纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料领域，生物材料领域、无机非金属材料领域、无机金属材料领域和有机物材料领域，具体为一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料及其制备方法。

技术背景

严重的骨创伤或骨肿瘤切除术后往往会遗留或大或小的骨缺损，临床医生需要应用各种骨修复材料对其进行填补、修复。虽然自体骨移植向来是修复骨缺损“金标准”，但其存在增加创伤、骨量受限、供区并发症等缺点，而异体骨移植也因为可能传播疾病、发生免疫排斥反应而影响了广泛应用。自1960年制备出生物玻璃以来，生物玻璃凭借自身良好的生物相容性和生物降解性和对于缺损骨良好的再生能力，在过去的40多年中，生物玻璃引起了广大研究者的兴趣。熔融法生物玻璃是第一代生物玻璃，其产品已经在整形外科和牙科等临床中得到很好的应用，已经取得了良好的治疗效果。但是熔融法自身存在一些不容忽视的缺点，比如高温熔融工艺能耗较大，研磨过筛进一步导致有害杂质掺杂且导致颗粒形貌不规则、粒度不均匀等现象。

为了解决传统生物活性玻璃结构、形态不可控等问题，模板自组装技术结合溶胶凝胶制备生物玻璃是一种新型的制备生物玻璃的方法。溶胶凝胶生物玻璃是一类新型的医用生物活性材料，可以用于制备骨修复材料及骨组织工程支架。溶胶凝胶发生物玻璃突破了传统制备生物玻璃的缺点，能够使生物玻璃中sio2在生物玻璃组分含量提高至90％，这也促使生物玻璃有更广的应用范围。相比于熔融法制备的生物玻璃，溶胶凝胶法制备的生物玻璃具有纳米结构，从而使生物玻璃具有更大的比表面积和更高的生物活性。但是目前大多数的研究人员利用溶胶凝胶法在制备生物玻璃时，主要是在酸性条件下制备生物玻璃。相比与酸性条件制备生物玻璃，碱性条件下，溶胶凝胶生物玻璃可以很好的控制生物玻璃的形貌。但是，制备的纳米级的生物玻璃粉末难以直接应用于骨修复方便，如何固定生物玻璃粉末，让生物玻璃粉末在进行骨修复，也是一个比较困难的问题。

中国专利申请105541086a，公开了一种制备多孔生物玻璃支架的方法，制备了一种孔隙率高、贯通性好、孔径可控的生物玻璃支架方法。

中国专利申请cn106267374a，公开了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，提供了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备方法，该生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架可应用于针对骨缺损的修复及治疗，具有良好的生物相容性、有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解。

目前大多数研究人员制备生物玻璃时，主要是通过掺杂少量的微量元素来提高生物玻璃的生物活性。例如，在生物玻璃中掺杂sr、zn、mg和si等微量元素，它们对细胞的增殖、骨矿化和提高骨强度等发挥着重要的作用。稀土离子虽然不是一种生命必需金属元素，但近年来随着稀土在工农业、医药方面的大量应用，稀土已经越来越多的引起了众多研究者的广泛关注。很多文献已经报道，稀土离子对于细胞具有“低促高抑”的作用，即稀土离子在低浓度下，变现为对正常细胞的促进作用，稀土离子在高浓度下，变现为对正常细胞的一直作用。

目前多孔支架材料的常见的制备方法有添加造孔剂法、发泡法、有泡沫浸渍法等，本发明采用冷冻干燥法来制备一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料，这种制备方法简单，易于操作，而且制备的三维多孔复合材料，孔隙率高，贯通性好。

基于此，本发明利用冷冻干燥来制备一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃多孔复合材料，这种材料具有较高的生物相同性，可用于针对骨缺损修复，在成骨能力方面有较出色的作用，有望成为骨修复的理想支架材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃/高分子多孔复合材料，该材料具有较高的空隙率，而且贯通性好，可用于骨修复。

本发明的另一个目的是提供上述掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃/高分子多孔复合材料的制备方法，该制备工艺不仅简单而且制备周期短，生产成本低。

本发明将上述物生物玻璃支架材料应用于骨修复领域。

本发明的技术方案为：一种纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，具有三维多孔结构，其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％；以生物活性高分子为支架，以掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃为填充材料。

优选的，作为填充材料的掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃平均表面孔径为2～3.5nm，比表面积为200～300m²/g；粒径为100～400nm，优选为200～350nm；其组成为xsio2yp2o5wre2o3zcao；

其中re为稀土金属元素，选自镱、钆、铈或镧等稀土金属元素；w、x、y、z为摩尔百分数，0<x≤80％，0<y≤10％，0<z≤36％，0<w≤18％，w+x+y+z＝1。优选的，(x+y)/(w+z)＝3～8:1；x/y＝10～25:1，z/w＝2～10：1。在本发明的优选方式中，(x+y)/(w+z)＝5.25，x/y＝20，z/w＝3～7：1。

掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.1～10，优选为1：0.3～5，更优选为1：0.5～3。

所述的生物活性高分子为壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯吡咯烷酮、聚羟基丁酸酯、聚己内酯或者任意混合物。

所述材料主要包含高分子材料、稀土掺杂纳米生物玻璃，拥有三维贯通的大孔结构，其孔径为5～500μm，孔隙率为40～90％，具有良好的生物相容性和生物降解性，还具有优异的促进骨再生的性能；上述稀土掺杂的生物玻璃的结构式为xsio2yp2o5wre2o3zcao。

上述的稀土掺杂纳米生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料的制备方法，其具体步骤包括：

(1)取掺杂稀土元素的多孔微球状纳米级生物玻璃生物与活性高分子溶液均匀混合，得到混合浆料；

(2)混合浆料冷冻干燥成型，制成纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料。

步骤(1)中，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.1～10，优选为1：0.3～5，更优选为1：0.5～3。稀土掺杂生物玻璃与生物活性高分子溶液的用量比为1g：1～200ml，优选为1g：10～100ml。

生物活性高分子材料为壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯吡咯烷酮、聚羟基丁酸酯或聚己内酯。生物活性高分子用水、烃类、醇类、酸类或酯类溶解；优选的，用水或体积分数为0.1％～50％的醋酸溶液溶解；更优选的，醋酸溶液体积分数为0.5％～10％。

优选的，生物活性高分子溶液为壳聚糖的醋酸溶液、胶原蛋白水溶液或醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液或醇溶液；其浓度为2g/l～饱和溶液，优选为25g/l～饱和溶液。

步骤(1)中，超声去除混合浆料中的气泡。

步骤(2)中，可将混合浆料置于模具中冷冻干燥成型。在-80～0℃下冷冻干燥5min～360hr，优选的干燥时间为1～120hr；更优选的，在0.1pa～10kpa真空条件下冷冻干燥。

步骤(2)冷冻干燥成型后得到的纳米生物玻璃子三维多孔复合材料洗涤至中性。

优选的，步骤(2)冷冻干燥成型得到的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料用碱性溶液处理，洗涤至中性。

优选的，当生物活性高分子溶液为酸性时，步骤(2)冷冻干燥成型后得到的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料用碱性溶液处理，洗涤至中性。

碱性溶液为浓度为0.002m～饱和naoh、na2co3、nahco3、koh、k2co3、khco3或者ca(oh)2等溶液，优选为0.2～5m的naoh或koh。6·为浸泡，浸泡时间为1min～15天。

所述掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃通过以下方法制备：

(a)在20～50℃下，将表面活性剂溶解于醇水混合物中，所述醇水混合物中，醇与水的体积比为1：0.2～1；所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或者其任意混合物；

加入碱、硅酸酯、磷酸酯、钙源、可溶性稀土盐，搅拌3～20小时；洗涤抽滤取沉淀；

以sio2、p2o5、re2on、cao计，硅酸酯、磷酸酯、钙源、可溶性稀土盐的摩尔配比x、y、w、z所述；

所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾或氨水；

表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、p123或f123，反应体系中表面活性剂的含量为2.5～8mmol/l；

(b)步骤(a)得到的沉淀烘干后在650～800℃下煅烧，升温速率为1.5～3℃/min得到生物玻璃材料前体；

(c)步骤(b)得到的生物玻璃材料前体置于碱液中，在10～50℃下刻蚀15min～1hr；所述的碱液为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾溶液或氨水。

优选的，步骤(a)中，所述的碱为氨水，氨水浓度为10～13mol/l，且在反应体系中的含量为0.1～0.2mol/l；表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，在反应体系中的含量为3～6mmol/l。钙源为硝酸钙、氯化钙或氢氧化钙，并且反应体系中，钙元素的含量为5～12mmol/l。硅酸酯为硅酸四乙酯或硅酸四甲酯；反应体系中硅酸酯的含量为40～100mmol/l；磷酸酯为磷酸三乙酯或磷酸三甲酯。

优选的，步骤(c)中碱液为碳酸钠溶液，生物玻璃前体与碳酸钠的中sio2的摩尔比为1：0.05～0.6；碳酸钠溶液的浓度为6mmol/l～70mmol/l。

通过上述方法所得到的纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，稀土掺杂的多孔微球状纳米生物玻璃均匀附着在生物活性高分子材料多孔支架的表面；这种复合材料有三维贯通的大孔结构，具有良好的生物相容性、生物降解性和骨再生性，可用作骨修复材料。

本发明的优点在于：

(1)本发明的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料，使用高分子、稀土掺杂的纳米生物玻璃作为原料。因此，不仅材料价廉易得、取材广泛，而且对环境友好无害，工艺简单，在室温下即可进行操作。

(2)本发明制备的纳米生玻璃/高分子三维多孔复合材料，具有三维多孔结构，孔隙率高，孔径大；其孔径大小可根据高分子浓度调节；大的孔结构有利于骨细胞在支架材料中的生长，能够提高骨整合性能。

(3)本发明制备的纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，具有适当的机械性能和良好的可加工型能，能够在人体内自行降解，具有良好的生物相容性和生物降解性，还具有优异的促进骨再生的能力，可应用生物材料领域，在骨修复材料领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1、7、8制备的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料以及壳聚糖(bgs)的xrd图像。

图2为实施例1、7、8制备的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料的ftir图像。

图3(a)(b)为实施例1制备的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料的sem图像。

图4为实施例7制备掺铈的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料的cck8图。

具体实例方式

下列结合具体实施例，进一步阐述本发明。掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃材料根据2017100236592专利申请提供的方法制备；其平均表面孔径为2～3.5nm，比表面积为200～300m²/g；粒径为200～350nm。

具体步骤为：(1)在30℃温水浴中，取0.407(1.12mmol)g十六烷基三甲基溴化铵溶于78ml乙醇和165ml去离子水的混合溶液中，形成含有十六烷基三甲基溴化铵混的合液；

向混合液中添加3ml浓度为12mol/l的氨水搅拌10分钟后，加入3ml硅酸四乙酯(13.4mmol)搅拌30分钟，然后加入0.23ml磷酸三乙酯(1.34mmol)搅拌30分钟，再加入0.48g(2.03mmol)四水硝酸钙搅拌30分钟；最后加入0.58g(1.34mmol)六水硝酸镧搅拌12小时，抽滤，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，得到白色沉淀；

(2)将(1)中得到的白色沉淀在60℃烘箱中烘干，在马弗炉中650℃(2℃/min)高温煅烧3小时，得到生物玻璃前体；

(3)称量无水碳酸钠0.135g(1.27mmol)、生物玻璃前体0.5g(含sio2约6mmol)、去离子水50ml，置于100ml三口烧瓶中，在30℃水浴中刻蚀30分钟，最后以8500r/min离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤2次，放入60℃烘箱干燥，得掺镧的多孔的微球状的纳米级生物玻璃材料，其组成可以用xsio2yp2o5wla2o3zcao表示，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％，其摩尔比与投料比一致。所得到的掺镧的多孔微球状纳米级生物玻璃材料粒径约300nm，比表面积245～253m²/g，表面有分布均匀的发散的小孔，孔径约2.8nm。

十六烷基三甲基溴化铵用量为0.25g时，所得到的掺镧的多孔微球状纳米级生物玻璃材料粒径约300nm，比表面积200～206m²/g，表面有分布均匀的发散的小孔，孔径约3.17nm。

十六烷基三甲基溴化铵用量为0.814g时，所得到的掺镧的多孔微球状纳米级生物玻璃材料粒径约207nm左右，比表面积为278～279m²/g，表面有分布均匀的发散的小孔，孔径约2.03nm。

硝酸镧可以用硝酸镱、硝酸钆或硝酸铈代替，分别获得掺镱、钆、铈的多孔微球状纳米级生物玻璃材料。

多孔微球状纳米级生物玻璃材料组成用xsio2yp2o5wre2o3zcao表示，以sio2、p2o5、re2on、cao计，硅酸酯、磷酸酯、稀土元素和钙源的投料摩尔比与x、y、w、z一致，并且可调整。

以下实施例中，多孔微球状纳米级生物玻璃材料的组成为，x/y＝20:1，z/w＝2～10:1，且x+y+w+z＝1。

实施例1

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末置于壳聚糖溶液中，搅拌至纳米生物玻璃与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

掺镧微球状纳米级生物玻璃组成为xsio2yp2o5wla2o3zcao，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％；比表面积245～253m0000000000²/g，孔径约2.8nm，粒径约300nm。

(2)将掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，置于冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h，即可得到掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔材料。

产物置于1.25mol/l氢氧化钠溶液中浸泡2小时，并用去离子水洗至中性，即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

对实施例1所制得的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料的形貌和成分进行表征，得到的广角射线衍射图谱(xrd),红外图谱(ftir)和扫描电镜图像(sem)，分别由如图1，图2和图3所示。

实施例2

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为10％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末置于壳聚糖溶液中，搅拌至纳米生物玻璃与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

掺镧微球状纳米级生物玻璃组成为xsio2yp2o5wla2o3zcao，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％；粒径约300nm，比表面积245～253m²/g，孔径约2.8nm。

(2)将掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，置于冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。

产物置于1mol/l氢氧化钠溶液中浸泡1小时，并用去离子水洗至中性，即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

实施例3

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末置于壳聚糖溶液中，搅拌至纳米生物玻璃与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

掺镧微球状纳米级生物玻璃组成为xsio2yp2o5wla2o3zcao，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％；粒径约207nm左右，比表面积为278～279m²/g，孔径约2.03nm。

(2)将制得的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，置于冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。

产物置于2.5mol/l氢氧化钠溶液中浸泡30min，并用去离子水洗至中性，即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

实施例4

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末(同实施例2)置于壳聚糖溶液中，搅拌至掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

(2)将制得的掺镧纳米级生物玻璃粉末/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，转移至冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。

产物置于1.25mol/l氢氧化钠溶液中浸泡30min，并用去离子水洗至中性，即得即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

实施例5

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取2g的掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末(同实施例1)置于壳聚糖溶液中，搅拌至掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

(2)将制得的掺镧纳米级生物玻璃粉末/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，置于冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h，即可得到掺镧纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。将制得的掺镧纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料置于1mol/l氢氧化钠溶液中浸泡3小时，并用去离子水洗至中性，即得即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

实施例6

(1)准确称取1g胶原蛋白粉末溶解于25ml40℃去离子水中，搅拌至胶原蛋白完全溶解于去离子水中，超声去除气泡。再准确称取1g的掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末(同实施例1)置于胶原蛋白溶液中，搅拌至掺镧微球状纳米级生物玻璃粉末与胶原蛋白溶液均匀混合，超声去除气泡。

(2)将制得的掺镧纳米级生物玻璃粉末/胶原蛋白混合料浆放置在12mm×18mm(直径×高度)模具中，转移至冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。产物用去离子水洗涤至中性，或者置于0.5mol/l氢氧化钠溶液中浸泡1小时，再用去离子水洗至中性，即得即得高生物相容性的掺镧微球状纳米级生物玻璃/胶原蛋白三维多孔复合材料。

实施例7

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺镱微球状纳米级生物玻璃粉末置于壳聚糖溶液中，搅拌至纳米生物玻璃与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

掺镱微球状纳米级生物玻璃组成为xsio2yp2o5wyb2o3zcao，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％；粒径约300nm，比表面积240～255m²/g，孔径约2.5～3nm。

(2)将制得的掺镱微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，置于冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。

将产物置于1mol/l氢氧化钠溶液中浸泡20分钟，用去离子水洗至中性，即得高生物相容性的掺镱微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。

对所制得的掺镱微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料的形貌和成分进行表征，得到的广角射线衍射图谱(xrd)和红外图谱(ftir)分别如图1和图2所示。

实施例8

(1)准确称取1g壳聚糖置于25ml体积分数为2vt.％的乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解于乙酸溶液，超声去除气泡。再准确称取1g掺铈微球状纳米级生物玻璃粉末置于壳聚糖溶液中，搅拌至纳米生物玻璃与壳聚糖溶液均匀混合，超声去除气泡。

掺铈微球状纳米级生物玻璃组成为xsio2yp2o5wce2o3zcao，其中，x＝80％，y＝4％，w＝4％，z＝12％，即w/z＝3；粒径约300nm，比表面积240～255m²/g，孔径约2.5～3nm。

(2)将制得的掺铈微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖混合料浆转移至12mm×18mm(直径×高度)模具中，转移至冷冻干燥器中，-80℃、1～2pa下冷冻干燥48h。

将产物置于1.5mol/l氢氧化钠溶液中浸泡30min，去离子水洗至中性，即得高生物相容性的掺铈微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料。对所制得的掺铈微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料的形貌和成分进行表征，得到广角射线衍射图谱(xrd)和红外图谱(ftir)如图1和图2所示。

另外取ce2o3、cao摩尔比不同的掺铈微球状纳米级生物玻璃(w/z分别为1：5、1：7)，按上述方法制成掺铈微球状纳米级生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料，并进行细胞实验，得到细胞的cck8图，由如图4所示。从左至右分别为第1、3、7天时，不同ce2o3、cao摩尔比(1：3、1：5、1：7)复合材料以及空白对照的结果。细胞接种量为5000个，加入约0.08g生物玻璃。

结果显示，所得到的三维多孔复合材料的细胞毒性低，生物兼容性好，能促进细胞生长。

实施例1～8的高分子三维多孔材料，具有贯通的大孔结构，其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％。