一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷及其制备方法和应用

本发明属于生物陶瓷材料领域，具体涉及一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、骨骼是生物体中起到支撑和保护作用的主要器官，骨骼支撑人体的全部重量，需要具有足够的强度与韧性以抵抗外力的冲击，是一种典型的高强高韧天然材料。人体的皮质骨主要由胶原分子和羟基磷灰石纳米晶两个纳米相组成，皮质骨拥有优异综合力学性能的原因之一在于其精美而复杂的多级有序结构。在微纳米尺度上，羟基磷灰石纳米晶镶嵌在胶原纤维内并沿着胶原纤维方向呈周期性的交错排列形成了矿化胶原纤维。矿化胶原纤维又进一步沿一定方向进行取向排列形成更宏观的骨单位、骨板等结构，最终形成骨这种坚韧但轻便并且在一定程度上能自我修复的多功能材料。其中，矿化胶原纤维所呈现出的定向排列结构能够有效调控骨的强度与韧性，这为人造骨材料的结构和力学性能的设计提供了灵感。

2、生物陶瓷是一类具有良好生物相容性和生物活性的生物材料，有着组分可调和来源丰富的优势。然而，生物陶瓷固有的大的脆性使其无法匹配骨组织的韧性，此外其过高的模量使其植入体内后容易产生“应力屏蔽”现象，导致骨整合能力较差从而限制了其临床应用。因此，研究与制备生物相容性良好并且力学性能与天然骨组织相匹配的生物陶瓷具有重大实际意义。

技术实现思路

1、针对生物陶瓷脆性大、模量高的问题，本发明提供一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷的制备方法及其在骨组织修复方面的应用。该仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷具有与天然骨组织相匹配的力学性能，包括弯曲强度和弹性模量，同时还具备良好的生物相容性，在临床应用上具有广泛前景。

2、第一方面，本发明提供了一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷，所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷包括：定向排列的羟基磷灰石纤维束基体，沉积在所述定向排列的羟基磷灰石纤维束基体表面和内部的碳酸钙，以及均匀分布在生物陶瓷内的生物相容性高分子材料；所述生物相容性高分子材料为聚丙烯酸钠或者海藻酸钠；

3、以所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷的总质量为100％计，定向排列的羟基磷灰石纤维束基体的质量占比为90-95％，碳酸钙的质量占比为3-5％，生物相容性高分子材料的质量占比为2-5％。

4、较佳地，所述羟基磷灰石纤维束的直径为450～500μm，长径比不低于200，优选长径比为300-350。

5、第二方面，本发明提供了一种上述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷的制备方法，包括：通过注射自组装工艺将超长羟基磷灰石纳米线浆料注射到无水乙醇中得到纳米线定向排列的羟基磷灰石纤维束；接着，通过浸渍的方式在所述羟基磷灰石纤维束表面包覆生物相容性高分子材料聚丙烯酸钠或者海藻酸钠，并定向排列到模具内，经压制组装成型得到羟基磷灰石基体；接着，将矿化溶液在羟基磷灰石基体中循环流动进行矿化，以实现碳酸钙在羟基磷灰石基体表面和内部的沉积；经干燥、压制密实，得到所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷。

6、较佳地，超长羟基磷灰石纳米线的直径为20～30nm，长度为80-100μm；超长羟基磷灰石纳米线浆料的纳米线固含量为30-60mg/ml，优选为45mg/ml。

7、较佳地，所述注射自组装工艺的参数包括：注射速率为1-4ml/min，优选为2ml/min；针管长度为100-200mm，优选为150mm，内径为0.72-1.05mm，优选为0.86mm；针管移动速率为2-6cm/s，优选为4.5cm/s。

8、较佳地，聚丙烯酸钠溶液的浓度不超过1.0wt％，优选为0.5wt％。

9、较佳地，所述矿化溶液为碳酸氢钙-聚丙烯酸-氯化镁的混合溶液；其中，碳酸氢钙的浓度为1.5-1.7g/l，聚丙烯酸聚合度为25-30，浓度为1-1.5g/l，氯化镁的浓度为2-2.5g/l。

10、较佳地，所述矿化过程的参数包括：矿化时间10-18天，优选为14天；更优选地，矿化过程按照矿化液流量差异分成三个阶段：第1～4天，流量为25ml/min；第5～7天，流量为50ml/min；第8～矿化最后一天，流量为10ml/min。

11、第三方面，本发明提供了一种上述仿骨纤维有序结构生物陶瓷在骨修复材料制备中的应用。

12、有益效果

13、本发明基于仿生策略制备得到具有良好生物相容性和力学性能与天然骨组织相匹配的生物陶瓷，使其能够在植入体内后与骨组织有着更好的整合情况以增强骨修复效果。这种力学性能与天然骨组织相匹配的生物陶瓷是将柔韧性良好的超长羟基磷灰石纳米线通过逐级组装的方法构建羟基磷灰石基体，同时结合仿生矿化的方法在基体表面和内部矿化沉积碳酸钙制备而来的，方法简单、成本低，并且可以大规模制造；

14、本发明首次制备了具有优良生物相容性、与骨组织相匹配的力学性能的仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷，促进了生物陶瓷科学及其临床应用的发展。

技术特征：

1.一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷，其特征在于，所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷包括：定向排列的羟基磷灰石纤维束基体，沉积在所述定向排列的羟基磷灰石纤维束基体表面和内部的碳酸钙，以及均匀分布在生物陶瓷内的生物相容性高分子材料；所述生物相容性高分子材料为聚丙烯酸钠或者海藻酸钠；

2.根据权利要求1所述的仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷，其特征在于，所述羟基磷灰石纤维束的直径为450～500μm，长径比不低于200，优选长径比为300-350。

3.一种权利要求1或2所述的仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：通过注射自组装工艺将超长羟基磷灰石纳米线浆料注射到无水乙醇中得到纳米线定向排列的羟基磷灰石纤维束；接着，通过浸渍的方式在所述羟基磷灰石纤维束表面包覆生物相容性高分子材料聚丙烯酸钠或者海藻酸钠，并定向排列到模具内，经压制组装成型得到羟基磷灰石基体；接着，将矿化溶液在羟基磷灰石基体中循环流动进行矿化，以实现碳酸钙在羟基磷灰石基体表面和内部的沉积；经干燥、压制密实，得到所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，超长羟基磷灰石纳米线的直径为20～30nm，长度为80-100μm；超长羟基磷灰石纳米线浆料的纳米线固含量为30-60mg/ml，优选为45mg/ml。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述注射自组装工艺的参数包括：注射速率为1-4ml/min，优选为2ml/min；针管长度为100-200mm，优选为150mm，内径为0.72-1.05mm，优选为0.86mm；针管移动速率为2-6cm/s，优选为4.5cm/s。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，聚丙烯酸钠溶液的浓度不超过1.0wt％，优选为0.5wt％。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述矿化溶液为碳酸氢钙-聚丙烯酸-氯化镁的混合溶液；其中，碳酸氢钙的浓度为1.5-1.7g/l，聚丙烯酸聚合度为25-30，浓度为1-1.5g/l，氯化镁的浓度为2-2.5g/l。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述矿化过程的参数包括：矿化时间10-18天，优选为14天；更优选地，矿化过程按照矿化液流量差异分成三个阶段：第1～4天，流量为25ml/min；第5～7天，流量为50ml/min；第8～矿化最后一天，流量为10ml/min。

9.一种权利要求1或2所述的仿骨纤维有序结构生物陶瓷在骨修复材料制备中的应用。

技术总结
本发明涉及一种仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷及其制备方法和应用。所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷包括：定向排列的羟基磷灰石纤维束基体，沉积在所述定向排列的羟基磷灰石纤维束基体表面和内部的碳酸钙，以及均匀分布在生物陶瓷内的生物相容性高分子材料；所述生物相容性高分子材料为聚丙烯酸钠或者海藻酸钠；以所述仿骨纤维定向有序结构生物陶瓷的总质量为100％计，定向排列的羟基磷灰石纤维束基体的质量占比为90‑95％，碳酸钙的质量占比为3‑5％，生物相容性高分子材料的质量占比为2‑5％。

技术研发人员：朱钰方,汤凯,薛健民,吴成铁
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15