专利名称：原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及生物医学材料领域，具体涉及一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高 分子复合材料的方法。
背景技术：
人体硬组织(如骨和牙齿)是一种有机/无机纳米杂化体，其中的无机物主要是 纳米级羟基磷灰石(HA)。因此，从仿生学的角度出发，研究具有“结构仿生”的硬组织材料 是当今生物医学材料发展的重要方向。生物矿化基于仿生的原理，以大分子为模板，通过自组装或者自组织诱导无机晶 体的生长，复制天然骨组织的纳米复合和梯度结构。目前体外矿化制备HA复合材料方法主 要是模拟体液矿化法、水溶胶法、共沉淀法及乳化法等，但是这些矿化方法均是在材料的外 表面形成一层矿化层，与天然骨组织形态相差甚远。天然骨中的矿化有两个重要的步骤，首 先是游离的磷酸钙盐与纳米胶原复合，然后这种液态的高分子材料固定的无定形态磷酸钙 (ACP)被吸附到原胶原及空隙中，作为HA的前躯体调控磷酸钙的沉积、维度及结构，最终形 成深度矿化的复合体。天然高分子材料如甲壳素、壳聚糖及其衍生物、胶原、海藻酸钠等多糖和蛋白是自 然界中生物复合体中主要的有机成分，作为大分子模板在生物矿化中起到了重要的作用， 而且它跟无机矿物晶体之间的相互作用提供了高度的分子识别点。而且这些材料由于具有 良好的生物相容性和生物可降解性等在组织工程研究中受到众多研究者的青睐，因此以天 然高分子材料为大分子模板进行生物矿化是模拟天然组织的有效方法。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种反应时间短、矿化 速度快、反应条件温和的原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法，该方法 以HA为钙磷源提供精确的钙磷比(1. 67)，以天然高分子材料为大分子基质材料，在酸性环 境中形成均相溶液，通过Sol-Gel相转变，以”bottum-up”方式原位构建纳米HA/天然高分 子复合多孔支架材料。本发明的另一目的是提供上述方法得到的复合材料，该复合材料以天然高分子材 料为多孔基体材料，其内部与表面经矿化附有纳米羟基磷灰石。本发明的再一目的在于提供上述复合材料的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法，包括以下步骤(1)将纳米羟基磷灰石(HA)加入到水中，搅拌使其形成乳白色悬浮液，逐滴加入 HNO3至HA完全溶解，调节其pH至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶于HNO3溶液得到B液；(3)在搅拌下将A液倒入B液中，混合均勻；混合液在4-40°C下不断搅拌，同时调节PH值至11-13，形成白色凝胶，此时无机物形成磷酸钙盐(称为矿化过程)，再陈化处理， 然后冻干，得到纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料。步骤(1)中，A液中纳米羟基磷灰石的浓度为0. 1-0. 75g/100mL ；所述调节pH至 2 ；步骤(2)中，B液中天然高分子材料的浓度为l_7g/100mL ；步骤⑵所述HNO3溶液的体积浓度是；步骤(3)中，纳米羟基磷灰石与天然高分子材料的质量比为1 :2-1:4;步骤C3)所述陈化处理是将所得的白色凝胶置于40-70°C (优选60°C )下静置 4-8h ；所述天然高分子材料包括甲壳素、壳聚糖、胶原、多肽、海藻酸钠、蛋白质等及其衍 生物和复合物；在上述方法中，矿化在弱碱条件下进行，所述的pH值分别为11-13。在上述方法中，加入HA是为了在矿化过程中提供精确的钙磷比(1.67)。由上述方法制备得到的纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料，纳米羟基磷灰石 和天然高分子材料混合均勻，因此可达到深度矿化。材料的压缩强度为50-80Mpa，满足非承 重部位的临床要求。由上述方法制备得到的纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料可用作骨组织工 程材料。本发明的基本原理如下当体系pH值大于6时，壳聚糖、胶原等天然高分子材料能从其溶液中沉淀出来，天 然高分子与Ca2+络合能力较强，能形成高分子-金属螯合物，当pH值为9-11时，络合能力 最强。故在碱性溶液中，在共沉淀过程中，天然高分子与钙离子发生络合反应，使HA以天然 高分子中极性基团为活性位点生长，这就有效克服了 HA在基体中分布不均勻的问题，并最 终使纳米HA在天然高分子上均勻附着，形成有效的有机/无机杂化复合材料。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(1)本发明的制备方法反应时间短，矿化速度快。按照本发明方法加入氨水调节 PH值后立即产生凝胶，天然高分子与磷酸盐共生。陈化处理会促进磷酸盐转化为羟基磷灰 石晶体，并随陈化时间延长，羟基磷灰石晶体逐渐长大。(2)天然高分子与羟基磷灰石共生。在碱性溶液中，在共沉淀过程中，天然高分子 与钙离子发生络合反应，使HA以天然高分子中极性基团为活性位点生长，这种磷酸盐与壳 聚糖是分子层面的结合，不仅仅使天然高分子支架内外表面长满磷酸盐，所得的支架材料 是一种磷酸盐与壳聚糖“共生”的均质材料。(3)反应体系条件温和。本发明方法中反应介质是稀硝酸溶液，PH由氨水调节，对 天然高分子无害。共沉积过程在室温下进行，陈化过程在60°C下进行，不会引起材料的降解 和变性；体系的PH值呈弱碱性，也不会引起材料的降解和溶解。(4)反应方法和反应体系容易操作和控制。本发明方法中所涉及的化学试剂均为 常见试剂，容易获得；整个操作过程简单可行。(5)成本低。本发明方法中所涉及的所有试剂均为常见化学试剂，价格低廉；而且 整个反应条件比较温和，避免了高能源的投入。
(6)本发明得到的有机/无机杂化复合支架材料，不但在制备过程中构建出孔支 架结构，并且矿化形成纳米羟基磷灰石结晶与天然高分子材料结合紧密，不但在支架材料 内、外表面均沉积有致密的矿化层，而且在支架的内部也形成了均质的有机/无机杂化复 合材料，因此材料的力学强度显著增强。
图1是pH= 11下不同陈化时间制备的HA/CS(l/4)复合支架的XRD图；其中 (a)-(d)分别为陈化 0、4、8 和 12h ； (e)纯 HA ； (f)纯 CS0图2是pH = 11下制备的HA/CS复合支架的SEM照片；其中(al)纯CS支架， 100X ； (a2)陈化 0h，40000X ； (bl)陈化 4h，200X ； (b2)陈化 4h，10000X ； (cl)陈化 8h， 600 X ； (c2)陈化 8h，10000X ； (dl)陈化 12h，500X ； (d2)陈化 12h，10000 X。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例1 纳米羟基磷灰石/壳聚糖(HA/CS)复合材料的制备将HA粉末加入去离子水中，高速搅拌形成HA浓度为0. 75g/100mL乳白色悬浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水调节pH至3，得到A液。按照HA/CS质量比为 1/4的比例称取壳聚糖(⑶)粉末，并将其溶于的HNO3水溶液，连续搅拌，过滤后得到完 全透明的壳聚糖溶液，为B液。在磁力搅拌下将A液缓慢倒入B液中，混合均勻。40°C下， 混合液在剧烈搅拌下逐滴加入氨水调节PH值为11形成白色凝胶，陈化(70°C下)4h，然后 冻干、洗至中性并二次冻干，得到多孔复合支架材料。对所制备的纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架材料进行测试与分析。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料制成5. OmmX 5. OmmX 5. Omm样品，在岛津万能 材料试验机(AG-I)上进行压缩强度测试，加载速度5mm/min，压缩强度为变形50%时所得 的数据，其压缩强度和压缩模量分别为59. 3士0. 04510 和148. 25士0. 112KPa，远远高于纯 壳聚糖力学强度(压缩强度和压缩模量分别为39. 1 士0. 073KPa和97. 75士0. 183KPa)。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的XRD表征如图1，未陈化处理时(图la)样品 的晶相组成有多种磷酸钙盐。陈化时间为4h时(图lb)，转化为具有一定结晶度的HA。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架的SEM照片如图2，相转变及陈化处理得到孔隙 率高，孔洞呈较规整圆形且相互贯穿的多孔支架，有利于细胞迁移、营养传输及代谢产物的 排出。陈化时间4h时(图2bl、2l32)，支架的孔洞比较均勻，孔壁较薄，随着陈化时间的延 长，孔壁变厚，支架的规整性变差。实施例2 纳米羟基磷灰石/胶原(HA/C0L)复合材料的制备将HA粉末加入去离子水中，高速搅拌形成HA浓度为0. 5g/100mL乳白色悬浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水调节pH至1，得到A液。按照HA/C0L质量比为 1/2的比例称取胶原(COL)，并将其溶于1 %的HNO3水溶液，为B液。在磁力搅拌下将A液 缓慢倒入B液中，混合均勻。4°C下，搅拌下逐滴加入氨水调节pH值为12形成白色凝胶，陈 化(40°C下)5h，然后冻干、洗至中性并二次冻干，得到多孔纳米羟基磷灰石/胶原(HA/C0L)复合材料。对纳米羟基磷灰石/胶原(HA/C0L)复合材料利用上述测试方法进行测试与分析， 其压缩强度和压缩模量分别为55. 6士0. 32IKPa和132. 63士0. 214KPa，远高于纯胶原力学 强度(压缩强度和压缩模量分别为25. 6 士 0. 02 IKPa和80. 0 士 0. 035KPa)。扫描电镜观察，材料的孔隙率较高，大孔孔径平均为150 μ m，孔壁较薄，矿物层与 胶原结合紧密。实施例3 纳米羟基磷灰石/海藻酸钠复合材料(HA/SA)的制备将HA粉末加入去离子水中，高速搅拌形成HA浓度为0. lg/100mL乳白色悬浮液， 逐滴加入HNO3至HA完全溶解，再滴加氨水调节pH至2，得到A液。按照HA/SA质量比为 1/3的比例称取海藻酸钠(SA)，并将其溶于1 %的HNO3水溶液，为B液。在磁力搅拌下将A 液缓慢倒入B液中，混合均勻。20°C下，搅拌下逐滴加入氨水调节pH值为13形成白色凝胶， 陈化(60°C下)8h，然后冻干、洗至中性并二次冻干，得到多孔纳米羟基磷灰石/海藻酸钠复 合材料(HA/SA)复合材料。对纳米羟基磷灰石/海藻酸钠复合材料(HA/SA)利用上述测试方法进行测试与分 析，其压缩强度和压缩模量分别为78. 6士0. 0. 52IKPa和194士0. 123KPa，高于纯海藻酸钠 凝胶力学强度(压缩强度和压缩模量分别为65. 1 士0. 01210 和IM士0. 20IKPa)。扫描电镜观察，材料的孔隙率较高，大孔孔径平均为148 μ m,孔壁较薄，矿物层与 胶原结合紧密。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法，其特征在于包括以下 步骤(1)将纳米羟基磷灰石加入到水中，搅拌形成乳白色悬浮液，逐滴加入HNO3至纳米羟基 磷灰石完全溶解，调节其PH值至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶于HNO3溶液得到B液；(3)搅拌下将A液倒入B液中，混合均勻；混合液在4-40°C下不断搅拌，同时调节pH值 至11-13，形成白色凝胶，再陈化处理，然后冻干，得到纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材 料。
2.根据权利要求1所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于步骤(1)所述A液中纳米羟基磷灰石的浓度为0. 1-0. 75g/100mL ；所述pH值 为2。
3.根据权利要求1所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于步骤( 所述HNO3溶液的体积浓度是1%。
4.根据权利要求1所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于所述纳米羟基磷灰石与天然高分子材料的质量比为1:2-1: 4。
5.根据权利要求1所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于步骤C3)所述陈化处理是将白色凝胶于40-70°C下静置4-他。
6.根据权利要求5所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于步骤C3)所述陈化处理是将白色凝胶于60°C下静置4-他。
7.根据权利要求1所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法， 其特征在于所述天然高分子材料为甲壳素、壳聚糖、胶原、多肽或海藻酸钠中的一种。
8.权利要求1-7任一项所述一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方 法制备得到的纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料。
全文摘要
本发明公开了一种原位制备纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的方法，该方法包括以下步骤(1)将HA加入到水中，搅拌形成乳白色悬浮液，逐滴加入HNO3至HA完全溶解，调节其pH值至1-3，得到A液；(2)把天然高分子材料溶于HNO3溶液得到B液；(3)搅拌下将A液倒入B液中，混合均匀；在4-40℃下不断搅拌，同时调节pH值至11-13，形成白色凝胶，再陈化处理，然后冻干，得到纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料。本发明方法反应时间短、矿化速度快、反应条件温和，所得到的纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料的力学强度显著增强。
文档编号A61L27/44GK102133429SQ20111006914
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者周长忍, 李波, 李立华 申请人:暨南大学