本发明属于生物医用高分子材料技术领域，具体地说，涉及一种可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料的制备方法。
背景技术：
生物活性骨修复材料是以多孔生物活性玻璃为主要原料的生物医学材料。该材料的高生物化学活性，在水溶液中材料表面会发生快速的离子交换反应，最终在材料表面形成类似于人体骨组织的羟基磷灰石(HCA)层，HCA层对于材料植入骨组织缺损处后可以在较短时间内同活的骨组织形成化学键合起到关键性的作用，从而对骨缺损或患病骨组织起到良好的修复作用，其应用前景非常乐观，市场作用十分巨大。生物玻璃的化学组成与人体骨骼类似，具有良好的生物相容性和降解性，植入人体后可以有效促进组织分化、骨愈合。然而现有的玻璃微粉强度与活性难以兼顾，并且现有的人工骨修复材料大多为块状或粉末固体，作为骨填充材料时与缺损组织间存在空隙，难以与基体组织完美结合，导致修复效果不是很理想。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明针对现有骨填充材料强度低、使用时与缺损组织间存在空隙的问题，提供了一种可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料的制备方法，有足够强度并且可与骨头紧密贴合，生物相容性好。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料的制备方法，以正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2原料作前躯体，聚乙烯醇及聚二甲基硅氧烷作为造孔剂，在催化剂作用下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶，经洗涤、干燥、研磨后得到多孔生物活性玻璃微粉；所述多孔生物活性玻璃微粉与N-异丙基丙烯酰胺的混合溶液进行聚合反应，得到膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
进一步地，上述方法包括以下步骤：
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶；
以正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2五种原料为前躯体，聚乙烯醇及聚二甲基硅氧烷作为造孔剂，在催化剂作用下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥、研磨后得到多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，加入N-异丙基丙烯酰胺，搅拌溶解后，在引发剂作用下进行聚合反应，将聚合产物洗涤、干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
进一步地，所述正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为16～20︰1～3︰7～9︰11～14︰1。
进一步地，所述聚乙烯醇的用量为前躯体质量的20～36wt％，所述聚二甲基硅氧烷的用量为前躯体质量的16～28wt％。
进一步地，所述催化剂与前躯体的摩尔比为10︰1，所述催化剂为硝酸溶液或柠檬酸溶液，硝酸溶液的浓度为2M，柠檬酸溶液的浓度为5mM。
进一步地，所述梯度升温干燥具体为：60℃干燥12h，然后升温至200℃干燥5h，再升温至700℃干燥2h。
进一步地，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1︰9～2︰8，总固含量为7.5wt％～10.0wt％。
进一步地，所述引发剂为过硫酸钾-四甲基乙二胺氧化-还原引发体系，所述引发剂摩尔数为N-异丙基丙烯酰胺的0.5～2％，其中过硫酸钾与四甲基乙二胺的摩尔比为1︰2。
进一步地，所述聚合反应的温度为15℃，时间为10～15min。
进一步地，所述聚合反应在惰性气体保护下进行。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
(1)本发明通过添加微量Mg、Ca元素提高玻璃微粉的强度，同时在复配造孔剂的作用下，制得高活性的多孔生物活性玻璃微粉，克服了现有骨填充材料强度低的缺陷。
(2)本发明通过将具有温敏性的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体与多孔生物活性玻璃微粉复合，聚合得到膏状的可注射型PNIPAM/玻璃微粉均相复合材料。这种材料用于骨填充时，由于具有流动性，可以很好地与填充部位吻合；又由于人体体温稍高于PNIPAM/生物活性玻璃微粉复合体系的相转变温度，当注射入人体后，复合材料会收缩硬化并与人骨紧密贴合在一起，克服了现有块状或粉末状骨填充材料在使用时与缺损组织间存在空隙的问题。
(3)生物活性玻璃微粉与人体良好的生物相容性与高生物化学活性使其能够与人骨组织生长在一起并具有传递生物介质属性，从而对骨缺损或患病骨组织起到良好的修复作用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶；
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2.4H2O、Mg(NO3)2五种原料为前躯体，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，在催化剂作用下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
其中，所述正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、NaNO3、Ca(NO3)2.4H2O、Mg(NO3)2的质量比为16～20︰1～3︰7～9︰11～14︰1，优选18.6︰1.8︰8.0︰12.3︰1，该比例范围可以使所制得的生物活性玻璃的成份与人体骨组织的羟基磷灰石(HA)层相似。
优选的，所述聚乙烯醇用量为20～36wt％(相对于前躯体)，聚二甲基硅氧烷的用量为16～28wt％(相对于前躯体)，选取该比例范围可以减缓整个造孔剂的分解过程，避免了在较高造孔剂含量时材料的坍塌，从而提高玻璃微粉的孔隙率。
优选的，所述催化剂为硝酸溶液、柠檬酸溶液中任一种，催化剂与前躯体的摩尔比为10︰1，硝酸优选浓度为2M的硝酸溶液，柠檬酸优选浓度为5mM的柠檬酸溶液。催化剂为硝酸时，在35℃下进行溶胶-凝胶反应；催化剂为柠檬酸时，在20℃下进行溶胶-凝胶反应。
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥、研磨后得到多孔生物活性玻璃微粉；
进一步地，所述梯度升温干燥具体为：60℃干燥12h，然后升温至200℃干燥5h，再升温至700℃干燥2h。
该种升温方式的好处：①溶剂去除的速度最终决定凝胶的孔隙率分布，这样有利于得到孔隙分布均匀的材料；②有利于进一步缩合反应，提高材料的致密度，进而提高力学强度。
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，加入N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，搅拌溶解后，在引发剂作用下进行聚合反应，将聚合产物洗涤、干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
优选的，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1︰9～2︰8、总的固含量为7.5wt％～10.0wt％，选取该比例范围可以使所得材料具有一定流动性，同时保证材料有足够的力学强度。
优选的，所述引发剂为过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂摩尔数为N-异丙基丙烯酰胺的0.5～2％，选取该比例范围的好处在于：①使聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)聚合度适中，保证材料有足够的力学强度；②使聚合速率适中，便于反应过程的控制；③使材料具有适宜的相转变温度。
其中KPS与TEMDA的摩尔比为1︰2，该比例可以使每个引发剂分子尽可能只产生一个自由基，这样有利于得到分子量分布较窄的聚合产物。
优选的，所述聚合反应的温度为15℃，时间为10～15min。
进一步地，所述聚合反应在惰性气体保护下进行，所述惰性气体包括但不限于：氮气和氩气。
实施例1
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为18.6︰1.8︰8.0︰12.3︰1，以硝酸为催化剂，硝酸水溶液(浓度为2M)与五种前驱体总的摩尔比均为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为36wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为16wt％(相对于前躯体)，在35℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1︰9，总的固含量为7.5wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为0.5％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应10min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
实施例2
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为16︰1.5︰7︰11︰1，以硝酸为催化剂，硝酸水溶液(浓度为2M)与五种前驱体总的摩尔比为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为32wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为20wt％(相对于前躯体)，在35℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1︰9，总的固含量为10wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为1％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应15min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
实施例3
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为20︰3︰9︰14︰1，以柠檬酸为催化剂，柠檬酸水溶液(浓度为5mM)与五种前驱体总的摩尔比为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为28wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为24wt％(相对于前躯体)，在20℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1.5︰8.5，总的固含量为7.5wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为1.5％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应15min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
实施例4
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为17︰1︰7.5︰13︰1，以柠檬酸为催化剂，柠檬酸水溶液(浓度为5mM)与五种前驱体总的摩尔比为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为20wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为16wt％(相对于前躯体)，在20℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1.5︰8.5，总的固含量为10wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为2％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应12min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
实施例5
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为18.6︰1.8︰8.0︰12.3︰1，以硝酸为催化剂，硝酸水溶液(浓度为2M)与五种前驱体总的摩尔比为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为32wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为20wt％(相对于前躯体)，在35℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为2︰8，总的固含量为7.5wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为1.5％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应10min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
实施例6
步骤1，制备生物活性玻璃凝胶
以正硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2为前躯体，所述TEOS、TEP、NaNO3、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2的质量比为18.6︰1.8︰8.0︰12.3︰1，以柠檬酸为催化剂，柠檬酸水溶液(浓度为5mM)与五种前驱体总的摩尔比为10︰1，聚乙烯醇(PVA)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为造孔剂，所述PVA用量为32wt％(相对于前躯体)、PDMS用量为28wt％(相对于前躯体)，在20℃下通过溶胶-凝胶法制得生物活性玻璃凝胶；
步骤2，将得到的生物活性玻璃凝胶，经洗涤、梯度升温干燥(60℃/12h→200℃/5h→700℃/2h)、研磨后得到高强度、高活性多孔生物活性玻璃微粉；
步骤3，制备生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料
通过超声振荡后磁力搅拌，将所述多孔生物活性玻璃粉末均匀分散于水中，得玻璃微粉悬浮液，并向液面下通入N2；控制温度为15℃，将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体加入玻璃微粉悬浮液中，所述多孔生物活性玻璃粉末与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为2︰8，总的固含量为9wt％，搅拌使NIPAM充分溶解，然后将N2改为从液面上通入，以降低溶液中气体含量；
一次性加入过硫酸钾(KPS)-四甲基乙二胺(TEMDA)氧化-还原引发体系，所述引发剂总摩尔量相对N-异丙基丙烯酰胺为2％，其中KPS与TEMDA的摩尔比为1:2，在引发剂作用下进行聚合反应15min，用乙醇洗涤聚合产物、冷冻干燥后得到生物活性玻璃微粉/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料，即膏状可注射型骨填充用生物活性玻璃复合材料。
本发明实施例所得复合材料的相转变温度为33～35℃，在人的生理温度附近，其体积溶胀-收缩率为5～10％，注入人体骨缺损组织后体积变化较小，可以与基体组织紧密结合。高温收缩后所得材料的抗压强度为6.2～7.0MPa，优于纯的45S5多孔块体材料的力学强度(3.9MPa)。
采用上述方法，通过生物活性玻璃微粉与PNIPAM的相对含量及含水量的选取，制得适于注射(有一定流动性)、有适宜相转变温度(适用于人体体温)、有足够强度并具有较小溶胀-收缩率的骨填充用生物活性玻璃复合材料。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。