專利名稱：：一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種人工骨，特別涉及以絲素蛋白顆粒為成孔劑，以磷酸鈣骨水泥為基體的含有硫酸鈣的復合材料及其制備方法，屬生物醫用材料
技術領域：
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背景技術：
：傳統的人工骨需在體外預制成一定形狀后經手術植入人體進行骨修復，這種手術創傷較大。可注射式人工骨修復骨缺損創傷小，應用于淺表性、囊性和椎體部位骨缺損修復的優勢明顯，正日益引起重視，成為未來人工骨的發展方向。可注射的人工骨又可分為可自固化和非自固化兩種。常用的可注射材料有可注射式硫酸鈣、磷酸鈣及復合制劑、有機材料寸。硫酸鈣其主要特點為降解速度快，但質地較脆，機械強度欠佳。磷酸鈣骨水泥是一種可在室溫或人體環境下自行固化并準確塑型的人工骨。骨水泥的固液兩相發生固化反應的最終產物主要為與人體骨成分相似的羥基磷灰石，能傳導骨生長，逐步被組織吸收并產生骨組織再生效果，具有良好的生物相容性，目前在骨損傷修復方面顯示了巨大的臨床應用優勢和廣闊的市場前景。但傳統的磷酸鈣骨水泥仍存在明顯不足，如脆性大，結構致密、降解慢等缺點，這大大影響了骨組織的重建。因此，如何提高磷酸鈣骨水泥的韌性，使其結構具有多孔性，是實現其應用于臨床和充分發揮其骨缺損修復功能的重要基礎。目前國內外一些學者紛紛致力于如何提高磷酸鈣骨水泥的力學強度和多孔結構材料的研究。目前改善磷酸鈣骨水泥的力學強度主要通過與膠原、殼聚糖和纖維等復合。文獻(HockinH.K.XujMichaelD.Weir,ElenaF.Burgueraljetal.Injectableandmacroporouscalciumphosphatecementscaffold.Biomaterialsj2006，27:4279-4287)報道了采用可吸收纖維來改善磷酸鈣骨水泥抗彎強度，雖然當樣品含5%纖維時其抗彎強度為(3.2士1.0)MPa,但這個數值還是比較小，另外纖維不易均勻分散在磷酸鈣骨水泥中。中國發明專利(CN101125223)公開的磷酸鈣骨水泥/殼聚糖-明膠復合支架的制備方法，其制備的材料孔隙率雖然較高，但壓縮強度只有1.521.82MPa，太低。在利用磷酸化殼聚糖改善磷酸鈣骨水泥性能的研究中，文獻(WangX.，MaJ.，WangY.,HeB.,Reinforcementofcalciumphosphatecementswithphosphorylatedchitin.Chin.J.Polym.Sci.,2002，4:325-332)報道了利用不同分子量、不同脫乙酰度和不同磷酸酯化取代度的可溶性殼聚糖添加到磷酸鈣骨水泥中，會稍微延遲骨水泥的固化時間。文獻“膠原支架增強自固化磷酸鈣骨水泥的力學及成骨性能研究”(中國矯形外科雜志，2006，14(18):1410-1412)的研究結果認為，膠原支架可改善CPC的力學性能，彎曲強度比CPC的提高了64.2%；但文獻(YoujiMiyamoto,KunioIshikawajMasaakiTakechijetal.Basicpropertiesofcalciumphosphatecementcontainingatelocollageninitsliquidorpowderphases.Biomaterialsj1998，19:707-715)研究結果表明，釆用膠原的凝固時間較長。而且以上這些材料都是致密型的，除力學性能較好外，不利于骨組織和血管長入。多孔型結構類似于松質骨，利于骨和血管長入。多孔型既有微孔也有大孔。大孔利于骨組織長入，微孔增大了材料與組織液接觸面積，有利于生物降解。目前制備多孔自固化人工骨材料使用較多的方法是粒子溶出造孔法，即在骨水泥粉體中加入大小適當的可溶性晶體顆粒，如蔗糖、NaHCO3^Na2HPO4、甘露醇、谷氨酸鈉晶體，在骨水泥固化后置于水或者其他溶劑中將晶體顆粒溶出，留下孔隙，得到大孔徑多孔支架材料，這種支架材料只能植入體內，不能注射到體內，更不能根據骨缺損形狀任意塑型。文獻“多孔磷酸鈣骨缺損、修復材料的研制及其生物特性”(王彥偉.多孔磷酸鈣骨缺損、修復材料的研制及其生物特性.天津大學材料學院研究生論文，2004.12.)中，以α-TCP為基材的骨水泥中加入生物明膠制備多孔自固化人工骨，大孔的形成需固化4天后放到50°C去離子水中，溶去明膠才能形成多孔材料。文獻“新型可降解鈣磷骨水泥多孔支架”(魏杰等，無機材料學報，2006，21(4):958-964.)報道了一種用非水溶性有機材料顆粒(石蠟)作致孔劑，采用粒子浸溶的方法來制備多孔支架材料。文獻“多孔磷酸鈣骨水泥組織工程支架的高分子灌注增強”(董浩等，復合材料學報，2008，25(13):73-77.)利用棒狀谷氨酸鈉晶體作為造孔粒子，采用可溶鹽造孔法，制備了三維連通的大孔徑多孔磷酸鈣骨水泥支架，分別將明膠(Gelatin)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、聚己內酯(PCL)、聚羥基丁酸戊酸酯(PHBV)灌注到多孔磷酸鈣骨水泥支架的孔隙中以改善支架材料的力學性能。這種多孔支架材料的強度還是較低，最好的壓縮強度僅為2.25MPa0文獻“注射式骨修復多孔復合材料的性能研究”(楊維虎等.功能材料，2008，39(6)=990-993.)采用納米羥基磷灰石/聚酰胺66和海藻酸鈉的混合粉末作為主要固體成分，以聚乙烯醇水溶液為主要液相，通過混合攪拌制備了注射式骨修復多孔復合材料。但這種材料的凝固時間需7h38h。絲素蛋白已有研究表明無毒、無刺激性，具有良好的生物相容性，能夠促進人體細胞的生長，具有生物可降解性(DavidL.Kaplan.Silk-basedbiomaterials.Biomaterials,2003,對:401_416)。正因為由于絲素蛋白具有這些優異的生物學性能，引起了人們的高度關注，展開了絲素蛋白多方面的應用研究，如將家蠶絲素蛋白用于藥物控釋載體、抗凝血材料、功能性細胞培養基質、生物傳感器、人工韌帶、人工肌腱、隱形眼鏡、人工皮膚和骨組織工程等；絲素蛋白還具有結構、形態可控，其無定形結構在一定條件下轉化為α-螺旋結構或β-折疊結構，其形態可制成粉、膜、纖維等；另外，絲素大分子上含有許多極性基團如羥基、羧基等，這些基團與極性無機材料的相容性好，可以用來提高磷酸鈣鹽的力學性能。中國發明專利(CN1736492)公開了一種絲素羥基磷灰石復合材料及其制備方法，該發明所得到的復合材料雖然具有良好的力學性能，但需要在110130°C的的溫度下干燥固化，不具注射性，不能自固化，不能在體內固化準確成型，只能作為植入材料使用，大大影響了絲素蛋白在骨缺損修復上的應用。謝瑞娟等用絲素蛋白來改善磷酸鈣骨水泥的力學性能取得了良好的效果，但這種材料結構致密，不利于骨組織和血管長入，降解速度慢(參見文獻①CPC/SF復合材料的制備.紡織學報，2009，30(10):5-9.②絲素纖維強化磷酸鈣骨水泥的性能，高分子材料與科學工程，2011，27(1):92-95.③一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥復合材料及其制備方法，CN101961509A)。
發明內容本發明的目的克服現有技術存在的不足，提供一種具有良好的力學性能、生物相容性和適當的凝固時間，且與人松質骨相似的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料及其制備方法，有利于拓展絲素蛋白新的醫用價值，同時改善磷酸鈣骨水泥的孔結構、使其更接近人工骨，有著更廣闊的應用前景。實現本發明目的的技術方案是提供一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，它包括磷酸鈣、絲素蛋白和硫酸鈣，各組份的重量百分比為絲素蛋白1%10%，硫酸鈣為0%30%，其余為磷酸鈣。一種述的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料的制備方法，包括以下步驟(1)將濃度為1%-3%的絲素溶液在120°C150！的溫度條件下噴霧干燥，得到中空的球型、橢球型的絲素蛋白顆粒，絲素蛋白的分子構象為無規卷曲和α-螺旋；(2)按重量計，將1%10%絲素蛋白顆粒加入到含硫酸鈣為0%30%的磷酸鈣骨水泥基復合粉體中，混合均勻，制得固相體系；(3)按液固比0.350.60ml/g的比例，將含Na+濃度為0.200.40mol/L加入到固相體系中，調和成均勻的糊狀物，經固化處理后得到絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料。含Na+的固化液包括Νει2ΗΡ04、NaH2PO4和NaOH溶液。固化處理的方法為用注射器將糊狀物直接注入到手術部位原位固化。固化處理的另一種方法為體外固化，將糊狀物注入模具中，在溫度為37°C或室溫，相對濕度為100%的環境中，養護4小時后脫模。本發明的原理是將具有一定壁厚的絲素蛋白顆粒，其顆粒形狀以中空球型、橢球型為主，其分子構象為無規卷曲和α-螺旋，利用絲素顆粒在水環境中溶脹變形的特點，摻在磷酸鈣骨水基中的絲素蛋白當遇到充足的固化液時便快速吸收水分子而發生溶脹，位于磷酸鈣顆粒周圍的絲素顆粒中的水分子在磷酸鈣骨水泥的固化變硬過程中漸漸被奪去，絲素顆粒經歷由吸收充足水分子變軟溶脹到失去水分子變硬的過程，在變硬過程中絲素大分子上極性基團如羧基、羥基等與磷酸鈣鹽中釋放出來鈣離子結合，在磷酸鈣顆粒和絲素顆粒之間的水分子因固化而消失的過程中逐漸留下空間使絲素顆粒逐步脹大并與磷酸鈣基連結在一起材料，并以中空形態存在于磷酸鈣骨水泥基固化體中并形成多孔結構，同時使材料的韌性增強。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、本發明技術方案所提供一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，不僅韌性良好、凝固時間適當，而且摻入的絲素蛋白可在磷酸鈣骨水泥基固化過程中直接形成多孔結構，與現有的致密結構人工骨相比，更有利于骨組織重建，符合人工骨的要求。2、由于在制備過程中不使用有毒的化學試劑，按本發明技術方案制得的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料對人體無毒、無害，且具有良好的生物相容性，是一種綠色環保產品。3、本發明采用絲素蛋白，來源豐富，制取方便，產品制備的設備和工藝簡單，成本低、效益高。因此，具有廣闊的市場前景。圖1是本發明實施例提供的濃度為3%的絲素顆粒的掃描電鏡；圖2是本發明實施例提供的濃度為3%的絲素顆粒的紅外光譜圖36是本發明實施例14提供的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料樣品固化體的掃描電鏡圖。具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。實施例1一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料及其制備方法，包括如下步驟；(1)絲素蛋白的制備將蠶絲脫去絲膠后，溶解在氯化鈣、乙醇和去離子水的三元溶液中，經過透析過濾獲得濃度為3%的絲素溶液，在進風溫度130°C下的噴霧干燥，獲得以中空球型和橢球型為主的絲素蛋白顆粒。參見附圖1，它是本實施例提供的濃度為3%的絲素顆粒的掃描電鏡照片，由圖1可知絲素顆粒的的形狀主要為中空的球型和橢球型；參見附圖2，它是本發明實施例提供的濃度為3%的絲素顆粒的紅外光譜圖；由圖2可以看出，在1659.7cm-1處出現了絲素的酰胺I的特征峰，在1534.km1處出現了絲素的酰胺II的特征峰，在1237.3cm—1處出現了絲素的酰胺III的特征峰，這說明絲素蛋白的分子構象為無規卷曲和α-螺旋。(2)磷酸鈣骨水泥基復合粉體的制備將1.Og按步驟(1)得到的絲素蛋白顆粒加入到19.0g磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣和硫酸鈣復合粉體中，并混合均勻，制得復合材料的固相。(3)絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料固化體的制備按液固比0.45ml/g比例將由Na2HPO4,NaH2PO4和NaOH組成的固化液(Na+濃度0.3mol/L)加入步驟(2)獲得的固相中，調制均勻后將骨水泥糊狀物注入模具成型，在溫度為37°C，相對濕度為100%的環境中養護4h后脫模，再將樣品浸泡在37°C的模擬體液中浸泡20h。即得一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，其性能參見表一。參見附圖3，它是本發明實施例提供的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料樣品固化體的掃描電鏡圖。由圖3可以看出，復合材料的固化體為多孔結構，且孔是由絲素蛋白形成的。實施例2(1)絲素蛋白的制備絲素溶液的制備方法同實例一。使用噴霧干燥設備在進風溫度140°C下將其干燥，獲得以中空球型、橢球型為主的絲素蛋白顆粒。(2)磷酸鈣骨水泥基復合粉體的制備將2.Og按步驟(1)得到的絲素蛋白顆粒加入到18.Og磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣和硫酸鈣復合粉體中，并混合均勻，制得復合材料的固相。(3)絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料固化體的制備按液固比0.55ml/g比例將固化液(同實施例1)加入步驟(2)獲得的固相中，調制均勻后將骨水泥糊狀物注入模具成型，在溫度為37°C，相對濕度為100%的環境中養護4h后脫模，再將樣品浸泡在37°C的模似體液中浸泡20h。即得一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，其性能參見表一。其樣品固化體的掃描電鏡圖參見附圖4。由圖4可以看出，復合材料的固化體為多孔結構，且孔是由絲素蛋白形成的。實施例3(1)絲素蛋白的制備絲素溶液的制備方法同實例一。使用噴霧干燥設備在進風溫度130°C下將其干燥，獲得以中空球型、橢球型為主的絲素蛋白顆粒。。(2)磷酸鈣骨水泥基復合粉體的制備將1.Og按步驟(1)得到的絲素蛋白顆粒加入到19.0g磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣復合粉體中，并混合均勻，制得復合材料的固相。(3)絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料固化體的制備按液固比0.45ml/g比例將固化液(同實施例1)加入步驟(2)獲得的固相中，調制均勻后將骨水泥糊狀物注入模具成型，在溫度為37°C，相對濕度為100%的環境中養護4h后脫模，再將樣品浸泡在37°C的去離子水中浸泡20h。即得一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，其性能參見表一。其樣品固化體的掃描電鏡圖參見附圖5。由圖5可以看出，復合材料的固化體為多孔結構，且孔是由絲素蛋白形成的。實施例4(1)絲素蛋白的制備絲素蛋白顆粒的制備同實施例1。(2)磷酸鈣骨水泥基復合粉體的制備將1.Og按步驟(1)得到的絲素蛋白顆粒加入到19.0g磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣和硫酸鈣復合粉體中，并混合均勻，制得復合材料的固相。(3)絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料固化體的制備按液固比0.40ml/g比例將固化液(同實施例1)加入步驟(2)獲得的固相中，調制均勻后將骨水泥糊狀物注入模具成型，在溫度為37°C，相對濕度為100%的環境中養護4h后脫模，再將樣品浸泡在37°C的去離子水中浸泡20h。即得一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，其性能參見表一。其樣品固化體的掃描電鏡圖參見附圖6。由圖6可以看出，復合材料的固化體為多孔結構，且孔是由絲素蛋白形成的。表一磷酸鈣骨水泥的性能權利要求1.一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料，其特征在于它包括磷酸鈣、絲素蛋白和硫酸鈣，各組份的重量百分比為絲素蛋白1%10%，硫酸鈣為0%30%，其余為磷酸鈣。2.一種如權利要求1所述的絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將濃度為1%_3%的絲素溶液在120°C150！的溫度條件下噴霧干燥，得到中空的球型、橢球型的絲素蛋白顆粒，絲素蛋白的分子構象為無規卷曲和α-螺旋；(2)按重量計，將1%10%絲素蛋白顆粒加入到含硫酸鈣為0%30%的磷酸鈣骨水泥基復合粉體中，混合均勻，制得固相體系；(3)按液固比0.350.60ml/g的比例，將含Na+濃度為0.200.40mol/L加入到固相體系中，調和成均勻的糊狀物，經固化處理后得到絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料。3.根據權利要求2所述的一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料的制備方法，其特征在于含Na+的固化液包括Na2HP04、NaH2PO4和NaOH溶液。4.根據權利要求2所述的一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料的制備方法，其特征在于固化處理為用注射器將糊狀物直接注入到手術部位原位固化。5.根據權利要求2所述的一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料的制備方法，其特征在于固化處理為將糊狀物注入模具中，在溫度為37°C或室溫，相對濕度為100%的環境中，養護4小時后脫模。全文摘要本發明公開了一種絲素蛋白/磷酸鈣骨水泥基多孔復合材料及其制備方法，該復合材料包括磷酸鈣、絲素蛋白和硫酸鈣。將具有中空結構的絲素蛋白顆粒加入到磷酸鈣和硫酸鈣的復合粉體中，制得復合材料固相，再按一定液固比將固化液加入到固相中,調和成糊狀物，最終產物主要為與人體骨成分相似的羥基磷灰石。該復合材料可通過注射器直接注入至手術部位，可準確塑型固化作為骨修復充填材料；或者在體外環境中自固化后再植入體內，作為骨修復植入材料。本發明在磷酸鈣骨水泥基的固化過程中通過絲素蛋白顆粒溶脹變形形成孔結構，材料不僅其韌性和生物相容性較好，而且改善了磷酸鈣骨水泥的孔結構、使其更接近人工骨，有著更廣闊的應用前景。文檔編號A61L27/02GK102552985SQ20121001871公開日2012年7月11日申請日期2012年1月20日優先權日2012年1月20日發明者謝瑞娟,黃陽陽申請人:蘇州大學