一种羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料及其制备方法与流程

本发明的技术方案属于生物医学材料领域，涉及一种羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料及其制备方法。

背景技术：

明胶(gelatin)是由动物皮肤、骨、肌膜、肌腱等结缔组织中的胶原部分降解而成为白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒；是一种无色无味，无挥发性、透明坚硬的非晶体物质，可溶于热水，不溶于冷水，但可以缓慢吸水膨胀软化，明胶可吸收相当于重量5-10倍的水。明胶是非常重要的天然生物高分子材料之一，已被广泛应用于食品、医药及化工产业。明胶由于其优异的生物降解特性和细胞相容性可以用于伤口包敷、药物载体等领域。明胶与羟基磷灰石等无机材料形成的纳米复合材料更是在骨替代、骨修复等领域具有重要地位。

发明人前期公开了羟基磷灰石多孔纳米棒及其制备方法(专利201310719770.7)，该方法采用以乙醇等小分子为辅助剂，通过回流-混合溶剂热法制备了表面带有纳米凹坑的多级结构羟基磷灰石纳米棒，我们将其命名为羟基磷灰石纳米花生(xiujieji,etal.anovelethanolinducedandstabilizedhierarchicalnanorods:hydroxyapatitenanopeanut,j.am.ceram.soc.,2015,98[6]1702-1705)。并且开发了与之相应的绿色、高效、低成本的合成方法。乙醇在发挥对该多级结构纳米棒的诱导与稳定作用之后，可以在较低的温度下将其除去，从而得到纯净的羟基磷灰石纳米花生。该方法相较于传统的表面活性剂模板法，既避免了残留表面活性剂的生物相容性问题，又避免了高温煅烧去除表面活性剂过程中的高耗能、环境污染、纳米颗粒融合、结构破坏等一系列问题。

采用上述羟基磷灰石纳米花生与明胶进行复合，明胶分子通过非共价键作用于乙醇等小分子脱除后留下的纳米凹坑中，从而使明胶分子牢固的锚固在羟基磷灰石纳米棒上，羟基磷灰石纳米花生表面特有的凹坑状纳米结构成为与明胶分子作用的一个理想的结合位点，有利于羟基磷灰石纳米花生与明胶分子之间形成更牢固的非共价键作用，进而得到羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料。以克服现有的通过羟基磷灰石粉体与明胶进行纳米复合过程中，由于羟基磷灰石缺少与明胶相互作用的活性位点，使得羟基磷灰石与明胶间的相互作用较弱，难以形成稳定的自组装纳米结构的缺点，以及表面活性剂残留导致的生物相容性问题，及其煅烧去除残留表面活性剂带来的能耗、成本、环境等问题，而且克服了高温下容易导致原有纳微结构破坏、表面活性降低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料及其制备方法。本发明所用的羟基磷灰石纳米花生为结晶性良好，无其他杂相，不含表面活性剂的多级结构纳米棒，纳米棒表面具有丰富的3～12nm的凹坑，且未经煅烧处理，具有良好的表面活性。本发明不使用表面活性剂，通过多级结构羟基磷灰石纳米棒特有的微观结构与明胶复合，制备自组装纳米复合材料。本发明克服了现有的通过羟基磷灰石粉体与明胶进行纳米复合过程中，由于羟基磷灰石缺少与明胶相互作用的活性位点，使得羟基磷灰石与明胶间的相互作用较弱，难以形成自组装纳米结构，及羟基磷灰石粉体中表面活性剂残留导致生物相容性问题，煅烧去除残留表面活性剂导致的耗能、成本的增加、纳微结构破坏、表面活性降低等问题。

本发明的技术方案是：

一种羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料，该复合材料的组成包括羟基磷灰石纳米花生和明胶，其中，质量比为羟基磷灰石纳米花生:明胶＝0.1～10:1；

所述的羟基磷灰石纳米花生为长度为50～210纳米，宽度为22～52纳米的纳米棒状，且表面分布有3～12纳米的凹坑；明胶分子通过其极性基团锚固在羟基磷灰石纳米棒上的纳米凹坑。

所述的羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将羟基磷灰石纳米花生粉体，超生分散在水中，制成0.1～0.01克/毫升羟基磷灰石分散液，待用；

(2)将明胶粉末加入到上步得到的羟基磷灰石分散液中，在室温下溶胀0.5～2小时，加热至65～80℃，搅拌至明胶完全溶解，再继续搅拌均化1～2小时，制成羟基磷灰石/明胶混合液，待用；其中，每毫升羟基磷灰石分散液加0.01～0.1克明胶粉末；

(3)将步骤(2)中的混合液倒入模具，65～80℃真空浓缩至原重的10％～70％，冷却至35～37℃保温2～8小时，放入冻干机中冻干，得到羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料；

本发明的实质性特点为：

当前技术中，由于羟基磷灰石缺少与明胶的作用位点，导致明胶分子与羟基磷灰石之间的结合力薄弱，难以真正实现羟基磷灰石与明胶分子的充分相互作用。本发明通过将羟基磷灰石纳米花生所提供的丰富的表面纳米凹坑、纳米棒等不同层次的显微结构与明胶分子进行充分作用，实现明胶分子与纳米凹坑的锚固作用进而实现明胶网络与羟基磷灰石纳米棒的自组装。由于在制备羟基磷灰石纳米花生过程中没有使用表面活性剂，因而没有任何生物相容性问题，而且避免高温煅烧去除表面活性剂所带来的环境、成本等问题，也避免了高温对羟基磷灰石纳微结构及表面活性的破坏。

本发明的有益效果是：

1.本发明方法所得到的纳米复合材料是一种由羟基磷灰石纳米花生与明胶通过自组装得到的一种新型纳米复合材料，其中，羟基磷灰石表面丰富的纳米凹坑为明胶分子提供了良好的结合位点，使明胶分子可以更加牢固地锚固在羟基磷灰石纳米棒上，从而形成稳定的自组装结构。

2.本发明方法中，采用自主知识产权的羟基磷灰石纳米花生作为无机组分，具有不同于以往报道的任何一种羟基磷灰石，其显微结构为纳米花生状，即表面带有丰富纳米凹坑的纳米棒，且合成过程中不使用表面活性剂，无任何生物相容性问题，也不需要高温煅烧即可脱除残存的乙醇等小分子，没有由此产生的环境、成本、纳微结构及表面活性破坏等一系列问题。本发明使纳米羟基磷灰石与明胶分子实现自组装，进而形成了稳定的纳米复合结构，该自组装纳米复合材料在骨修复、骨替代领域具有重要的应用价值。

3.本发明采用的原料明胶属于普通化学试剂，廉价易得。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为实施例1中乙醇辅助合成的羟基磷灰石纳米花生的tem照片。

图2为实施例1中羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料的照片。

具体实施方式

本发明所述的羟基磷灰石纳米花生粉体具体为长度为50～210纳米，宽度为22～52纳米的羟基磷灰石纳米棒状，且表面存在丰富的3～12纳米的凹坑；

该羟基磷灰石纳米花生(hydroxyapatitenanopeanut，亦可称之为羟基磷灰石多孔纳米棒)采用乙醇等小分子作为结构诱导与稳定助剂，未使用表面活性剂，详见专利201310719770.7和xiujieji,etal.anovelethanolinducedandstabilizedhierarchicalnanorods:hydroxyapatitenanopeanut,j.am.ceram.soc.,2015,98[6]1702-1705。

实施例1

(1)取0.5g羟基磷灰石纳米花生粉体，在10ml水中超生分散0.5分钟，制成分散均匀的羟基磷灰石分散液，待用；

(2)将0.5g明胶粉末加入上步得到的羟基磷灰石分散液中，室温溶胀1小时，再加热至65℃，搅拌至明胶完全溶解，再继续搅拌均化1小时，制成羟基磷灰石/明胶混合液，待用；

(3)将步骤(2)中的混合液倒入模具，65℃真空浓缩至原重的50％，冷却至35℃保温2小时，放入冻干机中-2到-5℃下冻干得到羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料；

图1为所用的羟基磷灰石纳米花生的tem照片，羟基磷灰石为纳米花生状，长度为50～210纳米，宽度为22～52纳米，插入图为局部放大图，可以清楚观察到在其表面具有丰富的3～10纳米的凹坑。图2为冻干得到的羟基磷灰石纳米花生/明胶自组装纳米复合材料的照片，可以看到羟基磷灰石与明胶形成了均匀的复合材料，没有发现分层情况，说明羟基磷灰石纳米花生与明胶形成了均匀、稳定的自组装纳米复合材料。其中，羟基磷灰石纳米花生表面所具有的丰富的纳米凹坑起到关键作用，这些凹坑具有更高的吸附势，明胶分子通过非共价键作用更加牢固的吸附于这些纳米凹坑中，实现锚固作用，从而实现了羟基磷灰石纳米花生与明胶的自组装，进而形成了均匀稳定的自组装纳米复合材料。

对比例1

(1)取0.5g羟基磷灰石纳米花生粉体，在10ml水中超生分散0.5分钟，制成分散均匀的羟基磷灰石分散液；

(2)将步骤(1)中的分散液倒入模具，65℃真空浓缩至原重的50％，冷却至35℃保温2小时，放入冻干机中-2到-5℃下冻干得到羟基磷灰石纳米花生粉末。

与实施例1形成鲜明反差的是，当分散体系中没有明胶时，羟基磷灰石纳米花生无法获得由明胶分子的锚固结合而产生的阻滞和稳定作用，羟基磷灰石纳米花生会在浓缩和冷却过程中发生沉降，无法得到稳定的分散体系。

实施例2

将实施例1中步骤(1)中的羟基磷灰石纳米花生粉体用量增为1g，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例3

将实施例1中步骤(1)中的羟基磷灰石纳米花生粉体用量减为0.1g，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例4

将实施例1中步骤(2)的搅拌均化时间调整为2小时，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例5

将实施例1中步骤(2)的溶解温度调整为80℃，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例6

将实施例1中步骤(3)的浓缩量调整为原重的10％，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例7

将实施例1中步骤(3)浓缩温度调整为80℃，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例8

将实施例1中步骤(3)的保温温度调整为37℃，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

实施例9

将实施例1中步骤(3)的保温时间调整为8小时，其他步骤同实施例1。得到产物同实施例1。

本发明未尽事宜为公知技术。