專利名稱：有機－無機復合生物材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于含膠原纖維和磷酸鈣的有機-無機復合生物材料及其制備方法，特別涉及一種用于骨組織修復、替換和引導再生的復合生物材料及其制備方法。
背景技術：
對因外傷或病變導致骨組織損傷的修復和替換，所采用生物材料的性能是決定最終治療效果的關鍵。自體骨移植是治療骨組織損傷的首選，所獲得的修復效果是判定植入材料的黃金準則，但其應用受制于來源的限制，而使用移體骨不可避免存在著免疫性等潛在的問題。目前，采用單一的常規金屬、陶瓷、高分子材料，還難以獲得滿意的對骨組織損傷的治療效果。
骨是礦物質和彈性水凝膠基質構成的一種天然有機-無機復合材料，其中，礦物質是碳酸鹽取代的納米級羥基磷灰石，有機彈性基質主要為I型膠原纖維。因而，有機-無機納米復合材料的研究是獲得對骨組織缺損長期有效治療效果的發展方向。其中，基于I型膠原礦化的生物仿生研究，尤為受到最為廣泛的關注。
在酸性膠原溶液中，添加含鈣和磷水相物質，原位獲得納米級羥基磷灰石-膠原復合材料粉料，借助膠原蛋白分子的自組裝能力，復合粉料中的礦物質相具有類似骨組織中羥基磷灰石晶體C軸沿膠原纖維長軸的取向生長；通過合成參數的優化配制，礦化膠原纖維的長度可達毫米數量級。這種類似骨組織的復合材料，展現出獨特良好的生物學性能(Zhang W，Liao SS and Cui FZ，Hierarchical self-assembly of nano-fibrils inmineralized collagen，Chemistry of Materials，200315(16)3221；Kikuchi M，Ikoma T，Itoh S，Matsumoto HN，Koyama Y，Takakuda K，Shinomiya K，Tanaka J，Biomimetic synthesis ofbone-like nanocomposites using the self-assembly mechanism of hydroxyapatite and collagen，Composites Science and Technology，200464819；US 10/492937(2005)，Organic/inorganiccomposite biomaterials and process for producing the same)。
但是，現有生物仿生原位合成方法直接得到的納米羥基磷灰石-膠原復合材料缺乏一定的強度，最終產物的獲得均是通過對合成洗滌粉狀原料的再增強加工來實現。如將納米羥基磷灰石-膠原合成粉料加入含醫用高分子的溶劑中，借助高分子的增強作用，獲得具有一定強度的多孔支架材料(US2002/0018797 A1(2002)，Nano-calciumphosphates/collagen based substitute materials；CN 1164338C(2004)，納米相鈣磷鹽/高分子復合多孔材料的制備方法)；又如借助模具軸向加壓成型，并結合冷等靜壓技術獲得具有高強度的承力材料。但即使通過粉料合成和成型加壓參數的優化配制，目前最終獲得材料的抗彎強度也僅約40～50MPa(Kikuchi M，Ikoma T，Itoh S，Matsumoto HN，Koyama Y，Takakuda K，Shinomiya K，Tanaka J，Biomimetic synthesis of bone-likenanocomposites using the self-assembly mechanism of hydroxyapatite and collagen，Composites Science and Technology，200464819；US 10/492937(2005)，Organic/inorganiccomposite biomaterials and process for producing the same)。
上述方法獲得的材料由于整體缺乏自然骨的連續網狀結構，因而與自然骨的強度值差距甚大，難于滿足骨缺損修復、替換和引導再生的要求。同時，現有的加工方法也使最終產物的形態受到一定的限制。化學交聯劑常被用來激活氨基和羧基基團，以形成網絡結構，克服重建膠原的力學性能差、溶脹度大等弱點，但其殘余物在一定程度上將影響復合材料的生物學性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種制備有機-無機復合生物材料的一步成型方法，此種方法可直接獲得含膠原纖維和磷酸鈣的成型復合生物材料，且所獲得的復合生物材料更接近于自然骨結構和性能。
本發明所述有機-無機復合生物材料的制備方法，其工藝步驟如下(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在膠原蛋白濃度為0.7～15mg/ml的酸性或中性有機質溶液中加入含鈣離子和含磷酸根離子的水溶液，含鈣離子水溶液的加入量為鈣離子1.6～39.8×10-3mol/每克有機質，鈣離子與磷酸根離子的摩爾比為1.2～1.9，在常壓、2～25℃、pH值6～10下攪拌反應2～15小時，形成含有機質和原位生長納米級磷酸鈣的乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將步驟(1)制備的乳狀合成液注入成型模具，在常壓、20～40℃下恒溫4～40小時，形成具有一定宏觀形狀的白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體用去離子水清洗步驟(2)所制備的復合凝膠體，去除反應殘留物；(4)脫水固化將步驟(3)清洗后的復合凝膠體脫水固化，即獲所述有機-無機復合生物材料。
上述方法中，有機質溶液的溶劑至少為乙酸、鹽酸、硝酸中的一種；含鈣離子水溶液為硝酸鈣或氯化鈣或氫氧化鈣的水溶液；含磷酸根離子水溶液為磷酸鈉或磷酸氫二鈉或磷酸或磷酸氫二氨水溶液；調節反應液pH值采用氫氧化鈉或/和氨水水溶液。
上述方法中，有機質溶液中的有機質為具有成原纖維特性的膠原蛋白，典型的膠原蛋白為酶解I型膠原。
材料的力學性能和溶脹行為可通過在制備乳狀合成液時添加如下其他的水凝膠物質和高分子纖維加以改善。
1、添加其它的醫用水凝膠，有機質中，具有成原纖維特性的膠原蛋白與其它醫用水凝膠的質量比為9∶1～6∶4，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種；2、添加醫用高分子短纖維，有機質中，具有成原纖維特性的膠原蛋白與醫用高分子短纖維的質量比為9∶1～6∶4，所述醫用高分子短纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種；3、添加其它的醫用水凝膠和醫用高分子短纖維，有機質中，具有成原纖維特性的膠原蛋白的質量份為8～6份，其它醫用水凝膠的質量份為1.5～2.5，醫用高分子短纖維的質量份為0.5～1.5，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種，所述醫用高分子短纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種。
復合凝膠體中的高分子纖維有機質，還可在注模凝膠體成型步驟添加，具體操作是在成型模具中安放高分子長纖維織成的網格狀物，當乳狀合成液注入成型模具，該高分子長纖維編織的網格狀物則與注入成型模具的乳狀合成液融合成一體。
上述方法中，可對成型脫模后的復合凝膠體采用反復冷凍解凍的方法進行物理交聯后再洗滌。
復合凝膠體的脫水固化有多種方法，可采用化學脫水和/或物理調溫變壓分級脫水和/或冷凍干燥脫水。
本發明所述方法制備的有機-無機復合生物材料，宏觀上由成型模具生成不含化學交聯劑凝膠體固化的確定形狀，微觀結構是有機質形成三維網絡結構，其中充填有原位生長的納米級磷酸鈣，其晶粒生長方向沿有機質中膠原纖維長軸取向排列；該復合生物材料中，水的質量百分數為6～22％，固態物質的質量百分數為78～94％，固態物質中，三維網絡有機質的質量百分數為20～85％，納米級磷酸鈣的質量百分數為15～80％。
上述有機-無機復合生物材料，其三維網絡有機質或為膠原纖維；或為膠原纖維和其它醫用水凝膠固化物，膠原纖維與其它醫用水凝膠固化物的質量比為9∶1～6∶4，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種；或為膠原纖維和醫用高分子纖維，膠原纖維與醫用高分子纖維的質量比為9∶1～6∶4，所述醫用高分子纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種；或為膠原纖維、其它醫用水凝膠固化物和醫用高分子纖維，膠原纖維的質量份為8～6，其它醫用水凝膠固化物的質量份為1.5～2.5，醫用高分子纖維的質量份為0.5～1.5，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種，所述醫用高分子纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種。
上述有機-無機復合生物材料，其納米級磷酸鈣為弱結晶的類骨磷灰石，磷酸鈣的Ca/P摩爾比為1.2～1.9。
本發明具有以下有益效果1、本發明提供從合成復合凝膠體-洗滌-固化到最終產物的一步成型加工技術，可直接獲得具有確定形狀的有機-無機復合生物材料，相比現有方法，簡化了流程，避免了對合成粉末原料包括靜壓成型方法等為獲得最終制品的二次加工，規避了由此而帶來的潛在污染。
2、本發明所述方法制備的復合生物材料，微觀結構是凝膠體固化有機質形成的三維網絡結構，其中充填有納米級磷酸鈣(見圖1)，且其晶粒的成核、生長和老化在合成、凝膠體形成、洗滌和固化過程中完成，并沿有機質纖維長軸取向排列，因而更接近于自然骨結構。
3、本發明所述制備方法，不外加化學交聯劑，借助膠原分子的疏水相互作用和氫鍵識別位點引發的膠原自組裝，輔助引入存在豐富活性基團的其它水凝膠物質，(協同)調控無機磷酸鈣的沉積生長，并結合添加物特點采用低溫冷凍-解凍物理交聯或外加高分子纖維增強形成凝膠體，通過脫水固化過程中有機物和無機物水合層的相互作用，最終獲得比現有材料性能更好的復合生物材料。
4、本發明所述方法制備的有機-無機復合生物材料，具有良好的力學性能，具體性能參數受有機質組成和相對含量、無機磷酸鈣相的相對含量和含水率以及致密或多孔型結構所控制。如致密型復合生物材料的三點抗彎強度值可達70MPa以上(見實施例1和實施例6)，材料還可具有良好的柔韌性能(見圖2)；同時，所制備復合材料具有低的溶脹行為，如在生理鹽水中的平衡溶脹率為80％(見實施例1)，添加其它的醫用水凝膠和醫用高分子纖維后，力學性能和溶脹行為均能改善，可比較實施例1、實施例6和實施例12。
5、本發明所述方法制備的有機-無機復合生物材料，既可是致密型材料，又可是多孔型材料，并可根據需要成型為各種形狀(見圖2-5)。
6、本發明所述方法能方便引入多種生長因子，以進一步提高材料的生物活性，促進組織的生長。
圖1是本發明所述有機-無機復合生物材料的斷面鍍金掃描電鏡圖，揭示此種材料的微觀結構；圖2是本發明所述有機-無機復合生物材料的一種宏觀形狀圖，長條的彎曲形態揭示材料具有良好的柔韌性；圖3是本發明所述有機-無機復合生物材料的另一種宏觀形狀圖；圖4是本發明所述有機-無機復合生物材料的又一種宏觀形狀圖；圖5是本發明所述有機-無機復合生物材料的再一種宏觀形狀圖。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發明所述方法及該方法直接獲得的有機-無機復合生物材料。
各實施例所用膠原蛋白為酶解小牛皮I型膠原蛋白，種類包含可溶解固體粉末和膠原凝膠(固含量在9-20％)，可從國家生物醫學材料工程技術研究中心購買，也可按文獻報道(Lu J，Lin XY，Jiang B，Li XD，Chen JY，Zhang XD，Preparation and characterizationof collagen by hydrogel formation method，Key Engineering Materials，2005288-289377)實驗室自制。分析純化學試劑、溶劑和透明質酸、海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚丙烯酸、殼聚糖等從成都長征化學試劑公司、青島海匯生物工程有限公司購買，典型透明質酸的分子量大于250,000，聚乙烯醇平均聚合度為1800，殼聚糖脫乙酰度90％，分子量大于300,000，聚丙烯酸分子量大于5,000。醫用高分子纖維或剪為小于5毫米的短纖維，或織成二維網格或三維網格。
實施例1(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、7℃攪拌條件下，用0.2M乙酸配制膠原蛋白濃度為4.8mg/ml的溶液410毫升，滴加1mol/l的NaOH水溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至6.0，然后緩慢滴加45.7毫升1mol/l的Ca(NO3)2水溶液和45.7毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4水溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為8.5，在常壓、7℃下攪拌反應4小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、30℃下恒溫30小時形成長條形白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體將復合凝膠體脫模后用去離子水在常壓、20℃下清洗6次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.08MPa、30℃下脫水10小時，然后在20℃下用潔凈氣流繼續脫水固化直至產物中的水含量為12.0wt％，得到致密復合生物材料，微觀結構如圖1所示，其形狀如圖3所示，三點抗彎強度為73MPa，在生理鹽水中的平衡溶脹率為80％。
實施例2(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、15℃攪拌條件下，用1∶1∶1的0.5M乙酸、0.01M鹽酸和0.006M硝酸混合溶液配制膠原蛋白濃度為2mg/ml的溶液185毫升，用1mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至7.0，然后緩慢滴加1毫升1mol/l的Ca(NO3)2水溶液和1毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4水溶液，在常壓、15℃下攪拌反應3小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、37℃下恒溫6小時形成片狀白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體在常壓、4℃下，將復合凝膠體脫模后用去離子水清洗4次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在常壓、10℃下于30％(v/v)酒精溶液中固化4個小時，然后置于負壓0.1MPa、20℃下脫水8小時，再在20℃用潔凈氣流繼續脫水固化，直至產物中的水含量為17.0wt％，經沖模加工得到致密片狀復合生物材料，如圖4所示。
實施例3(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、4℃攪拌條件下，在0.2M乙酸溶液中加入膠原蛋白粉末，配制膠原蛋白濃度為5mg/ml的溶液310毫升，滴加2mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至為7.0；然后緩慢滴加5.1毫升3mol/l的Ca(NO3)2水溶液和3.1毫升1.8mol/l的(NH4)2HPO4水溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為9.0，在常壓、4℃下攪拌反應5小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、25℃下恒溫25小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體在常壓、25℃下，將凝膠體脫模后用去離子水清洗7次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在20℃下用潔凈氣流脫水固化4小時，移至常壓、-60℃低溫放置48小時，然后放入冷凍干燥機干燥48小時后得到多孔復合生物材料，產物中的水含量為11.0wt％，形狀如圖5所示。
實施例4(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、20℃攪拌條件下，在0.2M鹽酸溶液中加入膠原蛋白粉末，配制膠原蛋白濃度為12mg/ml的溶液300毫升，向所得溶液中緩慢滴加21毫升0.3MNa2HPO4溶液，滴加1mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至為7.0；緩慢滴加54毫升1mol/l的CaCl2溶液和43毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為9.5，在常壓、20℃下攪拌反應2小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、38℃下恒溫16小時形成條形白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體將凝膠體脫模后用去離子水在常壓、20℃下清洗8次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在20℃下用潔凈氣流脫水固化72小時，得到水含量為13.0wt％的條形復合材料，材料可彎曲成如圖2所示形狀。
實施例5(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、10℃攪拌條件下，用0.5M乙酸溶液配制膠原蛋白濃度為8mg/ml的溶液250毫升，滴加25ml濃度為2％(w/v)的透明質酸乙酸溶液；30分鐘后，向膠原蛋白基有機溶液中緩慢滴加17毫升0.3MNa2HPO4溶液，用2mol/l的NaOH溶液將膠原蛋白基有機溶液的pH值調至8.0；30分鐘后，緩慢滴加10.7毫升1mol/l的CaCl2溶液和1.7毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液；用0.5mol/l的NaOH溶液維持反應液pH值為9.5，在常壓、10℃下攪拌反應10小時得到乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、33℃下恒溫29小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體將凝膠體脫模后用去離子水在常壓、10℃下清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.1MPa、25℃下脫水4小時，移至液氮放置12個小時，然后放入冷凍干燥機干燥60小時后得到多孔復合生物材料，產物中的水含量為10.0wt％。
實施例6(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、7℃攪拌條件下，用0.2M乙酸溶液配制膠原蛋白濃度為4.8mg/ml的溶液380毫升，滴加10毫升濃度為2％(w/v)的殼聚糖乙酸溶液；用1mol/l的NaOH溶液將膠原蛋白基有機溶液的pH調至6.0；30分鐘后，緩慢滴加47毫升1mol/l的CaCl2溶液和47毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液；用1∶1的氨水溶液維持反應液pH值為8.5，在常壓、7℃下攪拌反應4小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、30℃下恒溫30小時形成長條形白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體將復合凝膠體脫模后用去離子水在常壓、20℃下清洗6次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.08MPa、30℃下脫水10小時，然后在20℃下用潔凈氣流繼續脫水固化直至產物中的水含量為12.0wt％，得到致密復合生物材料，其形狀如圖3所示，三點抗彎強度為78MPa，在生理鹽水中的平衡溶脹率為52％。
實施例7(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、12℃攪拌條件下，將29.5毫升濃度為2％(w/v)的海藻酸鈉水溶液滴加到0.2M乙酸膠原溶液中，得到膠原蛋白濃度為6mg/ml的230毫升有機質溶液，然后用2mol/l的NaOH溶液將有機質溶液的pH調至6.5；緩慢滴加24毫升1mol/l的CaCl2溶液和24毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1∶1的氨水水溶液將反應液pH值維持在9.2，在常壓、12℃下攪拌反應15小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、38℃下恒溫30小時形成白色長條彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體在常壓、20℃下，將凝膠體脫模用去離子水清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.08MPa、38℃下脫水14個小時，然后用潔凈氣流在28℃下繼續脫水固化，直至產物中的水含量為20.0wt％，得到致密條狀復合生物材料，彎曲條狀材料形狀如圖2所示。
實施例8(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、15℃攪拌條件下，將630毫克聚丙烯酸混合在210毫升膠原蛋白濃度為7mg/ml的0.08M硝酸溶液中，40分鐘后滴加0.3M Na2HPO415毫升，用2mol/l的NaOH水溶液將膠原蛋白基有機溶液的pH值調至7.0，然后分別用恒流泵以3ml/min的量加入38.9毫升1mol/lCaCl2和18.8毫升1mol/lNa2HPO4溶液，用1∶1的氨水水溶液將反應液pH值維持在8.5，在常壓、15℃下攪拌反應8小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、35℃下恒溫14小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體用去離子水于常壓、15℃下清洗6次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體用聚乙二醇溶液在常壓、20℃下固化5小時，然后在20℃下用潔凈氣流固化3小時，移至常壓、-60℃放置24小時后，放入冷凍干燥機中干燥48小時后得到多孔復合材料，產物中的水含量為12.0wt％。
實施例9(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液用高壓釜配制5％(w/v)的聚乙烯醇水溶液；在常壓、25℃攪拌條件下，用0.05M硝酸溶液配制膠原蛋白濃度為10mg/ml的溶液330毫升，加入5％的聚乙烯醇溶液44ml并與膠原蛋白溶液混合均勻；緩慢滴加29.5毫升1mol/l的CaCl2溶液和17.7毫升1mol/l的Na3PO4溶液，用1∶1的氨水水溶液將反應液的pH值調至6.5，在常壓、25℃攪拌反應8小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、40℃下恒溫26小時后形成白色彈性復合凝膠體；(3)對復合凝膠體進行物理交聯將所形成復合凝膠體在常壓、-25℃下放置24小時后，在常壓、20℃下解凍放置24小時，在上述壓力、溫度下冷凍-解凍循環4次；(4)洗滌復合凝膠體將解凍凝膠體用去離子水在常壓、20℃下清洗10次，去除未反應殘余物；(5)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.08MPa、30℃脫水20小時，然后在30℃下用潔凈氣流繼續脫水固化，直至產物中的水含量為14.0wt％，得到致密復合材料。
實施例10(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液用高壓釜配制5％(w/v)的聚乙烯醇水溶液；在常壓、15℃攪拌條件下，用0.01M鹽酸溶液配制膠原蛋白濃度為7mg/ml的溶液270毫升，加入5％聚乙烯醇溶液4.8毫升并與膠原蛋白溶液混合均勻，滴加12毫升濃度為2％(w/v)的殼聚糖乙酸溶液；滴加0.5mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至6.0；緩慢滴加6毫升1mol/l的CaCl2溶液和6毫升0.6mol/l的Na3PO4溶液，用1∶1的氨水水溶液將反應液的pH值調至7.0，在常壓、15℃攪拌反應10小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、35℃下恒溫16小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出白色凝膠體用去離子水清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在30℃下用潔凈氣流脫水固化，直至產物中的水含量為22.0wt％，得到致密復合材料。
實施例11(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、4℃攪拌條件下，用0.5M乙酸溶液配制透明質酸含量為0.35克、膠原濃度為4mg/ml的溶液260毫升，30分鐘后加入1.5％(w/v)海藻酸鈉水溶液23.3毫升，維持攪拌15分鐘，將溫度提升到20℃，在攪拌下滴加17.3毫升1mol/lCaCl2和10.4毫升1mol/l(NH4)2HPO4水溶液，用1mol/l的NaOH溶液控制pH值為9.2，在常壓、20℃攪拌反應8小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、36℃下恒溫25小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出成型白色凝膠體，于常壓、4℃用去離子水清洗8次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體置于真空干燥箱，在負壓0.1MPa、35℃下脫水直至得到含水為16.0wt％的致密型復合材料。
實施例12(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、10℃，用體積濃度為2％的乙酸溶液配制殼聚糖含量為0.5克的溶液，攪拌條件下加入膠原蛋白粉末2.5克和0.5M乙酸溶液形成總量為410毫升的有機溶液，用恒流泵以5ml/min攪拌加入45.9毫升0.6M H3PO4，20分鐘后加入150毫升1mg/ml透明質酸水溶液，然后用2ml/l NaOH溶液將pH值調整7.0，再加入45.9毫升CaCl2溶液，并用NaOH溶液維持反應液pH值為7.5，在常壓、10℃下攪拌反應4小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、30℃下恒溫24小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出成型白色凝膠體，于常壓、4℃用去離子水清洗6次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在20℃下用潔凈氣流脫水固化40小時，然后置于負0.1MPa真空干燥箱中，在28℃脫水直至得到含水率為13.0wt％的致密復合材料，材料的三點抗彎強度為60MPa，在生理鹽水中的平衡溶脹率為64％。
實施例13(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、8℃，用0.2M鹽酸溶液攪拌配制聚丙烯酸含量為0.9克、膠原蛋白濃度為9mg/ml的有機溶液340毫升，用2ml/l NaOH將pH調至7.8，然后用恒流泵以8ml/min攪拌加入130.6毫升1mol/l的Ca(NO3)2溶液和130.6毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，攪拌滴加22毫升濃度為2％(w/v)的海藻酸鈉溶液，用1ml/l NaOH將反應液pH值控制在8.0，在常壓、8℃攪拌反應10個小時，形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、30℃下恒溫40小時形成白色彈性復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出成型白色凝膠體，在常壓、8℃下用去離子水清洗12次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體放入體積濃度40％乙醇溶液，在常壓、25℃下固化4小時后，移至真空干燥箱中于負壓0.1MPa、25℃下固化8個小時，再移至常壓、-20℃下放置24小時后，轉入冷凍干燥機中干燥48個小時，獲得多孔復合材料，產物中的水含量為12.0wt％。
實施例14(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、6℃攪拌條件下，用0.01M硝酸配制膠原蛋白濃度為3.8mg/ml的溶液370毫升，加入8毫升0.6M Na2HPO4的溶液，滴加2mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至為7.0；緩慢滴加15.6毫升1mol/l的Ca(NO3)2溶液和15.6毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為8.5；在常壓、6℃攪拌條件下維持反應2小時后，加入長度為3mm的殼聚糖纖維0.16克，攪拌1小時使殼聚糖短纖維分布均勻；(2)注模凝膠體成型將含殼聚糖纖維的乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、25℃下恒溫18小時形成復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出成型復合凝膠體，在常壓、10℃下用去離子水清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.1MPa、35℃下固化20小時，然后在20℃用潔凈氣流繼續脫水固化直至產物中的水含量為10.0wt％，得到致密型復合材料，如圖3所示。
實施例15(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液用0.1M鹽酸溶液在常壓、15℃配制膠原蛋白濃度為4.8mg/ml的溶液260毫升，用恒流泵以5ml/min速度攪拌加入8.9毫升3mol/l Ca(NO3)2溶液和8.9毫升1.8mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1mol/l的NaOH水溶液和1∶1的氨水水溶液將反應液的pH值控制在8.5，在常壓、15℃攪拌反應6小時，然后加入長度約為3毫米的聚乙烯醇纖維0.53克，攪拌20分鐘混合均勻；(2)注模凝膠體成型將含聚乙烯醇短纖維的乳狀合成物倒入成型模具，在常壓、30℃下恒溫22小時形成復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出成型復合凝膠體，在常壓、25℃下用去離子水清洗4次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在27℃下用潔凈氣流脫水固化72小時，得含水率為18.0％的致密復合材料。
實施例16(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、8℃攪拌條件下，用1∶1的0.01M鹽酸和0.5M乙酸溶液配制膠原蛋白濃度為5mg/ml的溶液525毫升，滴加18毫升0.6M Na2HPO4的溶液，用恒流泵以4ml/min攪拌加入30.6毫升1mol/l Ca(NO3)2溶液和13毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1mol/l的NaOH將反應液pH值控制在7.4，在常壓、8℃攪拌反應12小時形成乳狀合成液，然后加入1.1克長度為4毫米的乳酸和乙醇酸共聚物短纖維，攪拌2小時；(2)注模凝膠體成型將含共聚物短纖維的乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、28℃下恒溫40小時形成復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，在常壓、4℃下用去離子水清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在25℃用潔凈氣流脫水固化5小時，移至常壓、-150℃下放置24小時，再放入冷凍干燥機中干燥48小時，獲得如圖5所示的多孔型復合材料，產物中的水含量為11.0wt％。
實施例17(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、20℃配制濃度為6.0mg/ml的膠原蛋白硝酸溶液345毫升，滴加2mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至為6.0；緩慢滴加44.2毫升1mol/l的Ca(NO3)2溶液和14.7毫升1.8mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為8.5，在常壓、20℃攪拌反應10小時形成乳狀合成液；將長度為2毫米的3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物短纖維0.9克加入到乳狀合成液中，攪拌4個小時；(2)注模凝膠體成型將含共聚物短纖維的乳狀液倒入多孔成型模具，在常壓、40℃恒溫6小時形成復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，在常壓、25℃下用去離子水清洗10次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體用聚乙二醇溶液在常壓、20℃下固化4小時，移至常壓、-60℃放置20小時，再放入冷凍干燥機中干燥40小時，得多孔型復合材料，產物中的水含量為12.0wt％。
實施例18(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、12℃下，用0.5M乙酸配置膠原濃度為6.6mg/ml、透明質酸含量為0.48克的有機溶液225毫升，用2mol/l的NaOH溶液將有機溶液的pH值控制為8.0，攪拌滴加39毫升1mol/l Ca(NO3)2和23.4毫升1mol/l H3PO4溶液，在常壓、8℃維持攪拌反應4小時形成乳狀合成液，然后加入0.2克長度約4mm的殼聚糖短纖維，繼續攪拌2小時；(2)注模凝膠體成型將含殼聚糖短纖維的乳狀合成液倒入成型模具中，在常壓、38℃恒溫30小時形成白色復合凝膠體；
(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，用去離子水在常壓、4℃下清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在25℃下用潔凈氣流脫水固化直至得到含水率為15.0wt％的致密復合材料。
實施例19(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、4℃下，將0.1克海藻酸鈉和0.3克膠原粉末攪拌溶解于190毫升0.01M鹽酸溶液中，用1mol/l的NaOH溶液將有機溶液pH值調至7.4，然后滴加2.9毫升1mol/lCa(NO3)2和1.7毫升1mol/l H3PO4溶液，用1∶1氨水水溶液維持反應液pH值為9.0，在常壓、4℃維持攪拌反應6小時形成乳狀合成液，然后加入49毫克長度為2毫米的乳酸和乙醇酸共聚物短纖維，繼續攪拌2小時；(2)注模凝膠體成型將含短纖維的乳狀合成液倒入成型模具，在常壓、25℃恒溫18小時形成白色復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，在常壓、10℃下用去離子水清洗8次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體用體積濃度40％酒精溶液在常壓、25℃下脫水固化5小時，然后放置于真空干燥箱中在負壓0.08MPa、40℃下固化直至得到含水率為18.0wt％的致密復合材料。
實施例20(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、18℃攪拌條件下，用0.2M乙酸溶液配制膠原濃度為4mg/ml的溶液235毫升，滴加8.8ml濃度為2％(w/v)的殼聚糖乙酸溶液；30分鐘后，向有機溶液中緩慢滴加16.8毫升0.3M Na2HPO4的溶液，用2mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白有機溶液的pH值調至7.0；30分鐘后，緩慢滴加11.7毫升1mol/l的CaCl2溶液和3.5毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1mol/l的NaOH溶液維持反應液pH值為7.8；在常壓、18℃維持反應2小時形成乳狀合成液，然后加入長度為2mm的聚乙烯醇纖維59毫克，攪拌2個小時使聚乙烯醇短纖維分散均勻；(2)注模凝膠體成型將含聚乙烯醇短纖維的乳狀合成液倒入成型模具中，在常壓、34℃恒溫25小時形成白色復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，用去離子水在常壓、10℃下清洗10次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在負壓0.08MPa、30℃脫水40小時，然后在30℃下用潔凈氣流脫水固化直至得到含水率為14.0wt％的致密復合材料。
實施例21(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、16℃攪拌條件下，用0.08M鹽酸溶液配制膠原蛋白濃度為6.5mg/ml的溶液420毫升；在有機溶液中滴加30毫升0.3M Na2HPO4溶液后，攪拌加入滴加2mol/l的NaOH溶液將含膠原蛋白溶液的pH值調至為7.0；用恒流泵以4ml/min加入63毫升1mol/l的Ca(NO3)2溶液和48毫升0.6mol/l的(NH4)2HPO4溶液，用1∶1氨水水溶液控制反應液pH值為8.5，在常壓、16℃保持攪拌反應10小時生成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將682毫克的3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維編織成三維網格，拉直固定在成型模具中，然后倒入乳狀合成液，在常壓、38℃恒溫32個時形成白色復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，用去離子水在常壓、15℃下清洗14次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在25℃用潔凈氣流脫水固化30小時，然后置于真空干燥箱中在負壓0.08MPa、35℃下固化直至得到含水率為20.0wt％的致密復合材料。
實施例22(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、4℃，用0.01M硝酸溶液配制膠原蛋白濃度為2.2mg/ml的溶液470毫升，緩慢滴加9毫升1mol/l CaCl2和5.6毫升1mol/l Na2HPO4溶液，用2ml/l的NaOH溶液維持反應液pH值為7.4，在常壓、4℃攪拌反應6個小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將260毫克編織的殼聚糖二維網格，逐層拉直固定在成型模具中，然后倒入乳狀合成液，在常壓、20℃恒溫24小時形成白色復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，在常壓、20℃下用去離子水清洗8次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體在20℃下用體積濃度為40％的酒精溶液固化5小時，然后在20℃下用潔凈氣流脫水固化72小時，得含水率為13.0wt％的致密復合材料。
實施例23(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在常壓、4℃攪拌條件下，用0.25M乙酸溶液配制含透明質酸0.98克、膠原濃度為7mg/ml的有機溶液490毫升，將有機溶液的溫度升至15℃，用恒流泵以6ml/min加入90.6毫升1mol/l Ca(OH)2和54.4毫升1mol/l Na2HPO4溶液，用1ml/l的NaOH溶液維持反應液pH值為7.4，在常壓、15℃攪拌反應6小時形成乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將490毫克編織的殼聚糖三維網格拉直固定在成型模具中，然后倒入乳狀合成液，在常壓、37℃恒溫24時形成白色復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體取出復合凝膠體，用去離子水在常壓、25℃下清洗5次，去除未反應殘余物；(4)脫水固化將清洗后的復合凝膠體用潔凈氣流在37℃下固化2小時，移至常壓、-20℃下放置24小時，再轉至常壓、-60℃下放置24小時，然后放入冷凍干燥機中干燥48小時得含水率為10.0wt％的多孔復合材料。
權利要求
1.一種有機-無機復合生物材料，其特征在于該材料宏觀上具有不含化學交聯劑的凝膠體固化形成的確定形狀，微觀結構是有機質形成三維網絡結構，其中充填有原位生長的納米級磷酸鈣，其晶粒生長方向沿有機質纖維長軸取向排列；所述復合生物材料中，水的質量百分數為6～22％，固態物質的質量百分數為78～94％，固態物質中，三維網絡有機質的質量百分數為20～85％，納米級磷酸鈣的質量百分數為15～80％。
2.根據權利要求1所述的有機-無機復合生物材料，其特征在于三維網絡有機質或為膠原纖維；或為膠原纖維和其它醫用水凝膠固化物，膠原纖維與其他醫用水凝膠固化物的質量比為9∶1～6∶4，所述其他醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種；或為膠原纖維和醫用高分子纖維，膠原纖維與醫用高分子纖維的質量比為9∶1～6∶4，所述醫用高分子纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種；或為膠原纖維、其它醫用水凝膠固化物和醫用高分子纖維，膠原纖維的質量份為8～6，其它醫用水凝膠固化物的質量份為1.5～2.5，醫用高分子纖維的質量份為0.5～1.5，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種，所述醫用高分子纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種。
3.根據權利要求1或2所述的有機-無機復合生物材料，其特征在于納米級磷酸鈣為弱結晶的類骨磷灰石，磷酸鈣的Ca/P摩爾比為1.2～1.9。
4.一種有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于工藝步驟如下(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液在膠原蛋白濃度為0.7～15mg/ml的酸性或中性有機質溶液中加入含鈣離子和含磷酸根離子的水溶液，含鈣離子水溶液的加入量為鈣離子1.6～39.8×10-3mol/每克有機質，鈣離子與磷酸根離子的摩爾比為1.2～1.9，在常壓、2～25℃、pH值6～10下攪拌反應2～15小時，形成含有機質和原位生長納米級磷酸鈣的乳狀合成液；(2)注模凝膠體成型將步驟(1)制備的乳狀合成液注入成型模具，在常壓、20～40℃下恒溫4～40小時，形成具有一定宏觀形狀的復合凝膠體；(3)洗滌復合凝膠體用去離子水清洗步驟(2)所制備的復合凝膠體，去除反應殘留物；(4)脫水固化將步驟(3)清洗后的復合凝膠體脫水固化，即獲所述有機-無機復合生物材料。
5.根據權利要求4所述的有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于有機質溶液的溶劑至少為乙酸、鹽酸、硝酸中的一種，含鈣離子水溶液為硝酸鈣或氯化鈣或氫氧化鈣的水溶液，含磷酸根離子水溶液為磷酸鈉或磷酸氫二鈉或磷酸或磷酸氫二氨水溶液，調節反應液pH值采用氫氧化鈉或/和氨水水溶液。
6.根據權利要求4或5所述的有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于有機質溶液中的有機質或為具有成原纖維特性的膠原蛋白；或為具有成原纖維特性的膠原蛋白和其它醫用水凝膠，膠原蛋白與其它醫用水凝膠的質量比為9∶1～6∶4，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種；或為具有成原纖維特性的膠原蛋白和醫用高分子短纖維，膠原蛋白與醫用高分子短纖維的質量比為9∶1～6∶4，所述醫用高分子短纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種；或為具有成原纖維特性的膠原蛋白、其它醫用水凝膠和醫用高分子短纖維，膠原蛋白的質量份為8～6份，其它醫用水凝膠的質量份為1.5～2.5，醫用高分子短纖維的質量份為0.5～1.5，所述其它醫用水凝膠至少為透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一種，所述醫用高分子短纖維至少為殼聚糖纖維、絲狀纖維素、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物纖維、聚乙烯醇纖維、乳酸和乙醇酸共聚物纖維中的一種。
7.根據權利要求4所述的有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于注模凝膠體成型步驟在成型模具中安放有高分子長纖維編織的網格狀物，該高分子長纖維編織的網格狀物與注入成型模具的乳狀合成液融合成一體。
8.根據權利要求4所述的有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于對成型脫模后的復合凝膠體采用反復冷凍解凍的方法進行物理交聯后再洗滌。
9.根據權利要求4所述的有機-無機復合生物材料的制備方法，其特征在于復合凝膠體的脫水固化采用化學脫水和/或物理調溫變壓分級脫水和/或冷凍干燥脫水。
全文摘要
一種有機－無機復合生物材料，宏觀上具有不含化學交聯劑的凝膠體固化形成的確定形狀，微觀結構是有機質形成三維網絡結構，其中充填有原位生長的納米級磷酸鈣，其晶粒生長方向沿有機質纖維長軸取向排列。制備上述材料的工藝步驟(1)制備含有機質和納米級磷酸鈣的乳狀合成液；(2)將步驟(1)制備的乳狀合成液注入成型模具，在常壓、20～40℃下恒溫4～40小時，形成具有一定宏觀形狀的白色彈性復合凝膠體；(3)用去離子水清洗步驟(2)所制備的復合凝膠體；(4)將步驟(3)清洗后的復合凝膠體脫水固化。
文檔編號A61L27/00GK1850296SQ20061002080
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者李旭東, 王曉敏, 林曉艷, 王曉亮, 鄭貴球, 顧忠偉, 張興棟 申請人:四川大學