專利名稱：一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)材料，具體涉及一種以羥基磷灰石、絲素蛋白為基體、脫膠后的家蠶絲或織物為增強(qiáng)體的多孔復(fù)合材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
骨缺損、骨不連是臨床常見(jiàn)的骨創(chuàng)傷、感染后遺癥，如何修復(fù)骨缺損、骨不連一直是骨科界的棘手問(wèn)題。因此在骨科、牙科、整容、頜面修復(fù)等外科手術(shù)中經(jīng)常需要優(yōu)良性質(zhì)的生物活性人工骨材料。羥基磷灰石(Hydoxyapatite，簡(jiǎn)稱HA)，其化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，是構(gòu)成骨和牙的主要無(wú)機(jī)質(zhì)，其化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、物化性能都與人的正常骨的無(wú)機(jī)物相似，具有良好的生物相容性和生物活性，但是純羥基磷灰石材料較脆，彎曲強(qiáng)度低，幾乎沒(méi)有韌性，不能適應(yīng)骨移植[Pompea W，Worch H，Schulte K，Materials Science andEngineering，2003，362(1)40-60]。為了提高鈣·磷材料的柔韌性和可加工性，模仿天然骨的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制備具有生物活性和力學(xué)性能良好的無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合生物材料作為硬組織的骨修復(fù)、替代材料和組織工程骨修復(fù)體材料的主體，日益受到廣泛重視。
目前，許多方法己用于羥基磷灰石陶瓷的增韌補(bǔ)強(qiáng)。例如，層狀結(jié)構(gòu)、納米顆粒、金屬間化合物顆粒、金屬顆粒、晶須、碳纖維等。趙俊亮等[碳纖維增強(qiáng)羥基磷灰石/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能，材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，21(5)640-643]采用環(huán)氧樹(shù)脂、碳纖維與羥基磷灰石復(fù)合，使羥基磷灰石陶瓷的韌性和強(qiáng)度提高，但是，由于在復(fù)合的過(guò)程中引入了第二相，往往會(huì)導(dǎo)致生物相容性的下降，一般說(shuō)來(lái)，用生物惰性材料增強(qiáng)的羥基磷灰石材料的生物活性會(huì)比純羥基磷灰石的低。因此必須采用生物相容性好的材料來(lái)增加羥基磷灰石材料的韌性。
研究表明蠶絲蛋白無(wú)毒、無(wú)刺激性，具有良好的生物相容性，能夠促進(jìn)人體細(xì)胞的生長(zhǎng)，具有生物可降解性(David L.Kaplan，Silk-basedbiomaterials；Biomaterials，2003，24401-416)，由于蠶絲蛋白分子鏈上含有許多極性基團(tuán)，該基團(tuán)與極性無(wú)機(jī)材料相容性好，可以用來(lái)提高羥基磷灰石的韌性。將羥基磷灰石與蠶絲蛋白復(fù)合后，能使二者的優(yōu)良性能充分結(jié)合，從而可得到生物相容性和生物活性的骨修復(fù)和重建骨修復(fù)體材料。蠶絲纖維與織物具有較高的韌性和強(qiáng)度，作為增強(qiáng)材料加入后可以提高材料的強(qiáng)度和韌性。
在本發(fā)明作出之前，中國(guó)專利“羥基磷灰石顱骨種植體”(公開(kāi)號(hào)CN1370507A)公開(kāi)了一種在蠶絲網(wǎng)、空心尼龍網(wǎng)之間分層加入羥基磷灰石粉制成顱骨種植體的技術(shù)，它采用在層與層之間由粘合劑相連接，然后加壓加溫100℃左右成型的方案，由于手工涂敷或機(jī)械模壓成型方法制得復(fù)合層結(jié)構(gòu)的人工顱骨修復(fù)材料，材料中不存在相互貫通的空隙，因此，這種羥基磷灰石復(fù)合材料不適合用于組織工程中的細(xì)胞培養(yǎng)支架。同樣，胡佳山等[材料科學(xué)與工程.2001，19(3)79-83]將碳纖維和原蠶絲經(jīng)有機(jī)試劑進(jìn)行表面處理后制成長(zhǎng)度為2mm左右的纖維與羥基磷灰石拌合，并以10MPa壓力壓制成型，采用上述技術(shù)得到的復(fù)合骨水泥，也不能形成一定大小的相互貫通的空隙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的培養(yǎng)，因此，其應(yīng)用面受到了限制。
目前，在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域，十分需要一種不僅具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，且能適用于細(xì)胞培養(yǎng)的組織工程材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具備良好力學(xué)性能、細(xì)胞相容性和適當(dāng)降解速率的絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料及其制備方法，為組織工程提供一種新材料。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料，它由羥基磷灰石、家蠶絲素蛋白、蠶絲增強(qiáng)材料組成，其質(zhì)量比為1∶0.1～5∶0.001～0.1，復(fù)合材料中具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙，孔隙體積占50～90％。它的抗彎強(qiáng)度為0.1～20MPa，抗彎模量為50～2000Mpa。
制備上述絲素羥基磷灰石復(fù)合材料的方法，其制備步驟如下1、把濃度為1～20％的絲素蛋白溶液與羥基磷灰石粉末混合均勻，再加入蠶絲增強(qiáng)材料，將混合物置于金屬模具中；
2、將上述金屬模具低溫快速冷凍10min～24h，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體；3、將含有冷凍體的金屬模具在-10～-30℃的溫度條件下冷凍10～24h后，把分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機(jī)試劑滲入冷凍體中，再在20～40℃的溫度條件下預(yù)干燥；4、在110～130℃的溫度條件下干燥定型，得到絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料。
上述技術(shù)方案中，所述的羥基磷灰石為納米級(jí)；所述的蠶絲增強(qiáng)材料為脫過(guò)膠的繭殼單絲、并絲、真絲織物；所述的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機(jī)試劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛的一種或幾種；所述的低溫快速冷凍是在-70℃以下的液體中冷凍。
本發(fā)明所提供的絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料，在制備過(guò)程中，由于采用了溶液共混—冷凍凝膠法，也就是通過(guò)溶液共混，在-70℃以下的液體中快速低溫冷凍，使HA粉末在較均勻的溶液中快速固化，形成均勻的冷凍體，然后升高溫度到絲素溶液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(-34～-20℃)以上，加入低分子量易揮發(fā)的有機(jī)試劑，使冷凍體中的絲素蛋白分子重新排列，凝膠化以固定HA粉末，再通過(guò)加熱干燥，除去水份以及低分子量易揮發(fā)的有機(jī)試劑，由于這些物質(zhì)的揮發(fā)而留下一定結(jié)構(gòu)的孔隙，從而得到多孔復(fù)合材料。制備過(guò)程中不需要加入化學(xué)交聯(lián)劑，加入的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機(jī)試劑比較容易揮發(fā)除去，可以，能保持材料良好的生物相容性。在制備時(shí)，還可以通過(guò)改變羥基磷灰石與蠶絲蛋白類成分的組成比例，達(dá)到改善和提高多孔骨修復(fù)體在生物活性、力學(xué)特性等多方面的性能效果，以滿足不同臨床需要而進(jìn)行綜合調(diào)整的目的。同時(shí)，制備成形后的絲素羥基磷灰石復(fù)合材料不再需要進(jìn)行灼燒工藝，因此，可以保持材料中絲素的活性，為加入各種藥物或生長(zhǎng)因子提供了良好的基體。
由于占自然骨重量65％左右的羥基磷灰石成分主要是納米羥基磷灰石，因此，為使本發(fā)明上述的羥基基磷灰石成分和蠶絲蛋白類成分的細(xì)粉能有更好的均勻混合程度，一個(gè)優(yōu)選的措施，是在上述的制備過(guò)程中，作為重要原料的羥基磷磷灰石成分最佳的是采用為納米級(jí)的羥基磷灰石。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、絲素蛋白(SF)、羥基磷灰石(HA)、蠶絲纖維均具有較好的生物相容性，SF可生物降解并能引導(dǎo)促進(jìn)細(xì)胞再生，HA具有骨傳導(dǎo)作用，可作為骨基質(zhì)材料直接轉(zhuǎn)化為骨組織，最終被自身組織替代，是理想的組織工程材料。
2、采用溶液共混—冷凍凝膠法，在冷凍固化時(shí)能將SF、HA、蠶絲纖維一次性復(fù)合，可使三者滲透分布均勻，且加入低分子量易揮發(fā)的有機(jī)試劑，通過(guò)加熱干燥，水份及低分子量易有機(jī)試劑的揮發(fā)，形成一定結(jié)構(gòu)的孔隙，從而得到多孔復(fù)合材料，滿足了用于組織工程中的細(xì)胞培養(yǎng)支架的需要。
3、金屬模具易成型、形狀易控制，因此，在金屬模具內(nèi)成型的復(fù)合材料也可容易地獲得所需的大小和形狀，可以方便地滿足不同形狀要求的需要。
4、采用蠶絲纖維增強(qiáng)材料，因而不需要通過(guò)燒結(jié)的方法來(lái)解決材料的力學(xué)性能，使多孔復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度，并且由于絲素活性的存在，為在材料中復(fù)合骨形成蛋白(BMP)或其它藥物、蛋白因子等提供了一種新的材料與方法。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一將0.6g羥基磷灰石(HA)加入到20ml濃度為3％的絲素蛋白(SF)溶液中，攪拌10min后將其置于超聲波中均勻化處理，再加入預(yù)先脫膠并剪成5mm長(zhǎng)的蠶絲纖維0.04g，攪拌30min。
將上述混合物傾入已成型的金屬模具中，把它置于-80℃的乙醇浴中低溫快速冷凍1小時(shí)，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體。
取出含有冷凍體的金屬模具，把它放在-10℃的冰箱中冷凍20小時(shí)，再把整個(gè)模具浸入適量的乙醇溶液中，讓乙醇慢慢地滲入到絲素羥基磷灰石冷凍體中，使絲素凝膠化，2h后將其取出。
把金屬模具置于烘箱中，在30℃的條件下預(yù)干燥20小時(shí)，然后，再把它置于110℃的溫度下干燥5小時(shí)，脫模后制得絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料，編號(hào)為1#，其性能參見(jiàn)表一。
實(shí)施例二將4.8gHA加入到20ml濃度為6％的絲素溶液中，攪拌10min，然后將其用超聲波處理10min后，加入0.36g蠶絲纖維(預(yù)先脫膠，剪成10mm長(zhǎng))，繼續(xù)攪拌10min，形成乳液狀混合物中。
將該混合物傾入金屬模具中，立刻將模具置于-85℃的乙醛浴中低溫快速冷凍5小時(shí)，形成冷凍體，取出后再在-30℃的溫度條件下冷凍24小時(shí)，然后，將整個(gè)模具浸入適量的乙醛溶液中，乙醛緩緩滲透到冷凍體中，使絲素凝膠化，24h后將其取出，置于烘箱中30℃干燥20小時(shí)，再于120℃干燥5小時(shí)，脫模后得到絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料，編號(hào)為2#，其性能參見(jiàn)表一。
實(shí)施例三HA含量為3.6g，絲素溶液濃度為9％，預(yù)先脫膠后的蠶絲纖維剪成2mm長(zhǎng)，加入0.5g，采用液氮低溫快速冷凍10min，其它制備過(guò)程同實(shí)施例2，制得絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料，編號(hào)為3#，其性能參見(jiàn)表一。
實(shí)施例四將10.8gHA加入到30ml濃度為9％的絲素溶液中，攪拌10min，然后將其用超聲波處理5min，繼續(xù)攪拌10min得到HA絲素糊狀物；取1.1g蠶絲平紋織物，脫膠，涼干，剪成5塊，分別為10×1cm大小。
在金屬模具中先加一層HA絲素糊狀物，然后鋪一層蠶絲織物，反復(fù)依次鋪層，達(dá)到厚度約為2mm，最后在其表面涂一層HA絲素糊狀物，得到復(fù)合層狀材料；立刻將金屬模具置于-75℃的乙醇浴中冷凍8h，然后在-10℃下凍10，再在-20℃下的丙酮中浸泡12h。
在30℃的鼓風(fēng)中預(yù)干燥，脫模后，再于130℃干燥5小時(shí)，制得絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料，編號(hào)為4#，其性能參見(jiàn)表一。
表一是采用本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案制備的絲素羥基磷灰石復(fù)合材料的性能表。參見(jiàn)表一，本發(fā)明所得到的復(fù)合材料產(chǎn)品，表觀密度較低(低于0.5g/cm3)，孔隙率較高，孔隙的總體積占復(fù)合材料總體積的50～90％；復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度在0.1～20MPa，抗彎模量在50～2000Mpa，具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙。組成復(fù)合材料的原料具有良好的生物相容性，制備過(guò)程中充分保持了材料的這種特性，加上復(fù)合材料成型后具有較好的力學(xué)性能、孔隙率以及較大的孔徑，因此，本發(fā)明所提供的多孔復(fù)合材料可以用作為骨缺損的修復(fù)、藥物控制釋放以及骨組織工程材料，應(yīng)用前景十分廣闊。
表一

權(quán)利要求
1.一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料，其特征在于它由羥基磷灰石、家蠶絲素蛋白、蠶絲增強(qiáng)材料組成，其質(zhì)量比為1∶0.1～5∶0.00 1～0.1；所述的復(fù)合材料中具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙，孔隙體積占50～90％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料，其特征在于它的抗彎強(qiáng)度為0.1～20MPa，抗彎模量為50～2000Mpa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料，其特征在于所述的羥基磷灰石為納米級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料，其特征在于所述的蠶絲增強(qiáng)材料為脫過(guò)膠的繭殼單絲、并絲、真絲織物。
5.一種如權(quán)利要求1所述的絲素羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備步驟如下a.把濃度為1～20％的絲素蛋白溶液與羥基磷灰石粉末混合均勻，再加入蠶絲增強(qiáng)材料，將混合物置于金屬模具中；b.將上述金屬模具低溫快速冷凍10min～24h，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體；c.將含有冷凍體的金屬模具在-10～-30℃的溫度條件下冷凍10～24h后，把分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機(jī)試劑滲入冷凍體中，再在20～40℃的溫度條件下預(yù)干燥；d.在110～130℃的溫度條件下干燥定型，得到絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機(jī)試劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟b中所述的低溫快速冷凍是在-70℃以下的液體中冷凍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種絲素羥基磷灰石復(fù)合材料及其制備方法。它以羥基磷灰石、絲素蛋白為基體，脫膠后的家蠶絲或織物為增強(qiáng)體，采用溶液共混－冷凍凝膠法，使HA粉末在較均勻的溶液中快速固化，形成均勻的冷凍體后，再升溫到絲素溶液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，加入低分子量易揮發(fā)的有機(jī)試劑，使冷凍體中的絲素蛋白分子重新排列，凝膠化以固定HA粉末，通過(guò)加熱干燥，除去水份及有機(jī)試劑后，形成一定結(jié)構(gòu)的孔隙，制得絲素羥基磷灰石多孔復(fù)合材料。它具有良好的力學(xué)性能、細(xì)胞相容性和適當(dāng)?shù)慕到馑俾?，滿足了細(xì)胞培養(yǎng)支架的需要，可以作為骨缺損的修復(fù)、藥物控制釋放以及骨組織工程材料，應(yīng)用前景十分廣闊。
文檔編號(hào)A61L27/22GK1736492SQ20051004092
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月5日
發(fā)明者盧神州, 李明忠 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)