專利名稱：一種絲素羥基磷灰石復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學材料，具體涉及一種以羥基磷灰石、絲素蛋白為基體、脫膠后的家蠶絲或織物為增強體的多孔復合材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
骨缺損、骨不連是臨床常見的骨創(chuàng)傷、感染后遺癥，如何修復骨缺損、骨不連一直是骨科界的棘手問題。因此在骨科、牙科、整容、頜面修復等外科手術(shù)中經(jīng)常需要優(yōu)良性質(zhì)的生物活性人工骨材料。羥基磷灰石(Hydoxyapatite，簡稱HA)，其化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，是構(gòu)成骨和牙的主要無機質(zhì)，其化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、物化性能都與人的正常骨的無機物相似，具有良好的生物相容性和生物活性，但是純羥基磷灰石材料較脆，彎曲強度低，幾乎沒有韌性，不能適應骨移植[Pompea W，Worch H，Schulte K，Materials Science andEngineering，2003，362(1)40-60]。為了提高鈣·磷材料的柔韌性和可加工性，模仿天然骨的組成結(jié)構(gòu)特點，制備具有生物活性和力學性能良好的無機/有機復合生物材料作為硬組織的骨修復、替代材料和組織工程骨修復體材料的主體，日益受到廣泛重視。
目前，許多方法己用于羥基磷灰石陶瓷的增韌補強。例如，層狀結(jié)構(gòu)、納米顆粒、金屬間化合物顆粒、金屬顆粒、晶須、碳纖維等。趙俊亮等[碳纖維增強羥基磷灰石/環(huán)氧樹脂復合材料的制備與力學性能，材料科學與工程學報，2003，21(5)640-643]采用環(huán)氧樹脂、碳纖維與羥基磷灰石復合，使羥基磷灰石陶瓷的韌性和強度提高，但是，由于在復合的過程中引入了第二相，往往會導致生物相容性的下降，一般說來，用生物惰性材料增強的羥基磷灰石材料的生物活性會比純羥基磷灰石的低。因此必須采用生物相容性好的材料來增加羥基磷灰石材料的韌性。
研究表明蠶絲蛋白無毒、無刺激性，具有良好的生物相容性，能夠促進人體細胞的生長，具有生物可降解性(David L.Kaplan，Silk-basedbiomaterials；Biomaterials，2003，24401-416)，由于蠶絲蛋白分子鏈上含有許多極性基團，該基團與極性無機材料相容性好，可以用來提高羥基磷灰石的韌性。將羥基磷灰石與蠶絲蛋白復合后，能使二者的優(yōu)良性能充分結(jié)合，從而可得到生物相容性和生物活性的骨修復和重建骨修復體材料。蠶絲纖維與織物具有較高的韌性和強度，作為增強材料加入后可以提高材料的強度和韌性。
在本發(fā)明作出之前，中國專利“羥基磷灰石顱骨種植體”(公開號CN1370507A)公開了一種在蠶絲網(wǎng)、空心尼龍網(wǎng)之間分層加入羥基磷灰石粉制成顱骨種植體的技術(shù)，它采用在層與層之間由粘合劑相連接，然后加壓加溫100℃左右成型的方案，由于手工涂敷或機械模壓成型方法制得復合層結(jié)構(gòu)的人工顱骨修復材料，材料中不存在相互貫通的空隙，因此，這種羥基磷灰石復合材料不適合用于組織工程中的細胞培養(yǎng)支架。同樣，胡佳山等[材料科學與工程.2001，19(3)79-83]將碳纖維和原蠶絲經(jīng)有機試劑進行表面處理后制成長度為2mm左右的纖維與羥基磷灰石拌合，并以10MPa壓力壓制成型，采用上述技術(shù)得到的復合骨水泥，也不能形成一定大小的相互貫通的空隙，無法實現(xiàn)細胞的培養(yǎng)，因此，其應用面受到了限制。
目前，在生物醫(yī)學材料領(lǐng)域，十分需要一種不僅具有良好的生物相容性和力學性能，且能適用于細胞培養(yǎng)的組織工程材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具備良好力學性能、細胞相容性和適當降解速率的絲素羥基磷灰石多孔復合材料及其制備方法，為組織工程提供一種新材料。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種絲素羥基磷灰石復合材料，它由羥基磷灰石、家蠶絲素蛋白、蠶絲增強材料組成，其質(zhì)量比為1∶0.1～5∶0.001～0.1，復合材料中具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙，孔隙體積占50～90％。它的抗彎強度為0.1～20MPa，抗彎模量為50～2000Mpa。
制備上述絲素羥基磷灰石復合材料的方法，其制備步驟如下1、把濃度為1～20％的絲素蛋白溶液與羥基磷灰石粉末混合均勻，再加入蠶絲增強材料，將混合物置于金屬模具中；
2、將上述金屬模具低溫快速冷凍10min～24h，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體；3、將含有冷凍體的金屬模具在-10～-30℃的溫度條件下冷凍10～24h后，把分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機試劑滲入冷凍體中，再在20～40℃的溫度條件下預干燥；4、在110～130℃的溫度條件下干燥定型，得到絲素羥基磷灰石多孔復合材料。
上述技術(shù)方案中，所述的羥基磷灰石為納米級；所述的蠶絲增強材料為脫過膠的繭殼單絲、并絲、真絲織物；所述的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機試劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛的一種或幾種；所述的低溫快速冷凍是在-70℃以下的液體中冷凍。
本發(fā)明所提供的絲素羥基磷灰石多孔復合材料，在制備過程中，由于采用了溶液共混—冷凍凝膠法，也就是通過溶液共混，在-70℃以下的液體中快速低溫冷凍，使HA粉末在較均勻的溶液中快速固化，形成均勻的冷凍體，然后升高溫度到絲素溶液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(-34～-20℃)以上，加入低分子量易揮發(fā)的有機試劑，使冷凍體中的絲素蛋白分子重新排列，凝膠化以固定HA粉末，再通過加熱干燥，除去水份以及低分子量易揮發(fā)的有機試劑，由于這些物質(zhì)的揮發(fā)而留下一定結(jié)構(gòu)的孔隙，從而得到多孔復合材料。制備過程中不需要加入化學交聯(lián)劑，加入的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機試劑比較容易揮發(fā)除去，可以，能保持材料良好的生物相容性。在制備時，還可以通過改變羥基磷灰石與蠶絲蛋白類成分的組成比例，達到改善和提高多孔骨修復體在生物活性、力學特性等多方面的性能效果，以滿足不同臨床需要而進行綜合調(diào)整的目的。同時，制備成形后的絲素羥基磷灰石復合材料不再需要進行灼燒工藝，因此，可以保持材料中絲素的活性，為加入各種藥物或生長因子提供了良好的基體。
由于占自然骨重量65％左右的羥基磷灰石成分主要是納米羥基磷灰石，因此，為使本發(fā)明上述的羥基基磷灰石成分和蠶絲蛋白類成分的細粉能有更好的均勻混合程度，一個優(yōu)選的措施，是在上述的制備過程中，作為重要原料的羥基磷磷灰石成分最佳的是采用為納米級的羥基磷灰石。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、絲素蛋白(SF)、羥基磷灰石(HA)、蠶絲纖維均具有較好的生物相容性，SF可生物降解并能引導促進細胞再生，HA具有骨傳導作用，可作為骨基質(zhì)材料直接轉(zhuǎn)化為骨組織，最終被自身組織替代，是理想的組織工程材料。
2、采用溶液共混—冷凍凝膠法，在冷凍固化時能將SF、HA、蠶絲纖維一次性復合，可使三者滲透分布均勻，且加入低分子量易揮發(fā)的有機試劑，通過加熱干燥，水份及低分子量易有機試劑的揮發(fā)，形成一定結(jié)構(gòu)的孔隙，從而得到多孔復合材料，滿足了用于組織工程中的細胞培養(yǎng)支架的需要。
3、金屬模具易成型、形狀易控制，因此，在金屬模具內(nèi)成型的復合材料也可容易地獲得所需的大小和形狀，可以方便地滿足不同形狀要求的需要。
4、采用蠶絲纖維增強材料，因而不需要通過燒結(jié)的方法來解決材料的力學性能，使多孔復合材料具有較好的強度，并且由于絲素活性的存在，為在材料中復合骨形成蛋白(BMP)或其它藥物、蛋白因子等提供了一種新的材料與方法。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一將0.6g羥基磷灰石(HA)加入到20ml濃度為3％的絲素蛋白(SF)溶液中，攪拌10min后將其置于超聲波中均勻化處理，再加入預先脫膠并剪成5mm長的蠶絲纖維0.04g，攪拌30min。
將上述混合物傾入已成型的金屬模具中，把它置于-80℃的乙醇浴中低溫快速冷凍1小時，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體。
取出含有冷凍體的金屬模具，把它放在-10℃的冰箱中冷凍20小時，再把整個模具浸入適量的乙醇溶液中，讓乙醇慢慢地滲入到絲素羥基磷灰石冷凍體中，使絲素凝膠化，2h后將其取出。
把金屬模具置于烘箱中，在30℃的條件下預干燥20小時，然后，再把它置于110℃的溫度下干燥5小時，脫模后制得絲素羥基磷灰石多孔復合材料，編號為1#，其性能參見表一。
實施例二將4.8gHA加入到20ml濃度為6％的絲素溶液中，攪拌10min，然后將其用超聲波處理10min后，加入0.36g蠶絲纖維(預先脫膠，剪成10mm長)，繼續(xù)攪拌10min，形成乳液狀混合物中。
將該混合物傾入金屬模具中，立刻將模具置于-85℃的乙醛浴中低溫快速冷凍5小時，形成冷凍體，取出后再在-30℃的溫度條件下冷凍24小時，然后，將整個模具浸入適量的乙醛溶液中，乙醛緩緩滲透到冷凍體中，使絲素凝膠化，24h后將其取出，置于烘箱中30℃干燥20小時，再于120℃干燥5小時，脫模后得到絲素羥基磷灰石多孔復合材料，編號為2#，其性能參見表一。
實施例三HA含量為3.6g，絲素溶液濃度為9％，預先脫膠后的蠶絲纖維剪成2mm長，加入0.5g，采用液氮低溫快速冷凍10min，其它制備過程同實施例2，制得絲素羥基磷灰石多孔復合材料，編號為3#，其性能參見表一。
實施例四將10.8gHA加入到30ml濃度為9％的絲素溶液中，攪拌10min，然后將其用超聲波處理5min，繼續(xù)攪拌10min得到HA絲素糊狀物；取1.1g蠶絲平紋織物，脫膠，涼干，剪成5塊，分別為10×1cm大小。
在金屬模具中先加一層HA絲素糊狀物，然后鋪一層蠶絲織物，反復依次鋪層，達到厚度約為2mm，最后在其表面涂一層HA絲素糊狀物，得到復合層狀材料；立刻將金屬模具置于-75℃的乙醇浴中冷凍8h，然后在-10℃下凍10，再在-20℃下的丙酮中浸泡12h。
在30℃的鼓風中預干燥，脫模后，再于130℃干燥5小時，制得絲素羥基磷灰石多孔復合材料，編號為4#，其性能參見表一。
表一是采用本發(fā)明實施例技術(shù)方案制備的絲素羥基磷灰石復合材料的性能表。參見表一，本發(fā)明所得到的復合材料產(chǎn)品，表觀密度較低(低于0.5g/cm3)，孔隙率較高，孔隙的總體積占復合材料總體積的50～90％；復合材料的抗彎強度在0.1～20MPa，抗彎模量在50～2000Mpa，具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙。組成復合材料的原料具有良好的生物相容性，制備過程中充分保持了材料的這種特性，加上復合材料成型后具有較好的力學性能、孔隙率以及較大的孔徑，因此，本發(fā)明所提供的多孔復合材料可以用作為骨缺損的修復、藥物控制釋放以及骨組織工程材料，應用前景十分廣闊。
表一

權(quán)利要求
1.一種絲素羥基磷灰石復合材料，其特征在于它由羥基磷灰石、家蠶絲素蛋白、蠶絲增強材料組成，其質(zhì)量比為1∶0.1～5∶0.00 1～0.1；所述的復合材料中具有孔徑為1～100微米的相互貫通的孔隙，孔隙體積占50～90％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復合材料，其特征在于它的抗彎強度為0.1～20MPa，抗彎模量為50～2000Mpa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復合材料，其特征在于所述的羥基磷灰石為納米級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲素羥基磷灰石復合材料，其特征在于所述的蠶絲增強材料為脫過膠的繭殼單絲、并絲、真絲織物。
5.一種如權(quán)利要求1所述的絲素羥基磷灰石復合材料的制備方法，其特征在于制備步驟如下a.把濃度為1～20％的絲素蛋白溶液與羥基磷灰石粉末混合均勻，再加入蠶絲增強材料，將混合物置于金屬模具中；b.將上述金屬模具低溫快速冷凍10min～24h，使模具內(nèi)的混合物形成冷凍體；c.將含有冷凍體的金屬模具在-10～-30℃的溫度條件下冷凍10～24h后，把分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機試劑滲入冷凍體中，再在20～40℃的溫度條件下預干燥；d.在110～130℃的溫度條件下干燥定型，得到絲素羥基磷灰石多孔復合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絲素羥基磷灰石復合材料的制備方法，其特征在于所述的分子量低于100的醇類、酮類、醛類有機試劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絲素羥基磷灰石復合材料的制備方法，其特征在于步驟b中所述的低溫快速冷凍是在-70℃以下的液體中冷凍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絲素羥基磷灰石復合材料及其制備方法。它以羥基磷灰石、絲素蛋白為基體，脫膠后的家蠶絲或織物為增強體，采用溶液共混－冷凍凝膠法，使HA粉末在較均勻的溶液中快速固化，形成均勻的冷凍體后，再升溫到絲素溶液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，加入低分子量易揮發(fā)的有機試劑，使冷凍體中的絲素蛋白分子重新排列，凝膠化以固定HA粉末，通過加熱干燥，除去水份及有機試劑后，形成一定結(jié)構(gòu)的孔隙，制得絲素羥基磷灰石多孔復合材料。它具有良好的力學性能、細胞相容性和適當?shù)慕到馑俾?，滿足了細胞培養(yǎng)支架的需要，可以作為骨缺損的修復、藥物控制釋放以及骨組織工程材料，應用前景十分廣闊。
文檔編號A61L27/22GK1736492SQ20051004092
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月5日
發(fā)明者盧神州, 李明忠 申請人:蘇州大學