专利名称：一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于高分子材料领域，更具体涉及一种用于骨修复的有机无机复合凝胶 材料及其制备方法。
背景技术：
骨骼是人体的支架，担负着支持、保护、承重、造血、贮钙、代谢等功能，是 人体重要的组织器官。尽管骨组织具有一定的再生和自我修复能力，但临床上由于肿 瘤、外伤、感染和先天性发育不良等造成的大面积骨缺损，以及由于人均寿命增加导致 的骨质疏松，超过了骨组织的自我修复能力，需要采用外科手术进行骨移植治疗。目前 临床上使用较多的骨移植替代物主要有自体骨、同种异体骨和异种异体骨。自体骨以其 良好的骨诱导性、骨传导性、生物相容性成为治疗骨缺损的最佳手段，但其来源十分有 限，且供体区会引发很多并发症，如供区的损伤、疼痛、感染和血肿。而对于同种异体 和异种异体骨移植来说，又有免疫反应和携带疾病的风险。因此，大部分骨修复需要使 用具有和自体骨同等功能的人工材料。随着材料科学和组织工程学的迅速发展，采用人工合成骨替代材料修复骨缺损 已经成为材料学和医学的研究重点。早期研究的典型材料有金属材料和无机材料，按照 Hench LL的分类标准，分别归属于第一代生物惰性材料和第二代生物活性材料。尽管在 早期的临床应用中，金属材料以其良好的机械强度和耐疲劳性能，成为首选的骨植入材 料，但由于重金属离子具有毒性、材料易被腐蚀，且植入骨与自体骨之间存在着应力遮 挡效应，易造成骨质疏松，不利于骨修复的实现。而第二代的的生物陶瓷和生物玻璃材 料，包括羟基磷灰石、β-磷酸钙、氧化铝陶瓷和Bioglass8 等，具有优良的生物活性和生物相容性，能够在材料界面与人体骨形成化学键合，从而 诱导更迅速的骨修复与再生。但是这类材料的脆性大、弹性模量低、断裂韧性和机械强 度较低，且降解速度与新生骨组织的生长速度不匹配，这些缺点在一定程度上限制了其 应用范围。相比之下，高分子材料具有较高的拉伸强度、抗弯强度和弹性，在力学性能 上能够弥补无机材料的缺陷。其中，合成高分子材料，如PLA、PGA, PEG、PCL等， 具有很好的生物可降解性和组织相容性，天然高分子材料，如丝素蛋白、壳聚糖、胶原 蛋白、海藻酸钠等，已被许多研究证明具有良好的细胞相容性和低的抗原性，且降解产 物安全，可作为细胞外基质被人体吸收。但由于高分子材料缺乏无机材料所具备的优 良的生物活性，在植入体内后无法与机体骨组织形成良好的化学键合，因此，将高分子 材料与无机材料进行复合，制备一种兼具无机材料生物活性和高分子材料弹性及生物降 解性的复合材料，使其应用于医疗修复领域，具有重要的研究价值和深远的社会经济意 义。Hench LL等采用熔融法制备的SiO2-P2O5-Na2O-CaO生物玻璃45S5以及后期采 用溶胶-凝胶法制备的SiO2-CaO-P2O5生物玻璃70S30C、58S等材料均具备很好的生物活 性，在植入体内后能够迅速地与机体骨组织形成化学键合，这些材料已在齿科修复中得到了很好的应用。但由于材料在制备过程中需要升温到600°C或以上，材料的脆性较大， 无法用于承重骨的修复。而高温又限制了其与有机高分子的复合，因此以前关于生物玻 璃与有机高分子复合材料的研究报道多采用物理共混的方法，高分子材料无法与无机材 料实现分子水平的均一共混，对材料的性能改善有限。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于骨修复的有机_无机复合凝胶材料 及其制备方法，该复合材料将具有生物相容性和生物可降解性的高分子链穿插于SiO2无 机网络结构中，形成半互穿结构，不仅实现了两者在分子水平的良好共混，同时又改善 了材料的力学性能，提高了材料的生物活性，在骨缺损修复领域具有重要的发展潜力。本发明是通过如下技术方案实施的
一种用于骨修复的有机_无机复合凝胶材料，该复合材料中有机材料的组成为合成 高分子或天然高分子，无机材料的组成为Si02、CaO、P2O5，其中无机材料三者的摩尔分 数分别为50-80%、10-40%、1-10% ；有机材料与无机材料的质量比为0.1 1 : 1。所述有机材料中的合成高分子可为聚丙交酯、聚谷氨酸、聚乙二醇、聚己丙酰 胺中的任意一种或几种；所述的天然高分子可为壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、海藻酸 钠中的任意一种或几种。所述复合凝胶材料的孔隙率为50-95%，具有孔径为1-500 nm的连通孔结构。所述复合凝胶材料的弹性模量为100-2000 MPa。一种用于骨修复的有机_无机复合凝胶材料的制备方法是采用溶胶凝胶工艺一 步法制备复合材料，使有机高分子链穿插于无机SiO2网络结构中，使有机无机组分实现 了分子水平的均一共混，其中制备过程中温度不超过100 °c。所述制备方法的具体步骤为
1)将SiO2的前驱体正硅酸乙酯、CaO的前驱体氯化钙以及P2O5的前驱体磷酸三乙 酯按所述摩尔分数50-80%、10-40%、1-10%混合，其中正硅酸乙酯的溶剂为水，助溶 剂为乙醇，水解催化剂为质量浓度为5-10%的强酸溶液，其催化剂的添加量为调节溶液 的pH至1-3，搅拌均勻；
2)在水解过程中加入质量浓度为1 20%的有机高分子水溶液，使有机组分与无机 组分的质量比为0.1 1 1，并加入0.15-0.25mL催化剂，促进SiO2网络结构的形成，从 而形成有机_无机复合体系；
3)将步骤2)加入催化剂后的有机-无机复合体系反应5-6min后，倒入聚苯乙烯模 具中，室温下实现凝胶、陈化过程，并在低于100°C下进行干燥，形成所述的多孔的复合 凝胶材料。所述步骤2)的催化剂为氢氟酸。与现有制备骨修复材料的方法相比，本专利所述的技术方案制备复合凝胶材料 的优势在于
所选用的有机高分子具有很好的生物相容性，三元无机组分具有很好的生物活性， 二者的复合将实现其性能上的协同效应；
1)采用室温溶胶-凝胶法工艺，一步法制备复合材料，使一维的高分子链穿插于SiO2三维无机网络中，有机无机组分实现分子水平的均勻共混，提高了复合材料的均一 性；
2)整个材料的制备过程温度不超过100°C，充分保证了有机高分子链的活性，同时 为后期在材料中负载药物创造了很好的条件；
3)材料的加工性能良好，由于在接近凝胶点时将复合体系倒入模具中成型，体系的 流动性良好，因此可根据需要将材料制造成所需的各种形状；
4)复合凝胶材料具备良好的生物活性，在模拟体液中浸泡时，能迅速地生长出羟基 磷灰石，有利于新骨的形成与传导；
5)复合凝胶材料具备良好的细胞相容性，小鼠成骨细胞MC3T3能够在材料浸提液 中快速增殖。
图1为复合凝胶经SBF浸泡后的表面形貌； 图2为复合凝胶表面物质元素分析谱图。
具体实施例方式一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料，该复合材料中有机材料的组成为 合成高分子或天然高分子，无机材料的组成为Si02、CaO、P2O5，其中无机材料三者的摩 尔分数分别为50-80%、10-40%、1-10% ；有机材料与无机材料的质量比为0.1 1 : 1。所述有机材料中的合成高分子可为聚丙交酯、聚谷氨酸、聚乙二醇、聚己丙酰 胺中的任意一种或几种；所述的天然高分子可为壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、海藻酸 钠中的任意一种或几种。所述复合凝胶材料的孔隙率为50-95%，具有孔径为1-500 nm的连通孔结构。所述复合凝胶材料的弹性模量为100-2000 MPa。一种用于骨修复的有机_无机复合凝胶材料的制备方法是采用溶胶凝胶工艺一 步法制备复合材料，使有机高分子链穿插于无机SiO2网络结构中，使有机无机组分实现 了分子水平的均一共混，其中制备过程中温度不超过100 °c。所述制备方法的具体步骤为
1)将SiO2的前驱体正硅酸乙酯、CaO的前驱体氯化钙以及P2O5的前驱体磷酸三乙 酯按所述摩尔分数50-80%、10-40%、1-10%混合，其中正硅酸乙酯的溶剂为水，助溶 剂为乙醇，水解催化剂为质量浓度为5-10%的强酸溶液，其催化剂的添加量为调节溶液 的pH至1-3，搅拌均勻；
2)在水解过程中加入质量浓度为1 20%的有机高分子水溶液，使有机组分与无机 组分的质量比为0.1 1 1，并加入0.15-0.25mL催化剂，促进SiO2网络结构的形成，从 而形成有机_无机复合体系；
3)将步骤2)加入催化剂后的有机-无机复合体系反应5-6min后，倒入聚苯乙烯模 具中，室温下实现凝胶、陈化过程，并在低于100°C下进行干燥，形成所述的多孔的复合 凝胶材料。
所述步骤2)的催化剂为氢氟酸。实施例1
将12.3ml正硅酸四乙酯、4ml蒸馏水以及6ml乙醇在室温下搅拌，加入质量浓度为 5%的盐酸调节体系的pH值为2左右。搅拌均勻，在体系中加入1.2 g氯化钙、0.5ml磷 酸三乙酯，完全溶解后。加入质量浓度为10%的聚谷氨酸的水溶液5 ml于体系中，使聚 谷氨酸与三元无机组分的质量比为0.12:1，经搅拌混合后，滴加0.15mL氢氟酸促进缩聚 过程，在接近凝胶点时，将复合体系倒入模具中成型。经室温陈化约1周后，在_50°C 的冷冻干燥机中冷冻24 48 h后，抽真空干燥4 6 h，以除去残余溶剂，得到所需的多孔 凝胶材料。实施例2
将12.3 ml正硅酸四乙酯、4 ml蒸馏水以及6ml乙醇在室温下搅拌，加入10%盐酸调 节体系的pH值为2左右。搅拌一段时间后，在体系中加入3.6 g氯化钙、1.25 ml磷酸三 乙酯，完全溶解后。加入质量浓度为20%的聚己丙酰胺和聚丙交酯的水溶液7 ml于体 系中，使有机组分与三元无机组分的质量比为0.25:1，搅拌混合后，滴加0.25mL氢氟酸 促进缩聚过程，在接近凝胶点时，将复合体系倒入模具中成型。经室温陈化干燥约30天 后，得到所需的多孔凝胶材料。实施例3
将12.3 ml正硅酸四乙酯、4ml蒸馏水以及6ml乙醇在室温下搅拌，加入7%盐酸调节 体系的pH值为2左右。搅拌一段时间后，在体系中加入1.2 g氯化钙、0.5ml磷酸三乙 酯，完全溶解后。加入质量浓度为10%的丝素蛋白的水溶液10 ml于体系中，使丝素蛋 白与三元无机组分的质量比为1:1，搅拌混合后，滴加0.20mL氢氟酸促进缩聚过程，在 接近凝胶点时，将复合体系倒入模具中成型。经室温陈化1周后，放入40 °C烘箱中继续 干燥，得到所需的多孔凝胶材料。实施例4
将12.3 ml正硅酸四乙酯、4 ml蒸馏水以及6ml乙醇在室温下搅拌，加入少量稀盐酸 调节体系的pH值为2左右。搅拌一段时间后，在体系中加入3.6 g氯化钙、1.25 ml磷酸 三乙酯，完全溶解后。加入质量浓度为20%的壳聚糖、胶原蛋白的水溶液7 mL于体系 中，使有机组分与三元无机组分的质量比为0.25:1，搅拌混合后，滴加数滴氢氟酸少量催 化剂促进缩聚过程，在接近凝胶点时，将复合体系倒入模具中成型。经室温陈化干燥约 30天后，在80 °C烘箱中继续干燥3天左右，以除去残余的溶剂，得到所需的多孔凝胶材 料。实施例5
一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料的有机材料的组成为聚丙交酯，无机 材料的组成为Si02、CaO、P2O5，其中无机材料三者的摩尔分数分别为50%、40%、 10% ；有机材料与无机材料的质量比为0.625: 1。所述复合凝胶材料的孔隙率为 50 95%，具有孔径为1 500 nm的连通孔结构。所述复合凝胶材料的弹性模量为100 2000 Mpa0该有机-无机复合凝胶材料的制备方法采用溶胶凝胶工艺一步法制备复合材 料，使有机高分子链穿插于无机SiO2网络结构中，使有机无机组分实现了分子水平的均一共混，其中制备过程中温度不超过100 °c。所述制备方法的具体步骤为
1)将SiO2的前驱体正硅酸乙酯、CaO的前驱体氯化钙以及P2O5的前驱体磷酸三乙 酯(TEP)按所述比例混合，其中正硅酸乙酯溶剂为水，助溶剂为乙醇，水解催化剂为质 量浓度为10%的硫酸溶液，催化剂的添加量为调节溶液的pH至3 ；
2)在水解过程中加入质量浓度为1%的有机高分子水溶液，使有机组分与无机组分 的质量比为0.625: 1，并加入0.20mL催化剂，促进SiO2网络结构的形成，从而形成有 机_无机复合体系；
3)将步骤2)加入催化剂后的有机-无机复合体系反应5min后，倒入聚苯乙烯模具 中，室温下实现凝胶、陈化过程，并在低于100°C下进行干燥，形成所述的多孔的复合凝 胶材料。实施例6
一种用于骨修复的有机_无机复合凝胶材料的有机材料的组成为天然高分子，无机 材料的组成为Si02、CaO、P2O5，其中无机材料三者的摩尔分数分别为79%、20%、 1%;有机材料与无机材料的质量比为0.3: 1。所述有机材料中的天然高分子为胶原蛋白和海藻酸钠。所述复合凝胶材料的孔隙率为50 95%，具有孔径为1 500 nm的连通孔结构。所述复合凝胶材料的弹性模量为100 2000 Mpa0所述制备方法的具体步骤为
1)将SiO2的前驱体正硅酸乙酯、CaO的前驱体氯化钙以及P2O5的前驱体磷酸三乙酯 (TEP)按所述比例混合，其中正硅酸乙酯溶剂为水，助溶剂为乙醇，水解催化剂为20% 的硝酸溶液，催化剂的添加量为调节溶液的pH至1 ；
2)在水解过程中加入质量浓度为15%的有机高分子水溶液，使有机组分与无机组 分的质量比为0.3: 1，并加入0.15mL催化剂，促进SiO2网络结构的形成，从而形成有 机_无机复合体系；
3)将步骤2)加入催化剂后的有机-无机复合体系反应6min后，倒入聚苯乙烯模具 中，室温下实现凝胶、陈化过程，并在低于100°C下进行干燥，形成所述的多孔的复合凝 胶材料。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化 与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料，其特征在于所述复合凝胶材料中 有机材料的组成为合成高分子或天然高分子，无机材料的组成为Si02、CaO、P2O5，其中 无机材料三者的摩尔分数分别为50-80%、10-40%、1-10% ；有机材料与无机材料的 质量比为0.1 1 1。
2.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料，其特征在于 所述有机材料中的合成高分子可为聚丙交酯、聚谷氨酸、聚乙二醇、聚己丙酰胺中的任 意一种或几种；所述的天然高分子可为壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、海藻酸钠中的任 意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料，其特征在于 所述复合凝胶材料的孔隙率为50-95%，具有孔径为1-500 nm的连通孔结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料，其特征在于 所述复合凝胶材料的弹性模量为100-2000 MPa0
5.一种如权利要求1所述的用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料的制备方法，其特 征在于所述制备方法采用溶胶凝胶工艺一步法制备复合材料，使有机高分子链穿插于 无机SiO2网络结构中，使有机无机组分实现了分子水平的均一共混，其中制备过程中温 度不超过100 V。
6.根据权利要求5所述的一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料的制备方法，其 特征在于所述制备方法的具体步骤为1)将SiO2的前驱体正硅酸乙酯、CaO的前驱体氯化钙以及P2O5的前驱体磷酸三乙 酯按所述摩尔分数50-80%、10-40%、1-10%混合，其中正硅酸乙酯的溶剂为水，助溶 剂为乙醇，水解催化剂为质量浓度为5-10%的强酸溶液，其催化剂的添加量为调节溶液 的pH至1-3，搅拌均勻；2)在水解过程中加入质量浓度为1 20%的有机高分子水溶液，使有机组分与无机 组分的质量比为0.1 1 1，并加入0.15-0.25mL催化剂，促进SiO2网络结构的形成，从 而形成有机_无机复合体系；3)将步骤2)加入催化剂后的有机-无机复合体系反应5-6min后，倒入聚苯乙烯模 具中，室温下实现凝胶、陈化过程，并在低于100°C下进行干燥，形成所述的多孔的复合 凝胶材料。
7.根据权利要求6所述的一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料的制备方法，其 特征在于所述步骤2)的催化剂为氢氟酸。
全文摘要
本发明涉及一种用于骨修复的有机-无机复合凝胶材料及其制备方法，该材料中有机材料的组成为合成高分子或天然高分子，无机材料的组成为SiO2、CaO、P2O5，其中无机材料三者的摩尔分数分别为50-80%、10-40%、1-10%；有机材料与无机材料的质量比为0.1-11。该方法将具有生物相容性和生物可降解性的高分子链穿插于SiO2无机网络结构中，形成半互穿结构，不仅实现了两者在分子水平的良好共混，同时又改善了材料的力学性能，提高了材料的生物活性，在骨缺损修复领域具有重要的发展潜力。
文档编号A61L27/56GK102008753SQ20101060138
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者伍晓红, 刘维, 詹红兵, 闫福华 申请人:福州大学