一種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材 料及其制備方法，應(yīng)用于骨修復(fù)或骨替代材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是一個(gè)擁有13億人口的大國(guó)，也是一個(gè)骨組織修復(fù)和重建材料的需求大國(guó)， 目前我國(guó)由風(fēng)濕和類風(fēng)濕引發(fā)的大骨節(jié)病患者有數(shù)百萬(wàn)人；有七千萬(wàn)伴隨人口老齡化的骨 質(zhì)疏松癥患者；每年由于疾病、交通事故和運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷等造成的骨缺損、骨折和骨缺失患者人 數(shù)近一千萬(wàn)；需要行顱頌面和肢體整形、美容的人數(shù)也在千萬(wàn)人以上。目前用于骨組織修 復(fù)的主要有金屬、陶瓷和聚合物幾大類，但是現(xiàn)有的骨組織修復(fù)材料都不能在力學(xué)性能和 生物相容性兩個(gè)方面同時(shí)滿足骨修復(fù)或替代材料的要求。因此，制備能主動(dòng)誘導(dǎo)、激發(fā)組織 器官再生并具有良好力學(xué)性能的骨仿生材料對(duì)于解決臨床日益擴(kuò)大的骨修復(fù)需求具有重 要的意義，這類材料追求與天然生物組織具有相似的結(jié)構(gòu)、組成和功能。天然骨是一種由約 30%的有機(jī)基質(zhì)和70%的羥基磷灰石構(gòu)成的有機(jī)/無(wú)機(jī)生物復(fù)合材料，有機(jī)基質(zhì)主要包括非 膠原蛋白、粘多糖等。羥基磷灰石納米晶體有序地嵌在膠原纖維基質(zhì)中，有機(jī)和無(wú)機(jī)組元間 的密切協(xié)同作用以及分子水平的獨(dú)特組裝，賦予了天然骨的多級(jí)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料的制備方法。通 過(guò)靜電紡技術(shù)制備聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維并加捻成紗線，利用機(jī)織技術(shù)將紗線編 織成多層織物，隨后將多層織物在模擬體液中仿生礦化得到多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿 生材料。這種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料不僅在成分上模擬了天然骨，而且在結(jié) 構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然骨的仿生，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的骨誘導(dǎo)性，以及良好的生物相容 性。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是，一種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料，它是由 羥基磷灰石在多層納米纖維織物模板上自組裝而成。這種骨仿生材料中，有機(jī)的納米纖維 與無(wú)機(jī)的羥基磷灰石質(zhì)量比為1 :1-9,孔隙率30-50%。所述的多層納米纖維織物模板是利 用靜電紡絲制備的納米纖維加捻成納米纖維紗線，再經(jīng)機(jī)織技術(shù)編織而成，納米纖維紗線 的直徑為60-500 y m，多層納米纖維織物的層數(shù)大于等于2,經(jīng)密100-150根/5cm，150-200 根/5cm。所述的納米纖維成分為絲素蛋白和聚乳酸，絲素蛋白和聚合物的質(zhì)量比為1 : 1-19,納米纖維的直徑200-900nm。所述的絲素蛋白來(lái)源于桑蠶蠶絲和柞蠶蠶絲，絲素蛋白 分子的特性粘度[n]大于或等于0.50,所述的聚乳酸分子量大于100000。所述的羥基磷 灰石呈球狀形貌，尺寸為尺寸為70nm- 150nm。
[0005] 制備這種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料的方法，采用如下步驟： (1)將絲素和聚乳酸按照質(zhì)量比為1 :1-19溶解于六氟異丙醇中，常溫下磁力攪拌1-5 天得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6-8%的紡絲溶液； (2) 按照?qǐng)D示1搭建靜電紡絲裝置，將步驟（1)中的紡絲溶液加入到注射栗中制備連 續(xù)的納米纖維紗線。靜電紡絲電壓為15-24 kV，紡絲溶液總流量為0.5-0. 9 mL/h，金屬 喇叭的直徑為10-20cm，金屬喇叭與卷繞裝置的垂直距離為40-60cm，噴頭與金屬喇叭的 垂直距離為4-8cm，噴頭與金屬喇叭的水平距離為3-5cm，噴頭的數(shù)目為2-16個(gè)，噴頭內(nèi) 徑0. 26-0. 86 mm，正負(fù)噴頭溶液流量比1:0. 5-2,正負(fù)噴頭間的距離13-17. 5 cm，卷繞速度 4〇-53mm/min ； (3) 將步驟（2)中制備的納米纖維紗線利用機(jī)織的方法編織成多層納米纖維織物，多層 納米纖維織物的層數(shù)大于等于2,經(jīng)密50-200根/5cm，煒密80-300根/5cm ; (4) 將步驟（3)中制備的多層納米纖維織物浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80-90%的乙醇水溶液中 20-40min。然后將織物在去離子水中清洗2-3次后在真空干燥烘箱中50-60°C下干燥； (5) 將步驟（4)中得到的多層納米纖維織物浸泡在1-1. 5倍的模擬體液中，在37°C下 恒溫礦化6h-72h后取出樣品，用去離子水清洗3-5次后，在真空烘箱中50-60°C下干燥得到 多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料。
[0006]與現(xiàn)有的骨替代材料及其制備方法相比相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 本發(fā)明中納米纖維的成分主要是絲素蛋白和聚乳酸，將含有這兩種組分的紗線編 織成板層狀的多層納米纖維紗織物能夠仿生天然骨中的納米膠原微纖束構(gòu)成的板層結(jié)構(gòu)。 因此，制備的多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料能夠在成分和結(jié)構(gòu)上仿生天然骨，具有 很好的生物相容性和骨誘導(dǎo)性； (2) 本發(fā)明利用模擬體液仿生礦化的方法對(duì)多層納米纖維織物進(jìn)行仿生礦化，可以精 確的控制羥磷灰石的生長(zhǎng)形貌和礦化含量，使本發(fā)明的多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材 料具有較好的強(qiáng)度和生物相容性； (3) 利用靜電紡絲的方法制備了纖維沿軸取向的納米纖維紗線，采用不同的織物組織 結(jié)構(gòu)結(jié)合機(jī)織方法獲得所需的織物形狀和大?。豢刂瓶椢锏牡V化程度，可以形成一定結(jié)構(gòu) 和含量的孔隙，能夠充分滿足骨移植過(guò)程中對(duì)骨仿生材料的要求。
[0007] 本發(fā)明利用靜電紡絲技術(shù)紡成了納米纖維沿軸取向并具有一定捻度的紗線，并利 用機(jī)織的方法將納米紗線編織成多層的織物，通過(guò)模擬體液對(duì)多層織物進(jìn)行礦化后以構(gòu)建 織物增強(qiáng)的骨仿生材料。制備的這種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料具有優(yōu)異的力學(xué) 性能，良好的骨誘導(dǎo)性以及生物相容性。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1靜電紡絲裝置示意圖，1卷繞裝置、2噴頭、3注射栗、4金屬喇叭、5高壓發(fā)生 器、51正極、52負(fù)極； 圖2實(shí)施例1中制備的骨仿生材料上生長(zhǎng)的羥基磷灰石SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 下面結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0010] -種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料，它是由羥基磷灰石在多層納米纖維織 物模板上自組裝而成。這種骨仿生材料中，有機(jī)的納米纖維與無(wú)機(jī)的羥基磷灰石質(zhì)量比為 1 :1-9,孔隙率30-50%。所述的多層納米纖維織物模板是利用靜電紡絲制備的納米纖維加 捻成納米纖維紗線，再經(jīng)機(jī)織技術(shù)編織而成，納米纖維紗線的直徑為60-500 y m，多層納米 纖維織物的層數(shù)大于等于2,經(jīng)密100-150根/5cm，150-200根/5cm。所述的納米纖維成分 為絲素蛋白和聚乳酸，絲素蛋白和聚合物的質(zhì)量比為1 納米纖維的直徑200-900nm。 所述的絲素蛋白來(lái)源于桑蠶蠶絲和柞蠶蠶絲，絲素蛋白分子的特性粘度[n]大于或等于 0.50,所述的聚乳酸分子量大于100000。所述的羥基磷灰石呈球狀形貌，尺寸為尺寸為 70nm- 150nm〇
[0011] 實(shí)施例1 一種多層納米纖維織物增強(qiáng)的骨仿生材料的方法，采用如下步驟： (1) 將柞蠶絲素和聚乳酸按照質(zhì)量比為1 :9溶解于六氟異丙醇中，常溫下磁力攪拌2天 得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的紡絲溶液； (2) 按照?qǐng)D示1搭建靜電紡絲裝置，將步驟（1)中的紡絲溶液加入到注射栗3中制備連 續(xù)的納米纖維紗線。高壓發(fā)生器5的靜電紡絲電壓為16 kV，紡絲溶液總流量為0.6 mL/h ，金屬喇叭的直徑為l〇cm，金屬喇叭4與卷繞裝置1的垂直距離為40cm，噴頭2與金屬喇叭 4的垂直距離為5cm，噴頭與金屬喇叭的水平距離為3cm，噴頭的數(shù)目為4個(gè)，噴頭內(nèi)徑0. 36 mm，正負(fù)噴頭溶液流量比1:1，正負(fù)噴頭間的距離14 cm，卷繞速度45mm/min ; (3) 將步驟（2)中制備的納米纖維紗線利用機(jī)織的方法編織成多層納米纖維織物，多層 納米纖維織物的層數(shù)為2層，經(jīng)密100根/5cm，煒密120根/5cm ; (4) 將步驟（3)中制備的多層納米纖維織物浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乙醇水溶液中20 min。然后將織物在去離子水中清洗2次后在真空干燥烘箱中50°C下干燥； (5) 將步驟（4)中得到的多層納米纖維織物浸泡在1. 5倍的模擬體液中，在37°C下恒 溫礦化12h后取出樣品，用去離子水清洗3次后，在真空烘箱中50°C下干燥得到多層納米纖 維織物