专利名称：一种纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制备技术，具体为一种纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白 复合材料的制备方法，制得的复合材料可应用于骨缺损的修复与替代，国际专利分类号拟为Int.Cl.A61L 27/12 (2006.01)。
技术背景羟基磷灰石(简称HA，化学式为Cai。(0H)2(P04)6)是一种典型的生物材 料，具有优良的生物相容性和生物活性。它能与血液接触不产生凝血，在软 组织和骨骼中仅有轻微的组织反应。羟基磷灰石的组成中含有能通过人体正 常的新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素；还含有能与人体组织发生键合 的羟基等基团，通过键的结合达到完全的亲和，从而使其部分或全部被人体 组织吸收和取代，是一种极有价值的骨替代材料。制备羟基磷灰石的方法主要有干法合成和湿法合成两种。其中湿法合成 包括水热合成法、化学沉淀法、微乳液法和溶胶一凝胶法。但是临床医学研 究表明运用单一的羟基磷灰石制成的人工骨易碎、强度低、韧性差，限制 了它的临床应用和效能发挥。为此，研究者采用其它材料与羟基磷灰石进行 复合使用，试图来改善或提高由单一羟基磷灰石制成的骨成型件的机械性能。 目前，与羟基磷灰石可进行复合的材料大致分为三类①天然生物材料，如 胶原、成骨细胞、丝素蛋白和纤维蛋白黏合剂等；②非天然生物可降解材料， 如聚乳酸、壳聚糖等；③其它材料，如聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯、聚 乙烯醇等。研究证实，将羟基磷灰石与上述物质复合后，所形成的骨成型件 在力学性能甚至是生物性能上有很大提高。但是，目前常用的复合工艺基本上只是羟基磷灰石颗粒与复合高分子物 的机械物理混合，其混合尺度和均匀性难以保证，复合材料内部两相间缺乏 化学键的结合，界面结合力不够牢固，难以形成有序的微观结构，无机微粒 在高分子物相中的分散程度仍不太理想，材料的降解速率还不能很好地控制。因此，对于复合材料性能的优化、制备工艺的优化、提高复合材料的生物相 容性、加工性和机械性能等，还需要进一步研究。另一方面，医学研究表明，作为骨成型件的羟基磷灰石复合材料必须满 足三个基本要求生物相容性、生物活性和良好的机械性能。由于丝素蛋白 质(以下简称SF)所含氨基酸的种类和空间结构的特点，使得丝素蛋白与人 体组织具有良好的生物相容性能，可作为免拆类人体体内手术缝合线使用。而且丝素蛋白属于高分子物，具有一定的机械强度和黏附性，从理论上完全 满足与纳米相羟基磷灰石之间的复合，用于开发性能优越的骨替代材料。这 种关于羟基磷灰石与丝素蛋白的复合已有研究。例如，有人研究了在两者的 复合方法上采用"两步法"复合工艺(参见卢神州、李明忠等，丝绸，2006.2: 7-19)。该"两步法"工艺过程为第一步是丝素蛋白溶液的制备。该溶液的制备方法是，将脱胶丝素纤维用摩尔比为1: 2: 8的CaCl2 - C2H50H - H20组成 的三元溶剂体系，于(70士2)。C搅拌溶解，过滤后得到混合溶液，混合溶液经 透析提纯浓縮后，得到纯丝素蛋白溶液；第二步是羟基磷灰石与丝素蛋白复 合材料的制备。该复合材料制备的具体方法是①将分析纯碳酸钙于105CTC 煅烧3h制成氧化钙，称取一定量溶于去离子水中，搅拌形成不同浓度的悬浮 液；②三口瓶中加入1L水，放入超声波振荡器中，加热到一定温度，按计量 加入已制得的纯丝素蛋白溶液(HA: SF=4: 1)，再分次加入上述①所获得的悬 浮液；③按比例滴加磷酸溶液，控制pH值为8 9，滴加完成后继续搅拌3h，室温封口陈化48h;④用去离子水洗涤、抽滤3次；⑤用无水乙醇洗涤、抽滤3次，干燥后，即可得到二者的复合颗粒。研究结果表明，由此法制得的 羟基磷灰石/丝素蛋白复合纳米粒子与人骨中磷灰石微晶具有相似性，基体材 料还具有可降解性和优异的骨诱导性能，在骨修复或骨固定材料方面有着潜 在的用途。虽然上述研究结果说明了羟基磷灰石与丝素蛋白进行复合后，其纳米粒 子具有优良的生物性能，但是其复合工艺仍然属于两者简单的物理共混。对 混合的是否均匀，是否在纳米尺寸上完成的复合，羟基磷灰石与丝素蛋白能 否形成键的结合上，依然存在问题。另外，该制备方法在对丝素蛋白溶液进 行的过滤一透析一浓縮的过程中，既耗水，又耗时，还会带来大量盐的排放，这与节能、减排和绿色加工发展方向并不相符。 发明内容针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种纳米相羟基i 磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法。该制备方法可以实现羟基磷灰石与丝 素蛋白分子在纳米尺寸上的复合，且复合均匀良好，可形成纳米级网络结构的复合材料；同时该制备方法具有节水、省时、节能、减排的特点，适于实 际推广使用。本发明解决所述复合材料制备方法技术问题的技术方案是设计一种纳 米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法，该制备方法工艺过程是选用摩尔比为l: 2: 8的CaCl2 - C2H50H - H20三元体系作溶齐^，于75土5。C下按 质量分数为3 159&(w/w)的比例投入已充分脱胶的丝素蛋白纤维，溶解O. 5h 后，制得质量分数为3 14.68% (w/w)的丝素蛋白溶液；在匀速搅拌下，按 钙磷=10:6的摩尔比例向丝素蛋白溶液中添加磷酸氢二铵，并在2 5h内 匀速滴加完毕，然后继续复合反应2 3h;在全部4 8h的反应过程中，前2 4h内温度恒定为30 60°C，后2 4h内温度恒定为60 100°C;且要注意反 应体系的pH值变化，并用稀释的氨水调节反应体系pH值为9 12;反应结 束后，经过滤、充分反复水洗、再过滤，即可得到所述的纳米相羟基磷灰石/ 丝素蛋白复合材料。与现有技术相比，本发明制备方法是"一步法"的反应复合工艺，具有 制备工艺简单，设备要求低，且是一种省时、节水、节能、减排的"绿色生 产"方法，符合现代文明生产的要求。本发明所制备的复合材料具有内部两 相界面结合强度高，羟基磷灰石晶体分布均匀，沿c轴取向生长，复合充分 良好，呈网络结构，以及机械力学性能提高等优点。
图1是本发明纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法一种实 施例的复合反应流程示意图；图2是本发明实施例1制备方法所获得的纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的透射电镜照片图；图3是本发明实施例1制备方法所获得的纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复 合材料的X射线衍射图；图4是错误！链接无效。实施例1制备方法所获得的纳米相羟基磷灰石/丝素 蛋白复合材料的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述本发明设计的纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料(以下简称复合材 料)的制备方法(以下简称制备方法，参见图l)，其工艺过程是选用摩尔比为1:2:8的CaCl2 - C2H5OH - H20三元体系作溶剂，于75士5。C下按质量分 数为3 15% (w/w)的比例投入已充分脱胶的丝素蛋白纤维，溶解0.5h后， 即可制得质量分数为3 14.68% (w/w)的丝素蛋白溶液；在匀速搅拌下，按 钙:磷二10:6的摩尔比向所制得的丝素蛋白溶液中添加磷酸氢二铵，并在2 5h内匀速滴加完毕，然后继续复合反应2 3h;在全部4 8h的反应工艺过 程中，采用阶段温控法控制反应，即前半程(反应的前2 4h)内控制温度 恒定为30 6(TC，后半程(反应的后2 4h)内控制温度恒定为60 10(TC; 在全部反应工艺过程中，要注意反应体系的pH值变化，并用稀释的氨水调节 反应体系的pH值为9 12;反应结束后，经过滤、充分反复水洗、再过滤， 即可得到所述的纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料。本发明制备方法中， 所述丝素蛋白纤维的脱胶工艺为现有技术。现有技术的"两步法"是分别制备得到的纳米羟基磷灰石和丝素纯蛋白 溶液，采用共混的方法制备而获得的两种物质的复合物质，该方法难以实现 纳米尺度上的良好复合，因而引发复合材料的缺陷。本发明有别于现有技术 的"两步法"，它的反应是在一个反应体系中，既可以获得纳米尺度的羟基磷 灰石，又可以促使丝素蛋白(SF)伴随羟基磷灰石的生成而同步沉淀，实现 了两种组分在纳米尺度上的复合，所制得的复合材料均匀良好，是一种纳米 级网络结构的复合材料。现有技术的"两步法"工艺需要对蛋白质溶液的纯化过程，要求有足够的时间、水和能量。因为蛋白质的纯化方法主要是透析方法，而透析过程不 仅需要大量的纯水，而且也会产生较多的污水，还需要相当长的时间，以完成蛋白质溶液中氯化钙物质的溶出；同时，在透析过程中，因溶液渗透压的作用使得蛋白质溶液的浓度降低，因此在与纳米羟基磷灰石复合时，为了提 高蛋白质在复合材料中的含量，必须对得到的蛋白质溶液进行浓縮，工艺复 杂，耗时颇长。本发明制备方法是"一步法"工艺，不需要对蛋白质溶液的 纯化过程，因而具有节水、省时、节能、减排的特点，符合产业导向，适于 实际推广使用。本发明所制备的复合材料经化学法测试证明，所得复合材料的钙磷比在1.6692 '1.6740之间；丝素蛋白的含量为10 30% (w/w)。丝素蛋白含量的 多少，取决于复合制备工艺参数的不同(参见实施例1 — 5)。透射电镜观察 可以看出(参见图2)，所获得的复合材料具有内部两相界面结合良好、羟基 磷灰石晶体分布均匀、沿C轴取向生长，复合充分良好，呈网络结构的特点； X射线衍射测试表明(参见图3)，衍射谱图与羟基磷灰石相似，经Rietveld 分析法可知，所获得材料的晶体沿C轴方向具有良好的生长特性；红外光谱 证明(参见图4)，所获得的复合材料的化学组成体现了蛋白质与羟基磷灰石 的谱图特征，两者之间并不产生新的化学键结合。本发明复合材料适用于制造骨成型件，或者用于骨缺损或毁坏的修复或 替代，具有良好的生物相容性和机械性能。本发明未述及之处适用于现有技术。 ' 以下说明性的具体实施例可帮助进一步理解本法明，但本发明权利要求 不受实施例的限制。 实施例1将2. 78g己充分脱胶的脱胶丝素纤维溶于27. 68g CaCl2、 35. 98g C2H50H、 28.60g H20所组成的三元体系溶剂中，在75土2X:下进行搅拌溶解，0. 5h后 得到淡黄色液体；把所得淡黄色液体置于1L的三口圆底烧瓶内，再把所述烧 瓶放入恒温水浴锅中，装上搅拌器、常压滴液漏斗和pH指示器；称取 (NH4)HP0419 . 80g，溶于500ml水中，用氨水调节pH值至10. 5，获得磷酸氢 二胺溶液；开动搅拌器，随之以2.4ml/min的速度均匀滴加所得的磷酸氢二铵溶液，复合反应3.5h，在复合反应的前2h的温度控制在3(TC，后0.5h温 度控制在6(TC;反应完毕后，经真空抽滤、洗涤、红外线干燥、研磨后，即 可得到粉末状的所述复合材料。本实施例方法制得的复合材料，分别经化学法测试、投射电镜观察、X射线衍射测试和红外光谱测试后，得出如下特征钙磷比为1.6695，与标准羟基磷灰石中的l丐磷比一致； 内部两相复合均匀良好、具有网络结构、呈针状或柱状晶粒；经Rietveld 分析法计算所得的晶粒尺寸小于50nm (参见图2、图3)，且属于六方晶系， 晶胞参数为a二b二9. 3383 X 10—inm、 c=6. 9011 X 10—"'m，沿c轴方向平均晶粒 尺寸是125. 3441 X 10—"'m;含有羟基磷灰石和丝素蛋白各自的官能团，且不含有新的化学官能团(参见附图4);复合材料中的丝素蛋白含量为10% (w/w)。 实施例2将4. 41g已充分脱胶的丝素纤维溶于27. 68g CaCl2、35. 98g C2H50H、28. 60g H20所组成的三元体系溶剂中，在72土2'C下进行搅拌溶解，0.5h后得到淡黄 色液体；把所得淡黄色液体置于1L的三口圆底烧瓶内，再把所述烧瓶放入恒 温水浴锅中，装上搅拌器、常压滴液漏斗和pH指示器；称取(N仏)HP(U9. 80g， 溶于500ml水中，用氨水调节pH值至11，获得磷酸氢二胺溶液;开动搅拌 器，随之以2. 4ml/min的速度均匀滴加所得的磷酸氢二铵溶液，复合反应4h， 在复合反应的前3h温度控制在3(TC，后lh温度控制在6(TC;反应完毕后， 经真空抽滤、洗涤、红外线干燥、研磨后，即可得到粉末状的所述复合材料。 本实施例获得的复合材料经同于实施例1的检测后，具有如下特征 f丐磷比为1.6692，与标准羟基磷灰石中的钙磷比一致； 内部两相复合均匀良好、具有网络结构、呈针状或柱状晶粒；晶粒尺寸 小于50nm，属于六方晶系，晶胞参数为a=b=9.0859 X10—inm、 c=6.9816 X10—"'m，沿c轴方向平均晶粒尺寸是168. 2896 X 10,m;含有羟基磷灰石和丝素蛋白各自的官能团，且不含有新的化学官能团； 复合材料中的丝素蛋白含量为15% (w/w)。实施例3本实施例与实施例2的不同之处是丝素蛋白纤维的加入量为6.25g。余 同实施例2。本实施获得的复合材料经同于实施例1的检测后，具有如下特征转磷比为1.6698，与标准羟基磷灰石中的钙磷比一致；内部两相复合均匀良好、具有网络结构、呈针状或柱状晶粒；晶粒尺寸 小于50nm，属于六方晶系，晶胞参数为a=b=9.0319 X10—lflm、 c=7.0148 X10—"'m，沿c轴方向平均晶粒尺寸是227. 7282 X 10—"'m;含有羟基磷灰石和丝素蛋白各自的官能团，且不含有新的化学官能团；复合材料中的丝素蛋白含量为20% (w/w)。 实施例4将8. 33g已充分脱胶的脱胶丝素纤维溶于27. 68g CaCl2、 35. 98g C2H5OH、 28.60g H20所组成的三元体系溶剂中，在78土2'C下进行搅拌溶解，0. 5h后 得到淡黄色液体；把所得淡黄色液体置于1L的三口圆底烧瓶内，再把所述烧 瓶放入恒温水浴锅中，装上搅拌器、常压滴液漏斗和pH指示器；称取 (NH4)HP0419.80g，溶于500ml水中，用氨水调节pH值至11. 5，获得磷酸氢 二胺溶液；开动搅拌器，随之以2.4ml/min的速度均匀滴加所得的磷酸氢二 铵溶液，复合反应5.5h，在复合反应的前3h温度控制在3(TC，后2.5h温度 控制在6(TC;反应完毕后，经真空抽滤、洗涤、红外线干燥、研磨后，即可 得到粉末状的所述复合材料。本实施例获得的复合材料经同于实施例1的检测后，具有如下特征 钙磷比为1.6699，与标准羟基磷灰石中的钙磷比一致； 内部两相复合均匀良好、具有网络结构、呈针状或柱状晶粒；晶粒尺寸 小于50nm，属于六方晶系，晶胞参数为a=b=9.0319 X10—1()m、 c二7.0418 Xl(T。m，沿c轴方向平均晶粒尺寸是230. 7645 X 10—lflm;含有羟基磷灰石和丝素蛋白各自的官能团，并不含有新的化学官能团； 复合材料中的丝素蛋白含量为25% (w/w)。 实施例5本实施例的具体制备过程与实施例4相同，不同之处是丝素蛋白纤维的加入量为10.71g。本实施例获得的复合材料经同于实施例1的检测后，具有 如下特征钙磷比为1.6693，与标准羟基磷灰石中的钙磷比一致；内部两相复合均匀良好、具有网络结构、呈针状或柱状晶粒；晶粒尺寸小于50nm，属于六方晶系，晶胞参数为a=b=8. 8950 X10—"'m、 c=7. 7209 X10—'"m，沿c轴方向平均晶粒尺寸是152. 4232 X 10—'V含有羟基磷灰石和丝素蛋白各自的官能团，且不含有新的化学官能团；复合材料中的丝素蛋白含量为30% (w/w)。
权利要求
1.一种纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法，该制备方法工艺过程是选用摩尔比为1∶2∶8的CaCl2-C2H5OH-H2O三元体系作溶剂，于75±5℃下按质量分数为3～15％(w/w)的比例投入已充分脱胶的丝素蛋白纤维，溶解0.5h后，制得质量分数为3～14.68％(w/w)的丝素蛋白溶液；在匀速搅拌下，按钙∶磷＝10∶6的摩尔比向丝素蛋白溶液中添加磷酸氢二铵，并在2～5h内匀速滴加完毕，然后继续复合反应2～3h；在全部4～8h的反应过程中，前2～4h内温度恒定为30～60℃，后2～4h内温度恒定为60～100℃；且要注意反应体系的pH值变化，并用稀释的氨水调节反应体系pH值为9～12；反应结束后，经过滤、充分反复水洗、再过滤，即可得到所述的纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料。
2. —种纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料，其特征在于所述的复合材 料根据权利要求1所述的制备方法制备而得，其f丐磷比在1. 6692 1. 6740之 间；其丝素蛋白的含量为10 30% (w/w)。
全文摘要
本发明涉及一种纳米相羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的制备方法，该制备方法工艺过程是选用摩尔比为1∶2∶8的CaCl<sub>2</sub>-C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH-H<sub>2</sub>O三元体系作溶剂，于75±5℃下按质量分数为3～15％(w/w)的比例投入已充分脱胶的丝素蛋白纤维，溶解0.5h后，制得质量分数为3～14.68％(w/w)的丝素蛋白溶液；在匀速搅拌下，按钙∶磷＝10∶6的摩尔比例向丝素蛋白溶液中添加磷酸氢二铵，并在2～5h内匀速滴加完毕，然后继续复合反应2～3h；在全部4～8h的反应过程中，前2～4h内温度恒定为30～60℃，后2～4h内温度恒定为60～100℃；且要注意反应体系的pH值变化，并用稀释的氨水调节反应体系pH值为9～12；反应结束后，经过滤、充分反复水洗、再过滤，即可得到所述的复合材料。
文档编号A61L27/00GK101235204SQ200810052328
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者姚金波, 刚 王, 赵海洋 申请人:天津工业大学