本发明涉及生物功能材料领域，尤其涉及一种磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备方法。
背景技术：
随着社会和科学技术的发展，生物材料学作为生命科学和材料学的交叉前沿领域，对人类的康复工程起着不可估量的作用。目前，正在研发的生物活性材料种类较多，其中生物活性陶瓷和生物活性玻璃是生物无机材料中重要的研究方向。生物活性玻璃（bioactiveglass,bg）是一类通过熔融或溶胶-凝胶等方法制备的，能与自然骨、软组织形成化学键合，以满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。1969年，hench发现一定组成的玻璃可以和骨组织发生化学键合，他们在所构建的45%sio2-24.5%na2o-24.5%cao和6%p2o5（wt%）的钠钙磷酸硅盐玻璃（45s5）四元系统中，保持p2o5含量不变，改变sio2、cao、na2o的含量，表明在一定的成分范围内所得到的玻璃都居于生物活性，这种反应的结果，在骨组织和生物活性玻璃之间形成了一个界面键合区。首先玻璃中的碱与水发生交换，然后是硅石网络断裂形成硅烷醇，再聚合形成含水的、具有高表面积的富硅层；形成可溶性二氧化硅凝胶层是生物活性玻璃形成生物活性羟基磷灰石层的前提，然后富硅层表面吸附有机分子（蛋白质、黏多糖和胶原蛋白）促进玻璃表面羟基磷灰石层的形成。而羟基磷灰石是生物活性骨主要的无机化学成分，其形态如正常骨组织的矿物质一样，因此具有良好的生物活性和骨传导性，可以促进骨细胞在材料表面的生长，从而能够允许更迅速的骨修复与再生，因此是一种常用的骨替代修复材料。除了进行骨修复，生物活性玻璃也能与软组织发生键合，有研究表明当植人体一组织界面被固定后，观察到软组织胶原嵌入并键合在生物活性玻璃表面生长的富二氧化硅和羟基磷灰石层上。然而生物玻璃产品普遍化学稳定性差、机械强度低，有机机体中的分散性差，容易团聚，且生物玻璃与有机相的结合较松散，使得材料的力学性能提高不明显，这些问题限制了生物玻璃的临床应用，特别是硬组织修复之外领域的应用。
水凝胶材料即是由亲水性高分子（凝胶因子）交联形成的、均匀包含着大量水分、溶胀而不溶解的高分子凝胶材料。水凝胶材料拥有与人体组织类似的高含水结构，具有良好的生物相容性，通过控制凝胶过程可以实现可注射性与原位成型。自愈性水凝胶出现破损后可自发修复其损伤，是一种具有原位损伤管理特性的智能新材料，受到研究者的广泛关注。作为水凝胶研究领域的新成员，自愈性水凝胶表现出对生物组织的高度仿生特性，同时契合了近年来新材料研究领域中对材料可持续使用性的高度重视，一出现即得到了研究者的广泛关注，并被初步应用于高分子生物医用材料中。
生物玻璃与磁性自愈性水凝胶材料的结合，不仅可以得到一种良好生物活性的新型生物材料，在外部磁场作用下，还能够被驱动改变位置。本发明通过对生物玻璃粉末进行氨基化表面改性，提高其表面活性位点；同时采用制备sio2包裹fe3o4磁性粉末，获得在壳聚糖醋酸溶液中可以稳定存在的fe3o4@sio2复合磁性粉末；并合成了双端带有苯甲醛基的聚乙二醇（dfpeg），将其作为凝胶因子交联生物玻璃/壳聚糖复合溶液，可快速制备获得具有稳定磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。所制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料具有良好的生物相容性，磁性自愈性效果稳定，具有很好的产业化前景。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作工艺简单、磁性自愈性效果稳定、能够快速制备、具有良好的生物相容性的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备方法，可广泛应用于智能生物医用领域，旨在通过生物玻璃与磁性自愈性水凝胶的结合，改善生物玻璃在有机体内分散性差、易团聚的问题，在外部磁场作用下，还能够被驱动改变位置，从而制备出具有良好生物相容性及良好生物活性、磁性自愈性效果稳定的复合材料。
本发明的技术方案如下：
（1）将生物玻璃粉末进行球磨后过筛获得粒径在45微米以下的粉末，放入37℃的恒温水中并持续地通入氮气以除去水中溶解的氧气，加入浓度为0.1mol/l的硝酸铈铵溶液磁力搅拌充分反应30min，随后持续30min滴入聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma），反应1h后用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，离心干燥获得粉末放入按质量比乙二胺:水=3:2配成的125ml混合溶液中，并在80℃条件下搅拌1~6h，最后采用去离子水和乙醇反复清洗至中性后离心干燥，得到表面氨基化改性的生物玻璃粉末，标记为nbg；
（2）量取400ml去离子水，通氮气20min以排除水中的溶解的氧气，加入23.35gfecl3•6h2o和8.6gfecl2•4h2o（fe3+:fe2+=2:1，摩尔比），快速搅拌至其完全溶解后加入60mlnh3•h2o，在温度60℃下水浴超声处理1h，之后借助磁铁用去离子水和酒精反复清洗获得fe3o4粉末；将所得的fe3o4粉末加入400ml溶有47.5gna2sio3•9h2o的溶液中，机械搅拌并加热至80℃，随后逐滴加入2mol/l的hcl溶液使ph值达到6-7，经过去离子水和酒精多次清洗之后冷冻干燥，获得稳定化处理的fe3o4@sio2复合磁性粉末，标记为ms；
（3）将壳聚糖溶解于稀醋酸溶液（醋酸与水的体积比为2:100）中，磁力搅拌1小时后得到壳聚糖醋酸溶液；
（4）将步骤（1）中得到的表面氨基化改性的生物玻璃粉末nbg和步骤（2）中得到的fe3o4@sio2复合磁性粉末ms按重量比为8~20:1混合均匀，采用紫外照射进行消毒处理后，按1~20g/l的比例缓慢加入到步骤（3）所获得的壳聚糖醋酸溶液中，超声处理1h，并磁力搅拌1h，获得ms/nbg/壳聚糖复合溶液；
（5）通过酯化反应以对醛基苯甲酸修饰聚乙二醇（peg）得到双端苯甲醛基封端的聚乙二醇（dfpeg），其步骤是将peg按30g/l的浓度不断搅拌溶解于100ml的四氢呋喃（thf）中，待完全溶解后加入对醛基苯甲酸和催化剂4-二甲氨基吡啶（dmap）（其中，peg:对醛基苯甲酸:dmap的质量比为3:1:0.05），充分搅拌至完全溶解，再加入n,n’-二环己基碳二亚胺（dcc）（peg:dcc的质量比为2:1），于室温搅拌3~12h，过滤去除沉淀后，将滤液浓缩并干燥后获得dfpeg粉末。将dfpeg粉末溶于去离子水（dfpeg与去离子水的重量比为1:5），得到dfpeg凝胶因子溶液；
（6）将步骤（5）中得到的dfpeg凝胶因子溶液逐滴快速加入到步骤（4）所获得的充分均匀搅拌的ms/nbg/壳聚糖复合溶液，并快速搅拌1min左右即制得具有磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。
所述步骤（1）中的生物玻璃粉末为商业购买的45s5、58s等常用生物玻璃，还包括了其他硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐等生物医用体系玻璃。
所述步骤（1）中的硝酸铈铵溶液是将硝酸铈铵溶于1mol/l的hno3配置的；其中生物玻璃、硝酸铈铵、gma所用的重量比为10:20:2。
所述步骤（3）中壳聚糖和稀醋酸溶液的重量比为2~6:100。
所述步骤（6）中dfpeg凝胶因子溶液与ms/nbg/壳聚糖复合溶液的体积比为2~5:1。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明具有工艺简单，操作容易，磁性自愈性效果稳定，原料价廉易得、耗时低的优势，具有良好的产业化前景。
2、本发明通过对生物玻璃粉末进行氨基化表面改性，提高其表面活性位点；同时采用制备sio2包裹fe3o4磁性粉末，获得在壳聚糖醋酸溶液中可以稳定存在的fe3o4@sio2复合磁性粉末；并合成了双端带有苯甲醛基的聚乙二醇（dfpeg），将其作为凝胶因子交联生物玻璃/壳聚糖复合溶液，可快速制备获得具有稳定磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。所制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料具有良好的生物相容性，在外部磁场作用下，能够被驱动改变位置，可应用于伤口缺损的智能修补、药物控制缓释、生长因子输运和细胞培养等新型智能生物医用领域。
附图说明
图1为本发明制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备流程图；
图2为实施例3制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的热重曲线；
图3为实施例3制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中矿化14天的sem形貌；
图4为实施例3制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中浸泡14天的eds能谱。
具体实施方法
下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明所保护内容不仅限于此。
实施例1
一种磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将58s生物玻璃粉末（58sio2-33cao-9p2o5）进行球磨后过筛获得粒径在45微米以下的粉末，放入37℃的恒温水中并持续地通入氮气以除去水中溶解的氧气，加入浓度为0.1mol/l的硝酸铈铵溶液磁力搅拌充分反应30min，随后持续30min滴入聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma），反应1h后用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，离心干燥获得粉末放入按质量比乙二胺:水=3:2配成的125ml混合溶液中，并在80℃条件下搅拌1h，最后采用去离子水和乙醇反复清洗至中性后离心干燥，得到表面氨基化改性的生物玻璃粉末，标记为nbg；
（2）量取400ml去离子水，通n220min以排除水中的溶解的o2，加入23.35gfecl3•6h2o和8.6gfecl2•4h2o（fe3+:fe2+=2:1，摩尔比），快速搅拌至其完全溶解后加入60mlnh3•h2o，在温度60℃下水浴超声处理1h，之后借助磁铁用去离子水和酒精反复清洗获得fe3o4粉末；将所得的fe3o4粉末加入400ml溶有47.5gna2sio3•9h2o的溶液中，机械搅拌并加热至80℃，随后逐滴加入2mol/l的hcl溶液使ph值达到6-7，经过去离子水和酒精多次清洗之后冷冻干燥，获得稳定化处理的fe3o4@sio2复合磁性粉末，标记为ms；
（3）将3g壳聚糖溶解于50g稀醋酸溶液（醋酸与水的体积比为2:100）中，磁力搅拌1小时后得到壳聚糖醋酸溶液；
（4）将步骤（1）中得到的表面氨基化改性的生物玻璃粉末nbg和步骤（2）中得到的fe3o4@sio2复合磁性粉末ms按重量比为8:1混合均匀，采用紫外照射进行消毒处理后，按1g/l的比例缓慢加入到步骤（3）所获得的壳聚糖醋酸溶液中，超声处理1h，并磁力搅拌1h，获得ms/nbg/壳聚糖复合溶液；
（5）通过酯化反应以对醛基苯甲酸修饰聚乙二醇（peg）得到双端苯甲醛基封端的聚乙二醇（dfpeg），其步骤是将peg按30g/l的浓度不断搅拌溶解于100ml的四氢呋喃（thf）中，待完全溶解后加入对醛基苯甲酸和催化剂4-二甲氨基吡啶（dmap）（其中，peg:对醛基苯甲酸:dmap的质量比为3:1:0.05），充分搅拌至完全溶解，再加入n,n’-二环己基碳二亚胺（dcc）（peg:dcc的质量比为2:1），于室温搅拌3h，过滤去除沉淀后，将滤液浓缩并干燥后获得dfpeg粉末。将dfpeg粉末溶于去离子水（dfpeg与去离子水的重量比为1:5），得到dfpeg凝胶因子溶液；
（6）将步骤（5）中得到的dfpeg凝胶因子溶液以2:1的体积比逐滴快速加入到步骤（4）所获得的充分均匀搅拌的ms/nbg/壳聚糖复合溶液中，并快速搅拌1min左右即制得具有磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。
所述步骤（1）中的硝酸铈铵溶液是将硝酸铈铵溶于1mol/l的hno3配置的；生物玻璃、硝酸铈铵、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯所用的重量比为10:20:2。
实施例2
一种磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将45s5生物玻璃粉末（45sio2-24.5cao-6p2o5-24.5na2o）进行球磨后过筛获得粒径在45微米以下的粉末，放入37℃的恒温水中并持续地通入氮气以除去水中溶解的氧气，加入浓度为0.1mol/l的硝酸铈铵溶液磁力搅拌充分反应30min，随后持续30min滴入聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma），反应1h后用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，离心干燥获得粉末放入按质量比乙二胺:水=3:2配成的125ml混合溶液中，并在80℃条件下搅拌6h，最后采用去离子水和乙醇反复清洗至中性后离心干燥，得到表面氨基化改性的生物玻璃粉末，标记为nbg；
（2）量取400ml去离子水，通n220min以排除水中的溶解的o2，加入23.35gfecl3•6h2o和8.6gfecl2•4h2o（fe3+:fe2+=2:1，摩尔比），快速搅拌至其完全溶解后加入60mlnh3•h2o，在温度60℃下水浴超声处理1h，之后借助磁铁用去离子水和酒精反复清洗获得fe3o4粉末；将所得的fe3o4粉末加入400ml溶有47.5gna2sio3•9h2o的溶液中，机械搅拌并加热至80℃，随后逐滴加入2mol/l的hcl溶液使ph值达到6-7，经过去离子水和酒精多次清洗之后冷冻干燥，获得稳定化处理的fe3o4@sio2复合磁性粉末，标记为ms；
（3）将1g壳聚糖溶解于50g稀醋酸溶液（醋酸与水的体积比为2:100）中，磁力搅拌1小时后得到壳聚糖醋酸溶液；
（4）将步骤（1）中得到的表面氨基化改性的生物玻璃粉末nbg和步骤（2）中得到的fe3o4@sio2复合磁性粉末ms按重量比为20:1混合均匀，采用紫外照射进行消毒处理后，按20g/l的比例缓慢加入到步骤（3）所获得的壳聚糖醋酸溶液中，超声处理1h，并磁力搅拌1h，获得ms/nbg/壳聚糖复合溶液；
（5）通过酯化反应以对醛基苯甲酸修饰聚乙二醇（peg）得到双端苯甲醛基封端的聚乙二醇（dfpeg），其步骤是将peg按30g/l的浓度不断搅拌溶解于100ml的四氢呋喃（thf）中，待完全溶解后加入对醛基苯甲酸和催化剂4-二甲氨基吡啶（dmap）（其中，peg:对醛基苯甲酸:dmap的质量比为3:1:0.05），充分搅拌至完全溶解，再加入n,n’-二环己基碳二亚胺（dcc）（peg:dcc的质量比为2:1），于室温搅拌12h，过滤去除沉淀后，将滤液浓缩并干燥后获得dfpeg粉末。将dfpeg粉末溶于去离子水（dfpeg与去离子水的重量比为1:5），得到dfpeg凝胶因子溶液；
（6）将步骤（5）中得到的dfpeg凝胶因子溶液以5:1的体积比逐滴快速加入到步骤（4）所获得的充分均匀搅拌的ms/nbg/壳聚糖复合溶液中，并快速搅拌1min左右即制得具有磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。
所述步骤（1）中的硝酸铈铵溶液是将硝酸铈铵溶于1mol/l的hno3配置的；生物玻璃、硝酸铈铵、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯所用的重量比为10:20:2。
实施例3
一种磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（2）将35sio2-40cao-25p2o5生物玻璃粉末进行球磨后过筛获得粒径在45微米以下的粉末，放入37℃的恒温水中并持续地通入氮气以除去水中溶解的氧气，加入浓度为0.1mol/l的硝酸铈铵溶液磁力搅拌充分反应30min，随后持续30min滴入聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma），反应1h后用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，离心干燥获得粉末放入按质量比乙二胺:水=3:2配成的125ml混合溶液中，并在80℃条件下搅拌3.5h，最后采用去离子水和乙醇反复清洗至中性后离心干燥，得到表面氨基化改性的生物玻璃粉末，标记为nbg；
（2）量取400ml去离子水，通n220min以排除水中的溶解的o2，加入23.35gfecl3•6h2o和8.6gfecl2•4h2o（fe3+:fe2+=2:1，摩尔比），快速搅拌至其完全溶解后加入60mlnh3•h2o，在温度60℃下水浴超声处理1h，之后借助磁铁用去离子水和酒精反复清洗获得fe3o4粉末；将所得的fe3o4粉末加入400ml溶有47.5gna2sio3•9h2o的溶液中，机械搅拌并加热至80℃，随后逐滴加入2mol/l的hcl溶液使ph值达到6-7，经过去离子水和酒精多次清洗之后冷冻干燥，获得稳定化处理的fe3o4@sio2复合磁性粉末，标记为ms；
（3）将2g壳聚糖溶解于50g稀醋酸溶液（醋酸与水的体积比为2:100）中，磁力搅拌1小时后得到壳聚糖醋酸溶液；
（4）将步骤（1）中得到的表面氨基化改性的生物玻璃粉末nbg和步骤（2）中得到的fe3o4@sio2复合磁性粉末ms按重量比为15:1混合均匀，采用紫外照射进行消毒处理后，按10g/l的比例缓慢加入到步骤（3）所获得的壳聚糖醋酸溶液中，超声处理1h，并磁力搅拌1h，获得ms/nbg/壳聚糖复合溶液；
（5）通过酯化反应以对醛基苯甲酸修饰聚乙二醇（peg）得到双端苯甲醛基封端的聚乙二醇（dfpeg），其步骤是将peg按30g/l的浓度不断搅拌溶解于100ml的四氢呋喃（thf）中，待完全溶解后加入对醛基苯甲酸和催化剂4-二甲氨基吡啶（dmap）（其中，peg:对醛基苯甲酸:dmap的质量比为3:1:0.05），充分搅拌至完全溶解，再加入n,n’-二环己基碳二亚胺（dcc）（peg:dcc的质量比为2:1），于室温搅拌7h，过滤去除沉淀后，将滤液浓缩并干燥后获得dfpeg粉末。将dfpeg粉末溶于去离子水（dfpeg与去离子水的重量比为1:5），得到dfpeg凝胶因子溶液；
（6）将步骤（5）中得到的dfpeg凝胶因子溶液以3.5:1的体积比逐滴快速加入到步骤（4）所获得的充分均匀搅拌的ms/nbg/壳聚糖复合溶液中，并快速搅拌1min左右即制得具有磁性自愈性的生物玻璃/水凝胶复合材料。
所述步骤（1）中的硝酸铈铵溶液是将硝酸铈铵溶于1mol/l的hno3配置的；生物玻璃、硝酸铈铵、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯所用的重量比为10:20:2。
从图2可以看出通过实施例3的条件下制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料在室温到700℃的失重曲线，在100℃有个较明显的失重峰，主要是由于吸附水的蒸发，在250~300℃附近有较大的失重峰主要是水凝胶中化学水的失去和碳的燃烧；最后在700℃，剩余的重量基本保持稳定，其失重率达到62%，说明了所制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料中水凝胶和玻璃粉末的比例大概是64:38。
从图3可以看出经过实施例3条件下制备的磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中矿化14天的sem形貌，其表面生长了大量的针状ha，说明了所制备的生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中能够快速诱导钙磷盐的沉积，具有非常良好的生物活性。同时，从图4的eds能谱分析表明，磁性自愈性生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中浸泡14天后，除了si元素外，还有ca、p和o元素，再一次证明了所制备的生物玻璃/水凝胶复合材料在模拟体液中能够快速诱导钙磷盐的沉积，具有良好的生物活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。