專利名稱：一種機械性能可控的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法
一種機械性能可控的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料微球的制備方法，尤其涉及以分子動力學(xué)、第一性原理為計算理論，通過模擬計算羥基磷灰石生物陶瓷微球材料的力學(xué)性能來獲得機械性能可控的羥基磷灰石復(fù)合材料微球。
現(xiàn)有技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療治療各種骨缺損、骨再造等手術(shù)中，需要在骨缺損的部位植入或填充自體骨或異體骨來達到治愈的目的，使骨骼盡早地恢復(fù)其完整性和連續(xù)性，以獲得正常的力學(xué)性能。由于自體骨供源有限且術(shù)后由于供體部位骨缺陷易造成感染、血腫等并發(fā)癥，而異體骨存在應(yīng)力不匹配會產(chǎn)生骨應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，存在二次手術(shù)等弊端，這些不足之處限制了自體骨與異體骨在臨床上的推廣應(yīng)用。生物工程應(yīng)用中迫切需要一種可以替代自體骨與·異體骨的人造骨支架的出現(xiàn)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或制造出了可用于制造替代人骨骨支架的理想材料。理想的骨替代物材料應(yīng)該滿足如下要求1、與人體組織具有良好生物相容性，無免疫源反應(yīng)；2、良好的成骨誘導(dǎo)性；3、與人骨力學(xué)性能相近匹配，且具有一定的強度和支撐力；4、具有合適的表面理化性質(zhì)，且能被宿主骨組織吸收替代；5、優(yōu)良的三維微觀結(jié)構(gòu)，保證培養(yǎng)液及血液能夠進入骨支架內(nèi)部，且易于成型；6、取材方便，易于大量制作。動物骨骼和牙齒的主要成分是羥基磷灰石，人體內(nèi)高達50%的骨骼都是由均勻成分的無機羥基磷灰石構(gòu)成，人的牙釉質(zhì)中羥基磷灰石的含量更是在96%以上。羥基磷灰石生物復(fù)合材料由于其具有優(yōu)良的生物活性、骨傳導(dǎo)性、多孔性及生物相容性，目前已經(jīng)是被組織工程學(xué)界作為首選人工骨替代材料。但是羥基磷灰石的質(zhì)地比較脆，只用羥基磷灰石制成的微球特別容易破碎，力學(xué)性能明顯不佳，其強度和抗彎能力不足?，F(xiàn)工程中多采用以絲素蛋白或聚乳酸等作為基底，添加羥基磷灰石作為基質(zhì)來制作復(fù)合材料，這樣既保證了材料的生物相容性和骨成導(dǎo)性，同時提高了材料的力學(xué)性能，使其可以作為骨支架材料。發(fā)明專利CN200610116039. 5公開了一種聚乳酸基/納米羥基磷灰石復(fù)合支架材料的制備方法；發(fā)明專利CN200610021763. X公開了復(fù)合型納米羥基磷灰石/醫(yī)用高分子材料組織工程支架材料及其制備方法；上述兩種專利都是從宏觀上通過調(diào)節(jié)絲素或聚乳酸與羥基磷灰石的比例來制備微球，獲得所需的骨支架材料，其力學(xué)性能參數(shù)需要多次嘗試實驗才能獲得具有適當力學(xué)性能要求的材料，并不能滿足因年齡、性別等引起的骨骼機械強度不同的個體差異所需要不同彈性模量復(fù)合材料。若要滿足個體差異需要用大量的實驗進行嘗試研究，這樣既浪費了時間，也增加了成本。發(fā)明專利CN200710112834. I公開了一種利用計算機模擬計算蛋白質(zhì)與DNA之間作用力的方法。該方法可應(yīng)用于分子識別和基因表達等領(lǐng)域的研究，但在骨支架材料的制造方面尚未有相關(guān)方法的表述。本發(fā)明提出的骨支架微球制備方法，利用計算機模擬計算羥基磷灰石與微晶纖維素之間的作用力，從微觀層面上進行分子動力學(xué)計算，從而獲取骨支架復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)，進而可以對材料的性質(zhì)進行預(yù)測，可快速簡便地獲得根據(jù)個體差異定制具有不同機械強度的骨支架基體材料，提高了復(fù)合材料的研發(fā)效率。本發(fā)明專利所提出的數(shù)值模擬方法是針對人工骨支架材料羥基磷灰石及其復(fù)合材料進行研究，以制造可定制力學(xué)性能的人工骨支架為目標，提出一種從微觀層面預(yù)測人工骨支架所用材料的力學(xué)參數(shù)的模擬方法，為實際生產(chǎn)提供理論參考。

發(fā)明內(nèi)容
基體材料的力學(xué)性能是影響骨支架術(shù)后機械性能的主要影響因素之一。為了實現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)對所制造的人工骨支架力學(xué)性能的可控，需要評價其基體材料羥基磷灰石微球的機械強度，為支架制造和計算提供主要依據(jù)，定制出患者骨骼強度相匹配的人工骨支架。本發(fā)明提出了一種利用分子動力學(xué)理論計算羥基磷灰石與纖維素復(fù)合材料的力學(xué)性能的方法來制備微球，旨在高效低成本的制備力學(xué)性能可控的復(fù)合材料微球，同時也為制造滿足個體差異的人工骨支架提供實踐指導(dǎo)和計算工藝學(xué)理論基礎(chǔ)。本發(fā)明公開了一種微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的微球制備方法，其中包括·利用數(shù)值計算羥基磷灰石與纖維素相互作用后材料力學(xué)性能的方法?；诜肿觿恿W(xué)計算分析理論，通過反復(fù)模擬不同質(zhì)量比羥基磷灰石與纖維素之間的分子動力學(xué)行為，計算它們之間相互作用后的綜合力學(xué)性能，最終得到符合個體差異骨支架微球力學(xué)性能要求的混合體系，并記錄下此時羥基磷灰石與微晶纖維素的質(zhì)量比a，及其混合體系的力學(xué)參數(shù)(彈性模量)。而后基于以上的模擬數(shù)值進行人工骨支架微球的制備。該微球制備方法具體包括如下步驟步驟I、利用材料科學(xué)分子模擬仿真軟件進行建模及仿真，建立羥基磷灰石元胞和微晶纖維素的分子模型，將兩種模型放在同一個無定型晶胞中，隨后在該無定型晶胞中混雜入水分子模型。步驟2、通過編輯力場程序或選用合適的力場，對上述無定型晶胞模型進行動力學(xué)行為模擬，計算它們之間相互作用后的綜合力學(xué)性能。步驟3、對上述過程中羥基磷灰石與微晶纖維素的質(zhì)量比進行調(diào)整，反復(fù)計算，最終得到符合個體差異骨支架微球力學(xué)性能要求的混合體系，并記錄下此時羥基磷灰石與微晶纖維素的質(zhì)量比a，及其混合體系的力學(xué)參數(shù)。步驟4、按照步驟I中所取得的質(zhì)量比組合，在天平中稱重出羥基磷灰石和微晶纖維素。步驟5、將稱重出的兩種材料混合置于攪拌機中混均勻。步驟6、逐漸加入水，繼續(xù)攪拌至材料至均勻膏狀物。步驟7、將所得膏狀材料置于擠壓造粒器中，擠塑剪切成棒狀復(fù)合材料。步驟8、將棒狀復(fù)合材料置于有凹槽底盤的高速旋轉(zhuǎn)筒，旋轉(zhuǎn)后得到相應(yīng)粒徑顆粒。步驟9、通過篩分網(wǎng)篩分出所需粒徑顆粒。步驟10、將所得球形顆粒置于干燥爐干燥，空冷，完成機械性能可控的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備。本發(fā)明的有益效果是
I)該方法從材料微觀層面對人工骨復(fù)合材料的彈性模量進行研究，提高骨支架材料機械強度評估效率，并為定制相應(yīng)力學(xué)性能的骨支架奠定理論基礎(chǔ)。2)本發(fā)明是基于分子動力學(xué)的第一性原理方法建模分析，可方便高效得到基體材料機械性能制作工藝參數(shù)，所用力場模型相較于其他理論算法更為接近實驗數(shù)據(jù)，為陶瓷類多孔材料計算工藝學(xué)提供理論依據(jù)。


圖I是步驟I中聚丙烯腈/羥基磷灰石復(fù)合材料的分子模型示意圖具體實施實例本實施實例中，實驗材料分別為羥基磷灰石和微晶纖維素，微晶纖維素選用聚丙烯腈，制備出的微球顆粒大小為I毫米。
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具體實施實例一本實施實例中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容，實驗材料選用羥基磷灰石和聚丙烯腈，具體包括以下按步驟步驟I、利用材料科學(xué)分子模擬仿真軟件materials studio進行建模及仿真,建立羥基磷灰石元胞和聚丙烯腈的分子模型，將兩種模型放在同一個無定型晶胞中，隨后在該無定型晶胞中混雜入水分子模型；步驟2、通過選用COMPASS力場，對上述無定型晶胞模型進行動力學(xué)行為模擬，用共軛梯度方法對上述混雜后的晶胞進行50Ps的動力學(xué)計算，達到能量最小化后停止計算，而后計算它們之間相互作用后的綜合力學(xué)性能。此處理過程中每經(jīng)過r對各原子周圍Ii A半徑范圍內(nèi)進行一次計算；步驟3、對上述過程中羥基磷灰石與聚丙烯腈的質(zhì)量比進行調(diào)整，反復(fù)計算，最終得到符合個體差異骨支架微球力學(xué)性能要求，即彈性模量為13. 436GPa的混合體系，體系中包含9個羥基磷灰石元胞的超胞模型和30個單元體的聚丙烯腈的分子模型，并記錄下此時羥基磷灰石與聚丙烯腈的質(zhì)量比17 : 3 ;步驟4、按照步驟I中所取得的質(zhì)量比，在天平中稱重出羥基磷灰石85g和聚丙烯腈 15g。步驟5、將步驟2中稱重出的兩種材料混合置于攪拌機中，以120轉(zhuǎn)/分，2小時混均勻。步驟6、同時逐漸加入水，繼續(xù)攪拌至材料成膏狀均勻混合物，此時加入的水是50go步驟7、將所得膏狀復(fù)合材料置于擠壓造粒器中，在3MPa壓強下，擠塑剪切成棒狀復(fù)合材料。步驟8、將棒狀復(fù)合材料置于50目凹槽底盤的2500rpm的旋轉(zhuǎn)筒中，經(jīng)過30分鐘旋轉(zhuǎn)后得到相應(yīng)粒徑復(fù)合材料球形顆粒。步驟9、先通過14目的篩分網(wǎng)篩分出小于1165微米的顆粒，再通過15目的篩分網(wǎng)篩分出大于991微米的顆粒，至此我們就得到I毫米左右粒徑大小的羥基磷灰石復(fù)合材料微球顆粒。步驟10、將步驟9中所得微球顆粒置于干燥爐中，300°C下干燥12小時，取出空冷即可。
具體實施實例二 本實施實例中，具體實施步驟與例一不同的是聚丙烯腈單元體為33，記錄的實驗材料羥基磷灰石和聚丙烯腈質(zhì)量比為47 9，該實施例的步驟2中，稱量出的輕基磷灰石和聚丙烯腈重量分別為94g和18g,加入的水為53g。具體實施實例三本實施實例中，具體實施步驟與例一不同的是聚丙烯腈單元體為41，記錄的實驗材料選用羥基磷灰石和聚丙烯腈質(zhì)量比為25 6，該實施例的步驟2中，稱量出的輕基磷灰石和聚丙烯腈重量分別為IOOg和24g,加入的水為55g。具體實施實例四本實施實例中，具體實施步驟與例一不同的是聚丙烯腈單元體為43，記錄的實驗材料選用羥基磷灰石和聚丙烯腈質(zhì)量比為4 1，該實施例的步驟2中，稱量出的輕基磷灰石和聚丙烯腈重量分別為84g和21g,加入的水為52g。對上述四個實施例所得的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料微球顆粒進行力學(xué)性能測試，并得出各實施例中材料彈性模量的測量值。與其相應(yīng)的模擬值對照，如表I所示?？梢钥闯觯瑴y量值和模擬值差值很小，本專利提供的方法，可以完成機械性能可控的微·晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備。表I模擬不同質(zhì)量比制作的人工骨支架復(fù)合材料的彈性模量
復(fù)合材料的彈性模復(fù)合材料的彈性
羥基磷灰石與聚聚丙烯腈甲-元
暈?zāi)M值模景測量值
丙烯腈質(zhì)量比a 體個數(shù)
(單位GPa) (單位GPa)
17^33013.4361L2
47^93312.148103
25^64111.06793
4il4310.6399 8
權(quán)利要求
1.一種機械性能可控的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I、利用材料科學(xué)分子模擬仿真軟件進行建模及仿真，建立羥基磷灰石元胞和微晶纖維素的分子模型，將兩種模型放在同一個無定型晶胞中，隨后在該無定型晶胞中混雜入水分子模型； 步驟2、通過編輯力場程序或選用合適的力場，對上述無定型晶胞模型進行動力學(xué)行為模擬，計算它們之間相互作用后的綜合力學(xué)性能； 步驟3、對上述過程中羥基磷灰石與微晶纖維素的質(zhì)量比進行調(diào)整，反復(fù)計算，最終得到符合個體差異骨支架微球力學(xué)性能要求的混合體系，并記錄下此時羥基磷灰石與微晶纖維素的質(zhì)量比a，及其混合體系的力學(xué)參數(shù)； 步驟4、按照步驟I中所取得的質(zhì)量比組合，在天平中稱重出羥基磷灰石和微晶纖維素； 步驟5、將稱重出的兩種材料混合置于攪拌機中混均勻； 步驟6、逐漸加入水，繼續(xù)攪拌至材料至均勻膏狀物； 步驟7、將所得膏狀材料置于擠壓造粒器中，擠塑剪切成棒狀復(fù)合材料； 步驟8、將棒狀復(fù)合材料置于有凹槽底盤的高速旋轉(zhuǎn)筒，旋轉(zhuǎn)后得到相應(yīng)粒徑顆粒； 步驟9、通過篩分網(wǎng)篩分出所需粒徑顆粒； 步驟10、將所得球形顆粒置于干燥爐干燥，空冷，完成機械性能可控的微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微晶纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的微球制備方法，其中包括利用數(shù)值計算羥基磷灰石與纖維素相互作用后材料力學(xué)性能的方法?；诜肿觿恿W(xué)計算分析理論，通過反復(fù)模擬不同質(zhì)量比羥基磷灰石與纖維素之間的分子動力學(xué)行為，計算它們之間相互作用后的綜合力學(xué)性能，最終得到符合個體差異骨支架微球力學(xué)性能要求的混合體系，而后基于以上的模擬數(shù)值進行人工骨支架微球的制備。本發(fā)明的有益效果是1)從材料微觀層面對人工骨復(fù)合材料的彈性模量進行研究,提高骨支架材料機械強度評估效率，并為定制相應(yīng)力學(xué)性能的骨支架奠定理論基礎(chǔ)。2)為陶瓷類多孔材料計算工藝學(xué)提供理論依據(jù)。
文檔編號A61L27/20GK102784412SQ201210181360
公開日2012年11月21日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者葉東東, 李鵬林, 楊明明, 汪焰恩, 潘飛龍, 秦琰磊, 郭葉, 魏慶華, 魏生民, 龍水軍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)