一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料及其制备方法，应用 于骨修复或骨替代材料，具体设及生物医用材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 在骨科领域，由创伤、感染、骨病、骨肿瘤切除等造成的骨缺损十分常见。自体骨或 异体骨都存在着增加手术并发症、材料来源有限、传播疾病或免疫排斥反应等问题，其临床 应用受到了一定的限制。随着生物材料技术的发展，人造的骨替代材料越来越多地应用于 临床。骨替代材料主要作为置入人体骨内构架，骨细胞和胶原纤维在其上生长，最终成为活 体骨的一部分。因此，寻找一种理想的骨移植替代材料一直是人们努力的目标。
[0003] 目前用于骨组织修复的主要有金属、陶瓷和聚合物几大类。但是金属材料缺乏与 人体组织结合的生物活性，陶瓷类材料主要存在质脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏等 不足，聚合物可W具有人骨相近的模量，但不具备与骨组织形成生物键的活性。因此，寻找 比较理想的材料用于骨组织修复仍然是临床上的一个难点。天然骨是是一种由约30%的有 机基质和70%的径基憐灰石构成的有机/无机生物复合材料，有机基质主要包括非胶原蛋 白、粘多糖等。径基憐灰石纳米晶体有序地嵌在胶原纤维基质中，有机和无机组元间的密切 协同作用W及分子水平的独特组装，赋予了天然骨的多级结构和优异的力学性能。因此，要 制备生物相容性和力学相容性好、有生物活性的骨修复或骨替代材料，需要从分子水平设 计进行仿生设计，模仿天然骨的结构和功能。纳米晶须是从天然纤维中提取出的一种纳米 级的纤维素，它不仅具有纳米颗粒的特征，还具有一些独特的强度和光学性能，具有广阔的 应用前景。通过簇基化改性使纤维素纳米晶须表面接枝大量一C00H基团，有目的加强纳米 晶须的功能性，同时又不破固有的优点，扩展了它的应用范围，。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的制备方 法。通过纳米纤维素晶须的簇基化改性和静电自组装仿生矿化得到纳米纤维素晶须/径基 憐灰石纳米复合粒子，利用冷冻干燥技术使它和不同浓度的丝素共混得到密度和孔隙率呈 梯度分布的多孔骨仿生材料。运种骨仿生材料不仅在成分上模拟了天然骨，而且在结构上 对天然骨仿生，具有良好的生物相容性、生物降解性和骨诱导性能，及优异的力学性能。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是，一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材 料，它由无机的簇基化纳米纤维素晶须和径基憐灰石与有机的丝素组成，所述的无机成分 簇甲基化纳米晶须和径基憐灰石的质量比为1:0-1，所述的无机成分和有机成分的其质量 比为 1:0. 5-2。
[0006] 所述骨仿生材料由簇基化纳米纤维素晶须、径基憐灰石和桑蚕丝素组成，簇基化 纳米纤维素晶须、径基憐灰石和桑蚕丝素的质量比为1:1-10:0. 5-5,其密度梯度从外到内 分别为 75. 3%-82. 3%，57. 4%-67. 2%，11. 6%-30. 6〇/〇。
[0007] 所述的纳米晶须的长径比约为20:1-2,所述的丝素蛋白为桑蚕丝素和昨蚕丝素， 其蛋白分子的特性粘度大于或等于0. 50,所述的径基憐灰石呈现针状分布，其粒子长度在 50-300nm，粒子宽度在 10-50nm。
[0008] 制备运种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的方法，采用如下步骤： (1) 将纳米纤维素晶须超声分散到0.l-2mol/L氨氧化钢的乙醇溶液中，浴比为 1:500,在20-80 °C下碱化10-120min。再加入0.125-2. 5mol/L的氯乙酸钢溶液，在30-75 °C下超声揽拌15-lOOmin，并用0. 1-0. 5mol/L的盐酸调溶液抑值至中性并在蒸馈水中透析 =天，得到簇基化改性的纳米纤维素晶悬浊溶液； (2) 按照巧憐物质的量之比为1. 67,将0. 01-0.Imol/L的化(0H)2与稀释的H3PO4溶液 用滴定管同时滴入步骤（1)制得的溶液中并在超声中揽拌1-化，逐滴加入氨水控制反应 抑值为8.0~10. 0,控制反应溫度为20-80°C，得到纳米纤维素晶须/径基憐灰石比例为 1:1-10的复合粒子悬浊液； (3) 将步骤（2)所得的纳米纤维素晶须/径基憐灰石纳米复合粒子悬浊液室溫静置48 小时后除去上层清液，离屯、分离出沉淀物，蒸馈水洗涂=次后，冷冻干燥制得纳米纤维素晶 须/径基憐灰石复合粒子； (4) 将步骤（3)中所得到纳米纤维素晶须/径基憐灰石复合粒子超声分散到浓度分别 为5%-15%，35%-45%，55%-65%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/径基憐灰石/ 丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/径基憐灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35 ; (5) 将步骤（4)中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/径基憐灰石/丝素共混溶 液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-50--80°C冷冻干燥，再将其它共混溶液按照 质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的含有石墨締、径 基憐灰石和丝素的纳米骨仿生材料。
[0009]与现有的骨替代材料及其制备方法相比，本发明具有W下优点： (1) 本发明中由簇基化改性的纳米纤维素晶须和径基憐灰石自组装而成的复合粒子 中，由于静电作用，棒状的径基憐灰石分布在纳米纤维素晶须表面，将棒状的纳米纤维素晶 须连接在一起，簇基化纳米纤维素晶须和径基憐灰石层交替排列形成钢筋-混凝±结构。 因而，可提高径基憐灰石的抗压力学强度和初性； (2) 本发明中制备的多孔骨仿生材料具有梯度分布的孔隙结构，从而在宏观上对天然 骨进行仿生。本发明制备的复合支架材料可W容易的获得所需的形状和大小；可W形成一 定结构和含量的孔隙，能够满足骨移植过程中对骨仿生材料类型的要求； (3) 本发明中制备的骨仿生材料具有无毒性、无刺激性、生物相容性好、细胞亲和性好、 生物可降解性好W及优良的力学性能。
[0010] 本发明制备的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，主要是基于簇甲基化 改性的纳米纤维素晶须，通过静电自组装仿生矿化得到纳米纤维素晶须/径基憐灰石复合 粒子，并结合丝素来制备密度和孔隙率梯度分布的多孔骨仿生材料。
【附图说明】
[0011] 图1簇甲基化后纳米纤维素晶须的形貌； 图2纤维素纳米晶须与径基憐灰石比例为1:1的复合粒子的形貌； 图3纤维素纳米晶须与径基憐灰石比例为1:2的复合粒子的形貌； 图4纤维素纳米晶须与径基憐灰石比例为1:4的复合粒子的形貌。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图通过实例对本发明进一步详细说明。
[0013] 一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，它由无机的簇基化纳米纤维 素晶须和径基憐灰石与有机的丝素组成，所述的无机成分簇甲基化纳米晶须和径基憐灰 石的质量比为1:0-1，所述的无机成分和有机成分的其质量比为1:0. 5-2,所述骨仿生材 料由簇基化纳米纤维素晶须、径基憐灰石和桑蚕丝素组成，簇基化纳米纤维素晶须、径基 憐灰石和桑蚕丝素的质量比为1:1-10:0. 5-5,其密度梯度从外到内分别为75. 3%-82. 3%， 57. 4%-67. 2%，11. 6%-30. 6%。所述的纳米晶须的长径比约为20:1-2,所述的丝素蛋白为桑蚕 丝素和昨蚕丝素，其蛋白分子的特性粘度大于或等于0. 50,所述的径基憐灰石呈现针状分 布，其粒子长度在50-300nm，粒子宽度在10-50nm。
[0014] 实施例1 一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的制备方法，按W下步骤进行： (1) 将纳米纤维素晶须超声分散到0. 5mol/L氨氧化钢的乙醇（85%)溶液中，浴比为 1:500,在30°C下碱化60min,再加入0. 725mol/L的氯乙酸钢溶液，在60 °C下超声揽拌 50min，并用0.Imol/L的盐酸调溶液抑值至中性并在蒸馈水中透析S天，得到簇基化改性 的纳米纤维素晶须悬浊溶液； (2) 按照巧憐物质的量之比为1. 67,将0. 05mol/L的化(0H)2与稀释的H3PO4溶液用滴 定管同时滴入步骤（1)制得的溶液中并在超声中揽拌地，逐滴加入氨水控制反应抑值为 8.0~9. 0,控制反应溫度为60°C，得到纳米纤维素晶须/径基憐灰石比例为1 :1的复合粒 子悬浊液； (3) 将步骤（2)所得的纳米纤维素晶须/径基憐灰石纳米复合粒子悬浊液室溫静置48 小时后除去上层清液，离屯、分离出沉淀物，蒸馈水洗涂=次后，冷冻干燥制得纳米纤维素晶 须/径基憐灰石复合粒子； (4) 将步骤（3)中所得到纳米纤维素晶须/径基憐灰石复合粒子超声分散到浓度分别 为5%，35, 55%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/径基憐灰石/丝素共混溶液， 其中纳米纤维素晶须/径基憐灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35 ; (5) 将步骤（4)中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/径基憐灰石/丝素共混溶液 倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-54°C冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓 度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料，该骨 仿生材料由簇基化纳米纤维素晶须、径基憐灰石和桑蚕丝素组成，其质量比为1:2:2,其密 度梯度从外到内分别为78. 4%，57. 4%，11. 6%，其孔隙率梯度从外到内分别为17. 2%，37. 4%， 80. 2%〇
[0015] 表1显示了含有纳米纤维素晶须/径基憐灰石/丝素的多孔纳米骨仿生材料的力 学性能和孔隙率，其簇甲基化后的纳米晶须、纳米纤维素晶须/径基憐灰石复合粒子结构 的SEM照片如图1和图2 (图1中放大倍数为5万倍，图2中放大倍数为2万倍)所示，由图 1可W看出，本发明制备的