专利名称：羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合仿生骨材料及其制备方法，尤其涉及一种羟基磷灰石与丝素 蛋白复合的仿生材料及其制备方法，属医用材料学技术领域。
背景技术：
骨损伤和骨缺损是临床上常见的疾病，损伤的骨可用内源骨或外源骨修复。内源 骨修复效果很好，但其数量十分有限，而且需要二次手术，而采用外源骨修复效果远不如 内源骨，目前的外源骨修复手段存在免疫排斥反应，难降解，可能带有潜在的病原体和其他 副反应等，因此国内及国外市场对硬、软组织修复材料有迫切需求。目前用于骨修复的生物 材料分为以下四种医用金属材料、医用生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料。而在 医用生物陶瓷中，仿生骨基质材料即模仿天然骨材料设计具有结构仿生和功能仿生的材料 已成为研究热点，此种材料在体内能降解，无毒性及其他不良反应，而且可以促进新骨的生 成，为骨修复提供一种全新途径。人体骨主要由纳米羟基磷灰石和I型胶原组成，而上世纪三十年代中期科学家们 就人工合成出了羟基磷灰石，是一种生物学性能优异的人工骨材料，但单一组分的羟基磷 灰石脆性大、韧性较差、力学性能不足，降解缓慢且易从植入点迁移，这都限制了其作为人 体材料种植体的使用。目前用丝素蛋白代替I型胶原诱导纳米羟基磷灰石矿化制备仿生骨 已被广泛研究，并得到了生物活性较高的羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料，虽然通过矿化 的方法使丝素蛋白和磷灰石更加紧密的融合在一起，一定程度上提高了力学性能，但是它 的机械强度还是不够，难以满足临床要求。而现用的骨水泥多是磷灰石和硅灰石的复合材 料，硅灰石具有很高的生物活性和相容性，而且在模拟体液中，羟基磷灰石在硅酸钙表面形 成的速度大于在其他生物玻璃和玻璃-陶瓷表面形成的速度，所以磷灰石-硅灰石玻璃陶 瓷具有一定的骨传导性和降解性，并且有良好生物相容性和活性，此类材料是经过高温煅 烧，呈完全晶态结构，虽强度较大，但降解性和韧性较差。上述二种材料在力学性能和生物 学性能结合方面还存在明显不足，远不能满足临床的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有良好的生物活性和相容性，机械强度 较高，能满足人体承重骨要求的羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料及其制备方 法。本发明的技术方案是提供一种羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料，按质量百分比， 其组分包括硅灰石粉体10% 30%，丝素蛋白25% ；35%，羟基磷灰石40% 60%。一种制备羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的方法，包括如下步骤
(1)配制浓度为0. 5 1. 0 11101/1的03(而3)2溶液和浓度为0.5 1.0 mol/L的Na2SiO3 溶液；将质量分数为0. 3% 1. 0%的聚乙烯醇溶液作为分散剂加入到Ca(NO3)2溶液中，在 搅拌条件下滴加Na2SiO3溶液，将所得到的沉淀物用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，煅烧后得到硅灰石粉体；
(2MfCa(NO3)2 ·4Η20在80 140°C的温度条件下熔融，再将丝素蛋白溶解于Ca (NO3) 2 溶液中，形成SF-Ca (NO3) 2溶液；
将Na3PO4 · 12H20配制成浓度为0. 4 1. 0 mol/L的Na3PO4溶液； 将硅灰石粉体分散于去离子水中形成质量分数为1% 5%的悬浮液； 在温度为35 40°C的搅拌条件下，在悬浮液中同时滴加SF-Ca (NO3) 2溶液和Na3PO4溶 液，用NaOH溶液控制反应体系pH值在9 11，滴加时间为30 60分钟，反应结束后保温 矿化48 72小时；
(3)对沉淀物进行抽滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤3 5次，在60 80 0C的温度条件下干燥处理M 48小时后，研磨、过筛，得到羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋 白复合粉体；复合粉体中，按质量百分比，硅灰石粉体为10% 30%，丝素蛋白为25% 35%， 由Ca(NO3)2 · 4H20和Na3PO4 · Iffl2O合成后的羟基磷灰石为40% 60% ；
(4)将上述复合粉体冷等静压成型，得到羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料。本发明所述的硅灰石粒径为20 lOOnm。本发明在羟基磷灰石/丝素蛋白中引入硅灰石粉体，除了有利于羟基磷灰石的沉 积外，还有利于在移植物中构成硅灰石交织增韧网；同时，羟基磷灰石和硅灰石的复合可以 调控材料的生物活性和生物相容性，即在不影响材料生物学性能的同时，使该复合材料的 力学性能得到明显改善。与现有技术相比，本发明所述羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料，是在 丝素-羟基磷灰石材料的紧密融合和较高的生物性能的基础上，引入具有良好生物性能和 力学性能的硅灰石可较大幅度提高其力学性能，这三种材料的复合有望得到一种力学性能 与生物活性和相容性完美结合的骨组织缺损修复材料，具有较好的实用性和应用前景。
图1是本发明实施例提供的一种羟基磷灰石/丝素蛋白复合粉体的制备工艺流程 图2是本发明实施例提供的一种羟基磷灰石/丝素蛋白复合仿生材料在模拟体液浸泡 试验前后样品表面对比的SEM图3是本发明另一个实施例提供的一种羟基磷灰石/丝素蛋白复合仿生材料在模拟体 液浸泡试验前后样品表面对比的SEM图4是本发明不同实施例提供的羟基磷灰石/丝素蛋白复合仿生材料在样品模拟体液 浸泡后表面产物对比的XRD图谱。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。实施例一参见附图1，本实施例提供一种羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿 生材料的制备方法，其步骤如下
1、分别配制浓度均为0. 5mol/LCa (NO3)2溶液和Na2SiO3溶液，质量分数为0. 5%的聚乙烯醇溶液作为分散剂加入到Ca(NO3)2溶液中，边搅拌边滴加Na2SiO3溶液。待其充分反应 后，将所得到的沉淀用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥煅烧后得到硅灰石粉体。2、按照复合粉体中丝素蛋白、硅灰石、羟基磷灰石质量百分数分别为30%、20%、50% 的量计，制备IOg复合粉体需分别称取3g脱胶后的蚕丝得到的丝素蛋白纤维和2g硅灰石 粉体，以及合成5g的羟基磷灰石所需要的11. 76g Ca(NO3)2 ·4Η20和11. 36g Na3PO4 ·12Η20 ； Na3PO4 ·12Η20加50ml去离子水配制成0. 60mol/L的恥丨04溶液，而Ca (NO3) 2 ·4Η20则在90°C 直接熔融，然后将称好的3g丝素蛋白纤维直接溶解于Ca (NO3) 2溶液中，形成SF-Ca (NO3) 2溶 液；同时将称好的2g硅灰石粉体分散于IOOml去离子水中形成质量分数为m的悬浮液，在 37°C下边搅拌悬浮液边同时滴加SF-Ca(NO3)2溶液和Na3PO4溶液，用NaOH溶液控制反应体 系pH值在10，反应结束后保温矿化72小时。3、将反应产生的沉淀进行抽滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤3次， 60°C干燥M小时后的粉体研磨、过筛，即得羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合粉体。4、将上述复合粉体倒入模具冷等静压成型，不需烧结即得羟基磷灰石-硅灰石/ 丝素蛋白复合仿生材料。经测定，制得的羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料的主要性能抗压强 度达85 MPa，巴氏硬度值达48，可以达到作为替换承力骨组织的力学性能要求。参见附图2，它是本实施例提供的复合仿生材料在模拟体液(37°C)浸泡试验前后 样品表面对比的SEM图；图中，(a)为浸泡前的样品，(b)为浸泡7天后的样品，由SEM图谱 对比可发现，浸泡后材料表面新生成了一层物质，经XRD测试确认为弱结晶的磷灰石(参见 附图4中的图a)，表明所自备的材料具有一定的生物活性。实施例二 本实施例提供一种羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料的制 备方法，其步骤如下
1、分别配制浓度均为0. 5mol/LCa (NO3)2溶液和Na2SiO3溶液，质量分数为0. 5%的聚乙 烯醇溶液作为分散剂加入到Ca(NO3)2溶液中，边搅拌边滴加Na2SiO3溶液。待其充分反应 后，将所得到的沉淀用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥煅烧后得到硅灰石粉体。2、按照复合粉体中丝素蛋白、硅灰石、羟基磷灰石质量百分数分别为30%、30%、40% 的量计，制备IOg复合粉体需分别称取3g蚕丝脱胶后得到的丝素蛋白纤维和3g硅灰石 粉体，以及合成4g的羟基磷灰石所需要的9. 41g Ca(NO3)2 · 4H20和9. 09g Na3PO4 · Iffl2O ； Na3PO4 · 12H20 加 50ml 去离子水配制成 0. 48mol/L 的 Na3PO4 溶液，而 Ca (NO3) 2 · 4H20 则 在110°C直接熔融，然后将称好的3g丝素蛋白纤维直接溶解于Ca (NO3)2溶液中，形成 SF-Ca(NO3)2溶液；同时将称好的3g硅灰石粉体分散于IOOml去离子水中形成质量分数为 3%的悬浮液，在37°C下边搅拌悬浮液边同时滴加SF-Ca (NO3) 2溶液和Na3PO4溶液，加入NaOH 溶液控制反应体系PH值在11，反应结束后保温矿化60小时。3、将反应产生的沉淀进行抽滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤3次， 70°C干燥48小时后的粉体研磨、过筛，即得羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合粉体。4、将上述复合粉体倒入模具冷等静压成型，不需烧结即得羟基磷灰石-硅灰石/ 丝素蛋白复合仿生材料。经测定，制得的羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料的主要性能抗压强 度达90 MPa，巴氏硬度值达52，可以达到作为替换承力骨组织的力学性能要求。
参见附图3，它是本实施例提供的一种复合仿生材料在模拟体液(37°C)浸泡试验 前后样品表面对比的SEM图；图中，(a)为浸泡前的样品，(b)为浸泡14天后的样品；由样 品表面对比的SEM图谱可发现，浸泡后材料表面新生成了一层物质，经XRD测试确认为弱结 晶的磷灰石(参见附图4中的图b)，表明所提供的材料具有一定的生物活性。参见附图4，它是本发明实施例一和二提供的复合仿生材料在样品模拟体液 (37°C)浸泡后表面产物对比的XRD图谱；图中，(a)为实施例一所提供的材料在模拟体液浸 泡7天后的结果，(b)为实施例二所提供的材料在模拟体液浸泡14天后的结果，浸泡后材 料表面新生成了一层物质，经XRD检测确认为弱结晶的磷灰石，图4表明，本发明所提供的 材料具有一定的生物活性。
权利要求
1.一种羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料，其特征在于按质量百分比，其组分包括 25% ；35%的丝素蛋白，10% 30%的硅灰石，40% 60%的羟基磷灰石。
2.一种制备如权利要求1所述的羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的方法，其特征在于 包括如下步骤(1)配制浓度为0.5 1.0 11101/1的03(而3)2溶液和浓度为0.5 1.0 mol/L的Na2SiO3 溶液；将质量分数为0. 3% 1. 0%的聚乙烯醇溶液作为分散剂加入到Ca(NO3)2溶液中，在 搅拌条件下滴加Na2SiO3溶液，将所得到的沉淀物用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，煅烧后 得到硅灰石粉体；(2MfCa(NO3)2 ·4Η20在80 140°C的温度条件下熔融，再将丝素蛋白溶解于Ca (NO3) 2 溶液中，形成SF-Ca (NO3) 2溶液；将Na3PO4 · 12H20配制成浓度为0. 4 1. 0 mol/L的Na3PO4溶液；将硅灰石粉体分散于去离子水中形成质量分数为1% 5%的悬浮液；在温度为35 40°C的搅拌条件下，在悬浮液中同时滴加SF-Ca (NO3) 2溶液和Na3PO4溶 液，用NaOH溶液控制反应体系pH值在9 11，滴加时间为30 60分钟，反应结束后保温 矿化48 72小时；(3)对沉淀物进行抽滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤3 5次，在60 80 0C的温度条件下干燥处理M 48小时后，研磨、过筛，得到羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋 白复合粉体；复合粉体中，按质量百分比，硅灰石粉体为10% 30%，丝素蛋白为25% 35%， 由Ca(NO3)2 · 4H20和Na3PO4 · Iffl2O合成后的羟基磷灰石为40% 60% ；(4)将上述复合粉体冷等静压成型，得到羟基磷灰石-硅灰石/丝素蛋白复合仿生材料。
3.根据权利要求2所述的一种制备羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的方法，其特征在 于所述的硅灰石粒径为20 lOOnm。
全文摘要
本发明公开了一种复合仿生骨材料及其制备方法，尤其涉及一种羟基磷灰石与丝素蛋白复合的仿生材料及其制备方法，属医用材料学技术领域。按质量百分比，该复合材料的组分包括羟基磷灰石40%～60%，硅灰石10%～30%，丝素蛋白25%～35%。它基于丝素-羟基磷灰石材料的紧密融合和较高的生物性能，引入具有良好生物性能和机械性能的硅灰石可在不影响生物学性能基础上较大幅度提高其力学性能，这三种材料的复合可得到一种力学性能与生物活性和相容性完美结合的骨组织缺损修复材料，具有较好的实用性和应用前景。
文档编号A61L27/44GK102058907SQ20101061892
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者周竹发, 王淑梅, 赵松 申请人:苏州大学