一种剑麻纤维增强的高成骨活性的壳聚糖基抗菌多孔材料的制备方法

本发明涉及一种剑麻纤维增强的高成骨活性的壳聚糖基抗菌多孔材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术：

1、多孔材料作为细胞和信号分子的载体，可为骨组织生长提供特有的微结构和微环境，在新骨生长中起着至关重要的作用，因而是骨组织工程研究的关键问题。临床上骨组织工程支架材料必须满足以下几个条件：具有较高的机械强度的多孔结构、有良好的骨传导性和骨诱导性及合适的降解速率、同时应具有较好的抗菌性。基于仿生原理，将天然骨的无机组分纳米羟基磷灰石(n-ha)与生物相容性良好的壳聚糖(cs)高聚物复合制备多孔材料被认为是骨组织工程支架的首选研究对象。但其在临床应用中由于壳聚糖基体自身力学性能较差，且n-ha纳米粒子易团聚，故难以获得高强度n-ha/cs复合材料，特别是组织工程支架所需要的相互贯通的高度多孔结构，力学性能更难以维持骨组织再生的应力；另外由于合成的n-ha结构组分中通常不含生物磷灰石中的碳酸根、氟、硅、镁、钠等微量组分，故其成骨活性比生物磷灰石的要差，难以满足血管化骨的形成；同时传统的n-ha/cs复合支架抗菌性不足，难以预防骨科术区的细菌感染存在的反复性和迟发性，易直接导致骨组织修复失败。因而，传统的n-ha/cs复合支架存在的力学性能、成骨活性及抗菌性不足等多方面问题是骨组织工程支架材料亟待解决的难题。

2、为提高n-ha/cs的力学性能，金属离子、醛类或冠醚类交联剂通常被用于交联壳聚糖，但残留的有毒交联剂对人体有害。而采用一种聚阴离子高聚物对壳聚糖进行离子交联可有效提高壳聚糖的力学性能，特别是将一些羧基化改性的天然纤维用于壳聚糖交联更有利于提高cs基复合材料的力学性能。剑麻类纤维具有较高的力学强度、耐摩擦、耐腐蚀及绿色可再生等特点，已被广泛应用到聚合物增强材料中。因而若将剑麻纤维羧基化成聚阴离子高聚物，用于与壳聚糖进行离子交联，则有望提高n-ha/cs多孔复合材料的力学性能。

3、为提高剑麻纤维增强的n-ha/cs材料的成骨活性，研究者们基于组分仿生原理，对n-ha进行了生物磷灰石中各种微量元素如碳酸根、硅、锶等的掺杂，可以提高其生物学性能，尤其是锶的掺杂更具优势。另外，阿仑膦酸钠是一种抗骨质疏松，有较强的抗骨吸收能力的药物，其结构中双磷酸盐的两个末端基与n-ha有特别的亲和势，通常会通过化学键合固定于n-ha表面而使其发挥持久的促进成骨活性的作用。文献[ acs appl. mater. &  inter. 2018, 10: 25547-25560]证实阿伦磷酸盐与fe3o4可在纳米磷灰石表面自组装，对成骨细胞有显著的促进作用。因而若将阿伦磷酸盐与微量元素锶共同引入制备杂化纳米磷灰石，则有望赋予剑麻纤维增强的n-ha/cs材料更高的成骨活性。

4、为提高剑麻纤维增强的n-ha/cs材料的抗菌性，植酸是一种广泛存在于植物种子与果蔬中的天然无毒且具有独特的生物学活性的小分子，植酸因其独特的结构（环状分子内含有六个磷酸基、12个游离的氢）决定了它超强的鳌合性能，同时研究发现其还抗氧化性、抗癌及抗菌等作用，植酸的抗菌和抗生物膜性质不仅可用于牙科，而且可为用于需要抗微生物耐药性的其他领域提供新的策略。文献[ inter j appl ceram tech, 2022, 19:1498-1510]报道植酸的强螯合性能可用于羟基磷灰石的制备，同时也保证了较高的抗菌性。因而若将植酸与阿伦磷酸盐及锶共同引入，则有望获得制备具有高成骨活性且持久抗菌性的杂化纳米磷灰石。

5、为进一步提高剑麻纤维增强的杂化纳米磷灰石/cs多孔材料的抗菌性，采用直接在多孔材料上负载抗菌性药物使其在初期通过快速释放而发挥抗菌效果是一种有效方法。鱼腥草素主要活性成分鱼腥草素钠化学结构稳定，除了体内有抗菌效果外，对大肠杆菌、金葡球菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌、假丝酵母等均有一定的抑菌效果，其中对金葡菌和白色念珠菌作用最为明显。随着医学进一步发展，研究人员们还发现鱼腥草素钠在治疗骨质疏松方面也有一定效果，因而若将鱼腥草负载于剑麻纤维增强的杂化纳米磷灰石/cs多孔材料中，则可与杂化的纳米磷灰石结构中螯合的植酸共同发挥快速和持久释放的双重抗菌效果，以更好地满足骨组织工程支架的抗菌性。

技术实现思路

1、针对上述情况，本发明的目的在于提供一种剑麻纤维增强的高成骨活性的壳聚糖基抗菌多孔材料及其制备方法。本发明制备的多孔材料具有较好的力学性能、成骨活性、抗菌活性及生物相容性，是一种新型可降解多孔材料，能满足骨组织工程支架材料性能的基本要求。

2、本发明采用以下技术方案：剑麻纤维是指羧基化改性处理的麻纤维；壳聚糖是

3、指脱乙酰度为90 %以上，粘均分子量40万左右；植酸为市面购买的70%的水溶液；杂化纳米磷灰石是指掺锶、阿伦磷酸盐和植酸共同引入制备的杂化纳米磷灰石；鱼腥草素是指市面购买的鱼腥草素钠粉末。

4、本发明中的表面羧基化的剑麻纤维，其特征是指将麻纤维(平均长度为0.5~1 mm)先用8 %的naoh溶液和h2o2室温下预处理搅拌2小时，水洗至中性干燥后，然后加入到浓度为10 %（m/v）的柠檬酸溶液中，其中柠檬酸含量为剑麻纤维质量的4倍，同时添加30 %剑麻纤维质量的磷酸二氢钾，室温下搅拌1小时后再升温到120℃反应3小时，水洗至中性后干燥，即得表面羧基化的剑麻纤维。

5、本发明中的杂化纳米磷灰石，其特征是指将硝酸锶与硝酸钙溶于水溶液中，其中硝酸锶的含量为sr/(sr+ca)摩尔比为2-10%，加入植酸反应1 小时，设定为a液，其中植酸中磷酸根含量占总磷酸根的摩尔比为10-40%；另将5-10wt%的阿伦磷酸盐加入磷酸钠溶液，反应1小时，设定为b液，将b液缓慢滴加于a液，保持ca/p摩尔比为1.67，最后用1 mol/l氢氧化钠调ph 值至10以上，70 ℃加热搅拌5 小时，陈化48 小时，用去离子水洗涤至中性，干燥研磨成粉。

6、本发明提供的麻纤维增强的高成骨活性的壳聚糖基抗菌复合多孔材料，由下述技术方案实现的，其特征在于采用如下工艺步骤：

7、将一定量的麻纤维加水超声分散后，缓慢滴加超声分散的杂化纳米磷灰石浆液，再加入一定量的壳聚糖粉末及鱼腥草素钠粉末，高速机械搅拌4小时，加入浓度为2%的冰醋酸后即得复合物凝胶；置于-20 ℃下冷冻12小时，然后进行冷冻干燥；将干燥好的多孔材料浸泡于10 %的naoh溶液30分钟，随后用去离子水洗涤至中性，40℃真空干燥至恒重。

8、本发明的多孔材料与现有的多孔材料相比，其优越性在于：

9、（1）本发明所用的天然麻纤维和壳聚糖都是生物相容性良好的天然可降解高分子，其原材料来源广泛，且价格便宜；且天然麻纤维羧基化改性后带负电，能与带正电的壳聚糖溶液产生离子交联，从而提高复合多孔材料的力学性能，有利于为细胞黏附增殖提供支撑应力；另外添加的杂化纳米磷灰石为掺锶、阿伦磷酸盐和植酸的杂化纳米磷灰石，其中的微量元素锶和阿伦磷酸盐可赋予纳米羟基磷灰石更好的骨传导性，且能持续缓慢释放；更重要的是，引入的植酸具有抗菌性，可与多孔材料中负载的鱼腥草素钠协同发挥缓慢和快速释放的双床抗菌效应；另外该杂化纳米磷灰石结构由于引入了阿伦磷酸盐及植酸分子，具有一定的空间位阻作用而是纳米羟基磷灰石粒子具有更好的分散性，以致与剑麻纤维-壳聚糖基体有良好的界面相容性，使其力学性能更佳。综上所述，本发明所选用的天然剑麻纤维及杂化纳米磷灰石有利于提高n-ha/cs复合多孔材料的力学性能、成骨活性及抗菌性。

10、（2）本发明提供的剑麻纤维增强的高成骨活性的壳聚糖基抗菌复合多孔材料，其制备过程简单易行，生产成本低廉，绿色环保，适合大批量生产；且其该多孔复合材料的力学性能、降解性能、骨传导性及抗菌性能可通过调节其各组分含量来进行调控，以致能获得满足各种性能要求的骨组织工程支架材料。