專利名稱：細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料及其制備方法。
背景技術：
隨著生物醫(yī)學工程研究的發(fā)展，組織工程已經(jīng)成為當今科研與臨床應用的一大熱 點。組織工程支架材料的研究也備受研究人員的關注。目前，人們已經(jīng)利用靜電紡絲、相分 離等方法制備出膠原、藻酸鹽、殼聚糖、PLGA等眾多的高分子組織工程支架。與上述生物高 分子相比，細菌纖維素具有特殊的結構和物理化學性能。細菌纖維素三維的納米網(wǎng)絡結構、 良好的力學性能、透氣性能、生物相容性等使其在生物醫(yī)用領域中具有十分廣泛的應用潛 力，已被廣泛應用于人工皮膚、傷口敷料、人工血管和人工角膜等方面。最近細菌纖維素作為軟骨組織工程支架的研究也有了進展。細菌纖維素與關節(jié) 軟骨組織相似的楊氏模量和良好的細胞黏附性能，使其作為骨修復替代材料具有可行性。 軟骨細胞在細菌纖維素基體上的繁殖速度雖然僅為膠原II上的50%，但在相同的體外免 疫反應程度下，軟骨細胞在細菌纖維素基體上的生長速度要高于在藻酸鹽基體上的生長速 度。在這種由細菌纖維素構成的支架上，軟骨細胞保持了分化型。由于人體骨骼是由羥基磷灰石和膠原復合而成，明膠作為膠原的降解產(chǎn)物，其氨 基酸組成和膠原相似，且具有水溶性。鑒于這一特點，許多學者對羥基磷灰石/明膠復合材 料進行了研究。發(fā)現(xiàn)這種復合材料不僅具有與人體骨骼相似的結構，而且具有多孔和可降 解性等優(yōu)點，但普遍存在力學性能較差的問題，限制了這類支架材料在骨組織工程中的應 用。另外，Kim等合成羥基磷灰石/明膠納米復合材料作為骨組織工程支架，并與非納米結 構的羥基磷灰石/明膠復合材料進行對比，發(fā)現(xiàn)前者支架表面造骨細胞的數(shù)量和增殖量明 顯增多，說明納米結構更有利于造骨細胞的生長和繁殖。細菌纖維素的楊氏模量與關節(jié)軟 骨組織相似，同時具有納米結構，若在羥基磷灰石/明膠復合材料中引入細菌纖維素，在保 持原有材料仿生、多孔和可降解性的前提下，可突破力學性能較低這一難題，同時使材料具 有納米結構。鑒于此，本發(fā)明首次制備了細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。相比于傳 統(tǒng)的羥基磷灰石/明膠復合材料，該材料不僅具有仿生的特點，而且具有獨特的納米結構 和良好的力學性能，解決了傳統(tǒng)羥基磷灰石/明膠復合材料力學性能較低的難題。這種在 化學組成、聚集態(tài)結構和性能上均與自然骨接近的支架材料將在骨修復領域具有很高的臨 床應用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料及其制備方 法。本發(fā)明將細菌纖維素與明膠復合，首次以原花青素作為交聯(lián)劑對明膠進行交聯(lián)，使明膠 包裹在細菌纖維素的纖維表面，制得細菌纖維素/明膠復合材料，進而采用仿生礦化方法 制備細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。細菌纖維素的引入解決了傳統(tǒng)羥基磷灰石/明膠支架力學性能較低的難題，并具有獨特的納米結構，有利于細胞的生長和繁殖，滿足 骨組織工程支架的要求。本發(fā)明制備工藝簡單，未使用任何有毒藥品，安全無毒性。本發(fā)明提供的細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料是以細菌纖維素凝膠膜、 明膠、原花青素、CaCl2和模擬體液為原料制成，細菌纖維素凝膠膜、明膠、原花青素、CaCl2 的的質(zhì)量比100-200 1-5 4-6 6_10，模擬體液是模擬人體血漿中各類無機鹽成分， 離子濃度為 142. Ommol/L Na+、5. (kimol/L Κ+、3· 75mmol/L Ca2+、1· 5mmol/L Mg2+、148. Snmol/ ΙΧΓ、4. 2mmol/L HCO3M. 5mmol/L HPO廣、0. 5mmol/L SO廣。每 100-200 克細菌纖維素凝膠 膜使用模擬體液600-800毫升。所述的細菌纖維素凝膠膜是由根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、 產(chǎn)堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、木醋桿菌中的一種或幾種微生物發(fā)酵制得，用堿液多次煮 沸清洗至乳白色再用去離子水洗至中性。本發(fā)明提供的一種細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料的制備方法經(jīng)過如下 步驟1)將細菌纖維素凝膠膜放入1-5克/升的明膠水溶液37攝氏度恒溫浸泡0. 5-2 天；2)將1)中的凝膠膜取出放入4-6克/升的原花青素溶液，37攝氏度恒溫攪拌1_3 小時，即得細菌纖維素/明膠復合材料；3)將2)中的凝膠膜取出放入0. 05-0. 2摩爾/升的CaCl2溶液，37攝氏度恒溫浸 泡1-5天；4)將3)中的凝膠膜取出放入預先配好的模擬體液中，37攝氏度恒溫浸泡3-14 天，每24小時更新一次模擬體液，即得細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。本發(fā)明將細菌纖維素與明膠復合，首次以原花青素作為交聯(lián)劑對明膠進行交聯(lián)， 使明膠包裹在細菌纖維素的纖維表面，制得細菌纖維素/明膠復合材料，進而采用仿生礦 化方法制備細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。細菌纖維素的引入解決了傳統(tǒng)羥基 磷灰石/明膠支架力學性能較低的難題，并具有獨特的納米結構，有利于細胞的生長和繁 殖，滿足骨組織工程支架的要求。本發(fā)明使用原花青素作為細菌纖維素和明膠的交聯(lián)劑，原花青素作為可食用的滋 補品，安全無毒性。本發(fā)明使用的原料廉價易得，成本低。本發(fā)明在常壓下即可完成材料制 備，工藝簡單，未使用任何有毒藥品，安全無毒性。


圖1實施例1所得樣品的X射線衍射圖譜。圖2實施例1所得樣品的掃描電鏡照片(a)細菌纖維素/明膠復合材料的掃描電 鏡照片，(b)細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式實施例1 將葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、磷酸氫二鈉按質(zhì)量分數(shù)分別為2. 5%U%>0. 75%,1% 依次加入燒杯中，用醋酸調(diào)節(jié)PH值至4. 5，115攝氏度高溫滅菌半小時后取出，作為木醋桿
4菌生長的培養(yǎng)基。木醋桿菌菌種至于瓊脂固體培養(yǎng)基中，在4攝氏度下冷藏保存。用鐵絲在固態(tài)培 養(yǎng)基中輕輕劃一下，立即浸入100毫升液體培養(yǎng)基中，30攝氏度振蕩培養(yǎng)30小時，搖床轉速 為160轉/分鐘，作為種子溶液。以種子溶液的體積分數(shù)不少于6%的接種量接種到液體培 養(yǎng)基中，充分振蕩使菌液均勻，30攝氏度恒溫靜置培養(yǎng)5天，得到細菌纖維素凝膠膜。用質(zhì) 量分數(shù)的氫氧化鈉溶液清洗至乳白色，再用去離子水洗至中性。配制100毫升2. 5克/升的明膠(比利時Acros Organics公司生產(chǎn))水溶液。取 20克細菌纖維素凝膠膜放入明膠水溶液中，37攝氏度恒溫充分攪拌1天。將凝膠膜取出， 放入100毫升5克/升原花青素水溶液中，37攝氏度恒溫攪拌2小時。反應結束后，將凝膠 膜放入80毫升濃度為0. 1摩爾/升的CaCl2溶液中，37攝氏度恒溫浸泡3天。將凝膠膜取 出，置于80毫升預先配好的模擬體液中，在37攝氏度恒溫浸泡7天，即得細菌纖維素/明 膠/羥基磷灰石復合材料。配制模擬體液向去離子水中依次加入NaCl、NaHC03、KC1、Na2HPO4 · 7H20、MgCl、 HCl、CaCl2、Na2S04，配得模擬體液的離子濃度為 142. Ommol/L Na+、5. Ommol/L K+、3. 75mmol/ L Ca2+、1. 5mmol/L Mg2+、148. 8mmol/L Cl\4. 2mmol/L HCO3M. 5mmol/L HP042\0. 5mmol/L SO42",最后用 tris ((CH2-OH) 3CNH2)將 pH 值調(diào)至 7· 4。本發(fā)明首次成功制備了細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。由圖1所示的 X射線衍射可知，材料中分別出現(xiàn)了細菌纖維素、明膠和羥基磷灰石的衍射峰，且無其他雜 質(zhì)峰，證明制得了成分純凈的細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。本發(fā)明制得的細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料首先以原花青素作為交聯(lián) 劑，制得細菌纖維素/明膠復合材料，在細菌纖維素的納米纖維上均勻包裹上一層球狀蛋 白類物質(zhì)，見圖2(a)。再對細菌纖維素/明膠復合材料進行仿生礦化，在已包裹明膠的納 米纖維上沉積羥基磷灰石。由圖2(b)可知，片狀羥基磷灰石均勻包裹在含有明膠的纖維表 面，復合材料仍然保留了細菌纖維素清晰的三維納米網(wǎng)絡結構。實施例2 配制100毫升1克/升的明膠水溶液，將凝膠膜置于預先配好的模擬體液中恒溫 浸泡3天，其他實驗條件同實施例1。
權利要求
一種細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料，其特征在于它是以細菌纖維素凝膠膜、明膠、原花青素、CaCl2和模擬體液為原料制成，細菌纖維素凝膠膜、明膠、原花青素、CaCl2的的質(zhì)量比100 200∶1 5∶4 6∶6 10。
2.根據(jù)權利要求1中所述的復合材料，其特征在于所述的模擬體液各類無機鹽成分離 子濃度為142. Ommol/L Na\5. Ommol/L Κ+、3· 75mmol/L Ca2+、1· 5mmol/L Mg2+、148. 8mmol/L Cr、4.2mmol/L HCO3M. 5mmol/L HP042_ 和 0. 5mmol/L SO:。
3.根據(jù)權利要求1中所述的復合材料，其特征在于所述的每100-200克細菌纖維素凝 膠膜使用模擬體液600-800毫升。
4.根據(jù)權利要求1中所述的復合材料，其特征在于所述的細菌纖維素凝膠膜是由根瘤 菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、木醋桿菌中的 一種或幾種微生物發(fā)酵制得，用堿液多次煮沸清洗至乳白色再用去離子水洗至中性。
5.一種權利要求1中所述的細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料的制備方法，其 特征在于經(jīng)過如下步驟1)將細菌纖維素凝膠膜放入1-5克/升的明膠水溶液，37攝氏度恒溫浸泡0.5-2天；2)將1)中的凝膠膜取出放入4-6克/升的原花青素溶液，37攝氏度恒溫攪拌1-3小 時，即得細菌纖維素/明膠復合材料；3)將2)中的凝膠膜取出放入0.05-0. 2摩爾/升的CaCl2溶液，37攝氏度恒溫浸泡1-5天；4)將3)中的凝膠膜取出放入預先配好的模擬體液中，37攝氏度恒溫浸泡3-14天，每 24小時更新一次模擬體液，即得細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。
6.根據(jù)權利要求5中所述的方法，其特征在于所述的模擬體液的離子濃度為 142. 0mmol/L Na\5. Ommol/L Κ+、3· 75mmol/L Ca2\l. 5mmol/L Mg2+、148. 8mmol/L Cl\ 4. 2mmol/L HCO3M. 5mmol/L HPO42-和 0. 5mmol/L SO42^0
7.根據(jù)權利要求5中所述的方法，其特征在于所述的細菌纖維素凝膠膜是由木醋桿菌 在培養(yǎng)基中發(fā)酵制得，用堿液多次煮沸清洗至乳白色再用去離子水洗至中性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料及其制備方法。它是以細菌纖維素凝膠膜、明膠、原花青素、CaCl2和模擬體液為原料，細菌纖維素凝膠膜、明膠、原花青素、CaCl2的質(zhì)量比100-200∶1-5∶4-6∶6-10。首次以原花青素作為交聯(lián)劑對明膠進行交聯(lián)，使明膠包裹在細菌纖維素的纖維表面，制得細菌纖維素/明膠復合材料，進而采用仿生礦化方法制備細菌纖維素/明膠/羥基磷灰石復合材料。本發(fā)明提供的復合材料具有良好的力學性能和獨特的三維納米網(wǎng)絡結構，在結構和成分上更加接近仿生，滿足人體軟骨組織工程材料的要求。本發(fā)明所用試劑安全無毒性，成本低，制備工藝簡單。
文檔編號A61L27/22GK101947335SQ20101027594
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權日2010年9月9日
發(fā)明者萬怡灶, 翟云敬, 高川 申請人:天津大學