一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于生物醫用材料技術領域，涉及一種具有負泊松比效應的納米纖維骨替代材料及其制備方法，應用于骨修復或骨替代材料。

背景技術：

我國每年由于交通和工業事故、腫瘤、骨組織壞死和風濕等疾病引起的骨組織缺損、骨折病患人數達數百萬人。隨著人口老齡化的日益嚴重，年老引起的骨組織疏松使骨缺損的病患有增多的趨勢，此外，每年需要進行顱頜面和肢體整形、美容的人數也達到千萬人。因此，臨床治療對骨組織修復材料有著巨大的市場需求。目前應用于骨組織修復的金屬、骨水泥、生物活性玻璃、磷酸鈣類生物活性陶瓷以及可吸收性的高分子材料等難以滿足臨床對骨組織修復和重建的需求。制備能主動誘導和激發組織器官再生并具有良好力學性能的類人骨組織替代、修復材料對于解決臨床日益擴大的骨修復需求具有重要意義。

天然骨是一種由約30%的有機基質和70%的羥基磷灰石構成的有機/無機生物復合材料，有機基質主要包括非膠原蛋白、粘多糖等。無機成分的羥基磷灰石納米晶體有序地嵌在膠原纖維基質中，有機和無機組元間的密切協同作用以及分子水平的獨特組裝，賦予了天然骨的多級結構和優異的力學性能。能否獲得一種從結構和成分上雙重仿生并具備優秀的力學性能的骨仿生支架材料是骨組織工程進行的主要難點和關鍵點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種設計負泊松比結構的納米仿生骨復合材料骨仿生復合材料的制備方法。常規材料均表現為正泊松比，即拉伸時材料垂直于拉伸方向變窄，壓縮時垂直于拉伸方向變寬；而具有負泊松比效應的材料，其在拉伸時材料垂直于拉伸方向變寬，或壓縮時垂直于壓縮方向變窄，如圖1所示。本發明結合靜電紡技術與紡織技術，將負泊松比效應應用于構建具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，并以此為模板利用仿生礦化的方法得到類似于天然骨中分級結構的骨替代材料。這種骨仿生材料不僅在成分和結構上實現了對天然骨的仿生，良好的生物相容性、生物可降解性以及良好的骨誘導性能，可激發骨的再生，而且在力學性能方面，由于這種負泊松比結構使其具備足夠的強度來承受機體自身的重量，以及自適應性以滿足機體可能遭遇的壓縮、剪切和撞擊等多個外力作用場合。

實現本發明目的技術方案是：

一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料，它是以礦化的納米纖維為基本單元，沿軸向平行排列形成納米纖維紗線結構，再進一步交織形成具有負泊松比結構的有機/無機的納米纖維復合材料，有機的納米纖維與無機的礦物質的質量比為1:1-10，孔隙率為20%-80%。

所述的納米纖維復合材料是由納米纖維經紗、緯紗以及結節紗按照設計的負泊松比結構編織而成，結節點的密度為10-40個/cm²，多層納米纖維織物的經密為90-240根/5cm，緯密為140-280根/5cm層數至少為4層。

所述的納米纖維紗線是由礦化的納米纖維沿紗線軸向平行排列形成的，納米纖維紗線的直徑為100-500μm，所述的礦化納米纖維是無機礦物在納米纖維上自組裝得到的。

所述的納米纖維是由聚己內酯和柞蠶絲素構成，納米纖維的直徑為200-1200nm，柞蠶絲素和聚己內酯的質量比為5:95-30:70，聚己內酯分子量大于200000，柞蠶絲素蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50。

所述無機的礦物質成分為羥基磷灰石，它是由針狀晶粒組成的球狀形貌，針狀晶粒尺寸為0.5nm-1nm。

所述的具有負泊松比結構的骨仿生復合材料的制備方法，其步驟如下：

（1）將柞蠶絲素和聚己內酯按照質量比為1:1-10放入六氟異丙醇溶液中，在常溫下進行磁力攪拌8-36小時得到質量分數為5-15%的靜電紡絲溶液；

（2）將去離子水和無水乙醇按照質量比為1:1-4的比例配置混合溶劑，將聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶劑中，在室溫下磁力攪拌120-360min得到質量分數為15-35%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步驟（1）中的混合紡絲溶液作為芯層溶液，以步驟（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作為殼層溶液，利用靜電紡絲的方法制備具有皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線，所述的納米纖維的皮層為聚乙烯吡咯烷酮，所述的納米纖維的芯層為柞蠶絲素和聚己內酯混合成分，靜電紡絲的電壓為18-25kv，紡絲溶液總流量為0.1-1.0ml/h，正負噴頭溶液流量比1:0.5-2，芯溶液與殼溶液的流量比為1-1:4，噴頭內管內徑0.2mm，外管內徑0.4mm，正負噴頭間的距離12-18cm，卷繞速度30-60mm/min；

（4）將步驟（3）中所得的具有皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線利用紡織編織技術，編織形成具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，多層納米纖維織物的經密為90-240根/5cm，緯密為140-280根/5cm，結節點的密度為10-40個/cm²；

（5）將步驟（4）中的的多層納米纖維織物浸泡在質量分數為70-95%的乙醇水溶液中處理30-120min，然后放入循環流動的去離子水中，去除納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮；

（6）將步驟（5）中的多層納米纖維織物浸泡在1-3倍的模擬體液中進行循環流動礦化，模擬體液的循環流動流速為0-50ml/h，在37℃恒溫下礦化12-72小時后取出用去離子水清洗，并在真空烘箱中50-70℃下干燥，得到具有負泊松比結構的骨仿生復合材料。

與現有的骨替代材料及其制備方法相比，本發明具有以下優點：

（1）本發明中所設計的納米仿生骨具有負泊松比結構，相比常規結構的骨仿生材料，具有更加優秀的力學性能，具備足夠的強度來承受機體自身的重量，以及自適應性以滿足機體可能遭遇的壓縮、剪切和撞擊等多個外力作用場合。

（2）本發明中以生物相容性較好的柞蠶絲素和聚己內酯為材料，以礦化的納米纖維紗仿生構建天然骨的結構單元—礦化的膠原纖維束，這種納米纖維骨仿生復合材料實現了成分和結構上的雙重仿生，具有很好的生物相容性和生物活性。

（3）本發明中首先紡制核殼紗線，然后在編織成型后將皮芯結構的納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮成分去除使織物內部的孔隙變大，同時在模擬體液礦化時采用流動礦化的方法促進了羥基磷灰石在織物層中的納米纖維間生長，能夠能夠使本發明的骨替代材料具有較好的強度和結構仿真性。

本發明制備的由礦化的納米纖維構建的仿生天然骨結構的骨替代材料，在成分的選擇上選用的是生物材料聚己內酯、柞蠶絲素蛋白和羥基磷灰石，其中柞蠶絲素蛋白富含極性氨基酸和可作為細胞識別信號的arg-gly-asp（精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸，rgd）三肽序列能夠使材料有利于細胞的粘附、增殖和分化；在結構上，利用靜電紡技術使納米纖維成紗線并結合紡織編織技術加工成具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物模板，其中所形成納米纖維、納米纖維紗線、負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，可分別仿生骨中的膠原纖維、膠原纖維束、膠原纖維陣列和骨單元，重要的是，這種特殊的結構—負泊松比結構提高了納米骨復合材料的力學自適應性。由此可見，本發明所制備的這種具有負泊松比結構的納米仿生骨復合材料具備良好的生物相容性、生物活性和力學性能，在骨組織臨床具有廣闊的應用前景。

不同于常規的骨修復材料，負泊松比結構材料具有高的能量吸收和斷裂韌性，本發明將負泊松比結構效應引入到骨仿生材料的結構設計中，材料能更好的適應外力作用，抵御破壞。

附圖說明

圖1負泊松比結構受力形變的示意圖。

圖2負泊松比多管狀三維織物實物圖。

圖3骨仿生材料中不同礦化度的納米纖維的sem照片形貌。

圖4制備的骨替代材料礦化后納米纖維表面形貌。

具體實施方式

下面結合附圖通過實例對本發明進一步詳細說明。

實施例1

一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料的制備方法，其步驟如下：

（1）將柞蠶絲素和聚己內酯按照質量比為1：1放入六氟異丙醇溶液中，在常溫下進行磁力攪拌12小時得到質量分數為6%的靜電紡紡絲溶液；

（2）將去離子水和無水乙醇按照質量比為1:1的比例配置混合溶劑，將28g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶劑中，在室溫下磁力攪拌150min得到質量分數為6%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步驟（1）中的混合紡絲溶液作為芯層溶液，以步驟（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作為殼層溶液，利用靜電紡絲的方法制備由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線。所述的納米纖維的皮層為聚乙烯吡咯烷酮，所述的納米纖維的芯層為柞蠶絲素和聚己內酯混合成分，靜電紡絲的電壓為18kv，紡絲溶液總流量為0.2ml/h，正負噴頭溶液流量比1:0.5，芯溶液與殼溶液的流量比為1:1，噴頭內管內徑0.2mm，外管內徑0.4mm，正負噴頭間的距離12cm，卷繞速度30mm/min；

（4）將步驟（3）中所得的由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線利用機織技術，編織形成具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，納米纖維織物的經密為100根/5cm，緯密為120根/5cm，結節點的密度為18個/cm²的；

（5）將步驟（4）中的多層納米纖維織物浸泡在質量分數為75%的乙醇水溶液中處理60min，然后放入循環流動的去離子水中，去除多層納米纖維織物中皮芯結構的納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮；

（6）將步驟（5）中的多層納米纖維織物浸泡在1倍的模擬體液中進行循環流動礦化，模擬體液的循環流動流速為10ml/h，在37℃恒溫下礦化36h后取出用去離子水清洗，并在真空烘箱中60℃下干燥，得到由礦化的納米纖維構建的仿生天然骨結構的骨替代材料。

礦化的納米纖維仿生骨的光學顯微鏡照片如圖2所示。礦化的納米纖維仿生骨的掃描電鏡照片如圖3所示。表1顯示了具有負泊松比結構的骨替代材料的力學性能、密度和孔隙率。

實施例2

一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料的制備方法，其步驟如下：

（1）將柞蠶絲素和聚己內酯按照質量比為1：5放入六氟異丙醇溶液中，在常溫下進行磁力攪拌24小時得到質量分數為8%的靜電紡紡絲溶液；

（2）將去離子水和無水乙醇按照質量比為1:3的比例配置混合溶劑，將26.0g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶劑中，在室溫下磁力攪拌240min得到質量分數為30%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步驟（1）中的混合紡絲溶液作為芯層溶液，以步驟（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作為殼層溶液，利用靜電紡絲的方法制備由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線，所述的納米纖維的皮層為聚乙烯吡咯烷酮，所述的納米纖維的芯層為柞蠶絲素和聚己內酯混合成分；靜電紡絲的電壓為22kv，紡絲溶液總流量為0.5ml/h，正負噴頭溶液流量比2:3，芯溶液與殼溶液的流量比為1:3，噴頭內管內徑0.2mm，外管內徑0.4mm，正負噴頭間的距離14cm，卷繞速度50mm/min；

（4）將步驟（3）中所得的由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線利用機織技術，編織形成具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，多層納米纖維織物的經密為140根/5cm，緯密為160根/5cm，結節點的密度為23個/cm²的；

（5）將步驟（4）中的多層納米纖維織物浸泡在質量分數為85%的乙醇水溶液中處理70min，然后放入循環流動的去離子水中，去除多層納米纖維織物中皮芯結構的納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮；

（6）將步驟（5）中的多層納米纖維織物浸泡在1.5倍的模擬體液中進行循環流動礦化，模擬體液的循環流動流速為14ml/h，在37℃恒溫下礦化60h后取出用去離子水清洗，并在真空烘箱中70℃下干燥，得到具有負泊松比結構的骨仿生納米纖維復合材料。制備的骨替代材料的力學性能、密度和孔隙率如表1所示。

實施例3

一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料的制備方法，其步驟如下：

（1）將柞蠶絲素和聚己內酯按照質量比為1：7放入六氟異丙醇溶液中，在常溫下進行磁力攪拌36小時得到質量分數為9%的靜電紡紡絲溶液；

（2）將去離子水和無水乙醇按照質量比為1:4的比例配置混合溶劑，將28g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶劑中，在室溫下磁力攪拌360min得到質量分數為32%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步驟（1）中的混合紡絲溶液作為芯層溶液，以步驟（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作為殼層溶液，利用靜電紡絲的方法制備由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線，所述的納米纖維的皮層為聚乙烯吡咯烷酮，所述的納米纖維的芯層為柞蠶絲素和聚己內酯混合成分，靜電紡絲的電壓為24kv，紡絲溶液總流量為0.6ml/h，正負噴頭溶液流量比1:2，芯溶液與殼溶液的流量比為1:4，噴頭內管內徑0.2mm，外管內徑0.4mm，正負噴頭間的距離16cm，卷繞速度60mm/min；

（4）將步驟（3）中所得的由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線利用機織技術，編織形成具有負泊松比結構的三維多層納米纖維織物，納米纖維織物的經密為160根/5cm，緯密為180根/5cm，結節點的密度為25個/cm²的；

（5）將步驟（4）中的的多層納米纖維織物浸泡在質量分數為90%的乙醇水溶液中處理80min，然后放入循環流動的去離子水中，去除多層納米纖維織物中皮芯結構的納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮；

（6）將步驟（5）中的多層納米纖維織物浸泡在2倍的模擬體液中進行循環流動礦化，模擬體液的循環流動流速為16ml/h，在37℃恒溫下礦化72h后取出用去離子水清洗，并在真空烘箱中75℃下干燥，得到具有負泊松比結構的骨仿生納米纖維復合材料，制備的骨替代材料的力學性能、密度和孔隙率如表1所示，礦化后納米纖維表面形貌如圖4所示。

實施例4

一種具有負泊松比結構的骨仿生復合材料的制備方法，其步驟如下：

（1）將柞蠶絲素和聚己內酯按照質量比為1:10放入六氟異丙醇溶液中，在常溫下進行磁力攪拌5天得到質量分數為9%的靜電紡紡絲溶液；

（2）將去離子水和無水乙醇按照質量比為1:4的比例配置混合溶劑，將28g聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶劑中，在室溫下磁力攪360min得到質量分數為32%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步驟（1）中的混合紡絲溶液作為芯層溶液，以步驟（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作為殼層溶液，利用靜電紡絲的方法制備由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線，所述的納米纖維的皮層為聚乙烯吡咯烷酮，所述的納米纖維的芯層為柞蠶絲素和聚己內酯混合成分，靜電紡絲的電壓為24kv，紡絲溶液總流量為0.6ml/h，正負噴頭溶液流量比1:2，芯溶液與殼溶液的流量比為1:4，噴頭內管內徑0.2mm，外管內徑0.4mm，正負噴頭間的距離16cm，卷繞速度60mm/min；

（4）將步驟（3）中所得的由皮芯結構的納米纖維構成的納米纖維紗線利用機織技術，編織形成不同層數的納米纖維織物，紗線編織成不同層數的管狀或片狀的納米纖維織物，納米纖維織物的經密為160根/5cm，緯密為180根/5cm，結節點的密度為25個/cm²的；

（5）將步驟（4）中的的多層納米纖維織物浸泡在質量分數為90%的乙醇水溶液中處理80min，然后放入循環流動的去離子水中，去除多層納米纖維織物中皮芯結構的納米纖維皮層的聚乙烯吡咯烷酮；

（6）將步驟（5）中的多層納米纖維織物浸泡在2.5倍的模擬體液中進行循環流動礦化，模擬體液的循環流動流速為16ml/h，在37℃恒溫下礦化72h后取出用去離子水清洗，并在真空烘箱中75℃下干燥，得到具有負泊松比結構的骨仿生納米纖維復合材料，制備的骨替代材料的力學性能、密度和孔隙率如表1所示。

表1一種由礦化的納米纖維構建的仿生天然骨結構的骨替代材料的性能

因此，本發明設計了一種具有負泊松比結構的納米纖維骨仿生復合材料，結合靜電紡技術與紡織編織技術，制備出具有負泊松比結構的柞蠶絲素和聚己內酯復合米纖維織物模板，并利用模擬體液仿生礦化的方法在納米纖維纖維表面沉積羥基磷灰石得到納米骨仿生復合材料。相比常規骨仿生復合材料，這種骨仿生材料由于其具備負泊松比結構顯示了更優秀的力學性能，包括壓縮模量，壓縮強度、彎曲強度等。此外，這種納米纖維骨仿生復合材料不僅在成分上模擬了天然骨，而且在結構上實現了對天然骨的仿生。成分中的柞蠶絲素含有的極性基團能夠使羥基磷灰石在織物中定點生長并且與織物緊密結合，同時柞蠶絲素中的arg-gly-asp（rgd）三肽序列可作為生物識別信號促進細胞粘附；納米纖維紗線在空間上的三維編織實現了在結構上對骨材料的分級仿生。根據本發明的方法制備的具有負泊松比結構的納米仿生復合材料具有優異的力學性能、良好的成形性和生物學性能，可以作為植入型的骨修復材料。