乙二醇溶液或空气环境，环境温度范围为10℃～90℃，环境湿度范围为20％～100％。
14.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述蚕丝蛋白棒材形状为圆柱形棒材、方形棒材或三角形棒材，直径范围为0.5～50mm，长度范围为1～500mm。
15.根据权利要求1所述的蚕丝蛋白骨钉的制备方法，其特征在于，所述后处理工艺为应力处理或水蒸气退火处理，其中，应力处理方式为滚压处理或喷砂处理；水蒸气退火处理温度范围为1℃～100℃，时间范围为1s～1000h，压力范围为真空度-100KPa～-25KPa。
16.一种蚕丝蛋白骨钉，由权利要求1～15任一项所述制备方法制备获得。
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