一种高强度和柔性羟基磷灰石包覆的二氧化硅复合纤维膜的制备方法

1.本发明属于无机非金属材料制备技术领域，具体涉及一种ha包覆的二氧化硅复合纤维膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.二氧化硅是一种在自然界中广泛分布的无毒、无味、无污染的无机非金属材料，具有耐温性好、耐腐蚀性优异、导热系数低、绝缘性好、化学性能稳定等特点，在众多领域均得到了广泛应用。在生物医用方面，二氧化硅也是一种极具开发潜力的生物材料。二氧化硅与体液接触降解时会释放大量硅离子，以原硅酸(si(oh)4)的形式存在。硅是生物体的正常生长发育中的必需的一种微量元素，当饮食中长期缺乏珪元素时会引起骨和软骨的发育异常。在成骨细胞中，硅元素的含量与镁和磷元素的含量相近，基本分布在线粒体或者其它的细胞器内。硅酸钙释放出的硅离子促进了成纤维细胞血管和内皮细胞中内皮生长因子(vegf)的表达，从而导致vegf促进了骨形态发生蛋白(bmp)的表达。研究人员还发现，硅离子除能促进成骨外，还能上调血管内皮生长因子，从而促进血管生成。
4.羟基磷灰石与人体硬组织以及皮肤、肌肉组织等都有良好的生物相容性,植入体内不仅安全、无毒,还能引导骨生长。即新骨可以从植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。因与自然骨有着相似的化学组成和适宜的孔隙率，有着良好的生物相容性、骨诱导性、骨传导性，化学性质稳定，力学强度高，可以诱导新生毛细血管形成，ha通常被作为理想的材料用于生物体骨修复以实现与宿主骨的良好结合并促进周围血管的生成。
5.静电纺丝技术是一种有效制备纤维材料的方法，在能源、催化、过滤以及生物医学领域有着很高的应用前景。静电纺丝制备的复合纳米纤维具有多孔性和层次性可提高组织的生长和侵袭能力以及其他性能。以静电纺丝技术制备无机纤维二维材料来用于生物医药工程，对于绝大多数生物陶瓷材料来说是不能实现的，因为面临着工艺复杂，机械强度低等问题。
6.目前，世界上一些研究人员(surrao,denver c,et al.,acta biomater,2012,8(11),3997-4006；liu,xingzhi,et al,biomaterials,2021,276,121037)将生物相容性聚合物进行静电纺丝制备骨修复支架用于生物材料研究，但这些生物相容聚合物存在生物活性弱，缺乏促进骨诱导性，降解过快的问题。


技术实现要素：

7.针对上述现有存在的问题，本发明提供一种ha包覆的二氧化硅复合纤维膜及其制
备方法和应用。本发明提供的制备方法安全稳定，无污染，原料易得，操作容易，设备简单，产量较高，且制备得到ha包覆的二氧化硅复合纤维膜，具有优异的柔性和强度，具有广阔的应用前景。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一个方面，提供了一种高强度和柔性羟基磷灰石包覆的二氧化硅复合纤维膜的制备方法，包括：
10.将sio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液，在碳酸氢钠存在下进行静置，待ha沉积完成后，洗涤，得到ha包覆的sio2纤维膜；
11.所述sbf矿化液包括：氯化钠，氯化钾，二水氯化钙，六水氯化镁，无水磷酸二氢钠。
12.二氧化硅是一个与静电纺丝相结合的良好的目标材料，可利用其有机硅单体在一定条件下进行水解缩聚来产生具有可纺性的硅溶胶，从而减少助纺聚合物的使用，避免后续热处理过程中力学性能的恶化；其次，目标产物的相为无定形二氧化硅，避免了结晶相的产生带来的应力集中的问题，从而所得到二氧化硅纤维膜具有高强度和柔性。
13.因此，本发明在高强度和柔性的二氧化硅纤维膜基础上，通过仿生矿化的方法，将ha包覆于二氧化硅纤维膜，弥补了二氧化硅纤维膜的生物活性低的缺陷，有着令人振奋的应用前景。
14.本发明的第二个方面，提供了上述方法制备的羟基磷灰石包覆的二氧化硅复合纤维膜。
15.本发明的有益效果
16.(1)本发明利用仿生矿化的方法，在具有柔性和高强度二氧化硅纤维膜的基础上制备了包覆ha的二氧化硅复合纤维膜，首先利用在一定水解条件下硅溶胶本身的可纺性，制备了高强度和柔性的二氧化硅纤维膜；其次将制备的纤维膜浸入到事先配制的10倍sbf矿化原液中，加入一定量的碳酸氢钠破坏介稳平衡促进产生磷酸钙沉淀，沉积了一层团簇状ha于二氧化硅纤维之上，得到包覆ha的二氧化硅复合纤维膜；
17.(2)本发明优化工艺参数，在优化的工艺参数条件下，得到的ha包覆的二氧化硅复合纤维膜在本身柔性和抗拉强度高的基础上，兼具优异的生物活性，从而具有极高的可操作性，实用性，拓宽其在骨修复材料、药物载体和创口愈合中的应用；
18.(3)本发明所述方法原料易得，成本低；设备简单，操作方便；同时与现有制备方法相比，本技术技术方案环保性、稳定性和安全性的代提高，所使用的原料无毒无污染，可以稳定地反应，该反应过程不会产生易爆炸的物质，并且不会产生有毒气体，符合绿色生产的理念，具有广阔的医药化生产前景和实际应用价值。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
20.图1为本发明实施例1，2，3，4制备的生物玻璃纤维膜的扫描电镜照片。
21.图2为本发明实施例1，2，3，4制备的生物玻璃纤维膜的成骨细胞黏附的扫描电镜照片。
具体实施方式
22.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.针对背景技术所介绍的目前ha/二氧化硅复合材料所存在的问题，本发明提出一种制备二维具有柔性和高强度的ha包覆的二氧化硅复合纤维膜的方法。该方法首先以有机硅单体为硅源，在一定酸性条件下水解，利用其自身的优良的可纺性进行静电纺丝，随后将得到的二氧化硅纤维膜前驱体进行高温热处理，随炉冷却后便可以得到二氧化硅纤维膜。其次，利用仿生矿化的原理，将二氧化硅纤维膜浸入10倍sbf矿化液中，并于之前加入沉淀剂促进磷酸钙析出，静置一段时间得到ha包覆的二氧化硅复合纤维膜。
24.具体的，本发明所述方法的具体步骤如下：
25.s1.将有机硅单体加入乙醇中混合均匀；
26.s2.对步骤s1.得到的溶液加入酸进行水解反应，混合均匀得到生物玻璃溶胶；
27.s3.将步骤s2.得到的硅溶胶中加热蒸发至合适粘度；
28.s4.将步骤s3.得到的硅溶胶进行静电纺丝；
29.s5.将步骤s4.静电纺丝得到sio2纤维膜前驱体进行高温处理得到二氧化硅纤维膜；
30.s6.将氯化钠，氯化钾，二水氯化钙，六水氯化镁，无水磷酸二氢钠依次完全溶解到去离子水中，混合均匀，配置10倍sbf原液；
31.s7.向s6.中得到的10倍sbf原液加入一定量的碳酸氢钠，得到10倍sbf矿化液；
32.s8.将s5.中得到的sio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液中，静置20小时；
33.s9.将s8.中包覆ha的sio2纤维膜多次洗涤，得到ha包覆的sio2纤维膜。
34.本发明所述方法可能的原理为：有机硅单体中硅和水的摩尔比在1：2左右时，水解时会形成链状硅烷分子结构如式(1)，而硅源的量远小于水的量时则会形成环状分子如式(2)。在本发明的生物玻璃的体系中，利用这一链状硅烷分子结构，使硅溶胶具有相当的纺性，从而不依靠助纺聚合物制备高强度和柔性二氧化硅纤维膜。其次，利用仿生矿化的原理，在原有二氧化硅纤维膜高比表面的有利条件下，可以大量沉积ha，来模拟人骨以胶原纤维为模板复合羟基磷灰石晶体，形成一种团簇状ha包覆的二氧化硅纤维膜二维柔性材料。
35.在一些实施例中，s1.中选择正硅酸乙酯为有机硅单体，此原料绿色无毒，且价格低廉，水解产物中也没有有害成分，是良好的工业原料。因为正硅酸乙酯与水不溶，故所用的乙醇的量为正硅酸乙酯体积的一半，有助于水解反应时正硅酸乙酯与水的互溶。
36.在一些实施例中，s2.中酸溶液中所含水的量与正硅酸乙酯的摩尔比为1.8-2.4。若水的量过少，则水解缩聚反应程度若，以至于不能形成足够的链状硅烷分子来支撑纺丝的连续性；若水的量的过多，则易形成环状硅烷分子，同样造成可纺性的下降。
37.在一些实施例中，s3.中蒸发至粘度为1～10pa
·
s，若粘度小于此范围，则射流连续性不高，不能得到力学性能较好的纤维膜；若粘度大于此范围，则溶胶向凝胶转变程度过大，可纺性大大下降。
38.在一些实施例中，s4.中所采用的电压若低于12kv，则会导致纺丝时电场力过弱，效率低下；高于20kv，则体系受力不平衡，影响纺丝连贯性。
39.在一些实施例中，s5.中高温热处理的温度为600-800℃，此温度下得到的二氧化硅纤维膜具有较好的力学性能。
40.在一些实施例中，s6.中氯化钠，氯化钾，二水氯化钙，六水氯化镁，无水磷酸二氢钠的浓度分别为1000,5,25,5,10mm，各个原料浓度保证彼此之间不影响溶解。
41.在一些实施例中，s7.中加入的碳酸氢钠的浓度为5-50mm，若浓度过低，不能保证ha产生沉积；浓度过高，则矿化液短时间内于溶液内立刻产生沉淀，而并不包覆于基体之上。
42.在一些实施例中，s8.中加入二氧化硅纤维膜与10倍sbf矿化液的质量比为0.001-0.01。若矿化液用量过少，则会造成沉积的ha不足；若用量过多，则会造成矿化液的浪费。若静置时间过短，则会造成沉积的ha不足；时间过长，则会导致沉积量过多。
43.在一些实施例中，s9.中洗涤的次数为去离子水和乙醇各3次，若次数过少会导致有离子残留。
44.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
45.实施例1
46.(1)取30ml正硅酸乙酯，加入到30ml无水乙醇中，混合搅拌20分钟；
47.(2)取5ml盐酸(0.01m)滴加到上述混合溶液中，混合搅拌20分钟得到硅溶胶；
48.(3)将得到的硅溶胶加热至80℃蒸发至粘度为3pa
·
s；
49.(4)将得到的纺丝液在静电纺丝机中进行纺丝，电压为18kv，速度为0.0015mm/s，工作距离为15cm；
50.(5)将纺丝得到的生物玻璃纤维膜前驱体在马弗炉中600℃处理5小时，得到二氧化硅纤维膜；
51.(6)将116.8860g氯化钠，0.7456氯化钾，7.3508g二水氯化钙，2.0330g六水氯化镁，2.3996g无水磷酸二氢钠依次完全溶解到2l去离子水中，混合均匀，配置10倍sbf原液；
52.(7)取200ml10倍sbf原液加入0.168g的碳酸氢钠，得到10倍sbf矿化液；
53.(8)将1gsio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液中，静置15小时,得到包覆ha的sio2纤维膜；
54.(9)将包覆ha的sio2纤维膜用去离子水和乙醇洗涤各洗涤3次。
55.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的扫描电镜照片如图1中(1)所示。
56.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的成骨细胞黏附的扫描电镜照片如图2中(1)所示。
57.由此可知，本发明得到的ha包覆的二氧化硅复合纤维膜在本身柔性和抗拉强度高的基础上，兼具优异的生物活性。
58.实施例2
59.(1)取30ml正硅酸乙酯，加入到30ml无水乙醇中，混合搅拌20分钟；
60.(2)取5ml盐酸(0.02m)滴加到上述混合溶液中，混合搅拌20分钟得到硅溶胶；
61.(3)将得到的硅溶胶加热至80℃蒸发至粘度为2.6pa
·
s；
62.(4)将得到的纺丝液在静电纺丝机中进行纺丝，电压为18kv，速度为0.0015mm/s，工作距离为15cm；
63.(5)将纺丝得到的生物玻璃纤维膜前驱体在马弗炉中600℃处理5小时，得到二氧化硅纤维膜；
64.(6)将116.8860g氯化钠，0.7456氯化钾，7.3508g二水氯化钙，2.0330g六水氯化镁，2.3996g无水磷酸二氢钠依次完全溶解到2l去离子水中，混合均匀，配置10倍sbf原液；
65.(7)取200ml10倍sbf原液加入0.336g的碳酸氢钠，得到10倍sbf矿化液；
66.(8)将1gsio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液中，静置15小时,得到包覆ha的sio2纤维膜；
67.(9)将包覆ha的sio2纤维膜用去离子水和乙醇洗涤各洗涤3次。
68.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的扫描电镜照片如图1中(2)所示。
69.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的成骨细胞黏附的扫描电镜照片如图2中(2)所示。
70.实施例3
71.(1)取30ml正硅酸乙酯，加入到30ml无水乙醇中，混合搅拌20分钟；
72.(2)取5ml盐酸(0.01m)滴加到上述混合溶液中，混合搅拌20分钟得到硅溶胶；
73.(3)将得到的硅溶胶加热至80℃蒸发至粘度为6pa
·
s；
74.(4)将得到的纺丝液在静电纺丝机中进行纺丝，电压为18kv，速度为0.0015mm/s，工作距离为15cm；
75.(5)将纺丝得到的生物玻璃纤维膜前驱体在马弗炉中600℃处理5小时，得到二氧化硅纤维膜；
76.(6)将116.8860g氯化钠，0.7456氯化钾，7.3508g二水氯化钙，2.0330g六水氯化镁，2.3996g无水磷酸二氢钠依次完全溶解到2l去离子水中，混合均匀，配置10倍sbf原液；
77.(7)取200ml10倍sbf原液加入0.504g的碳酸氢钠，得到10倍sbf矿化液；
78.(8)将1gsio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液中，静置15小时,得到包覆ha的sio2纤维膜；
79.(9)将包覆ha的sio2纤维膜用去离子水和乙醇洗涤各洗涤3次。
80.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的扫描电镜照片如图1中(3)所示。
81.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的成骨细胞黏附的扫描电镜照片如图2中(3)所示。
82.实施例4
83.(1)取30ml正硅酸乙酯，加入到30ml无水乙醇中，混合搅拌20分钟；
84.(2)取5ml盐酸(0.015m)滴加到上述混合溶液中，混合搅拌20分钟得到硅溶胶；
85.(3)将得到的硅溶胶加热至80℃蒸发至粘度为5pa
·
s；
86.(4)将得到的纺丝液在静电纺丝机中进行纺丝，电压为18kv，速度为0.0015mm/s，工作距离为15cm；
87.(5)将纺丝得到的生物玻璃纤维膜前驱体在马弗炉中600℃处理5小时，得到二氧化硅纤维膜；
88.(6)将116.8860g氯化钠，0.7456氯化钾，7.3508g二水氯化钙，2.0330g六水氯化镁，2.3996g无水磷酸二氢钠依次完全溶解到2l去离子水中，混合均匀，配置10倍sbf原液；
89.(7)取200ml10倍sbf原液加入0.672g的碳酸氢钠，得到10倍sbf矿化液；
90.(8)将1gsio2纤维膜浸入到10倍sbf矿化液中，静置15小时,得到包覆ha的sio2纤维膜；
91.(9)将包覆ha的sio2纤维膜用去离子水和乙醇洗涤各洗涤3次。
92.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的扫描电镜照片如图1中(4)所示。
93.本实施例制备的生物玻璃纤维膜的成骨细胞黏附的扫描电镜照片如图2中(4)所示。
94.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。