[发明专利]一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明是涉及一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用，属于生物材料技术领域。

背景技术

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂,HAp)是人体骨骼、牙齿的主要无机成分。人工合成的HAp材料由于与骨骼、牙齿的无机成分相似，因而具有良好的生物相容性和生物活性，并在临床骨修复领域得到广泛应用。然而，传统颗粒状HAp粉体经高温烧结后制备得到的HAp生物陶瓷材料尚存在明显的缺点，如降解性和力学强度差，尤其是断裂韧性显著低于人体的天然骨组织；此外，高温烧结得到的HAp产品还缺乏诱导成骨的活性，使得这类材料在大段骨缺损修复领域、骨再生差的修复领域受到极大限制[MaterialsScienceandEngineering:R:Reports,2010,70；225]。

近年来，研究开发高力学性能的HAp生物活性骨修复材料越来越受到重视。研究表明，材料的组成和结构显著影响了材料的生物活性和力学性能，进而直接影响到材料的临床应用效果。研究表明：功能性无机微量元素的掺杂是提高HAp生物陶瓷材料的成骨活性的重要途径；此外，通过掺杂还能引起HAp晶格的畸变，进而改善HAp材料的降解速率。同复合有机类生长因子以促进生物活性和成骨性能的方法相比，无机元素掺杂具有极低的制备成本、易规模化和批量制备、且产品质量稳定等诸多优点。大量的研究发现镁(Mg)元素在改善骨修复材料的生物学性能方面起到重要的作用。Mg元素能直接影响并调控骨骼的钙化过程及形成矿化骨，它是人体中矿物质新陈代谢的主要影响因素，它直接影响甚至控制着新生骨中矿物质的晶化及形成过程[ColloidsandsurfacesB:Biomaterials,2005,42:205]。Ilich等人证实镁通过骨矿表面反应调节骨的形成和重塑[JournalofAmericanCollegeofNutrition,2000,19(6):715]。Mg元素的掺杂还有利于成骨细胞附着在HAp表面[RareMetalMaterialsandEngineering，2007，36(6):1102]。此外，Mg与Ca是同族元素，Mg能够容易掺杂并取代HAp中的钙位点，并引起HAp晶格发生畸变，从而加快其降解速率[人工晶体学报，2014，43(3)：648]。因此，开发制备含镁羟基磷灰石生物陶瓷材料在骨修复材料领域具有重要的意义和临床应用价值。

近年来，由于一维材料(如微纳米线、微纳米管和微纳米棒等)具备优良的力学性能，如超高的韧性和抗弯强度，而超长一维材料的力学性能尤其突出。因此，超长一维材料的制备及其应用引起了学术和产业界的广泛关注。目前一维结构HAp生物陶瓷粉体材料也已经引起生物材料和骨科临床医生的广泛关注，并被广泛应用于制备高强度HAp生物陶瓷，以及用于与生物高分子材料复合以制备高力学性能的复合骨修复材料。例如，在生物材料领域，研究证实了采用碳纳米管纤维可以显著增强高分子及生物陶瓷的力学性能[MaterialsScienceandEngineering:C,2012,32；1727]。因此，开发制备含镁的超长一维HAp材料有望获得既具备良好促成骨活性又具有优良力学性能的新型骨修复材料，在临床应用领域有重要的科学意义和应用价值。迄今，一维结构HAp材料主要采用水热法[JournalofCrystalGrowth,2012,361；73]、溶剂热方法[MaterialsLetters,2008,62；1642]、水热微乳液法[Materialsletters,2007；61(8～9):1683]、前躯体水热转化法[Nanoscale,2011；3(8):3052]等方法制备获得。其中，常规的水热方法只能获得短棒状HAp材料；溶剂热法和水热微乳液方法虽然能够获得较长的HAp纤维，但需要用到大量的有毒有害溶剂和表面活性剂；近期的研究报道采用前躯体水热转化法也能获得一维HAp纤维，但该方法需要多步化学反应过程，因此制备效率较低，同时获得的产物通常团聚严重[MaterialsSciencesandEngineeringC,2014；37:286]。此外,采用常规的尿素作为水热均相沉淀剂,难以获得分散性良好的HAp粉体,产物通常为纳米结构团聚材料[CrystalGrowth&Design,2009；9:177]。分散性差的团聚体材料的烧结性能差、作为力学增强剂的力学增强效果也不理想。