CN108159501A - 一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法及其在修复骨折部位的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法及其在修复骨折部位的应用。该方法是将纳米级的羟基磷灰石按一定比例均匀分散在丝素蛋白中,通过六氟异丙醇使其溶解,并将混合溶液倒入圆柱形模具中,通过甲醇浸泡使丝素蛋白分子链进行自组装再生成机械强度优异的复合材料,最后通过机械加工的方法将复合材料制成医用骨钉。根据材料良好的生物相容性、优秀的机械性能和体内降解可控的特点,将其应用在骨折固定方面。本发明采用简单易行、成品率高、无毒性的方法制备体内降解可控的丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合骨折内固定材料,可有效规避骨折修复过程中产生的骨质疏松症状,其无需二次手术取出的特点也为骨折病人减少痛苦。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法及其在修复骨折部位的应用,属于材料科学、临床医学领域。
背景技术
骨折是指骨结构连续性完全或部分断裂,临床上多见于儿童及老人,一般通过外科手术植入骨折固定材料进行治疗。当今骨折内固定材料主要有金属型、陶瓷型和可降解的高分子材料。金属型骨折内固定材料由于其良好的机械性能和低廉的价格是现今医院常用的固定材料,主要有不锈钢、钛合金等。但是由于金属内固定材料存在应力遮挡效应易诱发骨折部位骨质疏松症状的出现,造成骨折愈合缓慢的问题,同时金属内固定材料存在需二次手术取出、生物相容性较差与易发生炎症等问题。另外的生物陶瓷材料尽管有能被人体逐步转化为自然成分的优点,但陶瓷材料存在脆性大、应力集中和过载敏感的缺点,从而限制了它的应用。所以寻求一种机械强度高、生物相容性好和体内可吸收的高分子材料是现在骨折内固定材料的主要发展方向。目前市场上使用的可吸收骨折内固定高分子材料主要是聚乳酸类以及聚乙醇酸类,聚乳酸因其优异的力学性能受到市场的认可,并且降解后产生的乳酸可以直接参与人体代谢而进入市场。但是聚乳酸降解产生的大量乳酸对骨组织具有一定腐蚀性,造成人体不适,不能用于大面积骨折处理。开发新型安全、高强度、可吸收的骨折固定材料来满足临床应用仍然具有挑战性。
丝素蛋白(SF)是从蚕茧中提取的绿色可再生资源,因具有良好的机械性能和优秀的生物相容性等特点而受到广大科学家的关注,对蚕丝蛋白的研究也越来越全面,丝蛋白中含有18种氨基酸,主要为甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser),对人体的免疫反应低,是优秀的生物材料良好的力学性能和体内可生物降解性。丝素蛋白占蚕丝总量的70%~80%左右,是可再生的天然高分子材料。从蚕丝中提取而来的丝素蛋白不仅具有良好的生物相容性,对机体无毒性的特点,在生物体内也可生物降解,其降解产物为氨基酸,对组织不仅无毒副作用,还可以对创伤部位有良好的修复作用,上述性质决定了丝素蛋白材料是一种优秀的生物医用材料。目前,丝素蛋白作为组织修复材料,已经成功用于皮肤、血管、韧带、软骨、骨、神经等多种组织再生的基础和临床研究。丝素蛋白优秀的机械性能使其在骨折内固定材料方面有良好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法。
本发明的制备方法包括如下步骤:
一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法,包括如下步骤:
1)丝素蛋白材料打碎成粉末状;
2)将纳米级羟基磷灰石均匀混入到丝素蛋白中,配成纳米级羟基磷灰石的含量为0wt%~75wt%的混合物;
3)将羟基磷灰石/丝素蛋白混合物溶解于六氟异丙醇溶液中,制得羟基磷灰石/丝素蛋白混合溶液;
4)室温下,将所得混合溶液倒入模具中,将装有混合溶液的模具放置于甲醇溶液中,使混合溶液中的六氟异丙醇逐渐转移到甲醇中,得到自组装再生的固体材料;
5)再生处理后的固体材料通风干燥后进行机械加工,制得复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料。
优选地,所述的丝素蛋白采用如下方法制备:蚕茧经碳酸钠水溶液蒸煮进行脱胶处理;脱胶后的蚕丝经蒸馏水洗涤干净后烘干;将烘干后的蚕丝溶于9.3 mol/L溴化锂溶液中;溶液经蒸馏水透析3天,冷冻干燥,即得到白色泡沫状丝素蛋白样品。
优选地,步骤2)中纳米羟基磷灰石占羟基磷灰石/丝素蛋白混合物总质量的比例分别为0wt%、25wt%、50wt%和75wt%。
优选地,步骤2)中将纳米级羟基磷灰石均匀混入丝素蛋白的方法为超声处理或机械搅拌。
优选地,步骤3)中纳米羟基磷灰石与丝素蛋白混合物总质量占最后混合溶液总质量的25wt%。
一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料,采用上述的方法制备得到。
上述的复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料在修复骨折部位的应用,作为骨钉用于骨折部位的固定。
本发明制备的丝素蛋白/纳米级羟基磷灰石复合材料具有良好的力学性能可用于骨折部位的固定,丝素蛋白生物相容性好,可被人体降解吸收,避免患者手术二次取出的痛苦。且降解产物为氨基酸,对机体不仅无毒性,还可有助于加快骨折部位的修复;均匀分布在丝素蛋白基体中的羟基磷灰石具有骨诱导性,可促进成骨细胞的增殖分化,有助于骨折的修复。
本发明方法的有益效果是:
1)丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料具有优秀的力学性能。
2)本发明使用的丝素蛋白可被体内降解吸收,降解产物为氨基酸,无毒性。
3)本发明使用的羟基磷灰石为纳米级,具有骨诱导性,有助于骨折的修复。
4)本发明制备丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料方法简单,原料成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料及骨钉的照片。
图2为本发明实施例1制得的复合材料的力学检测数据;
图3为本发明实施例1制得的复合材料的傅里叶红外光谱检测数据;
图4为本发明实施例1制得的复合材料的X射线衍射检测数据;
图5为本发明实施例1制得的复合材料的MTT细胞实验数据,选择兔的骨髓间充质干细胞,可得出材料无毒性。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容,但不应该理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或者条件所作的修改或替换,均属于本发明的范围。若未特别声明,实施例中所用的技术手段为本领域人员所熟知的常规手段。
实施例1
蚕茧经0.005wt%的碳酸钠水溶液蒸煮0.5h,进行脱胶处理,脱胶后的蚕丝溶于9.3mol/L溴化锂溶液中。经溴化锂溶解的丝素蛋白溶液经蒸馏水透析3天后冷冻干燥,即得到白色泡沫状丝素蛋白样品。将泡沫状的丝素蛋白打碎后混入纳米级羟基磷灰石(HA),配成HA占HA与SF总质量的0~75wt%的混合物,将混合物溶解在六氟异丙醇中,制得25wt%的溶液。将丝素蛋白/纳米羟基磷灰石混合溶液倒入预先设计好的模具中(所述模具采用高分子材料聚丙烯制成,呈圆筒状,以便于最后制得圆柱状的复合材料),再放置在甲醇溶剂中进行自组装再生。甲醇处理后的材料风干后机械加工成骨钉。图1所示,图中a为复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白经甲醇再生后制得用于制作骨钉的棒状材料,所制备的纯丝素蛋白材料为均匀透明现状,复合纳米羟基磷灰石后为白色。b、c和d为机械加工制成丝素蛋白与羟基磷灰石不同比例的骨钉。
实施例2
将不同HA含量的丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料制成直径为5mm,高度为1cm的圆柱状,对其进行压缩性能的表征。图2所示,我们通过压缩试验研究材料的力学性能。图2a示出材料的压缩应力-应变曲线,结果表明SF-HA0 的压缩强度和应变分别为128.2MPa和47.9%。当nHA含量为50wt%时,复合材料的压缩强度达到212.6MPa,而压缩应变下降到33%。进一步增加nHA含量,复合材料的力学性能急剧下降,说明nHA在SF基体内产生聚集。另一方面,材料的弹性模量从0.64GPa(SF/HA-0%)增加到1.75GPa(SF/HA-50%);韧性从39.8MJ m-3(SF/HA-0%)增加到52.9MJ m-3(SF/HA-50%),说明nHA可有效增强材料的力学性能(图2b)。
实施例3
将实施例1所得丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料剪碎成粉末状,对其进行傅里叶红外光谱检测,研究丝素蛋白经过甲醇处理后性能增强的机制。图3 所示在1658cm-1、1545cm-1和1242cm-1处的吸收峰分别归属于丝素蛋白分子 (Silk)的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的特征吸收峰,表明其二级结构为无规卷曲;经甲醇再生后,三个特征峰分别转移到1634cm-1、1520cm-1和1230cm-1处,表明丝蛋白由无规卷曲转变成β-折叠,有利于增加材料的强度。此外,在复合材料的红外光谱中603cm-1和565cm-1的特征吸收对应磷酸根O-P-O弯曲振动,证明复合材料中存在羟基磷灰石。
实施例4
将实施例1所得丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料剪碎成粉末状,对其进行X射线衍射检测,研究复合材料中引入纳米级羟基磷灰石对材料微观结晶形态的改变。图4所示,结果表明丝素蛋白原材料为无定形结构,经甲醇再生,出现一定结晶(β-折叠)。而引入纳米级羟基磷灰石的复合材料(SF/HA-50%)表现出高结晶度是由于纳米羟基磷灰石的存在诱导了丝素蛋白分子链进行结构上的变化,从而有效提高材料的力学性能,与实施例2中力学性能测试数据相吻合。
实施例5
将实施例1所得丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料放在装有兔的骨髓间充质干细胞的PBS溶液中,室温下进行培养。图5为丝素蛋白/纳米级羟基磷灰石复合材料的MTT细胞毒性数据,通过数据可看出四种不同比例的复合材料的细胞OD值数据与对照组都呈现出随时间增大的情况,表明材料无生物毒性。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)丝素蛋白材料打碎成粉末状;
2)将纳米级羟基磷灰石均匀混入到丝素蛋白中,配成纳米级羟基磷灰石的含量为0wt%~75wt%的混合物;
3)将羟基磷灰石/丝素蛋白混合物溶解于六氟异丙醇溶液中,制得羟基磷灰石/丝素蛋白混合溶液;
4)室温下,将所得混合溶液倒入模具中,将装有混合溶液的模具放置于甲醇溶液中,使混合溶液中的六氟异丙醇逐渐转移到甲醇中,得到自组装再生的固体材料;
5)再生处理后的固体材料通风干燥后进行机械加工,制得复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的丝素蛋白采用如下方法制备:蚕茧经碳酸钠水溶液蒸煮进行脱胶处理;脱胶后的蚕丝经蒸馏水洗涤干净后烘干;将烘干后的蚕丝溶于9.3mol/L溴化锂溶液中;溶液经蒸馏水透析3天,冷冻干燥,即得到白色泡沫状丝素蛋白样品。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中纳米羟基磷灰石占羟基磷灰石/丝素蛋白混合物总质量的比例为0wt%、25wt%、50wt%或75wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中将纳米级羟基磷灰石均匀混入丝素蛋白的方法为超声处理或机械搅拌。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中纳米羟基磷灰石与丝素蛋白混合物总质量占最后混合溶液总质量的25wt%。
6.一种复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料,其特征在于,采用权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。
7.权利要求6所述的复合纳米级羟基磷灰石的丝素蛋白材料在修复骨折部位的应用,其特征在于,作为骨钉用于骨折部位的固定。
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