專利名稱：納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米羥基磷灰石的制備，具體涉及一種納米羥基磷灰石/天然高分子
復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
天然骨組織是一個納米羥基磷灰石(HAP)和天然高分子的生物復(fù)合體，因此納米羥基磷灰石的復(fù)合材料一直是研究的熱點，但是納米顆粒的滲出將有可能會對機體產(chǎn)生不良影響，因此生物礦化有可能是一種有效的方法在保持基體材料的力學(xué)性能的同時提高材料的生物相容性。生物礦化基于仿生的原理，以生物大分子為模板，通過自組裝或者自組織控制無機晶體的生長，來復(fù)制天然骨組織的納米復(fù)合和梯度結(jié)構(gòu)。 天然高分子材料如甲殼素、殼聚糖及其衍生物、膠原、海藻酸鈉等多糖和蛋白是自然界中生物復(fù)合體中主要的有機成分，作為大分子模板在生物礦化中起到了重要的作用，而且它跟無機礦物晶體之間的相互作用提供了高度的分子識別點。而且這些材料由于具有良好的生物相容性和生物可降解性等在組織工程研究中受到眾多研究者的青睞，因此以天然高分子材料為大分子模板進行生物礦化是模擬天然組織的有效方法。 現(xiàn)有文獻中，制備納米羥基磷灰石顆?；蛘咄繉拥某Ｓ梅椒ㄓ兴苣z法，共沉淀法，乳化法，水熱法，電化學(xué)法以及化學(xué)氣相沉積法等。但是這些方法或者要求對反應(yīng)條件精確控制，或者需要昂貴的原材料，或者引入大量的有毒有機試劑或者很長的反應(yīng)時間及很高的溫度。天然高分子材料作為一種水溶性高分子，對反應(yīng)條件要求比較苛刻，溫度、酸度過高或者反應(yīng)時間太長很容易引起材料的變性或者降解。同時組織工程尤其是骨組織工程支架材料，要求無機礦物質(zhì)含量相對較高，并且可以通過利用較厚的礦化層來提高材料的拉伸和壓縮強度，因此現(xiàn)有的礦化方法對礦化天然高分子材料制備骨組織工程支架材料并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種反應(yīng)時間短、條件溫和的天然高分子材料的快速礦化方法，也即提供一種納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法。 本發(fā)明的另一目的是提供上述方法得到的一種是以天然高分子材料為多孔基體
材料，其內(nèi)外部沉積有納米羥基磷灰石礦化層的復(fù)合材料。 本發(fā)明的再一 目的是提供上述復(fù)合材料作為組織工程材料的應(yīng)用。 本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn) —種納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，或者說是一種天然高分子材料的礦化方法，是將天然高分子材料投入由乙醇、水和尿素組成的混合溶液中，加入磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液，密封反應(yīng)；
所述混合溶液中乙醇和水的體積比為2-6 : l，尿素在混合溶液中的濃度為l-3g/100ml。 在上述方法中，加入磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液的目的是為了生成羥基磷灰石，溶液的濃度和配比可參考現(xiàn)有的方法。作為優(yōu)選，所述磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液的
濃度相同，并控制磷酸二氫鈉和氯化鈣的摩爾比為5 : 3。更優(yōu)選地，所述磷酸二氫鈉溶液
和氯化鈣溶液的濃度均為0. 01-0. 1M。 在上述方法中，所述密封反應(yīng)優(yōu)選是置于60-8(TC溫度條件下反應(yīng)8-24h。
在上述方法中，所述混合溶液的體積優(yōu)選至少為天然高分子材料的體積的2倍。
在上述方法中，在加入磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液后，體系一般為弱堿性，否則需要調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的PH為10-13，并且優(yōu)選使用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，例如使用氫氧化鈉飽和溶液或固體氫氧化鈉。 在上述方法中，所述天然高分子材料指常見的天然生物大分子材料，特別是一些
多糖類或蛋白類組織工程材料，多糖類例如甲殼素、殼聚糖、透明質(zhì)酸鈉或海藻酸鈉等；蛋
白類例如膠原、粘連蛋白或蠶絲蛋白等；還可以是上述多糖或蛋白類組織工程材料經(jīng)過羥
化、酯化、羧酸化、烷基化或交聯(lián)改性后的衍生物或復(fù)合物。這些天然高分子材料均為目前
組織工程研究常用的支架材料，并且均具有正電荷或者負電荷，因此有利于跟反應(yīng)體系中
的磷酸根或鈣離子緊密結(jié)合。 本發(fā)明的基本原理如下 本發(fā)明方法中羥基磷灰石的生成首先是以磷酸氫鈣(DCP)為前驅(qū)體，利用DCP分解生成HAP。尿素在體系中首先分解生成C02和NH3，溶于水在溶液中形成HC03—或C032—和NH/，這些離子作為緩沖劑能夠保證反應(yīng)體系呈弱堿性以利于DCP的分解以及HAP的結(jié)晶。
在礦化反應(yīng)初始，溶液中的磷酸根或鈣離子能夠與天然高分子上的正電荷(如殼聚糖及其衍生物)或負電荷(如透明質(zhì)酸鈉、海藻酸鈉、膠原等大部分的天然高分子材料均帶負電)緊密結(jié)合，從而使體系達到超飽和，并且這些結(jié)合點將作為DCP的成核點和HAP的成核點。HAP以高分子材料上的正電荷/負電荷為生長點生長并延伸到整個基體材料表面，形成有效的有機/無機雜化復(fù)合材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法主要具備如下優(yōu)點 (1)本發(fā)明的制備方法快速有效。按照本發(fā)明方法礦化8h后體系中就會得到高結(jié)晶度納米羥基磷灰石，并且隨著時間延長礦化層會顯著增厚。因此根據(jù)實際需要礦化材料的體積大小，礦化時間選擇為8-24h。 (2)本發(fā)明方法中反應(yīng)介質(zhì)是乙醇和水共溶劑，這兩者對天然高分子材料無害，并且乙醇/水混合溶劑共同調(diào)控反應(yīng)過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)，影響納米羥基磷灰石的結(jié)晶及形態(tài)；尿素作為溫和緩釋劑對體系的PH值變化進行微調(diào)； (3)反應(yīng)溫度優(yōu)選不高于8(TC，不會引起材料的降解和變性；體系的pH值呈弱堿性，也不會引起材料的降解和溶解。 (4)反應(yīng)方法和反應(yīng)體系容易操作和控制。本發(fā)明方法中所涉及的化學(xué)試劑均為常見試劑，容易獲得；另外氯化鈣和磷酸二氫鈉溶液可以同時加入反應(yīng)體系，代替逐滴加入，省時省力；所有的必需試劑加入以后，只需將礦化體系放到8(TC烘箱中反應(yīng)所需時間。因此本方法為one-pot法，整個操作過程簡單可行。
(5)成本低。本發(fā)明方法中所涉及的所有試劑均為常見化學(xué)試劑，價格低廉；而且整個反應(yīng)條件比較溫和，避免了高能源的投入。 (6)本發(fā)明得到的有機/無機雜化復(fù)合材料，不但保留了預(yù)先構(gòu)建的多孔結(jié)構(gòu)，并且礦化形成納米羥基磷灰石結(jié)晶層與天然高分子材料結(jié)合緊密，在材料內(nèi)、外部均沉積有致密的礦化層，因此材料的力學(xué)強度顯著增強，如實施例1中壓縮強度和壓縮模量分別提高到0. 42 ±0. 006MPa和29. 29 ±1. 25Mpa。


圖1為殼聚糖多孔海綿XRD圖；其中，
(a)為礦化12h后溶液中的形成的晶體XRD (b)為礦化12h后的殼聚糖多孔海綿XRD (c)為礦化24h后溶液中的形成的晶體XRD圖； (d)為礦化24h后的殼聚糖多孔海綿；底部柱狀圖為羥基磷灰石標(biāo)準峰位圖
(JCPDS 9-432)。 圖2為殼聚糖多孔海綿掃描電鏡圖，其中
(a)為礦化前殼聚糖多孔海綿掃描電鏡 (b)為礦化后殼聚糖多孔海綿外表面掃描電鏡 (c)為殼聚糖多孔海綿內(nèi)部礦化層掃描電鏡 (d)為溶液中形成的羥基磷灰石晶體掃描電鏡圖。
具體實施例方式
為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步地詳細說明，但是本發(fā)明
要求保護的范圍并不局限于實例表示的范圍。
實施例1 殼聚糖多孔海綿的礦化。殼聚糖多孔海綿是2% (重量)殼聚糖醋酸溶液-2(TC冷凍8h后經(jīng)冷凍干燥制備，海綿尺寸2 X 2 X lcm，孔隙度約為80% ，平均孔徑約為300 y m。將5ml去離子水，15ml乙醇和0. 3克尿素加入一廣口瓶中攪拌均勻，然后加入5ml磷酸二氫鈉溶液(0. 1M)。將該殼聚糖海綿浸入混合溶液中低速攪拌10分鐘；使溶液充分滲透到海綿網(wǎng)絡(luò)中，然后加入8. 35ml氯化鈣溶液(0. 1M)繼續(xù)攪拌5分鐘，用飽和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廣口瓶中反應(yīng)體系的pH值為12。將廣口瓶密封置于8(TC烘箱中反應(yīng)24h。礦化后的殼聚糖多孔海綿用85% (重量)乙醇水溶液充分清洗，超聲(40KHz)震蕩10min去除海綿中懸浮的羥基磷灰石，然后_201:冷凍2h凍干得到礦化的殼聚糖多孔海綿，即一種納米羥基磷灰石/殼聚糖復(fù)合材料。體系中的懸浮液經(jīng)離心、去離子水充分清洗后，6(TC烘干干燥保存，得到納米羥基磷灰石備用。如圖l所示，礦化后的殼聚糖海綿XRD衍射圖表明，礦化12h后溶液中已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石(圖1 (a))，在布拉格衍射峰上2 e角約為26， 28， 29， 30-35，39，46，49和50°位置為羥基磷灰石的特征衍射峰；圖1 (b)為礦化12h的殼聚糖海綿衍射圖，已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的羥基磷灰石衍射峰，但是峰的強度較弱，30 °附近的肩峰表明羥基磷灰石結(jié)晶中存在部分無定形態(tài)，而且，在其衍射峰也出現(xiàn)了磷酸氫鈣(DCP)的衍射峰，圖中以實心點標(biāo)出；礦化24h后，如圖ld所示，海綿上羥基磷灰石的衍射峰非常尖銳，并且呈現(xiàn)單一的HAP衍射峰，位于2 e角為32°附近的(112)面和(300)面的衍射峰出現(xiàn)分離，結(jié)晶度遠遠高于溶液中形成HA(圖l(c));底部柱狀圖為羥基磷灰石標(biāo)準峰位圖(JCPDS9-432)。
殼聚糖海綿柔軟多孔，礦化后力學(xué)強度顯著增加，經(jīng)檢測，壓縮強度和壓縮模量分別提高到0. 42 ±0. 006MPa和29. 29 ±1. 25MPa。 掃描電鏡觀察，礦化前的殼聚糖海綿為白色，柔軟并且多孔，孔壁較薄(圖2(a));礦化24h后支架表面被羥基磷灰石晶體層緊密覆蓋(圖2(b));礦化支架的內(nèi)部(圖2(c))可以看到在殼聚糖膜片上均勻分布一層羥基磷灰石晶體，呈納米棒狀，長度為100nm左右，其形態(tài)與溶液中形成的晶體相似(圖2(d))。
實施例2 磷酸化殼聚糖多孔支架的礦化。磷酸化殼聚糖多孔支架是將2% (重量)殼聚糖醋酸溶液經(jīng)三維打印機打印后，磷酸化表面改性制得，圓柱形，直徑lcmX高lcm，孔隙率50% ，孔徑500 ii m ;將5個磷酸化殼聚糖多孔支架置于含有10ml水、30ml乙醇和0. 5g尿素的反應(yīng)體系中。然后加入10ml磷酸二氫鈉溶液(0. 1M)和16. 7ml氯化鈣溶液(0. 1M)。攪拌5分鐘后，氫氧化鈉固體調(diào)節(jié)體系的pH值為10。將反應(yīng)體系密封后置于7(TC烘箱中反應(yīng)24h，礦化后的支架是一種納米羥基磷灰石/磷酸化殼聚糖復(fù)合材料。礦化后的支架用水充分清洗，超聲(40KHz)振蕩10min，然后-2(TC冷凍2h后經(jīng)冷凍干燥。體系中的懸浮液經(jīng)離心、去離子水充分清洗后，干燥保存。礦化后的材料經(jīng)過XRD和掃描電鏡表明，材料內(nèi)外
表面均緊密覆蓋納米羥基磷灰石晶體層。
實施例3 蠶絲蛋白纖維束的礦化。蠶絲蛋白纖維束是經(jīng)靜電紡絲制備，纖維直徑小于lnm，纖維束直徑約為20iim。將0. lg蠶絲蛋白纖維束置于含有5ml水、15ml乙醇和0. 3g尿素的混合溶液中，放到搖床上振動，速度為60rpm。然后加入8. 35ml氯化鈣溶液(0. 05M)和5ml磷酸二氫鈉溶液(0. 05M)，用飽和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的pH值為12。將反應(yīng)體系密封后置于6(TC烘箱中反應(yīng)8h，即得一種納米羥基磷灰石/蠶絲蛋白復(fù)合材料。礦化后的海綿用水充分清洗，超聲(20KHz)振蕩5min，然后-2(TC冷凍2h后冷凍干燥。礦化后的材料經(jīng)過透射電鏡和掃描電鏡表明，纖維表面緊密覆蓋納米羥基磷灰石晶體層。
實施例4 膠原海綿的礦化。膠原海綿是將1. 5% (wt% )膠原溶液-2(TC冷凍8h后經(jīng)冷凍干燥制備，圓柱形，直徑5cmX高2cm。將該膠原海綿浸入含有20ml水、60ml乙醇和1. 5g尿素的混合溶液中約10min。然后在磁力攪拌加入16. 7ml氯化f丐溶液(0. 1M)和10ml磷酸二氫鈉溶液(0. 1M)，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)體系的pH值為12。將反應(yīng)體系凡士林密封后放置到6(TC烘箱中反應(yīng)24h，即得一種納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料。膠原海綿用去離子水和乙醇反復(fù)清洗后，凍干。礦化后的材料經(jīng)過XRD和掃描電鏡表明，材料內(nèi)外表面均緊密覆蓋納米羥基磷灰石晶體層。
實施例5 改性多孔海藻酸鈉水凝膠的礦化。改性多孔海藻酸鈉水凝膠是2 % (wt % )海藻酸鈉水溶液經(jīng)鈣離子成膠，孔隙率為70% ，孔徑為300 ii m， 2 X 2 X lcm。將0. 6g尿素和50ml乙醇/水復(fù)合溶劑溶解在廣口玻璃瓶中，然后投入該改性多孔海藻酸鈉水凝膠充分浸泡。加入16. 7ml氯化f丐溶液(0. 05M)和10ml磷酸二氫鈉溶液(0. 05M)，用飽和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的PH值為13。重復(fù)攪拌均勻后密封，置于8(TC烘箱反應(yīng)8h得一種納米羥基磷灰石/海藻酸鈉復(fù)合材料。最后水凝膠用85%乙醇反復(fù)清洗并超聲(40KHz)震蕩5min。 8(TC干燥后經(jīng)XRD和掃描電鏡表明，材料內(nèi)外表面均緊密覆蓋納米羥基磷灰石晶體層。
實施例6 透明質(zhì)酸鈉/聚乳酸(PLA)多孔復(fù)合支架的礦化。透明質(zhì)酸鈉/聚乳酸(PLA)多孔復(fù)合支架是透明質(zhì)酸鈉粉未和聚乳酸粉末經(jīng)0)2超臨界流體技術(shù)制備，圓柱形，1.0X1.0cm，透明質(zhì)酸鈉與PLA質(zhì)量比為4 : 6。將5個透明質(zhì)酸鈉/聚乳酸(PLA)多孔復(fù)合支架浸入含10ml水、30ml乙醇和0. 5g尿素的溶液中，然后加入16. 7ml氯化鈣溶液(0. 1M)和10ml磷酸二氫鈉溶液(0. 1M)，用飽和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的pH值為12。將礦化體系密封后置于7(TC烘箱中礦化24h得一種納米羥基磷灰石/透明質(zhì)酸鈉/聚乳酸復(fù)合材料。礦化后的材料85%乙醇反復(fù)清洗后，超聲((40KHz)震蕩5min，最后凍干后保存。礦化后的材料經(jīng)過XRD和掃描電鏡表明，材料內(nèi)外表面均緊密覆蓋納米羥基磷灰石晶體層。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將天然高分子材料投入由乙醇、水和尿素組成的混合溶液中，加入磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液，密封反應(yīng)；所述混合溶液中乙醇和水的體積比為2-6∶1，尿素在混合溶液中的濃度為1-3g/100ml。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特 征在于所述磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液的濃度相同，磷酸二氫鈉和氯化鈣的摩爾比為5 : 3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于所述磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液的濃度均為0. 01-0. 1M。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于所述密封反應(yīng)是置于60-8(TC溫度條件下反應(yīng)8-24h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于所述混合溶液的體積至少為天然高分子材料的體積的2倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述天然高分子材料為帶正或負電荷的多糖或蛋白類組織工程材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述多糖為甲殼素、殼聚糖、透明質(zhì)酸鈉、海藻酸鈉或它們經(jīng)過羥化、酯化、羧酸化、烷基化或交聯(lián)改性后的衍生物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述蛋白為膠原、粘連蛋白、蠶絲蛋白或它們經(jīng)過羥化、酯化、羧酸化、烷基化或交聯(lián)改性后的衍生物。
9. 一種納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料，其特征在于由權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法制備得到。
10. 權(quán)利要求9所述納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及組織工程材料，具體公開了一種納米羥基磷灰石/天然高分子復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的方法是將天然高分子材料投入由乙醇、水和尿素的混合溶液中，加入磷酸二氫鈉溶液和氯化鈣溶液，進行密封反應(yīng)得到?；旌先芤褐幸掖己退捏w積比為2-6∶1，尿素在混合溶液中的濃度為1-3g/100ml。該方法快速有效、反應(yīng)體系條件溫和、反應(yīng)方法和反應(yīng)體系容易操作和控制，成本低，避免了高能源的投入。由此得到的復(fù)合材料具有較厚的礦化層，從而具有較高的拉伸和壓縮強度，可以應(yīng)用于需要高力學(xué)強度的組織工程材料的領(lǐng)域，例如制造骨組織工程材料。
文檔編號C08K9/04GK101693774SQ20091019277
公開日2010年4月14日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者周長忍, 李立華 申請人:暨南大學(xué);