一種羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磷酸鈣支架，尤其涉及一種羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架的制備，屬于復合材料領域。
【背景技術】
[0002]磷酸I丐支架(Calcium phosphate scaffold，CaP-S)是指由磷酸I丐類材料(磷酸氫鈣、磷酸四鈣粉末、α -磷酸三鈣、β -磷酸三鈣、羥基磷灰石等)制備的骨組織工程支架，具有良好的生物相容性和可生物降解性，已被用于臨床骨修復材料。但CaP-S屬于無機非金屬材料，呈脆性，機械強度較低，如抗壓強度僅與松質骨相當，限制了其臨床應用。因此，有必要提高CaP-S的機械強度，滿足臨床對骨缺損填充材料機械強度的要求。
[0003]近年來已有大量關于提高CaP-S機械強度的研究報道。除了改變制備CaP-S的配方、降低起始原料的顆粒尺寸和CaP-S中孔隙率等方法外，添加增強劑是改善CaP-S機械強度最常用的方法之一。Xu等將不同比例的碳化硅和氮化硅晶須加入磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)，結果表明晶須的加入同時提高了 CPC的抗壓強度、彈性模量和剛度(Xu H H K.Whisker-reinforced b1active composites containingcalcium phosphate cement filber:effects of filler rat1 and surface treatmentson mechanical properties.J B1med Mater Res A.2001，57 (2): 165-174)。但這些增強劑缺乏優良的生物相容性，在人體內不會降解，植入后會殘留在機體，會對人產生不利的影響，若通過再次手術取出，則增加了患者的感染幾率、二次手術痛苦和經濟負擔。CN201410137741.4公開了一種電紡纖維增強磷酸鈣骨水泥復合材料及其應用，提高了 CPC的初期抗壓強度，后期電紡纖維發生降解，增大了 CPC的孔隙率，有利于組織的生長，但纖維的制備過程較復雜，且很難獲得單分散的纖維，團聚的纖維在CPC中容易造成應力集中。通過現有的制備方法制備的增強CaP-S的抗壓強度一般在40MPa以下，且不能夠兼容機械強度、生物相容性和可生物降解性等支架需要的特性。因此，尋找一種新的增強效果好、能在體內降解且生物相容性好的增強劑成為增強CaP-S的關鍵。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架的制備方法。該方法制備的增強磷酸鈣支架中增強相(羧基化納米晶體纖維素)分散性好，增強相與基體相(磷酸鈣支架)間的結合強度高，因此最終得到的羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架具有較高的抗壓強度。
[0005]本發明實現其發明目的所采用的技術方案是:一種羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架的制備方法，其步驟是:
[0006]A、納米晶體纖維素羧基化改性
[0007]Al、將納米晶體纖維素加入去離子水中，配制得到濃度為0.5?5wt.%的納米晶體纖維素懸浮液；
[0008]A2、在100份重的納米晶體纖維素懸浮液中加入0.1?10份重的NaBr和0.01?0.5份重的2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧化物，攪拌溶解后，加入10?60份重的濃度為5?14wt.%的NaClO溶液并不斷攪拌，攪拌過程中調節溶液的pH值，使pH值穩定在9.0?11.5 ;再加入10?50份重的無水乙醇，得到分散液；
[0009]A3、將A2步的分散液的pH值調節至2.5?3.0，靜置24?36h ;離心、洗滌并使用透析袋濾除分子量小于1000的小分子物質，得到羧基化納米晶體纖維素懸浮液。
[0010]B、復合粉體的制備
[0011]B1、在A3步得到的羧基化納米晶體纖維素懸浮液中加入可溶性的鈣鹽，定容使懸浮液中Ca2+濃度為0.1?1.0mol/L，充分攪拌10?60min，得到含Ca2+的分散液；
[0012]B2、將0.1?1.0mol/L的可溶性磷酸鹽溶液滴加到BI步的含Ca2+的分散液中，并不斷攪拌，同時調節溶液的PH值，使pH值穩定在8.0?11.0，直至滴定結束，分散液中Ca與P的摩爾比為1.67:1 ；
[0013]B3、將B2步的分散液繼續攪拌I?4h，再靜置陳化24?72h，然后進行洗滌、抽濾、干燥，即得到羧基化納米晶體纖維素羥基磷灰石復合粉體；
[0014]C、支架的制備
[0015]將B3步得到的羧基化納米晶體纖維素羥基磷灰石復合粉體單獨作為支架固相粉末，或跟其他鈣鹽粉末混合均勻作為支架固相粉末；按照0.2?0.4mL/g的液固比加入支架成型液，將支架成型液與支架固相粉末調和為膏狀體，通過磨具壓制成型、注射成型或3D打印成型，成型后置于32?37°C水浴鍋中固化24?48h，即得羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架。
[0016]本發明的反應機理是:
[0017]通過TEMP0(2，2，6，6_四甲基哌啶_1_氧化物)/NaClO/NaBr催化氧化法將納米晶體纖維素分子中的C6伯醇羥基氧化為羧基，減弱了納米晶體纖維素復雜的分子間氫鍵作用；且羧基相對羥基具有較強的負電性和較大的空間位阻，進一步減弱了分子間作用力，使得納米晶體纖維素分子間的團聚能力減弱，在溶液中均勻的分散。
[0018]在均勻分散的羧基化納米晶體纖維素的懸浮液中加入可溶性鈣鹽，因羧基化納米晶體纖維素表面豐富的羥基和羧基對Ca2+具有較強的配位能力，可與溶液中的Ca2+配位結合；隨后加入可溶性磷酸鹽，羧基化納米晶體纖維素與Ca2+配位結合處作為形核位點，原位生成羥基磷灰石。再通過陳化、洗滌、抽濾、干燥等操作，就得到增強相分散性好，增強相與基體相間結合強度高的羧基化納米晶體纖維素羥基磷灰石復合粉體。
[0019]羧基化納米晶體纖維素羥基磷灰石復合粉體單獨作為支架固相粉末，或跟其他鈣鹽粉末混合均勻作為支架固相粉末；按液固比為0.2?0.4mL/g，將支架成型液與支架固相粉末調和為膏狀體，并通過成型、固化等步驟，即可得到機械強度高的羧基化納米晶體纖維素增強磷酸鈣支架。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0021]—、納米晶體纖維素(Nanocrystalline Cellulose, NCC)具有高抗張強度(7500MPa)、高楊氏模量(100_140GPa)、高長徑比(70)、高比表面積(150_250m2/g)、可再生和良好的生物相容性等優點；但是，納米晶體纖維素分子的脫水葡萄糖單元上有兩個仲醇羥基和一個伯醇羥基，易形成分子間和分子內氫鍵，其中分子間氫鍵主要是由(:6伯醇羥基的氫原子和氧原子形成(Sturcova A.Structural details of crystalline cellulosefrom higher plants.B1macromolecules.2004, 5 (4): 1333-1339)，導致納米晶體纖維素顆粒易發生團聚，分散性較差。本發明對納米晶體纖維素分子結構中的(:6伯醇羥基進行羧基化改性，降低分子間氫鍵作用力；同時羧基較強的電負性和較大的空間位阻，進一步減弱了分子間作用力，使得納米晶體纖維素分子間的團聚能力減弱，在溶液中易于分散。本發明采用羧基化納米晶體纖維素作為磷酸鈣支架的增強相，既充分利用了納米晶體纖維素的優點，又在一定程度上避免了納米晶體纖維素的團聚，使其在磷酸鈣基體中較好分散，提高磷酸鈣支架的機械強度。
[0022]二、本發明采用TEMP0/NaC10/NaBr催化氧化法對納米晶體纖維素進行羧基化改性，這種方法對分子結構中的C6伯醇羥基具有選擇性氧化作用，且氧化徹底，羧基化程度尚O
[0023]三、羧基化納米晶體纖維素表面豐富的負電性基團羥基和羧基，對Ca2+具有較強的配位能力，為原位合成羥基磷灰石提供形核位點。將原位合成羧基化納米晶體纖維素羥