專利名稱：取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料的制備方法，屬于醫 學材料技術領域。
背景技術：
理想的骨替代材料應該是在組成上接近真實骨的有機/無機復合材料，還必須具 備多孔結構，包括必要的孔隙率(大于75%)和孔徑尺寸(100微米到500微米，在這個范圍 內越大越好)，并且盡量模擬真實骨的孔洞結構和力學性能。天然骨是一種各向異性的復合 材料，具有優異的力學性能，其成分為膠原和羥基磷灰石的復合材料。以小梁骨為例，其徑 向的抗壓強度大約在IOMPa左右，縱向的抗壓強度在5MPa左右；徑向的抗壓模量在IOOMPa 左右，縱向的抗壓模量在50MI^左右。天然高分子有著無毒，生物相容性好，且體內可以生 物降解的特性；磷酸鈣鹽和天然骨中羥基磷灰石的成分類似，并且有可以轉化為羥基磷灰 石的性質，所以天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料與天然骨的成分十分類似。目前，已經發展 出了很多種制備多孔復合材料的方法，這些方法通常有如下不足1、步驟比較復雜，往往是 先制備好復合材料，然后運用一些制孔技術在復合材料上制造孔洞；2、孔洞結構通常沒有 特定的取向，得到的多孔復合材料的力學性能一般難以滿足真實骨的力學性能，不能用在 承重部位的骨移植。因此，發展一種取向多孔的復合材料的制備方法在骨組織工程領域有著非常重要 的意義。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合 材料的制備方法。該方法過程簡單，容易操作。為解決上述技術問題，本發明制備方法包括以下步驟
在PH彡7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性鈣鹽、交聯劑、可溶性磷酸鹽或磷酸，然 后放置，得到水凝膠；
在水凝膠表面傾倒堿性水溶液，保持溫度在-4 4°C，讓堿性水溶液向下滲透，得到取 向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料；
將得到的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料用純凈水反復清洗至淋洗液pH=7，然后干燥 脫水。由于存在水洗階段，加入的原材料中，沒有反應掉的組分可以在水洗階段洗掉，所 以對四種原材料的比例沒有嚴格的要求。當所用的四種原材料比例使得產物中磷酸鈣鹽占 天然高分子/磷酸鈣鹽的總質量的30% 70%時，基本可以滿足骨替代材料所需的力學強 度；
進一步地，當所用的四種原材料比例使得產物中磷酸鈣鹽占天然高分子/磷酸鈣鹽的 總質量的50% 60%時，此多孔復合材料的力學性能最為優異，成分上有機/無機的比例也最接近天然骨成分的有機/無機比例。所述天然高分子可為膠原、明膠、殼聚糖、甲殼素、絲膠、絲素和瓊脂糖中的一種或 其任意組合。所述可溶性鈣鹽可為鈣金屬的硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸氫鹽、磷酸氫鹽、磷酸二氫鹽、 氯化物中的一種或其任意組合。所述可溶性磷酸鹽可為磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫 鈉、磷酸鈉、聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、磷酸鉀、聚磷酸鉀、焦磷酸鉀、磷 酸二氫鈣和磷酸氫鈣中的一種或其任意組合。所述交聯劑可為戊二醛、京尼平或其混合物。所述堿性水溶液可為氨水、氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液中的一種或其任意組
口 O所述干燥脫水的方法可以如下室溫下自然干燥或者在低于300°C的烘箱中常壓干燥。本發明方法是通過堿性溶液向天然高分子凝膠擴散，造成堿性環境，促使鈣磷鹽 前驅離子在天然高分子凝膠中原位沉淀，同時天然高分子隨著堿性溶液的擴散，自發收縮， 形成取向性孔洞結構，這種制備方法中復合材料制備和孔洞形成一步完成，因而具有簡單 經濟、能耗低、操作方便和便于實現規模化生產的優點。本發明方法制備的取向性孔洞結構的天然高分子/磷酸鈣鹽多孔復合材料中磷 酸鈣鹽和天然高分子的質量分數可調。本發明方法制備的天然高分子/磷酸鈣鹽多孔復合材料，在無機/有機成分組成 上與天然骨的組成相似，其孔隙率高達85%，孔徑尺寸在200微米到500微米之間，力學性能 佳，滿足理想骨替代材料的各項要求。其中材料的取向性孔洞結構，賦予材料各項異性的特 性，與天然小梁骨極其類似。與現有技術比較，本發明方法具有以下有益效果
1、工藝簡單，工藝參數較易控制，有工業生產的前景；
2、制備的天然高分子/磷酸鈣鹽多孔復合材料的孔隙率和孔洞尺寸均滿足理想骨替 代材料的各項要求；
3、制備的天然高分子/磷酸鈣鹽多孔復合材料的力學性能大大優于其他制孔方法，優 于天然小梁骨的力學參數。
圖1為實施例1中制得的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的掃描電鏡圖。圖2為實施例2中制得的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的掃描電鏡圖。圖3為實施例3中不同質量分數比例的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多 孔復合材料的抗壓強度直方圖。圖4為實施例3中不同質量分數比例的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多 孔復合材料的抗壓模量直方圖。圖5為實施例4中制得的膠原/磷酸鈣鹽多孔復合材料的掃描電鏡圖。圖6為實施例5中制得的殼聚糖-明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料的掃描電鏡圖。
具體實施例方式本發明公開了一種取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料的制備方法。該方 法包括以下步驟
在PH彡7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性鈣鹽、可溶性磷酸鹽或磷酸和交聯劑，然 后放置，得到水凝膠；
在水凝膠表面傾倒堿性水溶液，保持溫度在-4 4°C，讓堿性水溶液向下滲透，得到取 向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料；
將得到的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料用純凈水反復清洗至淋洗液pH=7，然后干燥 脫水。下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。實施例1
制備質量分數比例為70/30的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料 在IOOml的燒杯里加入40ml體積分數為21的醋酸溶液，稱取0. 56g殼聚糖(浙江金殼 公司，殼聚糖分子量為30萬)，在40°C下加入醋酸溶液中攪拌2小時至殼聚糖完全溶解，得 到液體A。在液體A中加入0.564g四水硝酸鈣(Ca(NO3)2 ·4Η20)(國藥集團化學試劑有限 公司)攪拌至完全溶解，得到液體B。在液體B中加入0.189g磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)(國 藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體C。在60°C下，邊攪拌邊向液體C中 滴加0. Iml的戊二醛(國藥集團化學試劑有限公司，質量分數為25%)，繼續攪拌5分鐘。隨 后將液體C靜置于4°C的環境中12小時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨 水，然后將此體系靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到質量分數比例為70/30的取向性 孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料。將得到的質量分數比例為70/30的取向性 孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7，然后將材 料自然干燥得到最終材料。上述取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的制備方法中，復合材 料的形成和取向性孔洞結構的產生一步完成，沒有額外的制孔步驟，大大簡化了多孔材料 的制備過程。質量分數比例為70/30的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的 形貌表征
用掃描電鏡(荷蘭FEI公司，型號QUanta200)分析質量分數比例為70/30的取向性孔 洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料形貌。結果如圖1所示，此多孔材料的孔徑尺 寸在200微米至500微米之間，孔洞結構具有明顯的取向性。實施例2
制備質量分數比例為40/60的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料 在IOOml的燒杯里加入40ml體積分數為21的醋酸溶液，稱取0. 32g殼聚糖(浙江金殼 公司，殼聚糖分子量為30萬)，在40°C下加入醋酸溶液中攪拌2小時至殼聚糖完全溶解，得 到液體A。在液體A中加入1.128 g四水硝酸鈣(Ca(NO3)2 ·4Η20)(國藥集團化學試劑有限 公司)攪拌至完全溶解，得到液體B。在液體B中加入0.378g磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)(國 藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體C。在60°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. Iml的戊二醛(國藥集團化學試劑有限公司，質量分數為25%)，繼續攪拌5分鐘。隨 后將液體C靜置于4°C的環境中12小時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨 水，然后將此體系靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到質量分數比例為40/60的取向性 孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料。將得到的質量分數比例為40/60的取向性 孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7，然后將材 料自然干燥得到最終材料。質量分數比例為40/60的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的 形貌表征
用掃描電鏡(荷蘭FEI公司，型號QUanta200)分析質量分數比例為40/60的取向性孔 洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料形貌。結果如圖2所示，此多孔材料的孔徑尺 寸在400微米至500微米之間，孔洞結構具有明顯的取向性。實施例3
不同質量分數比例的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料在抗壓材 料上的應用
質量分數比例分別為70/30、60/40、50/50、40/60、30/70的取向性孔洞結構的殼聚糖/ 羥基磷灰石多孔復合材料的制備方法類似實例1和實例2，只有原材料的比例不同，制備流 程相同。不同質量分數比例的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的力 學性能表征將材料切割成長寬高各1厘米的立方體，用萬能測試機(日本島津公司，型號 AGS-J)進行壓縮實驗，壓縮方向分為兩種，第一種方向與取向性孔洞的孔軸平行(縱向壓 縮)；另一種方向與取向性孔洞的孔軸方向垂直(橫向壓縮)。每個樣品測試3個，最終結構 取平均值。測試結果如圖3、圖4所示，圖3是不同比例材料的抗壓強度；圖4是不同比例材 料的抗壓模量。從圖3、圖4中可以看到，不同質量分數比例的取向性孔洞結構的殼聚糖/ 羥基磷灰石多孔復合材料的力學性能也具有明顯的各項異性，其中質量分數比例為40/60 的取向性孔洞結構的殼聚糖/羥基磷灰石多孔復合材料的力學性能，幾乎與天然小梁骨的 力學性能相當。實施例4
制備取向性孔洞結構的膠原/磷酸鈣鹽多孔復合材料
在50ml的燒杯里加入15ml體積分數為0. 5%的鹽酸溶液，稱取0. 09g膠原(四川大學 生物醫學中心)，在常溫下加入鹽酸溶液中攪拌3小時至膠原完全溶解，得到液體A。在液體 A中加入0.232 g氯化鈣(CaCl2)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液 體B。在液體B中加入0. 178g磷酸氫二鈉(Na2HPO4)(天津市醫藥公司)攪拌至完全溶解， 得到液體C。在37°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. Iml的戊二醛(國藥集團化學試劑有限 公司，質量分數為25%)，繼續攪拌2分鐘。隨后將液體C靜置于2°C的環境中8小時，得到 水凝膠E。在水凝膠E表面倒入20ml濃氫氧化鈉溶液(PH>10)，然后將此體系靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到取向性孔洞結構的膠原/磷酸鈣鹽多孔復合材料。將得到取向 性孔洞結構的膠原/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7，然后將材料 在37°C烘箱里干燥得到最終材料。取向性孔洞結構的膠原/磷酸鈣鹽多孔復合材料的形貌表征用掃描電鏡(荷蘭FEI公司，型號QUanta200)分析取向性孔洞結構的膠原/磷酸鈣鹽 多孔復合材料形貌。結果如圖5所示，此多孔材料的孔徑尺寸在500微米左右，孔壁厚度 在100微米左右，孔洞結構具有明顯的取向性。實施例5
制備取向性孔洞結構的殼聚糖-明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料 在IOOml的燒杯里加入40ml體積分數為21的醋酸溶液，分別稱取0. 3g殼聚糖(浙江 金殼公司，殼聚糖分子量為30萬)和0. Ig明膠(國藥集團化學試劑有限公司)，在40°C下加 入醋酸溶液中攪拌3小時至殼聚糖和明膠均完全溶解，得到液體A。在液體A中加入0. 59g 四水硝酸鈣(Ca(NO3)2 · 4H20)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體B。 在液體B中加入0. 189g磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完 全溶解，得到液體C。在60°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. Iml的戊二醛(國藥集團化學試 劑有限公司，質量分數為25%)，繼續攪拌3分鐘。隨后將液體C靜置于4°C的環境中14小 時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨水，然后將此體系靜置于-4 4°C的環 境中M小時，得到取向性孔洞結構的殼聚糖-明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料。將得到的取 向性孔洞結構的殼聚糖-明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7， 然后將材料自然干燥得到最終材料。取向性孔洞結構的殼聚糖-明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料的形貌表征
用掃描電鏡(荷蘭FEI公司，型號Quanta200)分析取向性孔洞結構的殼聚糖-明膠/磷 酸鈣鹽多孔復合材料形貌。結果如圖6所示，此多孔材料的孔徑尺寸在300微米至500微 米之間，孔洞結構具有明顯的取向性。實施例6
制備取向性孔洞結構的明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料
在IOOml的燒杯里加入30ml體積分數為1%的磷酸溶液，稱取0. 4g明膠(國藥集團化 學試劑有限公司)，在常溫下加入磷酸溶液中攪拌4小時至明膠完全溶解，得到液體A。在液 體A中加入0.277 g氯化鈣(CaCl2)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到 液體B。在液體B中加入0.327g三水磷酸氫二鉀(Κ2ΗΡ04·;3Η20)(國藥集團化學試劑有限 公司)攪拌至完全溶解，得到液體C。在37°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. 8ml的京尼平 (日本和光株式會社，含京尼平lang)，繼續攪拌5分鐘。隨后將液體C靜置于6°C的環境中 10小時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入30ml濃氫氧化鉀溶液(PH>10)，然后將此體系 靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到取向性孔洞結構的明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料。 將得到取向性孔洞結構的明膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7， 然后將材料在37°C烘箱里干燥得到最終材料。實施例7
制備取向性孔洞結構的甲殼素/磷酸鈣鹽多孔復合材料
在IOOml的燒杯里加入40ml體積分數為5%的鹽酸溶液，稱取0. 4g甲殼素(廣東南星 化學試劑廠)，在常溫下加入鹽酸溶液中攪拌M小時至甲殼素完全溶解，得到液體A。在液 體A中加入0. 59g四水硝酸鈣(Ca(NO3)2 ·4Η20)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全 溶解，得到液體B。在液體B中加入0.327g三水磷酸氫二鉀(Κ2ΗΡ04·3Η20)(國藥集團化學 試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體C。在37°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. 2ml的戊二醛(國藥集團化學試劑有限公司，質量分數為25%)，繼續攪拌1分鐘。隨后將液體C 靜置于4°C的環境中12小時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨水，然后將此 體系靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到取向性孔洞結構的甲殼素/磷酸鈣鹽多孔復合 材料。將得到取向性孔洞結構的甲殼素/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗 液PH=7，然后將材料在自然干燥得到最終材料。實施例8
制備取向性孔洞結構的絲膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料
稱取20g蠶繭殼(湖北省農科院)，剪成碎片，放入沸水中脫膠(浴比1:30)30分鐘左右， 用紗布過濾得到絲膠蛋白溶液。將絲膠蛋白溶液在旋轉蒸發儀中濃縮至質量分數為8%，取 40ml此絲膠溶液加入IOOml的燒杯里，同時加入0. 8ml醋酸，得到液體Α。在液體A中加入 0.277 g氯化鈣(CaCl2)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體B。在液 體B中加入0. 189g磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至完全溶 解，得到液體C。在37°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加Iml的京尼平(日本和光株式會社，含 京尼平15mg)，繼續攪拌5分鐘。隨后將液體C靜置于2°C的環境中12小時，得到水凝膠 E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨水和氫氧化鈉的混合溶液(PH>10)，然后將此體系靜置 于-4 4°C的環境中M小時，得到取向性孔洞結構的絲膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料。將得 到取向性孔洞結構的絲膠/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液PH=7，然后 將材料自然干燥得到最終材料。實施例9
制備取向性孔洞結構的瓊脂糖/磷酸鈣鹽多孔復合材料
在IOOml的燒杯里加入40ml體積分數為1%的磷酸溶液，稱取0. 5g瓊脂糖(中國醫藥 上海化學試劑公司)，在90°C下加入磷酸溶液中攪拌3小時至瓊脂糖完全溶解，得到液體A。 在液體A中加入0. 59g四水硝酸鈣(Ca(NO3)2 ·4Η20)(國藥集團化學試劑有限公司)攪拌至 完全溶解，得到液體B。在液體B中加入0. 189g磷酸氫二銨((ΝΗ4)2ΗΡ04)(國藥集團化學試 劑有限公司)攪拌至完全溶解，得到液體C。在50°C下，邊攪拌邊向液體C中滴加0. Iml的 戊二醛(國藥集團化學試劑有限公司，質量分數為25%)，繼續攪拌1分鐘。隨后將液體C靜 置于4°C的環境中6小時，得到水凝膠E。在水凝膠E表面倒入40ml濃氨水，然后將此體系 靜置于-4 4°C的環境中M小時，得到取向性孔洞結構的瓊脂糖/磷酸鈣鹽多孔復合材 料。將得到取向性孔洞結構的瓊脂糖/磷酸鈣鹽多孔復合材料用純凈水反復清洗至清洗液 PH=7，然后將材料自然干燥得到最終材料。
權利要求
1.一種取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料的制備方法，其特征在于在PH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性鈣鹽、交聯劑、可溶性磷酸鹽或磷酸，然 后放置，得到水凝膠；在水凝膠表面傾倒堿性水溶液，保持溫度在-4 4°C，讓堿性水溶液向下滲透，得到取 向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料；將得到的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料用純凈水反復清洗至淋洗液pH=7，然后干燥 脫水。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所用的四種原材料比例使得產物中 磷酸鈣鹽占天然高分子/磷酸鈣鹽的總質量的30% 70%。
3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所用的四種原材料比例使得產 物中磷酸鈣鹽占天然高分子/磷酸鈣鹽的總質量的50% 60%。
4.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述天然高分子為膠原、明膠、 殼聚糖、甲殼素、絲膠、絲素或瓊脂糖中的一種或其任意組合。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述可溶性鈣鹽為鈣金屬的硝酸鹽、 硫酸鹽、碳酸氫鹽、磷酸氫鹽、磷酸二氫鹽或氯化物中的一種或其任意組合。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述可溶性磷酸鹽為磷酸氫二銨、磷 酸二氫銨、磷酸銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸鈉、聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、磷酸氫二鉀、磷 酸二氫鉀、磷酸鉀、聚磷酸鉀、焦磷酸鉀、磷酸二氫鈣或磷酸氫鈣中的一種或其任意組合。
7.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述交聯劑為戊二醛、京尼平或其混 合物。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述堿性水溶液為氨水、氫氧化鈉溶 液或氫氧化鉀溶液中的一種或其任意組合。
全文摘要
本發明公開了一種取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料的制備方法。在pH≤7的水溶液中溶解天然高分子、可溶性鈣鹽、可溶性磷酸鹽或磷酸和交聯劑，然后放置，得到水凝膠；在水凝膠表面傾倒堿性水溶液，保持溫度在-4-4℃，讓堿性水溶液向下滲透，得到取向多孔的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料；將得到的天然高分子/磷酸鈣鹽復合材料用純凈水反復清洗至淋洗液pH=7，然后干燥脫水。本發明方法工藝簡單，工藝參數較易控制。該方法制備的取向性孔洞結構的天然高分子/磷酸鈣鹽多孔復合材料可作為骨組織工程材料中的應用。
文檔編號A61L27/12GK102058903SQ201110022709
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者沈新宇, 童華, 蔡萱, 陳黎 申請人:武漢大學