一种纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人工仿骨材料的制备领域。更具体地，涉及一种纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]由于肿瘤、佝偻等各种各样的疾病增多、车祸等意外事故频发，骨损伤问题日益严重。移植骨可以起到阻止纤维组织的填充，利于新骨的生长，从而起到治疗骨损伤的效果。移植骨的来源通常有自体骨、异体骨和人工骨材料三种。人工骨材料既能解决自体骨来源短缺的问题又没有异体骨免疫排斥的弊端，是解决骨损伤问题的极佳材料。天然骨组织的成分由约70%的无机成分和约30%的有机成分组成。无机成分主要由羟基磷灰石(羟基磷酸I丐/碱式磷酸Hhydroxyapatite/HAP)组成，而有机成分则是胶原蛋白。纳米轻基磷灰石-有机物的复合材料是这类人工仿骨材料中极具代表型的一类，通过模拟天然骨成分来起到模仿骨性能的目的，具有一定的生物性能与力学性能。
[0003]人工合成纳米羟基磷灰石的方法有很多，主要分为固相反应法与液相反应法。固相反应法常常需要高温等条件，产物颗粒大，尺寸不均匀，现已很少使用。液相反应法包括化学沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、微乳相法等。其中化学沉淀法是最为基础的方法，该法所需条件温和，颗粒尺寸较小且均匀，也是最常用之法。
[0004]制备纳米羟基磷灰石-有机物复合材料所选的有机物主要分为人工合成高分子有机物和天然有机物两大类。人工合成有机物具有成本低，生产重复性好，易于工业化等优点。人工合成有机物分为不可降解材料(如聚乙烯)和可降解材料(主要有聚乳酸和聚乙醇酸)两类。作为需和纳米羟基磷灰石结合植入体内的材料，不可降解材料的应用受到限制。但是作为可降解材料在使用过程也出现了不少问题，例如抗压等机械强度不够；降解速度快，无法起到支撑作用;酸性降解导致无菌性炎症;亲水性差等。
[0005]天然有机物在生物相容性方面有着无可比拟的优势，天然有机物和纳米羟基磷灰石结合的材料更贴近生物骨，能与缺陷组织更好地结合。常见的材料有明胶、胶原、壳聚糖和丝蛋白等。明胶、胶原和丝蛋白是常见的几种天然蛋白，其中胶原是哺乳动物皮肤，骨头等组织的主要组成成分，明胶是胶原降解而形成的白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒，丝蛋白则是蚕丝或蜘蛛丝的水解产物，这些材料有着优越的生物相容性，被广泛应用于食品、医药及化工产业。胶原羟基磷灰石-蛋白复合材料凭借其优良的生物相容性和力学性能在骨组织缺损替换等领域有着广阔的应用前景。
[0006]常见的纳米羟基磷灰石-蛋白复合材料多采用共沉淀原位合成法，利用搅拌釜式反应器(STR)将钙源和蛋白按一定比例混合配成溶液，再加入磷酸根，从而得到复合材料。常见的STR不能提供高效的混合与反应，复合材料中的有机组分含量普遍较低，不满足天然骨有机无机组分含量比例，同时还造成了原料的浪费。
[0007]超重力技术依托于超重力机(又称旋转填充床，RPB)，是20世纪兴起的一种新型强化混合传质加速反应的新技术。经过数十年的不断研究改良，超重力技术已经被广泛用于化工、材料、生物医药、环保等领域。相比如传统反应器，超重力机具有效率高、能耗低、易于工业放大等优点，具有广阔的科研和市场商业价值。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种工艺、设备简单，一步高效反应、易于操作、可方便控制高有机物含量的，具有普适性的纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨复合材料制备方法。
[0009]本发明的另一个目的在于提供一种利用上述方法制备得到的高有机含量的纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨复合材料。
[0010]本发明公开了一种制备羟基磷灰石-蛋白人工仿骨材料新方法，其特点为将超重力技术与共沉淀原位和成法相结合，高效制备高有机物含量的纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨材料。通过控制原料组分浓度和旋转填充床转速等反应条件，制备出人工仿骨材料。此法不仅效率高、成本低、设备简单、工艺安全稳定，而且产物有机含量高且可调控产，蛋白原料具有普适性，为批量生产生物材料提供了一种新途径。
[0011 ]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0012]—种纳米羟基磷灰石-蛋白人工仿骨材料的制备方法，包括如下步骤:
[0013]I)分别配制Ca(NO3)2与Na3PO4溶液，将一定量的蛋白溶于Ca(NO3)2溶液中，按照一定的钙磷摩尔比控制Ca (NO3) 2溶液与Na3PO4溶液进料，在旋转填充床内进行反应；
[0014]2)将反应后的沉淀在室温下陈化；
[0015]3)抽滤、洗涤、干燥并研磨得到纳米羟基磷灰石-蛋白复合材料；
[0016]4)将研磨后的复合材料粉末倒入圆柱压片模具中压铸成圆柱形材料。
[0017]优选地，步骤I)中，所述Ca(M)3) 2溶液的浓度为0.09-0.llmol/L；所述Na3PO4溶液的浓度为0.09-0.llmol/L。优选的浓度能保证较高的生产效率的同时并减小产物颗粒尺寸。浓度过高会加速晶核生长，晶体颗粒尺寸增大;而浓度过低则会导致产量不高。
[0018]优选地，步骤I)中，所述蛋白选自明胶、丝蛋白和胶原蛋白中的一种或多种;所述明胶的加入量为反应理论产物质量的10-38wt%;$白加入Ca(NO3)2溶液后调节溶液的pH值为9.5-10.5。所述反应理论产物指的是由Ca(N03) 2与Na3PO4溶液反应所得到羟基磷灰石与原料蛋白完全附着的总质量，即X% =剛斓e|./(剛斓54+π?停趣齡?)*100%。
[0019]在蛋白优选添加量内，实际产物中蛋白含量约占5_18wt%，约为对应蛋白原料的一半，体现了该法制备的产物中明胶含量的可调控性。调节溶液PH至优选范围，若pH过低则会导致产物中出现磷酸钙或磷酸氢钙杂质，而PH过高则会导致一方面浪费原料，另一方面捕捉更多的空气中的二氧化碳，使得产物中碳酸根离子取代增多。
[°02°]进一步更优选地，步骤I)中，所述蛋白的加入量为反应理论产物质量的36-38wt%，如此的添加量可以使得产物复合材料中有机组分的含量高达18%。这比与参考现有文献实施的对比例中实际产物明胶含量高出约5%，体现了该法制备产物能够制备出具有更高蛋白含量的仿骨材料，更接近人类自然骨中有机物的含量。
[0021 ] 优选地，步骤I)中，Ca(NO3)2溶液和Na3PO4溶液按照钙磷摩尔比为1.6_1.7:1的比例控制进料;所述Ca(NO3)2溶液的进料流速为60-70L/h;所述Na3PO4溶液的进料流速为35-44L/h。按照优选的钙磷摩尔比进料，过低的钙磷摩尔比会导致产物中生成磷酸钙杂质而过高的钙磷摩尔比则会生成缺钙磷灰石;按照优选进料流速进料，过慢的进料流速会导致生产效率较低，而过快的流速则会造成填充床内部转子液膜过厚，造成微观混合不均匀，影响产物颗粒尺寸形貌。
[0022]优选地，步骤I)中，旋转填充床的转速为1500-1700r/min。过低的转速导致转子填料上的液滴不够小，原料接触时间不充分，不利于反应，产物晶体颗粒尺寸也偏大；当转速达到一定程度时，液滴尺寸大小达到饱和，再加大转速对反应的影响不大，过高的转速还会造成大量能耗和安全隐患。
[0023]优选地，步骤2)中，陈化的时间为14-18h。陈化时间过短不利于晶体结晶生长，而陈化时间过长则会造成晶体的大量团聚。
[0024]优选地，步骤3)中，利用滤膜和抽滤装置将产物固液分离，采用去离子水反复洗涤至洗涤后的液体无导电率，干燥温度为70-900C，干燥时间8-12h。干燥温度过高，虽然会减少干燥时间，但会增加产物羟基磷灰石晶体的结晶度，增大晶体尺寸，这与天然骨成分中弱结晶度的羟基磷灰石晶体不符;而过低的干燥温度则会加长干燥时间，加长了生产周期。
[0025]优选地，步骤4)中，压铸压力为4-6Mpa，压铸时间为4_6min。过大的压铸压力和过长的压铸时间会导致圆柱复合材料碎裂或者断层;而过小的压铸压