CN107865980A - 一种仿生人工骨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生人工骨的制备方法,属于生物医学材料技术领域。将氢氧化钙与水混合,并加入磷酸溶液,搅拌反应后,煮沸,抽滤,烘干,研磨,过筛,得羟基磷酸钙颗粒;将胶原蛋白与醋酸溶液混合,剧烈搅拌后,加入羟基磷酸钙颗粒,并同时加入氢氧化钠溶液调节pH,继续搅拌,得混合乳液,将壳聚糖与水混合溶胀,再加入水,搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液与氧化镁混合,并加入氯化镁,搅拌反应,旋蒸浓缩,得混合浓缩液;将混合乳液与混合浓缩液混合,加入氢氧化钠溶液调节pH,搅拌反应后,冷冻干燥,得坯料,将坯料与戊二醛溶液混合浸泡后,用去离子水浸泡洗涤,干燥,得仿生人工骨。本发明制备的仿生人工骨具有较好的力学性能。
Description
技术领域
本发明公开了一种仿生人工骨的制备方法,属于生物医学材料技术领域。
背景技术
天然骨主要由羟基磷灰石(Hydroxy apatite,HA)和胶原(Collagen)组成。在纳米尺度,片状纳米羟基磷灰石晶体嵌入高度取向的胶原蛋白纤维束中,形成复杂的多级结构,赋予天然骨卓越的生物和力学性能。Bonfield等人于1980年提出了仿生骨概念,即无机生物陶瓷增强有机高分子复合材料。此后,仿生人工骨成为生物材料领域的热点研究方向之一。目前已有多种无机/有机复合材料仿生人工骨的报道,但因其力学性能不如天然骨,尚无一种无机/有机复合材料体系可作为承重骨替换材料。分析发现,现有仿生人工骨复合材料虽然组成上与天然骨类似,但在显微结构上相差较大。因此,要使人工骨的性能达到或接近天然骨的水平,除了组成仿生外,还必须进行结构仿生,而后者的核心是制备高度取向的高模、高强有机基体,液晶高分子具有这方面的优异性能。
液晶高分子(Liquid crystalline polymer,LCP)具有高强度、高模量、自增强和易加工等优异性能,是理想的复合材料基体之一。研究表明,液晶态普遍存在于生物体内。例如,生命体内的胶原含量通常在形成溶致液晶的临界浓度之上,可以通过自组装而呈现液晶态。LCP在生物学上的应用引起了人们的关注,但其用于生物材料的研究却很短,尚未引起足够重视。目前已经研究了碳纤维增强液晶高分子复合材料仿生人工骨,该材料的力学性能稍高于天然密质骨,但因为碳纤维和液晶高分子均无生物活性,植入体内后需要长时间才能形成较好的组织/材料界面。因此,选用HA作为填充材料,不但可以提高聚合物的力学性能,而且能改善复合材料的骨结合性能。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是:针对传统仿生人工骨力学性能不佳的问题,提供了一种仿生人工骨的制备方法。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
(1)将氢氧化钙与水按质量比1:10~1:13混合,并加入氢氧化钙质量0.6~0.8倍的磷酸溶液,搅拌反应后,煮沸,抽滤,烘干,研磨,过筛,得羟基磷酸钙颗粒;
(2)将胶原蛋白与醋酸溶液按质量比1:8~1:12混合,剧烈搅拌后,加入胶原蛋白质量12~15倍的羟基磷酸钙颗粒,并同时加入氢氧化钠溶液调节pH至8~9,继续搅拌,得混合乳液;
(3)将壳聚糖与水按质量比1:5~1:8混合溶胀,再加入壳聚糖质量10~15倍的水,搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液与氧化镁按质量比10:1~13:1混合,并加入壳聚糖溶液质量0.7~0.9倍的氯化镁,搅拌反应,得混合液,将混合液旋蒸浓缩,得混合浓缩液;
(4)将混合乳液与混合浓缩液按质量比3:1~5:1混合,加入氢氧化钠溶液调节pH至8~9,搅拌反应后,冷冻干燥,得坯料,将坯料与戊二醛溶液按质量比1:15~1:20混合,浸泡后,用去离子水浸泡,干燥,得仿生人工骨。
步骤(1)所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为70~80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。
步骤(2)所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白,牛肌腱胶原蛋白或马肌腱胶原蛋白中任意一种。
本发明的有益效果是:
(1)本发明在制备仿生人工骨时添加壳聚糖溶液,首先,壳聚糖溶液在加入到仿生人工骨体系中后,壳聚糖分子可在戊二醛的作用下发生交联,从而提高仿生人工骨体系中的交联程度,并且使骨致密度得到提高,进而使产品的力学性能得到提高,其次壳聚糖分子具有螯合作用且对人体无害,在加入到仿生人工骨体系中后可螯合体系中的金属离子,使氯氧镁的水化物可与壳聚糖分子有效结合,从而进一步提高骨致密度,使产品的力学性能得到提高;
(2)本发明在制备仿生人工骨时添加氧化镁和氯化镁,氧化镁和氯化镁可在水中形成氯氧镁水化物,在加入到壳聚糖溶液后,经戊二醛作用,氯氧镁水化物可吸附在交联的壳聚糖分子上,一方面,吸附氯氧镁化合物具有优异的力学性能,在加入到仿生人工骨体系中后,可以起到支撑作用,在一定程度上提高产品的力学性能,另一方面,吸附的氯氧镁水化物可进一步提高仿生人工骨体系中的致密度,从而使产品的力学性能进一步提高;
(3)本发明在制备仿生人工骨时添加的壳聚糖溶液,氧化镁和氯化镁均对人体无害,并且可被人体缓慢降解,吸收,有利于骨组织生长。
具体实施方式
将氢氧化钙与水按质量比1:10~1:13混合于烧杯中,并向烧杯中加入氢氧化钙质量0.6~0.8倍的磷酸溶液,调节烧杯内体系pH至11~12后,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为75~90℃,转速为290~350r/min的条件下,恒温搅拌反应至产生白色絮状沉淀,待白色絮状沉淀产生,将烧杯内混合物煮沸,于转速为260~280r/min的条件下,搅拌反应30~50min后,将烧杯内混合物移入布氏漏斗,抽滤,得滤饼,将滤饼移入干燥箱,于温度为120~130℃的条件下,恒温干燥5~8h,得干燥料,将干燥料移入研磨机研磨,过60~80目筛,得羟基磷酸钙颗粒;将胶原蛋白与0.5~1.0mol/L的醋酸溶液按质量比1:8~1:12混合于烧瓶中,将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为40~50℃,转速为450~600r/min的条件下,恒温搅拌反应3~5h,并在搅拌反应过程中缓慢加入胶原蛋白质量10~15倍的羟基连酸钙颗,同时加入质量分数为10~15%的氢氧化钠溶液调节烧瓶内混合物体系pH为8~9,搅拌反应结束后,得混合乳液;将壳聚糖与水按质量比1:5~1:8混合于烧杯中,混合溶胀,再向烧杯中加入壳聚糖质量10~15倍的水,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为45~55℃,转速为250~280r/min的条件下搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液与氧化镁按质量比10:1~13:1混合,并加入氧化镁质量0.7~0.9倍的氯化镁,于温度为55~70℃,转速为240~260r/min的条件下,搅拌反应3~5h,得混合液,将混合液移入旋转蒸发仪,于温度为70~80℃,转速为150~160r/min,压力为600~850Pa的条件下,旋蒸浓缩60~80min,得混合浓缩液;将混合乳液与混合浓缩液按质量比3:1~5:1混合,并用质量分数为10~15%的氢氧化钠溶液调节体系pH至8~9后,于温度为38~50℃,转速为300~350r/min的条件下,搅拌反应45~60min后,将混合后的物料冷冻干燥,得坯料,将坯料与质量分数为20~35%的戊二醛溶液按质量比1:15~1:20混合,浸泡1~2天,得预处理坯料,将预处理坯料用去离子水浸泡7~8天,每天换水3~5次后,将浸泡后的预处理坯料移入鼓风干燥箱,于温度为50~60℃的条件下,干燥60~90min,得仿生人工骨。所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为70~80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白,牛肌腱胶原蛋白或马肌腱胶原蛋白中任意一种。
实例1
将氢氧化钙与水按质量比1:13混合于烧杯中,并向烧杯中加入氢氧化钙质量0.8倍的磷酸溶液,调节烧杯内体系pH至12后,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为90℃,转速为350r/min的条件下,恒温搅拌反应至产生白色絮状沉淀,待白色絮状沉淀产生,将烧杯内混合物煮沸,于转速为280r/min的条件下,搅拌反应50min后,将烧杯内混合物移入布氏漏斗,抽滤,得滤饼,将滤饼移入干燥箱,于温度为130℃的条件下,恒温干燥8h,得干燥料,将干燥料移入研磨机研磨,过80目筛,得羟基磷酸钙颗粒;将胶原蛋白与1.0mol/L的醋酸溶液按质量比1:12混合于烧瓶中,将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为50℃,转速为600r/min的条件下,恒温搅拌反应5h,并在搅拌反应过程中缓慢加入胶原蛋白质量15倍的羟基连酸钙颗,同时加入质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节烧瓶内混合物体系pH为9,搅拌反应结束后,得混合乳液;将壳聚糖与水按质量比1:8混合于烧杯中,混合溶胀,再向烧杯中加入壳聚糖质量15倍的水,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为55℃,转速为280r/min的条件下搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液与氧化镁按质量比13:1混合,并加入氧化镁质量0.9倍的氯化镁,于温度为70℃,转速为260r/min的条件下,搅拌反应5h,得混合液,将混合液移入旋转蒸发仪,于温度为80℃,转速为160r/min,压力为850Pa的条件下,旋蒸浓缩80min,得混合浓缩液;将混合乳液与混合浓缩液按质量比5:1混合,并用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节体系pH至9后,于温度为50℃,转速为350r/min的条件下,搅拌反应60min后,将混合后的物料冷冻干燥,得坯料,将坯料与质量分数为35%的戊二醛溶液按质量比1:20混合,浸泡2天,得预处理坯料,将预处理坯料用去离子水浸泡8天,每天换水5次后,将浸泡后的预处理坯料移入鼓风干燥箱,于温度为60℃的条件下,干燥90min,得仿生人工骨。所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白。
实例2
将氢氧化钙与水按质量比1:13混合于烧杯中,并向烧杯中加入氢氧化钙质量0.8倍的磷酸溶液,调节烧杯内体系pH至12后,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为90℃,转速为350r/min的条件下,恒温搅拌反应至产生白色絮状沉淀,待白色絮状沉淀产生,将烧杯内混合物煮沸,于转速为280r/min的条件下,搅拌反应50min后,将烧杯内混合物移入布氏漏斗,抽滤,得滤饼,将滤饼移入干燥箱,于温度为130℃的条件下,恒温干燥8h,得干燥料,将干燥料移入研磨机研磨,过80目筛,得羟基磷酸钙颗粒;将胶原蛋白与1.0mol/L的醋酸溶液按质量比1:12混合于烧瓶中,将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为50℃,转速为600r/min的条件下,恒温搅拌反应5h,并在搅拌反应过程中缓慢加入胶原蛋白质量15倍的羟基连酸钙颗,同时加入质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节烧瓶内混合物体系pH为9,搅拌反应结束后,得混合乳液;将氯化镁与氧化镁按质量比9:10混合,并加入氧化镁质量8倍的水,于温度为70℃,转速为260r/min的条件下,搅拌反应5h,得混合液,将混合液移入旋转蒸发仪,于温度为80℃,转速为160r/min,压力为850Pa的条件下,旋蒸浓缩80min,得混合浓缩液;将混合乳液与混合浓缩液按质量比5:1混合,并用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节体系pH至9后,于温度为50℃,转速为350r/min的条件下,搅拌反应60min后,将混合后的物料冷冻干燥,得坯料,将坯料与质量分数为35%的戊二醛溶液按质量比1:20混合,浸泡2天,得预处理坯料,将预处理坯料用去离子水浸泡8天,每天换水5次后,将浸泡后的预处理坯料移入鼓风干燥箱,于温度为60℃的条件下,干燥90min,得仿生人工骨。所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白。
实例3
将氢氧化钙与水按质量比1:13混合于烧杯中,并向烧杯中加入氢氧化钙质量0.8倍的磷酸溶液,调节烧杯内体系pH至12后,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为90℃,转速为350r/min的条件下,恒温搅拌反应至产生白色絮状沉淀,待白色絮状沉淀产生,将烧杯内混合物煮沸,于转速为280r/min的条件下,搅拌反应50min后,将烧杯内混合物移入布氏漏斗,抽滤,得滤饼,将滤饼移入干燥箱,于温度为130℃的条件下,恒温干燥8h,得干燥料,将干燥料移入研磨机研磨,过80目筛,得羟基磷酸钙颗粒;将胶原蛋白与1.0mol/L的醋酸溶液按质量比1:12混合于烧瓶中,将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为50℃,转速为600r/min的条件下,恒温搅拌反应5h,并在搅拌反应过程中缓慢加入胶原蛋白质量15倍的羟基连酸钙颗,同时加入质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节烧瓶内混合物体系pH为9,搅拌反应结束后,得混合乳液;将壳聚糖与水按质量比1:8混合于烧杯中,混合溶胀,再向烧杯中加入壳聚糖质量15倍的水,将烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器,于温度为55℃,转速为280r/min的条件下搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液移入旋转蒸发仪,于温度为80℃,转速为160r/min,压力为850Pa的条件下,旋蒸浓缩80min,得混合浓缩液;将混合乳液与混合浓缩液按质量比5:1混合,并用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节体系pH至9后,于温度为50℃,转速为350r/min的条件下,搅拌反应60min后,将混合后的物料冷冻干燥,得坯料,将坯料与质量分数为35%的戊二醛溶液按质量比1:20混合,浸泡2天,得预处理坯料,将预处理坯料用去离子水浸泡8天,每天换水5次后,将浸泡后的预处理坯料移入鼓风干燥箱,于温度为60℃的条件下,干燥90min,得仿生人工骨。所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白。
对比例:陕西某生物科技有限公司生产的人工骨。
将实例1至3所得人工骨和对比例产品进行性能检测,具体检测方法如下:
采用微机控制电子万能试验机进行力学性能测试,拉伸试验应变测量采用电阻应变片。根据ASTMD638标准制样,拉伸速率为0.5mm/min。具体检测结果如表1所示:
表1
检测内容 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对比例 |
拉伸强度/MPa | 176 | 167 | 164 | 158 |
弹性模量/GPa | 11.9 | 9.1 | 8.5 | 7.7 |
由表1检测结果可知,本发明所得仿生人工骨具有优异的力学性能。
Claims (3)
1.一种仿生人工骨的制备方法,其特征在于具体制备步骤为:
(1)将氢氧化钙与水按质量比1:10~1:13混合,并加入氢氧化钙质量0.6~0.8倍的磷酸溶液,搅拌反应后,煮沸,抽滤,烘干,研磨,过筛,得羟基磷酸钙颗粒;
(2)将胶原蛋白与醋酸溶液按质量比1:8~1:12混合,剧烈搅拌后,加入胶原蛋白质量12~15倍的羟基磷酸钙颗粒,并同时加入氢氧化钠溶液调节pH至8~9,继续搅拌,得混合乳液;
(3)将壳聚糖与水按质量比1:5~1:8混合溶胀,再加入壳聚糖质量10~15倍的水,搅拌混合,得壳聚糖溶液,将壳聚糖溶液与氧化镁按质量比10:1~13:1混合,并加入壳聚糖溶液质量0.7~0.9倍的氯化镁,搅拌反应,得混合液,将混合液旋蒸浓缩,得混合浓缩液;
(4)将混合乳液与混合浓缩液按质量比3:1~5:1混合,加入氢氧化钠溶液调节pH至8~9,搅拌反应后,冷冻干燥,得坯料,将坯料与戊二醛溶液按质量比1:15~1:20混合,浸泡后,用去离子水浸泡,干燥,得仿生人工骨。
2.根据权利要求1所述的一种仿生人工骨的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述磷酸溶液的制备方法为将磷酸,质量分数为70~80%的磷酸溶液,水按质量比1:2:3混合所得。
3.根据权利要求1所述的一种仿生人工骨的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述胶原蛋白为猪肌腱胶原蛋白,牛肌腱胶原蛋白或马肌腱胶原蛋白中任意一种。
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