无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料及其制备的制作方法

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料及其制备方法。

背景技术：

临床上由先天性缺陷及创伤、感染、骨质疏松等因素造成的骨组织缺损是骨科常见的疾病，骨组织缺损后的修复重建一直是骨科面临的难题之一。尽管人体骨具有一定的再生和自修复能力，但随着年龄的增长和身体素质的不同，在单纯依靠自身修复无法愈合的情况下，则需采用骨移植手术进行治疗。用于骨缺损修复的骨替代材料和骨组织工程人工材料，是组织工程和生物材料学领域关注的热点问题。

20世纪末至21世纪初，碳纳米管和氧化石墨烯的发现，不仅扩展了碳元素家族，也推动了人们对碳系元素的进一步认识。氧化石墨烯（graheneoxide，go）是石墨烯功能化的衍生物，其骨架结构与石墨烯类似，为接近平面的二维网状结构。氧化石墨烯碳原子排列的片层结构表面含有多种含氧基团，如羰基（c=o）、羧基（-cooh）、羟基（-oh）和环氧基（c-o-c）等，它们赋予了氧化石墨烯一些新的特性，如层间距显著增大、片层间同种电性的相互排斥，使氧化石墨烯具有更好的分散性；优异的抗菌性；突出的机械性能和良好的生物相容性。

胶原做为天然骨的主要成分，是骨形成过程中生物矿化的模板，其生物矿化是人和脊椎动物生成骨、牙齿等组织的必经过程。胶原拥有良好的成型加工性和生物相容性等优点，但机械强度不足、抑菌强度差等缺陷限制了其更广泛的应用。

通过模拟天然骨的成分和结构，采用原位仿生矿化方法制备胶原/纳米羟基磷灰石(col/n-ha)材料，并在此基础上制备的骨组织修复工程支架能够满足医学及临床需要，是近年来的研究热点。

生物矿化是生物体内形成矿物质的过程，指在一定的生理环境中，生物大分子和无机物离子在诱导因子作用下，在界面处的相互作用，将溶液中的无机离子转化为无机矿物相析出的过程，从而形成具有特殊多级结构和组装方式的生物矿化材料，如骨、牙齿和贝壳等。仿生矿化研究是目前仿生材料领域一个重要的研究方向，其以研究生物体中的矿物质为基础，目的是在对生物矿化材料和环境条件了解的基础上，模仿生物体矿化的过程，合成具有与天然生物组织具有相似结构和性能的矿物材料。具体过程是在体外模拟体液环境，以支架材料为模板，在其表面形成目标无机矿化物，从而制备出具有独特目的结构特点的仿生复合材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料及其制备方法，该复合骨修复支架材料具有疏松多孔、孔隙率高、生物相容性良好等特点，适用于骨组织缺损修复。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料，其采用模拟体液法对胶原/氧化石墨烯基质模板进行原位矿化，从而在基质模板上原位结晶制备所述无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料；

所述胶原/氧化石墨烯基质模板中，胶原和氧化石墨烯的质量比为1:0.01~0.04。

所述胶原来源于鱼皮、猪皮、牛皮或牛腱。

所述无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料的制备方法包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯粉末溶于去离子水，200w功率下超声120min，得到1g/ml分散均匀的氧化石墨烯水溶液；

（2）将胶原溶于体积浓度为0.4%的丙二酸溶液中，充分搅拌直至完全溶解，得到质量浓度0.6%的胶原溶液；

（3）将所得氧化石墨烯水溶液与胶原溶液搅拌均匀后，冷冻干燥并进行交联；

（4）将交联得到的胶原/氧化石墨烯基质模板进行原位矿化后，用蒸馏水进行洗涤，除去表面黏附的sbf溶液离子，再经真空冷冻干燥制得所述无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料。

交联所用交联剂是将30.026gd-核糖、100ml丙酮与20ml氨水混合后，加纯水定容至1000ml制成。

所述原位矿化是将交联后的胶原/氧化石墨烯基质模板用γ射线辐照灭菌后，在无菌条件下浸泡于1.5×sbf溶液中，并置于37℃恒温低速摇床中矿化反应3天，期间每24h更换新鲜sbf溶液。

所述氧化石墨烯的合成方法如下：

（1）将108ml浓h2so4和12mlh3po4冰浴搅拌10min，在强烈搅拌的同时依次加入5.0g粒径≤30μm的石墨粉和2.5gnano3；

（2）在控制反应温度不高于5℃的条件下，将15.0gkmno4分3-5次缓慢加入到步骤1）所得混合物中，冰浴搅拌反应3h后，移至40℃水浴中继续搅拌60min；

（3）将步骤2）所得混合液迅速升温至98℃，并保温60min，在此过程中持续加入去离子水至溶液总体积达400ml；5min后加入15mlh2o2去除多余的氧化剂；

（4）将混合溶液离心，所得沉淀用超纯水和体积浓度5%的hcl溶液重复洗涤，直至洗出液中无硫酸根离子检出为止，再经冷冻干燥，得到单层片状结构的氧化石墨烯粉末。

本发明的显著优点在于：

（1）本发明以胶原/氧化石墨烯为基质模板，利用模拟体液浸泡对其进行矿化反应，制备得到无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料，所得材料疏松多孔，生物相容性良好。

（2）d-核糖无细胞毒性，本发明中以d-核糖替代传统使用的甲醛为原料制备交联剂，利用其可与胶原反生美拉德反应，使所形成的胶原纤维排列更加致密有序，从而获得优异的交联效果。

附图说明

图1为实施例1所制备胶原/氧化石墨烯基质模板的断面结构扫描电镜图。

图2为实施例1所制备基质模板经矿化反应后所得氧化石墨烯复合骨修复支架材料的表面扫描电镜图。

图3为实施例1所制备基质模板经矿化反应后所得氧化石墨烯复合骨修复支架材料的x-射线粉末衍射图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

（1）氧化石墨烯的合成

首先量取108ml浓h2so4和12 mlh3po4加入到500ml三口烧瓶中，冰浴搅拌10min，在强烈搅拌的同时依次加入5.0g的石墨粉（粒径≤30μm）和2.5g的nano3；在控制反应温度不高于5℃的条件下，将15.0gkmno4分3-5次缓慢加入到上述混合物中，冰浴搅拌反应3h后，移至40℃水浴中持续搅拌60min；随后将混合液迅速升温至98℃，并保温60min，在此过程中持续加入去离子水至混合液总体积达400ml；5min后加入15mlh2o2去除多余的氧化剂；将混合溶液离心，所得沉淀用超纯水和体积浓度5%的hcl溶液重复洗涤，直至洗出液中无硫酸根离子被检出，再经冷冻干燥得到单层片状结构的go粉末；

（2）氧化石墨烯溶液的制备

将氧化石墨烯粉末溶于去离子水，并在200w功率下超声120min，得到1g/ml分散均匀的氧化石墨烯水溶液；

（3）胶原溶液的制备

将购得的牛腱胶原冷冻干燥后，称取0.6g，溶于体积浓度为0.4%的丙二酸溶液中，充分搅拌直至完全溶解，制备得到质量浓度为0.6%的胶原溶液；

（4）胶原/氧化石墨烯基质模板的制备

取所制备的氧化石墨烯水溶液4ml与96g胶原溶液均匀混合，得到胶原/氧化石墨烯混合溶液；将混合溶液冷冻干燥48h后，在交联液中进行交联（所用交联液是以30.026gd-核糖、100ml丙酮与20ml氨水加水配成1000ml）；交联后的复合材料用去离子水反复冲洗，再经冷冻干燥后，即得到氧化石墨烯质量分数为4%的胶原/氧化石墨烯基质模板。

实施例2

在实施例一中，将氧化石墨烯水溶液2ml与98g胶原溶液混合均匀，其他步骤与实施例一相同，制备氧化石墨烯质量分数为2%的胶原/氧化石墨烯基质模板。

实施例3

在实施例一中，将氧化石墨烯水溶液1ml与99g胶原溶液混合均匀，其他步骤与实施例一相同，制备氧化石墨烯质量分数为1%的胶原/氧化石墨烯基质模板。

将实施例1制备的胶原/氧化石墨烯基质模板用γ射线辐照灭菌后，无菌条件下浸泡于1.5倍模拟体液（1.5×sbf）中（模拟体液配制方法见表1），并置于37℃恒温低速摇床中进行矿化反应3天，期间每24h更换新鲜sbf溶液，反应结束后，取出样品用蒸馏水洗涤，再经真空冷冻干燥除去水分，即得到相应骨修复支架材料。

表1模拟体液的配制方法（1000ml）

图1、2分别为实施例1胶原/氧化石墨烯基质模板及其矿化后所得复合骨修复支架材料的扫描电镜图。由图可见，于模拟体液中浸泡矿化后，支架材料表面有新物质沉积。

图3为实施例1胶原/氧化石墨烯基质模板经矿化反应后所得复合骨修复支架材料的xrd图。由图可见，支架材料表面及孔壁有纳米羟基磷灰石生成，表明无机/有机双相氧化石墨烯复合骨修复支架材料成功制备。

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。