專利名稱：礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料及其制備方法，屬于生物醫(yī) 用材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
骨的主要成份是納米羥基磷灰石(HA)和膠原纖維。納米磷灰石礦物在膠原基質(zhì)上規(guī) 則沉積，其晶軸c軸沿納米膠原纖維長軸取向。在這種有機(jī)、無機(jī)巧妙結(jié)合的復(fù)合體形成 過程中，生物礦化起著至關(guān)重要的作用。利用有機(jī)模板可以對(duì)無機(jī)晶體的成核、生長、晶 型及取向進(jìn)行有效調(diào)控，從而模擬生物界的礦化過程制備仿生材料。因此，通過礦化的方 法，從仿生的角度制備成份和結(jié)構(gòu)愈發(fā)相似于骨的替代物有望解決日益加劇的骨缺損修復(fù) 問題。
Du等用片狀膠原作為羥基磷灰石沉積的模板制備具有良好生物活性的復(fù)合支架。 Annie John等用鈣鹽溶液與磷酸鹽溶液交替處理膠原支架，使羥基磷灰石沉積于支架表 面(Annie John, Liu Hong, Yoshito Ikada， "A trial to prepare biodegradable
collagen - hydroxyapatite composites for bone repair" ， Journal of Biomaterials Science-Polymer Edition 2001,12: 689- 705) 。 Rosseeva E V等利用結(jié)構(gòu)上與膠原類 似，具有較低抗原性且價(jià)格便宜的明膠代替膠原，以明膠凝膠作為模板制備了明膠/氟磷 灰石復(fù)合材料(Rosseeva EV, Buder J， Simon P， e"丄 "Synthesis, Characterization, and Morphogenesis of Carbonated Fluorapatite-Gelatine Nanocomposites: A Complex Biomimetic Approach toward the Mineralization of Hard Tissues" , Chemistry of Materials 2008, 20: 6003-6013)。然而，這些基質(zhì)模板均缺乏與骨基質(zhì)相似的纖維結(jié)構(gòu)。
靜電紡絲技術(shù)可以制備直徑在數(shù)十納米至數(shù)微米的超細(xì)纖維，這種超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)與骨 以及許多組織細(xì)胞外基質(zhì)極其相似，擁有極高的比表面積，有利于細(xì)胞的粘附和生長。近 來，研究者利用靜電紡絲纖維膜作為模板制備了一系列納米羥基磷灰石復(fù)合材料 (Kothapalli C R， Shaw M T， Olson J R， a丄 "Fabrication of novel calcium phosphate/poly(lactic acid) fiber composites" ， Journal of biomedical materials research 2008， 84B: 89—97; Cui W G， Li X H, Zhou S B， et a丄 "In situ growth of hydroxyapatite within electrospun poly饑-lactide) fibers" Journal of biomedical materials research 2007， 82A: 831-841)。然而這些模板材料多為人工合成材料，在 性質(zhì)上與天然材料尤其是膠原存在一定差異，亦缺乏細(xì)胞粘附及生物活性物質(zhì)結(jié)合的位 點(diǎn)，因此所得復(fù)合材料僅從結(jié)構(gòu)上較好模擬了天然骨，還有其不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料及其制備方法。該 材料從微觀成份、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)上均較好的模擬了天然骨，可為細(xì)胞粘附、增殖等提供與天 然骨相類似的微環(huán)境，具有良好的生物相容性。本發(fā)明制備過程簡便易行，成本低。
本發(fā)明提供的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料是以明膠、氯化鈣和磷酸氫二鈉 為主要原料，按照質(zhì)量配比明膠電紡纖維CaCl2*H20: Na2HP04=l: 129-430: 85.2~284， 進(jìn)行制備，在直徑600~800nm的交聯(lián)超細(xì)明膠電紡纖維上原位沉積直徑為20~40nm的針棒 狀羥基磷灰石；
具體步驟配制明膠的三氟乙醇溶液作為明膠電紡溶液，進(jìn)行靜電紡絲得到明膠電紡 纖維膜，在戊二醛存在下進(jìn)行處理形成交聯(lián)纖維膜，再經(jīng)甘氨酸溶液浸泡，水洗，干燥， 得到的交聯(lián)的明膠電紡纖維膜依次分別浸入pH》ll的CaCl2的三羥甲基氨基甲垸溶液中和 Na2HP04的三羥甲基氨基甲垸溶液中進(jìn)行礦化，水洗，重復(fù)浸泡3 5次，水洗，干燥。
本發(fā)明提供的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料的制備方法包括的步驟-
1) 將明膠溶于三氟乙醇(TFE)，于37。C下不斷攪拌至溶液透明澄清，得到明膠電 紡溶液，明膠電紡溶液的濃度0. lg/mL。
2) 將明膠溶液注入注射器中，在電壓為10kV、溶液流速為0. 8mL/h、接收距離為15cm 的條件下靜電紡絲，經(jīng)真空干燥后得到明膠電紡纖維膜；
3) 用25%的戊二醛水溶液(體積，毫升)蒸汽于20 25'C下交聯(lián)明膠電紡膜2天，或 用50%戊二醛水溶液(體積，毫升)及無水乙醇配制成的戊二醛乙醇溶液在4。C下對(duì)明膠電 紡膜交聯(lián)2天；之后將交聯(lián)膜取出，用0.1mol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游離戊二醛，用 電阻率為18.24MQ ，cm的水反復(fù)沖洗，置于通風(fēng)廚中空氣干燥24h。
4) 以0.05mol/L的三羥甲基氨基甲烷(Tris)緩沖溶液為溶劑，分別配制濃度 0. 2mol/L~0. 4mol/L的CaCl2溶液和0. 12mol/L~0. 24mol/L的鼬2朋04溶液，并用lmol/L的 氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)Ca、 P溶液的pH值，使pH^11。
5) 將步驟3〗制備的明膠電紡膜浸入CaCl2溶液12h后取出用水反復(fù)沖洗；隨后將膜 浸入Na2HP(V溶液中浸泡相等時(shí)間，取出用水反復(fù)沖洗。
6) 步驟5)操作為一個(gè)循環(huán)，如此循環(huán)多次(3~5次)直至完成礦化，樣品經(jīng)干燥， 即可獲得本發(fā)明所述的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，制備過程簡單易行。本發(fā)明得到的復(fù)合材料含有明膠和 羥基磷灰石，其中明膠性質(zhì)與膠原類似，可以替代膠原，且可大大減小免疫排斥反應(yīng)。明 膠以超細(xì)纖維的形態(tài)存在(直徑600~800nm)，羥基磷灰石為針棒狀，直徑為20 40ran，包裹于明膠纖維外層。復(fù)合材料的成份、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)均接近天然骨，可有效促進(jìn)骨細(xì)胞的 生長及分化，具有良好的生物活性和生物相容性，可望作為有應(yīng)用前景的新型骨修復(fù)材料。


圖1為實(shí)施例2制備的礦化電紡明膠超細(xì)纖維復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)圖。 圖2為實(shí)施例3所示的材料中沉積的羥基磷灰石的高倍掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施所用主要原料為B型明膠(Sigraa試劑公司，美國)、三氟乙醇(山東威海新元 化工有限公司)、三羥甲基氨基甲烷(Tris，北京奧博星生物技術(shù)責(zé)任有限公司)以及分 析純的戊二醛(天津市福晨化學(xué)試劑廠)、氯化鈣(CaCl2*H20) (Ameresco，美國)、無 水磷酸氫二鈉(Na2HP04) (Ameresco，美國)、氫氧化鈉(NaOH) (Ameresco，美國)、 甘氮酸(Ameresco,美國)等。 實(shí)施例1
(1) 將1. 5g明膠粉末溶于15ml三氟乙醇，于37r下不斷攪拌約6h至溶液透明澄 清，得到濃度O. lg/mL的明膠電紡溶液。
(2) 將明膠溶液注入內(nèi)徑為0.8mra平口針頭的50mL注射器中，將注射器固定在微量 注射泵上，將針頭與10 kV高壓直流電源相連，設(shè)定溶液流速為0. 8mL/h，在距離針頭15cm 處放置接地的金屬轉(zhuǎn)鼓接收裝置，進(jìn)行靜電紡絲。將接收轉(zhuǎn)鼓上收集的超細(xì)纖維膜取下于 20 25'C下真空干燥12h得到明膠電紡纖維膜。
(3) 在10mL濃度為50% (mL/mL)的戊二醛水溶液中加入等體積蒸餾水配成25% (mL/mL)的戊二醛水溶液。將20ml 25% (niL/mL)的戊二醛水溶液置于醫(yī)用熏箱底層，
明膠纖維膜平放在表面皿上置于熏箱上層。于20 25T:下交聯(lián)2天后將膜取出，用0. lmol/L 甘氨酸溶液浸泡6h除去游離戊二醛，用超純水(電阻率18.24MQ 'cm)反復(fù)沖洗，置于 通風(fēng)廚中空氣干燥24h。
(4) 以0.05mol/L的三羥甲基氨基甲垸(Tris)緩沖溶液為溶劑，將25. 8g CaCl2* H20晶體和17. 04g Na2HP04晶體分別加入到500mLTris緩沖液中以配制0. 4mol/L的CaCl2 溶液和0. 24mol/L的Na2HP(V溶液，并用lmol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)上述溶液pH值，使 pH》11。
(5) 在29t:下，將(3)制備的明膠電紡膜浸入CaCl2溶液12h后取出用超純水沖洗 4~5次；隨后將膜浸入Na2HP04溶液中浸泡12h，取出用超純水沖洗4~5次。
(6) 以上(5)操作為一個(gè)循環(huán)，如此循環(huán)5次，所得樣品置于通風(fēng)廚中空氣干燥 24h。即可獲得本發(fā)明所述的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料。實(shí)施例2
分析純級(jí)別的無水乙醇(天津江天化工技術(shù)有限公司)，其余原料與實(shí)施例l相同。 (3)量取6mL的50。/。 (mL/mL)戊二醛水溶液及180mL無水乙醇，混合配制戊二醛乙 醇溶液。將200mg明膠電紡膜置于此戊二醛乙醇溶液中。在4'C下交聯(lián)2天后將膜取出， 用0. lmol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游離戊二醛，用超純水(電阻率18.24MQ cm)反 復(fù)沖洗，置于通風(fēng)廚中空氣干燥24h。
其余步驟與實(shí)施例1相同。圖1為實(shí)施例2制備的礦化電紡明膠超細(xì)纖維復(fù)合材料 的掃描電鏡(SEM)圖。 實(shí)施例3
所用原料與實(shí)施例2相同。
(3) 同實(shí)施例2步驟(3)。
(6)將實(shí)施例1步驟(6)中的循環(huán)次數(shù)調(diào)整為4次。
其余步驟與實(shí)施例1相同。圖2為實(shí)施例3所示的材料中沉積的羥基磷灰石的高倍 掃描電鏡圖。 實(shí)施例4
所用原料與實(shí)施例l相同。
(4) 將實(shí)施例l步驟(4)調(diào)整為以0.05mol/L的三羥甲基氨基甲垸(Tris)緩沖溶 液為溶劑，將12. 9g CaCl2*H20晶體和8. 52g Na2HP04晶體分別加入到500mLTris緩沖液中 以配制0. 2mol/L的CaCl2溶液和0.12mol/L的化2朋04溶液，并用lmol/L的氫氧化鈉溶 液調(diào)節(jié)上述溶液pH值，使pH》11。
其余步驟與實(shí)施例l相同。
權(quán)利要求
1、一種礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料，其特征在于它是以明膠、氯化鈣和磷酸氫二鈉為主要原料，按照質(zhì)量配比明膠電紡纖維∶CaCl2·H2O∶Na2HPO4＝1∶129～430∶85.2～284，進(jìn)行制備，在直徑600～800nm的交聯(lián)超細(xì)明膠電紡纖維上原位沉積直徑為20～40nm的針棒狀羥基磷灰石；具體經(jīng)過步驟配制明膠的三氟乙醇溶液作為明膠電紡溶液，進(jìn)行靜電紡絲得到明膠電紡纖維膜，在戊二醛存在下進(jìn)行處理形成交聯(lián)纖維膜，再經(jīng)甘氨酸溶液浸泡，水洗，干燥，得到交聯(lián)的明膠電紡纖維膜，然后依次分別浸入pH≥11的CaCl2的三羥甲基氨基甲烷溶液中和Na2HPO4的三羥甲基氨基甲烷溶液中進(jìn)行礦化，水洗，重復(fù)浸泡3～5次，水洗，干燥。
2、 權(quán)利要求1所述的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料的制備方法， 其特征在于它包括的步驟1) 將明膠溶于三氟乙醇，于37。C下不斷攪拌至溶液透明澄清，得到明膠電 紡溶液，明膠電紡溶液的濃度O. lg/mL;2) 將明膠溶液注入注射器中，在電壓為10kV、溶液流速為0. 8mL/h、接收 距離為15cm的條件下靜電紡絲，經(jīng)真空干燥后得到明膠電紡纖維膜；3) 用25%的戊二醛水溶液蒸汽于20 25。C下交聯(lián)明膠電紡膜2天，或用50% 戊二醛水溶液及無水乙醇配制成的戊二醛乙醇溶液在4'C下對(duì)明膠電紡膜交聯(lián)2 天；之后將交聯(lián)膜取出，用O. lmol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游離戊二醛，用電 阻率為18.24MQ 'cm的水反復(fù)沖洗，置于通風(fēng)廚中空氣干燥24h;4) 以0.05mol/L的三羥甲基氨基甲烷(Tris)緩沖溶液為溶劑，分別配制 濃度0. 2mol/L~0. 4mol/L的CaCV溶液和0. 12mol/L~0. 24mol/L的％2朋04溶液， 并用lmol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)Ca、 P溶液的pH值，使pH》ll;5) 將步驟3)制備的明膠電紡膜浸入CaCl2溶液12h后取出用水反復(fù)沖洗； 隨后將膜浸入Na2HP04溶液中浸泡相等時(shí)間，取出用水反復(fù)沖洗。6) 步驟5)操作為一個(gè)循環(huán)，如此循環(huán)3~5次，直至完成礦化，樣品經(jīng)干 燥，即可獲得本發(fā)明所述的礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種礦化電紡明膠超細(xì)纖維仿生骨修復(fù)材料及其制備方法，它是由直徑在600～800nm的交聯(lián)超細(xì)明膠電紡纖維以及在其上原位沉積的直徑為20～40nm的針棒狀羥基磷灰石組成。本發(fā)明含有明膠和羥基磷灰石，其中明膠性質(zhì)與膠原類似，可以替代膠原，且可大大減小免疫排斥反應(yīng)。明膠以超細(xì)纖維的形態(tài)存在，羥基磷灰石為針棒狀，直徑為20～40nm，包裹于明膠纖維外層。該材料的成份、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)均接近天然骨，可有效促進(jìn)骨細(xì)胞的生長及分化，具有良好的生物活性和生物相容性，可望作為有應(yīng)用前景的新型骨修復(fù)材料。
文檔編號(hào)A61L27/12GK101601871SQ200910069040
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者關(guān)倩倩, 姚康德, 袁曉燕, 瑾 趙, 趙玉平 申請(qǐng)人:天津大學(xué)