[发明专利]一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料及其制备方法，应用于骨修复或骨替代材料，具体涉及生物医用材料技术领域。

背景技术

在骨科领域，由创伤、感染、骨病、骨肿瘤切除等造成的骨缺损十分常见。自体骨或异体骨都存在着增加手术并发症、材料来源有限、传播疾病或免疫排斥反应等问题，其临床应用受到了一定的限制。随着生物材料技术的发展，人造的骨替代材料越来越多地应用于临床。骨替代材料主要作为置入人体骨内构架，骨细胞和胶原纤维在其上生长，最终成为活体骨的一部分。因此，寻找一种理想的骨移植替代材料一直是人们努力的目标。

目前用于骨组织修复的主要有金属、陶瓷和聚合物几大类。但是金属材料缺乏与人体组织结合的生物活性，陶瓷类材料主要存在质脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏等不足，聚合物可以具有人骨相近的模量，但不具备与骨组织形成生物键的活性。因此，寻找比较理想的材料用于骨组织修复仍然是临床上的一个难点。天然骨是是一种由约30%的有机基质和70%的羟基磷灰石构成的有机/无机生物复合材料，有机基质主要包括非胶原蛋白、粘多糖等。羟基磷灰石纳米晶体有序地嵌在胶原纤维基质中，有机和无机组元间的密切协同作用以及分子水平的独特组装，赋予了天然骨的多级结构和优异的力学性能。因此，要制备生物相容性和力学相容性好、有生物活性的骨修复或骨替代材料，需要从分子水平设计进行仿生设计，模仿天然骨的结构和功能。纳米晶须是从天然纤维中提取出的一种纳米级的纤维素，它不仅具有纳米颗粒的特征，还具有一些独特的强度和光学性能，具有广阔的应用前景。通过羧基化改性使纤维素纳米晶须表面接枝大量—COOH基团，有目的加强纳米晶须的功能性，同时又不破固有的优点，扩展了它的应用范围，。

发明内容

本发明的目的是提供一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的制备方法。通过纳米纤维素晶须的羧基化改性和静电自组装仿生矿化得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子，利用冷冻干燥技术使它和不同浓度的丝素共混得到密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料。这种骨仿生材料不仅在成分上模拟了天然骨，而且在结构上对天然骨仿生，具有良好的生物相容性、生物降解性和骨诱导性能，及优异的力学性能。

实现本发明目的的技术方案是，一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，它由无机的羧基化纳米纤维素晶须和羟基磷灰石与有机的丝素组成，所述的无机成分羧甲基化纳米晶须和羟基磷灰石的质量比为1:0-1，所述的无机成分和有机成分的其质量比为1:0.5-2。

所述骨仿生材料由羧基化纳米纤维素晶须、羟基磷灰石和桑蚕丝素组成，羧基化纳米纤维素晶须、羟基磷灰石和桑蚕丝素的质量比为1:1-10:0.5-5，其密度梯度从外到内分别为75.3%-82.3%，57.4%-67.2%，11.6%-30.6%。

所述的纳米晶须的长径比约为20:1-2，所述的丝素蛋白为桑蚕丝素和柞蚕丝素，其蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50，所述的羟基磷灰石呈现针状分布，其粒子长度在50-300nm，粒子宽度在10-50nm。

制备这种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的方法，采用如下步骤：

（1）将纳米纤维素晶须超声分散到0.1-2mol/L 氢氧化钠的乙醇溶液中，浴比为1:500，在20-80 ℃下碱化10-120 min。再加入0.125-2.5 mol/L的氯乙酸钠溶液，在30-75 ℃下超声搅拌15-100min，并用0.1-0.5mol/L的盐酸调溶液pH值至中性并在蒸馏水中透析三天，得到羧基化改性的纳米纤维素晶悬浊溶液；

（2）按照钙磷物质的量之比为1.67，将0.01-0.1mol/L的Ca(OH)₂与稀释的H₃PO₄溶液用滴定管同时滴入步骤（1）制得的溶液中并在超声中搅拌1-6h， 逐滴加入氨水控制反应pH值为8.0～10.0，控制反应温度为20-80℃，得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石比例为1：1-10的复合粒子悬浊液；

（3）将步骤（2）所得的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子悬浊液室温静置48小时后除去上层清液，离心分离出沉淀物，蒸馏水洗涤三次后，冷冻干燥制得纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子；