抗菌型骨质修复材料及其制备方法与流程

【技术领域】

本发明涉及功能生物材料技术领域，具体涉及一种抗菌型骨质修复材料及其制备方法。

背景技术：

骨组织缺损修复最理想的材料是天然骨，但因来源有限及存在感染风险，使临床应用受限。目前采用的人造骨材料主要为不锈钢、钛合金、生物陶瓷、高分子生物降解材料等，其机械性能不同于天然骨，其生物性能不佳，修复效果不理想。其中不锈钢、钛合金等材料能损伤与之接触的正常骨组织，其粗糙表面及释放的有毒离子(如ni，co，cr，ar)能导致过敏和炎症；生物陶瓷尽管能直接与骨组织接触，但脆性大；高分子生物降解材料，如聚乳酸、聚乙二酸等，虽能在人体内被逐渐降解，但力学性能不佳。

相关技术中，羟基磷灰石(ha)与组成人体硬组织的无机成分相似，与骨组织及软组织具有良好的结合性能，作为替代骨组织的生物活性材料，具有很大的潜力和应用前景。但羟基磷灰石的脆性太大，限制了它的临床应用，而且羟基磷灰石只是骨组织的重要无机组成成分，一定程度上限制了它作为骨修复材料的应用。

因此，合成和骨组织化学组成和结构都充分相似的复合材料是当前生物材料研究的热点，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述技术问题，提供一种成分类似于天然骨、生物活性高、生物降解性能优、且抗菌性好的抗菌型骨质修复材料。

本发明的技术方案是：

一种抗菌型骨质修复材料，由羟基磷灰石与胶原蛋白按质量比为60:40-95:4复合形成，其中，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％-0.5％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.1‰-5‰。

本发明还提供一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.1‰-5‰；

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液并在水浴加热条件下进行反应，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％-0.5％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为60:40-95:4计算。

优选的，步骤s2中，水浴加热温度为37℃，溶液ph值为7-7.5。

优选的，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

优选的，所述纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为2～5g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为5～15g/100ml、银离子浓度为0.1～0.5mol/l的溶液a；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

优选的，银离子来自硝酸银或络合银溶液。

与相关技术相比，本发明提供的抗菌型骨质修复材料，有益效果在于：所述抗菌型骨质修复材料由羟基磷灰石与胶原蛋白复合形成，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％-0.5％；且胶原蛋白中含有一定比例的纳米银粒子。形成的复合材料中，锶元素对复合材料的热原性、溶血性、体外细胞毒性以及alp值有较大联系，且锶可以改善羟基磷灰石/胶原复合材料的溶解动力学，提高其生物降解性；胶原中加入作为抗菌剂的纳米银，其抗菌作用机理与银离子很接近，其还可以与细菌细胞膜结合，并与膜上含硫蛋白作用使其失活，纳米银进入细胞中心后与含硫的有机物质反应，从而影响细菌细胞功能，其抗菌性能优良。

【附图说明】

图1为采用实施例1的制备方法得到的抗菌型骨质修复材料的电子扫描显示图；

图2为采用实施例1的制备方法得到的抗菌型骨质修复材料的透射电镜图。

【具体实施方式】

下面将通过具体实施方式对本发明作进一步说明。

首先，对本发明的原理进行阐述。

本发明中，采用原位沉淀法反应制备羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，主要的化学反应为羟基磷灰石的生成反应，反应方程式如下：

10ca(no3)2·4h2o+6(nh4)2hp04+8nh4oh＝ca10(po4)6(oh)2+20nh4no3+46h2o

反应物中增加了硝酸锶，使形成的羟基磷灰石中锶元素对钙元素进行取代掺杂。

胶原在羟基磷灰石的结晶过程中起到作为晶核和矿化模板的作用，具有调节羟基磷灰石形成和分布的功能；其中胶原带负电的氨基酸的基团在这调节过程中起重要作用，它们对溶液中ca²⁺具有良好亲和性，因此具有诱导羟基磷灰石成核，引起羟基磷灰石颗粒沿胶原纤维表面分布的功能。

以下结合具体的实施例对本发明提供的抗菌型骨质修复材料的制备方法以及制备得到的复合材料进行详细说明。

实施例1

一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.1‰；

其中，纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为2g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为15g/100ml、银离子浓度为0.1mol/l的溶液a，其中银离子来自硝酸银溶液；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液，调节溶液ph值为7，在37℃的水浴加热条件下反应1小时，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为60:40计算；

其中，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

通过实施例1所述的抗菌型骨质修复材料的制备方法，制备得到的抗菌型骨质修复材料为羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为60:40，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.1‰。

实施例2

一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.5‰；

其中，纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为5g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为8g/100ml、银离子浓度为0.3mol/l的溶液a，其中银离子来自络合银溶液；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液，调节溶液ph值为7.5，在37℃的水浴加热条件下反应2小时，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.3％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为80:20计算；

其中，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

通过实施例2所述的抗菌型骨质修复材料的制备方法，制备得到的抗菌型骨质修复材料为羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为80:20，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.3％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的0.5‰。

实施例3

一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的3‰；

其中，纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为3g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为5g/100ml、银离子浓度为0.5mol/l的溶液a，其中银离子来自络合银溶液；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液，调节溶液ph值为7.2，在37℃的水浴加热条件下反应2小时，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.5％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为70:7计算；

其中，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

通过实施例3所述的抗菌型骨质修复材料的制备方法，制备得到的抗菌型骨质修复材料为羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为70:7，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.5％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的3‰。

实施例4

一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的1‰；

其中，纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为4g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为10g/100ml、银离子浓度为0.2mol/l的溶液a，其中银离子来自硝酸银溶液；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液，调节溶液ph值为7.1，在37℃的水浴加热条件下反应1小时，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.2％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为90:5计算；

其中，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

通过实施例4所述的抗菌型骨质修复材料的制备方法，制备得到的抗菌型骨质修复材料为羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为90:5，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.2％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的1‰。

实施例5

一种抗菌型骨质修复材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将一定量的胶原蛋白溶解于无水乙醇中，并加入一定量的纳米银；其中纳米银的加量为胶原蛋白重量的5‰；

其中，纳米银的制备方法包括如下步骤：

含银离子溶液的制备：配制淀粉浓度为3g/100ml、聚乙烯吡咯烷酮浓度为12g/100ml、银离子浓度为0.4mol/l的溶液a，其中银离子来自硝酸银溶液；

还原溶液的制备：取葡萄糖和碱溶于水中得到溶液b；

前驱体溶液的制备：搅拌条件下将溶液b加入溶液a中，使混合液中葡萄糖的摩尔质量大于等于银离子；

微波加热反应及后处理：取前驱体溶液在密闭条件下进行微波加热反应，反应后依次进行冷却、离心，沉淀、洗涤、真空条件下干燥得到纳米银。

步骤s2：加入磷酸氢二铵溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液，调节溶液ph值为7.1，在37℃的水浴加热条件下反应1小时，生成羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.4％；磷酸氢二铵溶液的加入量以生成的羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为72:6计算；

其中，磷酸氢二铵溶液的摩尔浓度为0.024mol/l，硝酸钙溶液的摩尔浓度为0.04mol/l，硝酸锶溶液的摩尔浓度为0.04mol/l。

通过实施例5所述的抗菌型骨质修复材料的制备方法，制备得到的抗菌型骨质修复材料为羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，其中羟基磷灰石与胶原蛋白的质量比为72:6，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.4％；胶原蛋白中含有纳米银，且纳米银的加量为胶原蛋白重量的5‰。

将实施例1制备得到的抗菌型骨质修复材料结构进行分析。请结合参阅图1和图2，其中图1为采用实施例1的制备方法得到的抗菌型骨质修复材料的电子扫描显示图；图2为采用实施例1的制备方法得到的抗菌型骨质修复材料的透射电镜图。

其中电子扫描显示图是采用扫描电子显微镜扫描复合材料的表面形态；透射电镜图是采用透射电子显微镜扫描复合材料的内部微观结构。由此可以看出，采用本发明提供的抗菌型骨质修复材料的制备方法制备得到的抗菌型骨质修复材料，其材料特性与骨骼、齿骨更为相似。

本发明中，羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，能改善羟基磷灰石/胶原复合材料的溶解动力学，提高其生物降解性。

本发明中，胶原蛋白中含有0.1‰-5‰的纳米银，增强了复合材料的抗菌性能。

与相关技术相比，本发明提供的抗菌型骨质修复材料，有益效果在于：所述抗菌型骨质修复材料由羟基磷灰石与胶原复合形成，其中羟基磷灰石中锶对钙进行取代掺杂，取代掺杂比为0.1％-0.5％；且胶原中含有纳米银粒子。形成的复合材料中，锶元素对复合材料的热原性、溶血性、体外细胞毒性以及alp值有较大联系，且锶可以改善羟基磷灰石/胶原复合材料的溶解动力学，提高其生物降解性；胶原中加入作为抗菌剂的纳米银，其抗菌作用机理与银离子很接近，其还可以与细菌细胞膜结合，并与膜上含硫蛋白作用使其失活，纳米银进入细胞中心后与含硫的有机物质反应，从而影响细菌细胞功能，其抗菌性能优良。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。