CN113559315B - 微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥及其制备方法 - Google Patents

微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥及其制备方法，属于生物医用材料领域，将0wt%~25wt%α‑半水硫酸钙、75wt%~100wt%的α‑磷酸三钙、3wt%的微米级矿化丝素蛋白混合均匀后以液固比0.4ml/g加入纳米级丝素纤维的溶液获得。本发明明显提高了纯α‑磷酸三钙骨水泥的抗压强度，最高可达11.48MPa，同时可促进羟基磷灰石沉积。骨修复材料降解4周后，α‑半水硫酸钙占比为0wt%~25wt%时，降解失重率在‑0.18%~12.08%内，表明降解过程中在α‑半水硫酸钙的降解的同时伴随着α‑磷酸三钙向羟基磷灰石矿物的转化，α‑半水硫酸钙的降解形成的孔隙结构也进一步促进矿物沉积，同时为细胞的迁移、生长提供空间，使缺损周边的骨小梁长入，最终形成新的骨组织并完成骨再生。

Description

微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥及其制备方法。
背景技术
目前，由于交通事故、创伤、骨髓瘤手术导致的临界大小骨缺损超出了人体自身修复能力范围之外，为了更好的修复骨缺损，寻找一种生物医用可降解骨修复材料至关重要。
α-磷酸三钙自1978年由Brown和Chow提出磷酸钙骨水泥概念后受到了广泛的关注。其可自固化、可塑形性、降解产物无毒、水化后可转化为类羟基磷灰石的性能让其成为了磷酸钙骨水泥中的主要成分之一，但其在人体内的降解速度过慢，完全降解需要两年以上，除此之外，较长的凝固时间与较低的机械性能也让其应用受到了限制。
α-半水硫酸钙作为另一种骨修复材料，在与水溶液接触后，内部水通道可以快速的与其发生化学反应，生成二水硫酸钙，从而减少骨水泥中的水含量，增加材料的粘度，因此α-半水硫酸钙骨水泥的凝固时间较短。α-半水硫酸钙骨水泥的降解方式在磷酸缓冲液中以层层剥落为主，发生溃散，其降解后产生的钙离子可以增加溶液中的钙离子浓度，在与磷酸钙骨水泥复合以后，钙磷比也逐渐升高，快速达到羟基磷灰石的饱和浓度从而在材料上进行钙磷盐沉积，生成羟基磷灰石。除此之外，α-半水硫酸钙的加入也会加强材料的抗压强度，改善磷酸钙骨水泥的力学性能。
矿化的丝素蛋白可作为界面偶联剂减小两种材料之间的间隙，使材料的宏观缺陷减小，可以增加材料的力学强度。纳米丝素纤维溶液的加入则提高了材料中的蛋白含量，使材料成为无机与有机的结合体，使其与人骨的组成更为类似，在一定程度上，微纳级的丝素蛋白都会促进骨再生，加快骨重建，从而修复骨缺损，本发明发现纳米丝素纤维溶液的加入可以提高材料的抗压强度。
发明内容
本发明研制一种具有自固化性能，抗压强度明显增强、降解后可促进羟基磷灰石矿物沉积、成骨细胞长入、迁移，诱导骨再生的骨植入修复材料。
本发明提供凝固时间符合可注射要求、抗压强度和降解速度提高、促进矿物沉积由不定型α-磷酸三钙向片状羟基磷灰石转化、成骨性能更优异的微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的制备方法。
微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥，由固相原料和液相原料按照液固比为0.4ml/g的比例混合成浆体，其特征是固相原料为0wt%~25wt%的α-半水硫酸钙、100wt%~75wt%的α-磷酸三钙、辅以总质量3wt%矿化丝素蛋白，液相原料采用0.4wt%的纳米丝素纤维溶液。
微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的制备方法，包括以下步骤：
（1）水热法制备α-半水硫酸钙：将80 g 二水硫酸钙置于密闭的高压灭菌锅中，加热至120 ℃，此时压力约为0.138MPa,保持压力恒温加热9 h。之后取出材料放置在 110 ℃的烘箱中干燥2h，然后冷却研磨，200目筛子过筛，制得粒径均一的α-半水硫酸钙粉末。
（2）沉淀法制备α-磷酸三钙：将1000ml 0.26mol/L的磷酸溶液与0.13mol碳酸钙反应1.5h制得溶液C，将溶液C缓慢滴加到1000ml 0.13mol/L的氢氧化钙悬浊液中，充分反应4h，得到悬浊液D；再加入0.13mol碳酸钙与悬浊液D过夜反应，经陈化、离心、球磨等步骤获得磷酸三钙前体；经真空干燥、烧结、研磨、过筛等步骤得到α-磷酸三钙粉末。
（3）矿化丝素蛋白的制备：取一定量的生蚕丝，用0.2mol/L 碳酸钠溶液脱胶，经溶解、透析、离心等步骤获得丝素蛋白溶液；在360ml去离子水中放入30.96g氢氧化钙制得悬浊液A，与100ml浓度为18wt%的丝素蛋白溶液混合得到液体B；取28.92g 85wt%的磷酸溶液滴加到B溶液中，调节pH为9.0，搅拌3h后在50℃下对其进行干燥，最终研磨即可得到矿化的丝素蛋白颗粒。
（4）纳米丝素纤维溶液的制备：将丝素蛋白溶液在 60℃ 下浓缩使其浓度为12wt%，之后放入通风橱继续浓缩直至浓度为20wt%；将上述丝素蛋白溶液稀释至2wt%，在60℃烘箱中密封培养，制备出丝素纤维直径为15~50nm、长度为1~2μm 的丝素纳米纤维溶液。
将0wt%~25wt%α-半水硫酸钙、100wt%~75wt%α-磷酸三钙、辅以总质量3wt%矿化丝素蛋白作为固相原料，浓度为0.4wt%的纳米丝素纤维溶液作为液相原料。
本发明的有益效果为：当α-半水硫酸钙占比为0~25wt%，液固比为0.4ml/g时，材料具有良好的自固化性能；当α-半水硫酸钙占比为15%时，复合材料最大抗压抗压强度可达11.48MPa；当α-半水硫酸钙占比为0时，降解4周后失重率最高可达12.08%；通过电镜图观察可知，该复合材料可促进成骨细胞的粘附、伸展。
α-半水硫酸钙的降解形成的孔隙结构也进一步促进矿物沉积，同时为细胞的迁移、生长提供空间，使缺损周边的骨小梁长入，最终形成新的骨组织并完成骨再生。
附图说明
图1 是α-磷酸三钙的SEM图。
图2是α-半水硫酸钙的SEM图。
图3 是纳米级丝素纤维溶液的SEM图。
图4是微米级矿化丝素蛋白的SEM图。
图5是微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的最大抗压强度。
图6是微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的2周、4周降解率。
图7是微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的降解4周的XRD图。
图8是 部分细胞形态图。
具体实施方式
实施例1
α-半水硫酸钙的制备：将80 g 二水硫酸钙置于密闭的高压灭菌锅中，加热至120℃，此时压力约为0.138MPa,保持压力恒温加热9 h。之后取出材料放置在 110 ℃的烘箱中干燥2h，然后冷却研磨，200目筛子过筛，制得粒径均一的α-半水硫酸钙粉末。
α-磷酸三钙的制备：将1000ml 0.26mol/L的磷酸溶液与0.13mol碳酸钙反应1.5h制得溶液C，将溶液C缓慢滴加到1000ml 0.13mol/L的氢氧化钙悬浊液中，充分反应4h，得到悬浊液D；再加入0.13mol碳酸钙与悬浊液D过夜反应，经陈化、离心、球磨等步骤获得磷酸三钙前体；经真空干燥、烧结、研磨、过筛等步骤获得α-磷酸三钙粉末。
矿化丝素蛋白的制备：取一定量的生蚕丝，用0.2mol/L 碳酸钠溶液脱胶，经溶解、透析、离心等步骤获得丝素蛋白溶液；在360ml去离子水中放入30.96g氢氧化钙制得悬浊液A，与100ml浓度为18wt%的丝素蛋白溶液混合得到液体B；取28.92g 85wt%的磷酸溶液滴加到B溶液中，调节pH为9.0，搅拌3h后在50℃下对其进行干燥，最终研磨即可获得矿化的丝素蛋白颗粒。
纳米丝素纤维溶液的制备：将丝素蛋白溶液在 60℃ 下浓缩使其浓度为12 wt%，之后放入通风橱继续浓缩直至浓度为20wt%；将上述丝素蛋白溶液稀释至2wt%，在60℃烘箱中密封培养，制备出丝素纤维直径为15~50nm、长度为1~2μm 的丝素纳米纤维溶液。
将0.09g矿化丝素蛋白、0g α-半水硫酸钙2.91g α-磷酸三钙混合均匀，加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥的终凝时间为27min~32min,抗压强度为4.14MPa~5.39MPa，较以2.5 wt%磷酸氢二钠溶液为固化液的复合材料有了明显的提高，降解2周后平均失重率为12.69%，降解4周后平均失重率为12.08%。
实施例2
α型半水硫酸钙、载药丝素微球、矿化丝素纳米纤维溶液的制备同实例1。
将0.09g矿化丝素蛋白、0.1455g α-半水硫酸钙、2.7645g α-磷酸三钙混合均匀,加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得α-磷酸三钙/α-半水硫酸钙/矿化丝素蛋白/纳米丝素纤维骨修复材料。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥材料的终凝时间为18min~20min，抗压强度为4.29MPa~6.62MPa，降解2周后平均失重率为8.18%，降解4周后平均失重率为9.78%。
实施例3
α型半水硫酸钙、载药丝素微球、矿化丝素纳米纤维溶液的制备同实例1。
将0.09g矿化丝素蛋白、0.291g α-半水硫酸钙、2.619g α-磷酸三钙混合均匀,加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得α-磷酸三钙/α-半水硫酸钙/矿化丝素蛋白/纳米丝素纤维骨修复材料。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥材料的终凝时间为15min~18min，抗压强度为7MPa~7.25MPa，降解2周后平均失重率为1.87%，降解4周后平均失重率为4.42%。
实施例4
α型半水硫酸钙、载药丝素微球、矿化丝素纳米纤维溶液的制备同实例1。
将0.09g矿化丝素蛋白、0.4365g α-半水硫酸钙、2.4735g α-磷酸三钙混合均匀,加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得α-磷酸三钙/α-半水硫酸钙/矿化丝素蛋白/纳米丝素纤维骨修复材料。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥材料的终凝时间为10min~15min，抗压强度为7.32MPa~11.48MPa，降解2周后平均失重率为1.63%，降解4周后平均失重率为0.55%。
实施例5
将0.09g矿化丝素蛋白、0.582g α-半水硫酸钙、2.328g α-磷酸三钙混合均匀,加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得α-磷酸三钙/α-半水硫酸钙/矿化丝素蛋白/纳米丝素纤维骨修复材料。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥材料的终凝时间为18min~24min，抗压强度为6.3MPa~8.9MPa，降解2周后平均失重率为2.26%，降解4周后平均失重率为-0.18%。
实施例6
将0.09g矿化丝素蛋白、0.7275g α-半水硫酸钙、2.1825g α-磷酸三钙混合均匀,加入1.2ml浓度为0.4wt%纳米丝素纤维溶液，制得α-磷酸三钙/α-半水硫酸钙/矿化丝素蛋白/纳米丝素纤维骨修复材料。
测得微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥材料的终凝时间为24min~29min，抗压强度为5.62MPa~7.93MPa，降解2周后平均失重率为8.68%，降解4周后平均失重率为6.01%。

Claims (2)

1.微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥，由固相原料和液相原料按照液固比为0.4ml/g的比例均匀混合而成，其特征是微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥最大抗压强度是4.14~11.48MPa；降解4周后的失重率是 -0.18%~12.08%；矿化丝素蛋白粒径是5~20μm；纳米丝素纤维的直径是15~50nm、长度是1~2μm；液相原料采用0.4wt%的纳米丝素纤维溶液；固相原料包括下述任意一种：
（1）0.09g矿化丝素蛋白；2.91g α-磷酸三钙；
（2）0.09g矿化丝素蛋白；0.7275g α-半水硫酸钙；2.1825g α-磷酸三钙；
（3）0.09g的化丝素蛋白；0.582g α-半水硫酸钙；2.328g α-磷酸三钙；
（4）0.09g矿化丝素蛋白；0.4365g α-半水硫酸钙、2.4735g α-磷酸三钙混；
（5）0.09g矿化丝素蛋白；0.291g α-半水硫酸钙；2.619g α-磷酸三钙；
（6）0.09g矿化丝素蛋白；0.1455g α-半水硫酸钙；2.7645g α-磷酸三钙。
2.根据权利要求1所述的微纳级丝素蛋白诱导骨矿化磷酸钙基骨水泥，其特征是当α-半水硫酸钙占比为20%时，降解4周后促进了α-磷酸三钙向HA转化，XRD衍射吸收峰在羟基磷灰石特征峰2θ=31.68°最高，结晶度最高。
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