CN109091703B - 一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用 - Google Patents

一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部；其制备方法包括：将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥；再置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，即得。该三维多孔复合材料具有较高的孔隙率和贯通性，较好的生物相容性、生物降解性、力学和机械性能，良好的促细胞粘附和生长活性，优异的促成骨性和骨诱导性，作为生物材料，尤其是骨修复材料，具有较高的临床应用价值。

Description

一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备 方法和应用
技术领域
本发明属于材料领域，生物组织修复材料、有机材料领域和无机非金属材料领域，具体涉及一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用。
背景技术
由骨髓炎和骨肿瘤手术切除、先天畸形、运动损伤及事故创伤等引起的大面积骨缺损依靠机体自身是无法修复的，因此，需要借助植入材料帮助骨缺损部位进行修复并痊愈。目前骨缺损部位修复和再生的主要方法有自体骨移植、同种异体骨移植和人工合成骨移植替代材料。自体骨移植和同种异体骨移植等存在骨源限制、术后感染等问题。生物骨修复材料需要良好的生物活性、生物相容性和骨诱导性，与天然骨适配的一定力学性能，及合适的孔结构以便于细胞的黏附、铺展及营养物质的运输。
骨修复材料的生物学性能不仅与化学组成有关，还取决于孔结构、孔径大小和孔隙率。研究表明，相互贯通的大孔结构有利于骨细胞和骨组织的生长、营养物质的输送。当孔径小于5μm时，多孔支架中无骨组织生长；当孔径大于25μm时，纤维管状组织开始渗透到多孔支架中；当孔径大于50μm时，可以观察到组织矿化；当孔径大于75μm时，矿化组织会深入到孔深处500μm；当孔径大于100μm时，生物骨矿化深入到孔深1000μm处，骨被确认重建。孔隙率在40wt％～60wt％及以上比较有利于密质组织生长。
明胶是胶原降解的产物，不仅持有胶原作为生物材料的一些优点，同时还无抗原性，植入体内无排异反应。明胶价廉易得，易溶于水，是一种理想的天然骨修复材料。但是单纯明胶的促成骨性能不明显。
白磷矿因有效的促进新骨生成的良好生物相容性、生物活性、生物降解性和促成骨性能，而在骨修复领域得到广泛应用。但是单一的白磷矿支架存在力学强度低、脆性大等缺点，不适合承重部位的骨缺损修复。本申请模仿自然骨的化学组成和孔结构制备白磷矿/明胶多孔支架，白磷矿多孔支架中填充明胶不仅提高生物学性能，还可改善力学性能。
稀土离子虽不是一种生命必需金属元素，但近年来稀土在工农业、医药方面的大量应用，使稀土获得越来越多的关注。文献报道，适宜浓度的稀土离子对肿瘤细胞的生长有抑制作用，对正常细胞具有“高抑低促”的作用，即稀土离子在低浓度下对正常细胞有促进作用，在高浓度下对正常细胞有抑制作用。本申请通过先将稀土掺杂进白磷矿，再与明胶复合制备复合支架，通过该复合支架在体内的降解，控制释放的稀土离子在合适的范围内，促进细胞生长的同时，避免稀土离子的毒副作用。
研究表明，将明胶和羟基磷灰石以某种形式生成微球形态，有利于改善骨修复材料的力学性能和降解速率，且该材料有良好的韧性，填充缺损部位，通过植入体与周围组织的接触，促进界面与界面之间的紧密度，更好发挥材料的成骨性作用。
中国专利申请CN107308499A，公开纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用，具体为一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料及其制备方法，该方法简单，对环境友好，材料有良好的生物相容性和骨再生性，在骨修复材料领域具有良好的应用前景。
中国专利申请CN1298395C应用钙磷盐粉体和甲壳素/壳聚糖纤维制成复合物，其中添加了少量明胶及骨形态蛋白，证实该材料具有良好的生物活性和骨诱导成骨活性。
目前，将多种用于骨修复的生物材料复合制备的复合支架材料缺乏多孔结构，缺乏韧性，降解速度过快，均无法形成理想的用于骨修复的支架材料。
多孔支架材料的常见制备方法有盐沥滤法、发泡法、静电纺丝法、热致相分离法等，本发明采用冷冻干燥法制备掺杂稀土元素的纳米级白磷矿/明胶三维多孔复合材料，该制备方法简单，易于操作。
本申请采用人工合成的掺杂稀土元素的白磷矿制备掺杂稀土元素的纳米级白磷矿/明胶三维多孔复合材料，不仅具有较高的生物活性、生物相容性、力学和机械性能，且孔径大、孔隙率高、贯通性好，提高细胞生长活性的同时，表现出优异的促成骨性能和骨诱导性，在人工骨修复领域具有重要的临床应用价值和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，该复合材料呈现三维贯通的网状多孔道结构，具有较高的孔隙率和贯通性，较好的生物相容性、生物降解性、力学和机械性能，良好的促细胞粘附和生长活性，优异的促成骨性和骨诱导性，具有较高的骨修复临床应用价值。
本发明还提供掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的制备方法，该制备方法简单易操作，制备周期短，生产成本低。
本发明的技术方案为，一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。
所述网状多孔道结构的孔径为200～500μm，孔隙率40％～90％。
所述掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为1：19～21：5～6：23～25。
白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种或组合，优选为铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种。
上述掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的制备方法，步骤包括：
(1)将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥，制得成型初品；
(2)将成型初品置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，制得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料。
步骤(1)的混匀体系中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶的质量比为1：1～10，优选为1：3～10，更优选为1：3～5。
步骤(1)中，明胶溶液的浓度为0.05～1g/mL，优选为0.1～1g/mL，更优选为0.1～0.5g/mL。
步骤(1)中，明胶溶液还需进行消泡前处理，消泡方式为超声。
步骤(1)中，于-80℃～0℃、0.1～20Pa条件下冷冻干燥1～120小时。冷冻干燥的温度为优选为-80℃～-20℃，冷冻干燥的压力优选为0.2～10Pa，冷冻干燥的时间优选为24～100小时，更优选为48～80小时。
步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为1：19～21：5～6：23～25；白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种或组合，优选为铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种。
步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥前，注入模具，便于制备多样的、符合实际临床需求的形状。
步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，还进行消泡处理，消泡的方式为超声。
步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿的制备方法，步骤包括：
a.向溶有钙源、镁源和稀土硝酸盐的溶液中加入磷源溶液，混匀，陈化，过滤，得掺杂稀土元素的白磷矿前驱体；
b.将掺杂稀土元素的白磷矿前驱体洗涤至中性，干燥，煅烧，得掺杂稀土元素的白磷矿。
步骤a的混匀体系中，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为1：19～21：5～6：23～25；稀土元素的浓度为0.005mol/L～0.04mol/L，优选为0.01mol/L～0.04mol/L。
步骤a中，钙源包括氢氧化钙、氯化钙、硝酸钙、硫酸钙或磷酸氢钙等，优选为氢氧化钙；镁源包括氢氧化镁、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁或草酸镁等，优选为氢氧化镁；磷源包括磷酸或磷酸与磷酸二氢盐、磷酸氢盐和正磷酸盐中任意一种的组合；磷酸二氢盐包括磷酸二氢钠、磷酸二氢钾或者磷酸二氢铵；磷酸氢盐包括磷酸氢钠、磷酸氢钾或者磷酸氢铵；正磷酸盐包括磷酸钠、磷酸钾或者磷酸铵；稀土硝酸盐包括硝酸铈、硝酸镧、硝酸钆、硝酸镱、硝酸镨、硝酸钕、硝酸釤、硝酸铕或硝酸铽中任意一种或组合，优选为硝酸铈、硝酸镧、硝酸钆、硝酸镱、硝酸镨、硝酸钕、硝酸釤、硝酸铕或硝酸铽中任意一种。
步骤a中，先向溶有钙源和镁源的溶液中加入稀土硝酸盐，混匀后，再加入磷源溶液并混匀。优选的，滴加磷源溶液，边加边混匀，混匀的方式有搅拌或超声。溶有钙源和镁源溶液的PH值小于4。
步骤a中，混匀的方式有搅拌或者超声，混匀的时间为1～5小时，优选为4小时；混匀的温度为40℃～80℃，优选为60℃～80℃。
步骤a中，陈化的时间为12～48小时，优选为24～36小时。
步骤b中，分别用去离子水和乙醇洗涤掺杂稀土元素的白磷矿前驱体至PH＝7，优选地，分别用去离子水和乙醇交叉洗涤。
步骤b中，干燥的温度为40℃～100℃，优选为60℃～80℃。
步骤b中，煅烧温度为500℃～1000℃，优选为700℃～800℃；升温速率为1～5℃/min，优选为2℃～3℃/min；煅烧时间为1～10小时，优选为2～5小时。
步骤b煅烧得掺杂稀土元素的白磷矿的粒径为10～50nm。
步骤(2)中，戊二醛溶液的浓度为0.05～2g/mL，优选为0.1～1g/mL。
步骤(2)中，浸泡交联的时间为30分钟～72小时，优选为12～48小时。
步骤(2)中，水洗涤至PH＝7。
步骤(2)中，于-80℃～0℃、0.1～20Pa条件下冷冻干燥1～120小时。冷冻干燥的温度优选为-80℃～-20℃；冷冻干燥的压力优选为0.2～10Pa；冷冻干燥的时间优选为24～100小时，更优选为48～80小时。
通过上述方法制备的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。较高的孔隙率和贯通性，良好的生物相容性、力学和机械性能，改善与人体组织的接触性能，尤其是与骨缺损组织的接触性能；良好的生物降解性，使钙离子、镁离子和稀土离子随生物降解缓慢释放，促进细胞生长的同时降低细胞毒性，提高细胞活性，促进细胞生长和粘附；可用于制备生物材料；且其良好的促成骨性和骨诱导性，改善骨再生性能，对骨缺损部位的修复具有一定的增强与促进作用，尤其适用于制备骨修复材料。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，以明胶、掺杂稀土元素的白磷矿作为原料，采用冷冻干燥法制备，不仅材料价廉易得、取材广泛，且对环境友好无害，工艺简单易操作，在室温下即可进行。
(2)本发明掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，具有三维贯通的网状多孔道结构，孔隙率高，孔径大，且孔径大小可根据明胶溶液浓度调节。
(3)本发明掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的孔径结构利于细胞的铺展、粘附和增殖，利于骨细胞的生长，及向骨组织的转化，提高骨整合性能。
(4)本发明通过戊二醛的交联作用，对明胶进行交联改性，明胶分子中的氨基、羰基与交联剂中的醛基结合，使得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的三维网状多孔道结构排列更加紧密，进一步改善复合材料的机械性能。
(5)本发明掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，具有良好的可加工性和机械性能，良好的生物相容性和生物降解性，改善与体内组织的接触性能，并在体内自行降解，促进细胞的粘附和生长，促成骨和骨诱导，利于骨组织修复，作为骨修复材料应用前景良好。
附图说明
图1为白磷矿粉末(WH)、掺铈白磷矿粉末(Ce-WH)、明胶(Gel)、白磷矿/明胶(WH/Gel)和掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)的广角衍射图谱(XRD)；白磷矿粉末(WH)、掺铈白磷矿粉末(Ce-WH)广角衍射图谱(XRD)如图1a所示；明胶(Gel)、白磷矿/明胶(WH/Gel)和掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)的广角衍射图谱(XRD)如图1b所示。
图2为实例例1制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料的EDS谱图。
图3为实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料的SEM图。
图4为人脂肪间充质干细胞(hADSCs)在白磷矿/明胶支架材料(WH/Gel，A和B)和实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶支架材料(Ce-WH/Gel，C和D)上的黏附铺展SEM图，B为A中E部位放大图，D为C中F部位放大图。
图5为人脂肪间充质干细胞(hADSCs)在实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)支架材料和白磷矿/明胶(WH/Gel)支架材料上的增殖图。
图6不同浓度铈离子(0μM、0.01μM、0.1μM、1μM、10μM、100μM)对细胞活性的影响结果。
图7为术后0周、8周时，植入白磷矿/明胶(WH/Gel)支架和植入掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)支架的小鼠颅骨缺损部位的Micro-CT图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步示例性地详细说明本发明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
实施例1
(1)将14.99g氢氧化钙和3.34g氢氧化镁溶于250mL去离子水中，搅拌均匀，将4.20g六水合硝酸铈加入其中，并于80℃下搅拌1小时，形成均匀的混合溶液；
(2)向步骤(1)混合溶液中滴加0.95mol/L的磷酸溶液250mL，搅拌1小时，陈化24小时；
(3)对步骤(2)陈化过的溶液进行抽滤，用去离子水和乙醇分别洗涤多次，至溶液呈中性，获得白色沉淀；
(4)将步骤(3)白色沉淀于60℃烘箱中烘干，在马弗炉中以2℃/min的升温速度升至700℃煅烧2小时，得到粒径为10～50nm的掺铈白磷矿粉末；
(5)取3g明胶完全溶解于30mL水中，超声除去气泡，得到明胶溶液。再向明胶溶液中加入1g掺铈白磷矿粉末，搅拌均匀，超声除去气泡，得到掺铈白磷矿/明胶混合浆料；
(6)将混合浆料转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，并置于冷冻干燥器内，-80℃、0.2Pa下冷冻干燥48h，得到初步成型样品；
(7)将初步成型样品在浓度为1g/mL的戊二醛溶液浸泡交联12～48h，多次水洗至PH为7，清除戊二醛，再次冷冻干燥(冷冻干燥条件同步骤(6))，得到掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架。该支架材料的孔径分布在250～400μm，孔隙率40％～80％。
硝酸铈可以用硝酸镱、硝酸钆、硝酸镧、硝酸镨、硝酸钕、硝酸釤、硝酸铕或硝酸铽等镧系稀土硝酸盐替代，分别获得掺镱、钆、镧、镨、钕、釤、铕或铽等的白磷矿/明胶三维多孔支架材料。
纯白磷矿粉末(WH)、铈掺杂白磷矿粉末(Ce-WH)广角衍射图谱(XRD)如图1a所示，因铈离子进入晶格中替代了部分钙镁离子，使得结晶度降低，由此表明稀土元素掺进白磷矿中。明胶(Gel)、纯白磷矿/明胶(WH/Gel)和掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)的广角衍射图谱(XRD)如图1b所示，掺铈白磷矿被明胶包裹，部分特征峰被弱化，结晶度降低。对比三种物质的峰形可知，掺铈白磷矿与明胶成功复合形成掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)复合支架材料。
掺铈白磷矿/明胶支架(Ce-WH/Gel)的能谱图(EDS)如图2所示，在掺铈白磷矿/明胶支架中除了检测到来自白磷矿的O、Mg、P和Ca元素外，还检测到稀土元素Ce，表明稀土已掺进白磷矿中。
掺铈白磷矿/明胶(Ce-WH/Gel)支架材料的扫描电镜图如图3所示，a为200μm标尺的扫描电镜图，b为4μm标尺的扫描电镜图。掺铈白磷矿/明胶支架材料(Ce-WH/Gel)的结构为，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺铈白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺铈白磷矿均匀分布在孔壁表面及内部。
本发明通过戊二醛的交联作用，对明胶进行交联改性，明胶分子中的氨基、羰基与交联剂中的醛基结合，使得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的三维网状孔道结构排列更加紧密，进一步改善复合材料的机械性能。在本实施例戊二醛浸泡交联时间内，戊二醛主要对支架材料的表面明胶进行交联改性，改善掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料的机械性能；随着浸泡交联时间的延长，支架内部的明胶也经戊二醛交联作用进行交联改性，进一步提高掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料的机械性能。
CCK-8法研究人脂肪间充质干细胞(hADSCs)在白磷矿/明胶支架材料(WH/Gel)和本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶支架材料(Ce-WH/Gel)表面的生长情况，结果如图4所示。相较人脂肪间充质干细胞在白磷矿/明胶支架材料铺展、粘附情况(图4中A和B，B为A中E部位放大图)，人脂肪间充质干细胞在实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶支架材料表面的细胞触足伸展更长，生长活性更好，同时证明该支架材料对细胞无毒性，具体如图4中C和D所示，D为C中F部位放大图。
人脂肪间充质干细胞在白磷矿/明胶支架材料(WH/Gel)和本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶支架材料(Ce-WH/Gel)上的增值图如图5所示。0～3天，细胞在两支架上的增殖情况差异并不明显；3天后，在掺铈白磷矿/明胶支架材料上的增殖情况明显优于白磷矿/明胶支架材料，表明稀土离子的加入促进了细胞的增殖。
不同浓度铈离子(0.01μM、0.1μM、1μM、10μM、100μM)对细胞活性的影响如图6所示，铈离子在0～10μM范围内稀土离子对细胞无明显毒性，细胞生长状况良好；当稀土离子浓度增加到100μM时，细胞活性明显降低。
白磷矿/明胶支架材料(WH/Gel)和本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶支架材料(Ce-WH/Gel)对小鼠颅骨修复的Micro-CT图如图7所示，术后8周，掺铈白磷矿/明胶支架材料的新骨生成明显优于白磷矿/明胶支架材料，表面稀土铈离子的加入有促成骨作用。
实施例2
(1)将14.99g氢氧化钙和3.34g氢氧化镁溶于250ml去离子水中，搅拌均匀，将4.2g六水合硝酸铈加入其中，并于60℃下搅拌4小时，形成均匀的混合溶液；
(2)向步骤(1)混合溶液中滴加0.95mol/L的磷酸溶液250mL，搅拌1小时，陈化36小时；
(3)对步骤(2)陈化过的溶液进行抽滤，用去离子水和乙醇分别洗涤多次，至溶液呈中性，获得白色沉淀；
(4)将步骤(3)白色沉淀于80℃烘箱中烘干，在马弗炉中以5℃/min的升温速度升至800℃煅烧5小时，得到粒径为10～50nm的掺铈白磷矿粉末；
(5)取2g明胶完全溶解于16mL水中，超声除去气泡，得到明胶溶液。再向明胶溶液中加入0.5g掺铈白磷矿粉末，搅拌均匀，超声除去气泡，得到掺铈白磷矿/明胶混合浆料；
(6)将掺铈白磷矿/明胶混合浆料转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，并置于冷冻干燥器内，-20℃、10Pa下冷冻干燥50h，得到初步成型样品；
(7)将初步成型样品在0.2g/mL戊二醛溶液浸泡交联12～48h，水洗多次至PH为7，清除戊二醛，再次冷冻干燥(冷冻干燥条件同步骤(6))，得到掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架。该支架材料的孔径分布在250～400μm，孔隙率50％～90％。
本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架的广角衍射图谱(XRD)、能谱(EDS)和扫描电镜图像(SEM)与实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料相似，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺铈白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺铈白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。
本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架的细胞生长、增殖活性同实施例1，有利于细胞的增殖、粘附和生长，且对细胞无毒性。
本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架的促成骨作用同实施例1，有利于骨缺损部位的新骨生成。
本实施例制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架对细胞活性的“高抑低促”趋势同实施例1。
实施例3
(1)将21.37g氯化钙和3.34g氢氧化镁溶于250ml去离子水中，搅拌均匀，将4.39g六水合硝酸钆加入其中，并于70℃下搅拌2小时，形成均匀的混合溶液；
(2)向步骤(1)混合溶液中滴加0.95mol/L的磷酸溶液250mL，搅拌2小时，陈化48小时；
(3)对步骤(2)陈化过的溶液进行抽滤，用去离子水和乙醇分别洗涤多次，至溶液呈中性，获得白色沉淀；
(4)将步骤(3)白色沉淀于90℃烘箱中烘干，在马弗炉中以3℃/min的升温速度升至500℃煅烧10小时，得到粒径为10～50nm的掺钆白磷矿粉末；
(5)取1g明胶完全溶解于10mL水中，超声除去气泡，得到明胶溶液。再向明胶溶液中加入0.25g掺钆白磷矿粉末，搅拌均匀，超声除去气泡，得到掺钆白磷矿/明胶混合浆料；
(6)将掺钆白磷矿/明胶混合浆料转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，并置于冷冻干燥器内，-50℃、15Pa下冷冻干燥80h，得到初步成型样品；
(7)将初步成型样品在0.5g/mL戊二醛溶液浸泡交联12～48h，水洗多次至PH为7，清除戊二醛，再次冷冻干燥(冷冻干燥条件同步骤(6))，得到掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架。该支架材料的孔径分布在300～450μm，孔隙率60％～90％。
本实施例制备的掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架的广角衍射图谱(XRD)结果显示，掺轧白磷矿与明胶成功复合形成掺轧白磷矿/明胶(Gd-WH/Gel)复合支架材料，能谱(EDS)显示，除了检测到来自白磷矿的O、Mg、P和Ca元素外，还检测到稀土元素Gd，表明稀土已掺进白磷矿中。
扫描电镜图像(SEM)显示本实施例制备的掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架的结构与实施例1制备的掺铈白磷矿/明胶三维多孔支架材料相似，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂掺钆白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺钆白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。
本实施例制备的掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架的细胞生长、增殖活性同实施例1，有利于细胞的增殖、粘附和生长，且对细胞无毒性。
本实施例制备的掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架的促成骨作用同实施例1，有利于骨缺损部位的新骨生成。
本实施例制备的掺钆白磷矿/明胶三维多孔支架对细胞活性的“高抑低促”趋势同实施例1。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部；
三维贯通的网状多孔道结构的孔径为200～500μm，孔隙率40%～90%；
掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35；白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽中任意一种或组合；
所述掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料通过以下方法制备：
（1）将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥，制得成型初品；
（2）将成型初品置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，制得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料；
步骤（1）中，掺杂稀土元素的白磷矿的制备方法，步骤包括：
a. 向溶有钙源、镁源和稀土硝酸盐的溶液中加入磷源溶液，混匀，陈化，过滤，得掺杂稀土元素的白磷矿前驱体；
b. 将掺杂稀土元素的白磷矿前驱体洗涤至中性，干燥，煅烧，得掺杂稀土元素的白磷矿；
步骤a的混匀体系中，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，稀土元素的浓度为0.005mol/L～0.04mol/L，钙源包括氢氧化钙、氯化钙、硝酸钙、硫酸钙或磷酸氢钙；镁源包括氢氧化镁、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁或草酸镁；磷源包括磷酸，或者磷酸与磷酸二氢盐的组合物，或者磷酸与磷酸氢盐的组合物，或者磷酸与正磷酸盐的组合物；稀土硝酸盐包括硝酸铈、硝酸镧、硝酸钆、硝酸镱、硝酸镨、硝酸钕、硝酸釤、硝酸铕或硝酸铽中任意一种或组合。
2.根据权利要求1所述的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，步骤（1）中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶的质量比为1：1～10，明胶溶液的浓度为0.05～1g/mL；掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35；白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽中任意一种或组合。
3.根据权利要求1所述的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，步骤（1）中，于-80℃～0℃、0.1～20Pa条件下冷冻干燥1～120小时。
4.根据权利要求1所述的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，步骤（2）中，戊二醛溶液的浓度为0.05～1g/ mL，浸泡交联的时间为30分钟～72小时；于-80℃～0℃、0.1～20Pa条件下冷冻干燥1～120小时。
5.权利要求1所述掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料在制备生物材料方面的应用。
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