CN116115823A - 一种有机无机复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有机无机复合材料的制备方法,按下述步骤进行:(1)将改性剂溶于缓冲溶液中,添加pH调节剂至pH值在3‑9的范围内,得到改性剂溶液;(2)将步骤(1)得到的溶液与蛋白质水溶液混匀,在15‑80℃下反应2‑48h,制得蛋白质溶胶聚集体;(3)向步骤(2)制备的蛋白质溶胶聚集体中添加微纳级羟基磷灰石颗粒,混匀即得有机无机复合材料产品。本发明还提供了一种采用上述方法制备的有机无机复合材料。本发明提供的有机无机复合材料可适用与多种基材的表面诱导矿化,且矿化效率高,形成的再矿化层致密且质量高,且具备与天然牙釉质相近的机械性能。同时,该有机无机复合材料具备良好的生物相容性,具备良好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物材料领域,特别是一种有机无机复合材料及其制备方法。
背景技术
羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAp)是钙磷灰石的自然矿化物,属于六方晶系,空间群为P63/m,其中Ca/P为1.67,化学式是Ca10(PO4)6(OH)2。同时其也是牙齿和骨的主要无机成分,其中羟基磷灰石占牙釉质总重量的96%,占牙本质总重量的70%,占牙骨质总重量的50%,羟基磷灰石在成人骨中干重为65%,这赋予牙齿和骨较为优异的机械稳定性,是维持人体硬组织健康的重要成分。一旦牙齿脱矿产生龋病,骨折等疾病发生,将会对人们的生活造成极大的困扰。为了解决这些问题,近年以来越来越多的人开始研究和开发力学性能优异以及生物学性能良好的羟基磷灰石材料。然而,目前所制备的羟基磷灰石材料机械性能差、生物相容性不好、缺乏界面活性、反应条件剧烈,并且制备方法成本高、操作复杂、缺乏普适性,这很大程度上限制了羟基磷灰石材料的应用。因此对于牙齿的再矿化、骨修复以及一些骨科材料而言,通过仿生矿化在生理环境中再矿化羟基磷灰石可以很好的促进硬组织的修复,然而这些方法却存在矿化速度缓慢、再矿化羟基磷灰石的质量较差等问题。因此,在生理环境中能够于基材、牙齿、骨上快速诱导矿化出高质量的羟基磷灰石的材料非常重要,这种普适性的可快速诱导矿化高质量羟基磷灰石的材料在生物医学和组织工程等领域有着巨大的应用价值。
因鉴于此,特提出此发明。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种新的具有普适性的,并且于生理环境中能够快速诱导矿化高质量的羟基磷灰石的材料
首先,本发明公开了一种有机无机复合材料的制备方法,按下述步骤进行:
(1)将改性剂溶于缓冲溶液中,添加pH调节剂至pH值在3-9的范围内,得到改性剂溶液;将蛋白质溶于超纯水中,得到蛋白质水溶液;
(2)将步骤(1)得到的溶液与蛋白质水溶液混合均匀,在15-80℃下反应2-48h,制得蛋白质溶胶聚集体;
(3)向步骤(2)制备的蛋白质溶胶聚集体中添加微纳级羟基磷灰石颗粒,混匀,即得有机无机复合材料产品。
优选或可选地,所述改性剂为三(2-羧乙基)膦盐酸盐、半光氨酸、精氨酸、酪氨酸、β-硫基乙醇、还原型谷胱甘肽、二硫苏糖醇、巯基乙酸、盐酸中的任意一种或多种。
优选或可选地,所述缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷、4-羟乙基哌嗪乙磺酸、磷酸缓冲盐溶液、N,N-二羟乙基甘氨酸、哌嗪-1,4-二乙磺酸、N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-3-丙磺酸、3-(N-吗啉基)-2-羟基丙磺酸、N-三(羟甲基)甲基-3-氨基丙磺酸、3-(环己胺)-1-丙磺酸中的任意一种。
优选或可选地,所述蛋白质为溶菌酶、牛血清白蛋白、人血清白蛋白、ɑ-乳白蛋白、纤维蛋白原、胰岛素(动物源性、人源性、基因重组胰岛素等)、β-淀粉样蛋白、胰蛋白酶、血红蛋白、胶原蛋白、β-乳糖球蛋白、角蛋白、玉米醇蛋白、木瓜蛋白酶、糜蛋白酶、转铁蛋白、乳铁蛋白、甲状腺球蛋白、牛奶蛋白、刀豆蛋白、大豆蛋白、α-淀粉酶中的任意一种或者多种。
优选或可选地,所述微纳级羟基磷灰石颗粒为颗粒状、棒状、片状颗粒中的一种或多种。
优选或可选地,步骤(2)中改性剂溶液与蛋白质水溶液混合后改性剂的终浓度为1-100mmol/L,优选的终浓度为5-80mmol/L。
优选或可选地,,步骤(2)中改性剂溶液与蛋白质水溶液混合后蛋白质的终浓度为1-50g/L,优选的终浓度为5-40g/L。
优选或可选地,,所述微纳级羟基磷灰石颗粒的添加量为1-100g/L蛋白质溶胶,优选的添加量为3-80g/L。
另一方面,本发明还提供了一种有机无机复合材料,采用上述的制备方法制备而成。
有益效果
本发明有机/无机复合材料是以蛋白质溶胶聚集体为溶剂,再添加少量人工合成的HAp混合而成。本发明制备简单,可控性好,主要成分由蛋白质组成,无毒无刺激性,具有良好的生物相容性和生物降解性,大量配制后可稳定保存,便于后续使用。HAp是人体和动物硬组织骨、牙齿的重要组成,也具有良好的生物相容性、生物活性。HAp能均匀分散于蛋白质溶胶聚集体中,蛋白质溶胶聚集体不但增加了HAp于各种基材、牙齿、骨表面的粘附性能,并且蛋白质溶胶聚集体中各种氨基酸赋予蛋白质溶胶聚集体丰富的反应性基团,其为矿化提供了高度的分子识别位点,促进钙、磷离子聚集,而加入的HAp作为“种子”,它能降低羟基磷灰石的形核能,二者协同增效,使得有机/无机复合涂层具有较好的黏附性能,并极大的增加了矿化羟基磷灰石的速度。本发明有机/无机复合涂层使用方法简便,采用简单的涂抹的方法即可达到稳定的覆盖效果,进而在唾液或体液环境中诱导羟基磷灰石的快速再矿化。除以上阐述之外,本发明用于牙釉质表面形成的新生层与天然牙釉质之间没有分界,结合紧密,并且新生层与天然牙釉质的机械性能相当,可以抵抗咀嚼过程中的受力等影响。另外,本发明形成的新生层具有一定的抗菌性能,可以减少细菌的粘附和聚集,从而达到抑制菌斑生物膜的形成。
附图说明
图1为实施例1中制备的有机无机复合材料示意图;
图2为效果实施例1中实验组和对照组的扫描电镜图;
图3为效果实施例2中在模拟口腔环境中不同时间诱导矿化羟基磷灰石矿化面积变化曲线图;
图4为效果实施例2中在模拟口腔环境中在0、1、3、6h时诱导矿化的表面和断面的扫描电镜图;
图5为效果实施例3中再矿化层的EDX图;
图6为效果实施例3中再矿化层的XRD图;
图7为效果实施例4中生物相容性实验结果图;
图8为效果实施例5中再矿化层的弹性模量结果图;
图9为效果实施例5中再矿化层的硬度结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将结合说明书附图和较佳实验例对本发明作更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将71.66mg的三(2-羧乙基)膦盐酸盐溶于9mL三羟甲基氨基甲烷溶液中,用盐酸溶液将pH调节为4.0,制得改性剂溶液。
将100mg溶菌酶溶于1mL超纯水中,制得溶菌酶溶液。
将溶菌酶溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为25mmol/L的三(2-羧乙基)膦盐酸盐以及10g/L溶菌酶),轻微搅拌1分钟,置于47℃下反应12h,得到溶菌酶溶胶聚集体。
在室温下,将100mg微纳级颗粒状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为10mg/mL),即得有机无机复合材料产品,如图1所示。
实施例2
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将60.58mg半胱氨酸溶于9mL三羟甲基氨基甲烷溶液中,用盐酸溶液将pH调节为4.0,制得改性剂溶液。
将300mg牛血清白蛋白溶于1mL超纯水中,制得牛血清白蛋白溶液。
将牛血清白蛋白溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为25mmol/L的半胱氨酸以及30g/L牛血清白蛋白),轻微搅拌1分钟,置于40℃下反应8h,得到牛血清白蛋白溶胶聚集体。
在室温下,将50mg微纳级棒状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为5mg/mL),即得有机无机复合材料产品。
实施例3
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将143.32mg的三(2-羧乙基)膦盐酸盐溶于9mL 4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶液中,用碳酸钾溶液将pH调节为6.0,制得改性剂溶液。
将200mgα-乳白蛋白溶于1mL超纯水中,制得α-乳白蛋白溶液。
将α-乳白蛋白溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为50mmol/L的三(2-羧乙基)膦盐酸盐以及20g/Lα-乳白蛋白),轻微搅拌1分钟,置于60℃下反应8h,得到α-乳白蛋白溶胶聚集体。
在室温下,将200mg微纳级片状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为20mg/mL),即得有机无机复合材料产品。
实施例4
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将123mg的还原型谷胱甘肽溶于9mL 4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶液中,用碳酸钾溶液将pH调节为6.0,制得改性剂溶液。
将50mg角蛋白溶于1mL超纯水中,制得角蛋白溶液。
将角蛋白溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为40mmol/L的还原型谷胱甘肽以及5g/L角蛋白),轻微搅拌1分钟,置于65℃下反应10h,得到角蛋白溶胶聚集体。
在室温下,将300mg微纳级颗粒状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为30mg/mL),即得有机无机复合材料产品。
实施例5
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将229.31mg的三(2-羧乙基)膦盐酸盐溶于9mL磷酸盐缓冲溶液中,用氢氧化钠溶液将pH调节为3.8,制得改性剂溶液。
将100mg胶原蛋白溶于1mL超纯水中,制得胶原蛋白溶液。
将胶原蛋白溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为75mmol/L的三(2-羧乙基)膦盐酸盐以及10g/L胶原蛋白),轻微搅拌1分钟,置于30℃下反应24h,得到胶原蛋白溶胶聚集体。
在室温下,将500mg微纳级片状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为50mg/mL),即得有机无机复合材料产品。
实施例6
本发明实施例提供了一种有机无机复合材料,按下述的方法制备而成。
将71.66mg的三(2-羧乙基)膦盐酸盐溶于9mL磷酸盐缓冲溶液中,用氢氧化钠溶液将pH调节为4.0,制得改性剂溶液。
将200mg血红蛋白溶于1mL超纯水中,制得血红蛋白溶液。
将血红蛋白溶液与改性剂溶液混合均匀(其中含有浓度为25mmol/L的三(2-羧乙基)膦盐酸盐以及20g/L血红蛋白),轻微搅拌1分钟,置于60℃下反应5h,得到血红蛋白溶胶聚集体。
在室温下,将800mg微纳级颗粒状羟基磷灰石加入到制备好的溶菌酶溶胶聚集体中,混合均匀(其中微纳级颗粒状羟基磷灰石含量为80mg/mL),即得有机无机复合材料产品。
效果实施例1
将无明显损耗和龋坏的新鲜离体人牙用牙刷清洗干净,用慢速切割机在流水冷却下分别制备5×5×1mm的牙釉质片和牙本质片,然后以2000目砂纸打磨至光滑,冲洗干净后,以37%的磷酸酸蚀30s作为体外实验样品。
将实施例1中制备的有机无机复合材料分别涂覆于经处理过的牙釉质片、牙本质片以及玻璃片(10×10×1mm)上,风干2min后,并设置未涂覆有机无机复合材料的空白对照组,分别置于12孔板内,并添加5mL模拟唾液,置于37℃的培养箱中,培养12小时后取出洗净吹干。
实验结果如图2所示。由图2可以看出,相较于空白对照组(图2a、c、e)而言,涂覆有实施例1中制备的有机无机复合材料的牙釉质片(图2b)、牙本质片(图2d)以及玻璃片(图2f)均可以在表面矿化羟基磷灰石。
效果实施例2
将实施例1制备的有机无机复合材料涂覆于玻璃片(10×10×1mm)上,风干2min后,置于规格为2.5×2.5×1cm的透明石英容器内,注入模拟唾液,并将容器置于显微镜下观察矿化过程,记录不同时间点的矿化面积。
实验结果如图3-4所示。由图3可以看出,在涂覆实施例1中制备的有机无机复合材料后,玻璃片基材在5h左右时表面的矿化率达到了99%。
而由图4可以看出,在矿化6h时,矿化层紧密堆积,矿化物之间几乎没有任何缝隙,且矿化层厚度达到了约5μm。
效果实施例3
将实施例1制备的有机无机复合材料涂覆于玻璃片(10×10×1mm)上,风干2min后,置于12孔板内,加入5mL模拟唾液,置于37℃培养箱中培养48h,且每12h更换一次模拟唾液,培养完成后取出洗净吹干。
采用能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线衍射(XRD)分析玻璃片表面的再矿化层,结果如图5和6所示。
由图5可以看出,再矿化层的Ca/P为1.68左右与羟基磷灰石晶体的Ca/P相符。
由图6可以看出,再矿化层具有羟基磷灰石晶体典型的(200)、(002)、(211)、(300)晶面,其中(002)晶面表明实施例1提供的有机无机复合材料诱导矿化的羟基磷灰石晶体主要沿c轴定向生长,即诱导矿化的再矿化层是质量高的羟基磷灰石晶体。
效果实施例4
将小鼠成纤维细胞与实施例1中制备的有机无机复合材料混合共同培养72h,并设置空白对照组,结果如图7所示。
由图7可以看出,实验组的小鼠成纤维细胞活性与对照组无明显区别,即实施例1中提供的有机无机复合材料并未降低小鼠成纤维细胞的活性,也即该材料具备良好的生物相容性。
效果实施例5
取效果实施例1中制备的牙釉质片,将实施例1中制备的有机无机复合材料涂覆于牙釉质表面,并浸泡于模拟唾液内矿化6h后取出洗净吹干。以纳米压痕仪测定表面再矿化层的弹性模量以及硬度,结果如图8-9所示。
由图8-9可以看出,牙釉质片再矿化层的弹性模量和硬度与天然牙釉质层相似,即牙釉质片再矿化层与天然牙釉质具有相近的机械性能。
通过上述的效果实施例,即本发明提供的有机无机复合材料可适用与多种基材的表面诱导矿化,且矿化效率高,形成的再矿化层致密且质量高,且具备与天然牙釉质相近的机械性能。同时,该有机无机复合材料具备良好的生物相容性,因此具备良好的市场应用前景。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,按下述步骤进行:
(1)将改性剂溶于缓冲溶液中,添加pH调节剂至pH值在3-9的范围内,得到改性剂溶液;将蛋白质溶于超纯水中,得到蛋白质水溶液;
(2)将步骤(1)得到的改性剂溶液与蛋白质水溶液混合均匀,在15-80℃下反应2-48h,制得蛋白质溶胶聚集体;
(3)向步骤(2)制备的蛋白质溶胶聚集体中添加微纳级羟基磷灰石颗粒,混匀即得有机无机复合材料产品。
2.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,所述改性剂为三(2-羧乙基)膦盐酸盐、半光氨酸、精氨酸、酪氨酸、β-硫基乙醇、还原型谷胱甘肽、二硫苏糖醇、巯基乙酸、盐酸中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,所述缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷、4-羟乙基哌嗪乙磺酸、磷酸缓冲盐溶液、N,N-二羟乙基甘氨酸、哌嗪-1,4-二乙磺酸、N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-3-丙磺酸、3-(N-吗啉基)-2-羟基丙磺酸、N-三(羟甲基)甲基-3-氨基丙磺酸、3-(环己胺)-1-丙磺酸中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,所述蛋白质为溶菌酶、牛血清白蛋白、人血清白蛋白、ɑ-乳白蛋白、纤维蛋白原、胰岛素、β-淀粉样蛋白、胰蛋白酶、血红蛋白、胶原蛋白、β-乳糖球蛋白、角蛋白、玉米醇蛋白、木瓜蛋白酶、糜蛋白酶、转铁蛋白、乳铁蛋白、甲状腺球蛋白、牛奶蛋白、刀豆蛋白、大豆蛋白、α-淀粉酶中的任意一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,所述微纳级羟基磷灰石颗粒为颗粒状、棒状、片状颗粒中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中改性剂溶液与蛋白质水溶液混合后改性剂的终浓度为1-100mmol/L,优选的终浓度为5-80mmol/L。
7.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中改性剂溶液与蛋白质水溶液混合后蛋白质的终浓度为1-50g/L,优选的终浓度为5-40g/L。
8.根据权利要求1所述的有机无机复合材料的制备方法,其特征在于,所述微纳级羟基磷灰石颗粒的添加量为1-100g/L蛋白质溶胶,优选的添加量为3-80g/L。
9.一种有机无机复合材料,其特征在于,采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备而成。
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