一鍋法制備羥基磷灰石-天然高分子納米復合物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于骨組織工程材料和醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種一鍋法制備羥基磷灰石-天然高分子納米復合物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于市場需求巨大，骨組織替代材料是生物醫(yī)學材料研究和應用中的熱點。內(nèi)源骨組織修復效果好，但這種療法的推廣使用因替代材料來源緊缺而受到限制；而外源骨組織修復存在明顯的免疫排斥反應，還可能引入潛在的病原體和其他毒副反應。由此可知，研究、制備出一種高效、安全的人工仿生骨組織替代材料具有相當大的現(xiàn)實意義。
[0003]天然骨組織是由無機物礦物(主要為納米羥基磷灰石)和天然高分子(主要為膠原蛋白)排列所組成的均一、有序的生物復合體。輕基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)，化學式為Ca1Q(PO4)6(OH)2,其化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、物化性能都與人的正常骨中的無機物組分相似，具有良好的骨傳導性、生物相容性和生物活性。上述優(yōu)點使羥基磷灰石獲得了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，相關(guān)的研究和報道數(shù)以萬計。但是純羥基磷灰石材料具有固有脆性，彎曲強度低、韌性極低、降解速率極低，大大限制了其在骨移植方面的應用。
[0004]理想的仿生骨基質(zhì)材料應該具有良好的生物學功能、力學性能、多孔性、細胞親和性、骨誘導性，以及材料降解消失與骨組織再生的時空匹配性。為克服羥基磷灰石的固有缺點，從仿生學角度出發(fā)，將納米羥基磷灰石與天然有機物高分子復合，合成無機-有機復合仿生結(jié)構(gòu)，在保持羥基磷灰石的骨修復功能的同時提高材料的生物相容性和力學性能。生物礦化是完成這一任務的有效技術(shù)，其定義是:基于仿生原理，以生物大分子為模板，通過自組裝控制無機晶體的生長，制備與天然骨組織類似的納米復合結(jié)構(gòu)。
[0005]天然高分子是天然聚陽離子、天然聚陰離子和以上兩種或兩種以上分子的混合物。諸多天然高分子材料都可以作為生物礦化中的生物大分子模板，這些材料均是自然界中生物復合體中主要的有機成分，如甲殼素、殼聚糖及其衍生物等多糖，膠原蛋白和絲蛋白等蛋白質(zhì)。殼聚糖是天然聚陽離子的代表，其分子中大量活潑的羥基和氨基使其具有較強的化學反應能力，更加突出的是殼聚糖的生物官能性、生物相容性、生物可降解性和安全性等優(yōu)良性能。絲素蛋白是天然聚陰離子的代表，也具有良好的安全性、生物相容性、生物可降解性，并且具有細胞親和性、能夠促進人體細胞生長;同時絲素蛋白具有較高的韌性和強度，與無機材料復合后能提高材料的韌性和強度。這些天然聚電解質(zhì)由于分子鏈上的極性基團與極性無機材料的相容性高，所以易于與無機物進行摻雜，是優(yōu)良的生物礦化模板。按照天然骨組織的主要組成成分來判斷，膠原蛋白應當是人工仿生骨組織替代材料制備中生物大分子模板的最佳選擇。但是膠原蛋白的提純工藝復雜，低純度的膠原蛋白又容易引起炎癥反應;更嚴重的是存在著傳染瘋牛病的潛在威脅。因此，同樣具有活潑的極性基團和三維分子結(jié)構(gòu)但無刺激性和免疫原性的其他天然高分子可成為生物礦化模板的理想選擇。
[0006]在本發(fā)明作出之前，中國專利“納米羥基磷灰石/天然高分子復合材料及其制備方法和應用”(公開號CN101693774A)公開了一種納米羥基磷灰石/天然高分子復合材料的制備方法，具體是將天然高分子材料投入由乙醇、水和尿素組成的混合溶液中，加入磷酸二氫鈾溶液和氧化鈣溶液后密封反應;但該方法側(cè)重于在溫和條件下快速礦化的天然高分子材料，得到的主要產(chǎn)品是礦化的殼聚糖多孔海綿，并不是側(cè)重于納米羥基磷灰石基無機-有機復合材料或羥基磷灰石的改性。中國專利“線型納米羥基磷灰石的制備方法”(公開號CN102491298B)公開了一種制備線型納米羥基磷灰石的方法，具體是將第一質(zhì)量濃度的絲素蛋白水溶液濃縮至第二質(zhì)量濃度后進行密封培育，得到的絲素蛋白納米纖維水溶液與磷酸根源和鈣源混合，反應后得到線型納米羥基磷灰石，該方法的重點在于絲素蛋白水溶液的反復干燥成膜-溶解的操作，此操作相當復雜。中國專利“礦化絲蛋白材料及其制備方法”(公開號CN1241654C)公開了一種礦化絲蛋白材料及其制備方法，其中有機成分為脫膠絲蛋白、礦物質(zhì)為鈣磷鹽晶體，具體方法是將攪拌狀態(tài)下向水溶性脫膠絲蛋白溶液中加入含鈣離子溶液和含磷酸根離子的溶液，調(diào)節(jié)反應體系PH值，維持攪拌一起時間后將體系靜置，重復離心、洗滌沉淀，然后將沉淀真空干燥來獲得產(chǎn)品;但體系存在不恒溫、容量大、PH偏離令羥基磷灰石最穩(wěn)定的值和產(chǎn)物獲得方法單一的問題。中國專利“輕基磷灰石/殼聚糖絲素蛋白納米復合材料及制備方法”中將絲素蛋白固體與氫氧化鈣乳液混合制成A液，將殼聚糖溶液與磷酸混合制成B液，再將B液逐滴滴加到A液中，這些操作繁瑣耗時。中國專利“絲素蛋白/納米羥基磷灰石多孔支架材料及其制備方法”(公開號CN102000362A)中，脫膠后的絲素纖維溶解于氧化鈣三元溶液后，向其中滴加磷酸鹽，得到絲素蛋白/納米羥基磷灰石粉末，但在此之后該粉末中與H2O2溶液和羧甲基纖維素混合、發(fā)泡得到漿料，漿料注模后凍干制得絲素蛋白/納米羥基磷灰石復合多孔支架材料，與本專利有較大差異。更多類似專利的例子還有:(1)溶劑體系為CaCl2-乙醇-水的若干專利，其公開號為CN101235204B、CN102302804B和CN100563727C;(2)不涉及生物礦化，天然高分子與羥基磷灰石之間用交聯(lián)劑交聯(lián)的若干專利，其公開號為CN101502672B和CN101773684A;將天然高分子與羥基磷灰石固體混合后注模、固化的若干專利，其公開號為CN102188753B、CN101474429B、CN101970023A和CNlO 1961 509B;在成型過程中加入一定粒徑的NaCl顆粒的若干專利，其公開號為CNl 01 897994B和CNl 02 321 270B;使用硅調(diào)控合成過程的若干專利，其公開號為CN100402099C和CN102058907B;將天然高分子制備成膜之后在磷酸鹽和鈣鹽體系中礦化合成羥基磷灰石-天然高分子復合支架材料的若干專利，其公開號為CN102526801B和CN102532573B ；側(cè)重點在于納米級天然蛋白礦化的中國專利“一種納米級絲蛋白-羥基磷灰石礦化復合纖維的制備方法”(公開號CN101327341A);將天然蛋白在靜電場下制備成納米球凝膠后，再與磷酸鹽和鈣鹽混合反應生成納米羥基磷灰石的中國專利“納米羥基磷灰石的制備方法”(公開號CN102491299B);使用水熱法、能耗大的中國專利“制備納米尺寸可控的棒狀羥基磷灰石方法”(公開號CN101507832B);采用雙分子模板、使用到了合成高分子的中國專利“一種納米仿生骨材料及其制備方法”(公開號CN101628130B)。
[0007]雖然與羥基磷灰石及其復合材料相關(guān)的研究和專利很多，但目前仍沒有與本發(fā)明一樣將原料粉末直接投入到反應體系中、操作簡便、易于自動化、試劑清潔、成本低廉的方法被提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于彌補現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種改良的一鍋法制備羥基磷灰石-天然高分子納米復合物的方法，該方法利用天然高分子的生物礦化作用促進羥基磷灰石原位合成，制備得到硬度提高、粒度可調(diào)、形貌和結(jié)晶形態(tài)好的生物礦化-原位合成的羥基磷灰石-天然高分子復合材料，所得材料可用于口腔種植科、口腔修復科、骨科等外科常見的骨缺損修復。
[0009]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]—鍋法制備羥基磷灰石-天然高分子納米復合物的方法，核心特征為原料粉末直接投入，主要包括如下步驟:按物質(zhì)的量比Ca/P = 5:3，往天然高分子溶液中投加鈣鹽和磷酸鹽這兩種前驅(qū)鹽的固體粉末，用堿溶液調(diào)節(jié)體系的pH為10-12，體系中的鈣離子、磷酸根離子、氫氧根離子與天然高分子發(fā)生原位共沉淀反應，反應產(chǎn)物清洗至中性后干燥得到羥基磷灰石-天然高分子納米復合物。所述的天然高分子為帶電的天然多糖、帶電的天然蛋白質(zhì)中的一種或兩種以上的混合物。
[0011]所述的帶電的天然多糖包括甲殼素、殼聚糖、殼寡糖、海藻酸、纖維素、透明質(zhì)酸、果膠或它們的衍生物。所述的帶電的天然蛋白包括膠原蛋白、絲素蛋白、絲膠蛋白或它們的衍生物。
[0012]所述的鈣鹽包括硝酸鈣、氯化鈣;優(yōu)選為硝酸鈣。所述的磷酸鹽包括磷酸二氫鉀、磷酸氫鉀、磷酸鉀、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫二銨;優(yōu)選為磷酸二氫鈉、磷酸鉀;更優(yōu)選為磷酸鉀。
[0013]所述的天然高分子的質(zhì)量與兩種前驅(qū)鹽中鈣離子和磷酸根離子的質(zhì)量和的比值為1:(0.10-0.93)，該質(zhì)量比值優(yōu)選為1:(0.31-0.72)，更優(yōu)選為1:(0.41-0