CN106943631A - 一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料，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，再进一步交织形成具有负泊松比结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质的质量比为1:1‑10，孔隙率为35%‑85%。本发明制得的这种骨仿生材料由于其具备负泊松比结构显示了更优秀的力学性能，包括压缩模量，压缩强度、弯曲强度等。此外，这种纳米纤维骨仿生复合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，是一种具有较好的应用前景潜的骨替代材料。

Description

一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料，应用于制备骨修复或骨替代材料。
背景技术
我国每年由于交通和工业事故、肿瘤、骨组织坏死和风湿等疾病引起的骨组织缺损、骨折病患人数达数百万人。随着人口老龄化的日益严重，年老引起的骨组织疏松使骨缺损的病患有增多的趋势，此外，每年需要进行颅颌面和肢体整形、美容的人数也达到千万人。因此，临床治疗对骨组织修复材料有着巨大的市场需求。目前应用于骨组织修复的金属、骨水泥、生物活性玻璃、磷酸钙类生物活性陶瓷以及可吸收性的高分子材料等难以满足临床对骨组织修复和重建的需求。制备能主动诱导和激发组织器官再生并具有良好力学性能的类人骨组织替代、修复材料对于解决临床日益扩大的骨修复需求具有重要意义。
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，要制备良好的力学性能、生物相容性以及生物活性的骨修复或骨替代材料，需要创新纳米仿生骨复合材料的结构、并从分子水平进行仿生设计，模拟天然骨的组成和功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料。结合静电纺技术与纺织技术相制备一种具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，并以此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和结构上实现了对天然骨的仿生，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；而且在力学性能方面，由于这种负泊松比结构使其具备足够的强度来承受机体自身的重量，以及自适应性以满足机体可能遭遇的压缩、剪切和撞击等多个外力作用场合。
实现本发明目的技术方案是：一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，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，再进一步交织形成具有负泊松比结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质的质量比为1:1-10，孔隙率为35%-85%。
所述的纳米复合材料是由纳米纤维经纱、纬纱以及结节纱按照设计的负泊松比结构编织而成，结节点的密度为10-40个/cm2，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm层数至少为4层。
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200-400μm，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柞蚕丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径200-1000nm，柞蚕丝素和聚乳酸的质量比为5：95-25:75，聚乳酸分子量大于100000，柞蚕丝素蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50。
所述的无机的矿物质为羟基磷灰石，它是由针状晶粒组成的球状形貌，针状晶粒尺寸为 0.5nm- 1nm。
所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将柞蚕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1-3天，得到质量分数为5-25%的静电纺丝溶液；
（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120-360min得到质量分数为15-35%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具有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柞蚕丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18-25 kV，纺丝溶液总流量为0.1-1.0 mL/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1-1:3，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10-15 cm，卷绕速度35-50mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的具有皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用纺织编织技术，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm，结节点的密度为10-40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70-95%的乙醇水溶液中处理30-120min，然后放入循环流动的去离子水中，去除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1-2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）本发明中所设计的纳米仿生骨具有负泊松比结构，相比常规结构的骨仿生材料，具有更加优秀的力学性能，具备足够的强度来承受机体自身的重量，以及自适应性以满足机体可能遭遇的压缩、剪切和撞击等多个外力作用场合。
（2）本发明中以生物相容性较好的丝素和聚乳酸为材料，以矿化的纳米纤维纱仿生构建天然骨的结构单元—矿化的胶原纤维束，这种纳米纤维骨仿生复合材料实现了成分和结构上的双重仿生，具有很好的生物相容性和生物活性。
（3）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。
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、增殖和分化；在结构上，利用静电纺技术使纳米纤维成纱线并结合纺织编织技术加工成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物模板，其中所形成纳米纤维、纳米纤维纱线、负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，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，重要的是，这种特殊的结构—负泊松比结构显著提高了纳米骨复合材料的力学自适应性。由此可见，本发明所制备的这种具有负泊松比结构的纳米仿生骨复合材料具备良好的生物相容性、生物活性和力学性能，在骨组织临床具有广阔的应用前景。不同于常规的骨修复材料，负泊松比结构材料具有高的能量吸收和断裂韧性，本发明将负泊松比结构效应引入到骨仿生材料的结构设计中，材料能更好的适应外力作用，抵御破坏。
附图说明
图1为负泊松比织物结构设计的示意图。
图2为负泊松比多管状三维织物实物图。
图3为负泊松比多管状三维织物受力前后结构变化示意图。
图4为骨仿生材料中不同矿化度的纳米纤维的SEM照片形貌。
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。
实施例1
一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：
（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150min得到质量分数为30 %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20kV，纺丝溶液总流量为0.5 mL/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0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离12 cm，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，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为90根/5cm，纬密为75根/5cm，结节点的密度为24个/cm2的；
（5）将步骤（4）中的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为75 %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10 ml/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。
负泊松比织物结构设计的示意图1所示；表1显示了具有负泊松比结构的骨替代材料的力学性能、密度和孔隙率。矿化的纳米纤维仿生骨的光学显微镜照片如图2所示；纳米仿生骨受外力作用后结构变化示意图如图3所示；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形貌的SEM照片如图4所示。
实施例2
一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：8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1:1.3的比例配置混合溶剂，将22.0g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌180 min得到质量分数为24%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22 kV，纺丝溶液总流量为0.3mL/h，正负喷头溶液流量比1:1，芯溶液与壳溶液的流量比为1:1，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离11 cm，卷绕速度40 mm/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，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，多层纳米纤维织物的经密为60根/5cm，纬密为40根/5cm，结节点的密度为30个/cm2的；
（5）将步骤（4）中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5 ml/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55℃下干燥，得到具有负泊松比结构的骨仿生纳米纤维复合材料。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
一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1：7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10%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1:2.5的比例配置混合溶剂，将20g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌210min得到质量分数为20 %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柞蚕丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为22 kV，纺丝溶液总流量为0.2 mL/h，正负喷头溶液流量比2:2.5，芯溶液与壳溶液的流量比为2:3，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离12 cm，卷绕速度42mm/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，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，纳米纤维织物的经密为120根/5cm，纬密为100根/5cm，结节点的密度为25个/cm2的；
（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90min，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12ml/h，在37℃恒温下矿化60h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中55℃下干燥，得到具有负泊松比结构的骨仿生纳米纤维复合材料，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
一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将桑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5天得到质量分数为14%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1:6的比例配置混合溶剂，将38g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌240min得到质量分数为36 %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柞蚕丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为25kV，纺丝溶液总流量为0.5 mL/h，正负喷头溶液流量比1:2，芯溶液与壳溶液的流量比为2:3，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离12cm，卷绕速度50 mm/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130根/5cm，纬密为160根/5cm，结节点的密度为35个/cm2的；
（5）将步骤（4）中的的多层纳米纤维织物浸泡在质量分数为90 %的乙醇水溶液中处理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1.5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25ml/h，在37℃恒温下矿化72h后取出用去离子水清洗，并在真空烘箱中60 ℃下干燥，得到具有负泊松比结构的骨仿生纳米纤维复合材料，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 一种基于负泊松比效应构建的纳米仿生骨复合材料的性能
因此，本发明设计了一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料，结合静电纺技术与纺织编织技术，制备出具有负泊松比结构的柞蚕丝素和聚乳酸复合米纤维织物模板，并利用模拟体液仿生矿化的方法在纳米纤维纤维表面沉积羟基磷灰石得到纳米骨仿生复合材料。相比常规骨仿生复合材料，这种骨仿生材料由于其具备负泊松比结构显示了更优秀的力学性能，包括压缩模量，压缩强度、弯曲强度等。此外，这种纳米纤维骨仿生复合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负泊松比结构的纳米仿生复合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)

1.一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料，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，再进一步交织形成具有负泊松比结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质的质量比为1:1-10，孔隙率为35%-85%。
2.根据权利要求1所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，其特征在于所述的纳米复合材料是由纳米纤维经纱、纬纱以及结节纱按照设计的负泊松比结构编织而成，结节点的密度为10-40个/cm2，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm层数至少为4层。
3.根据权利要求1或2所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，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200-400μm，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所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，其特征在于所述的纳米纤维是由聚乳酸和柞蚕丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径200-1000nm，柞蚕丝素和聚乳酸的质量比为5：95-25:75，聚乳酸分子量大于100000，柞蚕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所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，其特征在于所述的无机的矿物质为羟基磷灰石，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所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）将柞蚕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1-3天，得到质量分数为5-25%的静电纺丝溶液；
（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120-360min得到质量分数为15-35%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具有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柞蚕丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18-25 kV，纺丝溶液总流量为0.1-1.0 mL/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1-1:3，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10-15 cm，卷绕速度35-50mm/min；
（4）将步骤（3）中所得的具有皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用纺织编织技术，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm，结节点的密度为10-40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70-95%的乙醇水溶液中处理30-120min，然后放入循环流动的去离子水中，去除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1-2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，得到基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料。
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