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

一种仿生人工骨的制备方法
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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