CN101601871A - 矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料及其制备方法，它是由直径在600～800nm的交联超细明胶电纺纤维以及在其上原位沉积的直径为20～40nm的针棒状羟基磷灰石组成。本发明含有明胶和羟基磷灰石，其中明胶性质与胶原类似，可以替代胶原，且可大大减小免疫排斥反应。明胶以超细纤维的形态存在，羟基磷灰石为针棒状，直径为20～40nm，包裹于明胶纤维外层。该材料的成份、性质及结构均接近天然骨，可有效促进骨细胞的生长及分化，具有良好的生物活性和生物相容性，可望作为有应用前景的新型骨修复材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。
背景技术
骨的主要成份是纳米羟基磷灰石(HA)和胶原纤维。纳米磷灰石矿物在胶原基质上规则沉积，其晶轴c轴沿纳米胶原纤维长轴取向。在这种有机、无机巧妙结合的复合体形成过程中，生物矿化起着至关重要的作用。利用有机模板可以对无机晶体的成核、生长、晶型及取向进行有效调控，从而模拟生物界的矿化过程制备仿生材料。因此，通过矿化的方法，从仿生的角度制备成份和结构愈发相似于骨的替代物有望解决日益加剧的骨缺损修复问题。
Du等用片状胶原作为羟基磷灰石沉积的模板制备具有良好生物活性的复合支架。Annie John等用钙盐溶液与磷酸盐溶液交替处理胶原支架，使羟基磷灰石沉积于支架表面(Annie John，Liu Hong，Yoshito Ikada，et al.“A trial to prepare biodegradablecollagen-hydroxyapatite composites for bone repair”，Journal of BiomaterialsScience-Polymer Edition 2001，12：689-705)。Rosseeva E V等利用结构上与胶原类似，具有较低抗原性且价格便宜的明胶代替胶原，以明胶凝胶作为模板制备了明胶/氟磷灰石复合材料(Rosseeva E V，Buder J，Simon P，et al.“Synthesis，Characterization，and Morphogenesis of Carbonated Fluorapatite-Gelatine Nanocomposites：A ComplexBiomimetic Approach toward the Mineralization of Hard Tissues”，Chemistry ofMaterials 2008，20：6003-6013)。然而，这些基质模板均缺乏与骨基质相似的纤维结构。
静电纺丝技术可以制备直径在数十纳米至数微米的超细纤维，这种超细纤维结构与骨以及许多组织细胞外基质极其相似，拥有极高的比表面积，有利于细胞的粘附和生长。近来，研究者利用静电纺丝纤维膜作为模板制备了一系列纳米羟基磷灰石复合材料(Kothapalli C R，Shaw M T，Olson J R，et al.“Fabrication of novel calciumphosphate/poly(lactic acid)fiber composites”，Journal of biomedical materialsresearch 2008，84B：89-97；Cui W G，Li X H，Zhou S B，et al.“In situ growth ofhydroxyapatite within electrospun poly(DL-lactide)fibers”Journal of biomedicalmaterials research 2007，82A：831-841)。然而这些模板材料多为人工合成材料，在性质上与天然材料尤其是胶原存在一定差异，亦缺乏细胞粘附及生物活性物质结合的位点，因此所得复合材料仅从结构上较好模拟了天然骨，还有其不足之处。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料及其制备方法。该材料从微观成份、性质及结构上均较好的模拟了天然骨，可为细胞粘附、增殖等提供与天然骨相类似的微环境，具有良好的生物相容性。本发明制备过程简便易行，成本低。
本发明提供的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料是以明胶、氯化钙和磷酸氢二钠为主要原料，按照质量配比：明胶电纺纤维：CaCl2·H2O∶Na2HPO4＝1∶129～430∶85.2～284，进行制备，在直径600～800nm的交联超细明胶电纺纤维上原位沉积直径为20～40nm的针棒状羟基磷灰石；
具体步骤：配制明胶的三氟乙醇溶液作为明胶电纺溶液，进行静电纺丝得到明胶电纺纤维膜，在戊二醛存在下进行处理形成交联纤维膜，再经甘氨酸溶液浸泡，水洗，干燥，得到的交联的明胶电纺纤维膜依次分别浸入pH≥11的CaCl2的三羟甲基氨基甲烷溶液中和Na2HPO4的三羟甲基氨基甲烷溶液中进行矿化，水洗，重复浸泡3～5次，水洗，干燥。
本发明提供的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料的制备方法包括的步骤：
1)将明胶溶于三氟乙醇(TFE)，于37℃下不断搅拌至溶液透明澄清，得到明胶电纺溶液，明胶电纺溶液的浓度0.1g/mL。
2)将明胶溶液注入注射器中，在电压为10kV、溶液流速为0.8mL/h、接收距离为15cm的条件下静电纺丝，经真空干燥后得到明胶电纺纤维膜；
3)用25％的戊二醛水溶液(体积，毫升)蒸汽于20～25℃下交联明胶电纺膜2天，或用50％戊二醛水溶液(体积，毫升)及无水乙醇配制成的戊二醛乙醇溶液在4℃下对明胶电纺膜交联2天；之后将交联膜取出，用0.1mol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游离戊二醛，用电阻率为18.24MΩ·cm的水反复冲洗，置于通风厨中空气干燥24h。
4)以0.05mol/L的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液为溶剂，分别配制浓度0.2mol/L～0.4mol/L的CaCl2溶液和0.12mol/L～0.24mol/L的Na2HPO4溶液，并用1mol/L的氢氧化钠溶液调节Ca、P溶液的pH值，使pH≥11。
5)将步骤3)制备的明胶电纺膜浸入CaCl2溶液12h后取出用水反复冲洗；随后将膜浸入Na2HPO4溶液中浸泡相等时间，取出用水反复冲洗。
6)步骤5)操作为一个循环，如此循环多次(3～5次)直至完成矿化，样品经干燥，即可获得本发明所述的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料。
本发明的优点在于成本低廉，制备过程简单易行。本发明得到的复合材料含有明胶和羟基磷灰石，其中明胶性质与胶原类似，可以替代胶原，且可大大减小免疫排斥反应。明胶以超细纤维的形态存在(直径600～800nm)，羟基磷灰石为针棒状，直径为20～40nm，包裹于明胶纤维外层。复合材料的成份、性质及结构均接近天然骨，可有效促进骨细胞的生长及分化，具有良好的生物活性和生物相容性，可望作为有应用前景的新型骨修复材料。
附图说明
图1为实施例2制备的矿化电纺明胶超细纤维复合材料的扫描电镜(SEM)图。
图2为实施例3所示的材料中沉积的羟基磷灰石的高倍扫描电镜图。
具体实施方式
实施所用主要原料为B型明胶(Sigma试剂公司，美国)、三氟乙醇(山东威海新元化工有限公司)、三羟甲基氨基甲烷(Tris，北京奥博星生物技术责任有限公司)以及分析纯的戊二醛(天津市福晨化学试剂厂)、氯化钙(CaCl2·H2O)(Ameresco，美国)、无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)(Ameresco，美国)、氢氧化钠(NaOH)(Ameresco，美国)、甘氨酸(Ameresco，美国)等。
实施例1
(1)将1.5g明胶粉末溶于15ml三氟乙醇，于37℃下不断搅拌约6h至溶液透明澄清，得到浓度0.1g/mL的明胶电纺溶液。
(2)将明胶溶液注入内径为0.8mm平口针头的50mL注射器中，将注射器固定在微量注射泵上，将针头与10kV高压直流电源相连，设定溶液流速为0.8mL/h，在距离针头15cm处放置接地的金属转鼓接收装置，进行静电纺丝。将接收转鼓上收集的超细纤维膜取下于20～25℃下真空干燥12h得到明胶电纺纤维膜。
(3)在10mL浓度为50％(mL/mL)的戊二醛水溶液中加入等体积蒸馏水配成25％(mL/mL)的戊二醛水溶液。将20ml 25％(mL/mL)的戊二醛水溶液置于医用熏箱底层，明胶纤维膜平放在表面皿上置于熏箱上层。于20～25℃下交联2天后将膜取出，用0.1mol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游离戊二醛，用超纯水(电阻率18.24MΩ·cm)反复冲洗，置于通风厨中空气干燥24h。
(4)以0.05mol/L的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液为溶剂，将25.8g CaCl2·H2O晶体和17.04g Na2HPO4晶体分别加入到500mLTris缓冲液中以配制0.4mol/L的CaCl2溶液和0.24mol/L的Na2HPO4溶液，并用1mol/L的氢氧化钠溶液调节上述溶液pH值，使pH≥11。
(5)在29℃下，将(3)制备的明胶电纺膜浸入CaCl2溶液12h后取出用超纯水冲洗4～5次；随后将膜浸入Na2HPO4溶液中浸泡12h，取出用超纯水冲洗4～5次。
(6)以上(5)操作为一个循环，如此循环5次，所得样品置于通风厨中空气干燥24h。即可获得本发明所述的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料。
实施例2
分析纯级别的无水乙醇(天津江天化工技术有限公司)，其余原料与实施例1相同。
(3)量取6mL的50％(mL/mL)戊二醛水溶液及180mL无水乙醇，混合配制戊二醛乙醇溶液。将200mg明胶电纺膜置于此戊二醛乙醇溶液中。在4℃下交联2天后将膜取出，用0.1mol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游离戊二醛，用超纯水(电阻率18.24MΩ·cm)反复冲洗，置于通风厨中空气干燥24h。
其余步骤与实施例1相同。图1为实施例2制备的矿化电纺明胶超细纤维复合材料的扫描电镜(SEM)图。
实施例3
所用原料与实施例2相同。
(3)同实施例2步骤(3)。
(6)将实施例1步骤(6)中的循环次数调整为4次。
其余步骤与实施例1相同。图2为实施例3所示的材料中沉积的羟基磷灰石的高倍扫描电镜图。
实施例4
所用原料与实施例1相同。
(4)将实施例1步骤(4)调整为以0.05mol/L的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液为溶剂，将12.9g CaCl2·H2O晶体和8.52g Na2HPO4晶体分别加入到500mLTris缓冲液中以配制0.2mol/L的CaCl2溶液和0.12mol/L的Na2HPO4溶液，并用1mol/L的氢氧化钠溶液调节上述溶液pH值，使pH≥11。
其余步骤与实施例1相同。
Claims (2)
1、一种矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料，其特征在于它是以明胶、氯化钙和磷酸氢二钠为主要原料，按照质量配比：明胶电纺纤维∶CaCl2·H2O∶Na2HPO4＝1∶129～430∶85.2～284，进行制备，在直径600～800nm的交联超细明胶电纺纤维上原位沉积直径为20～40nm的针棒状羟基磷灰石；
具体经过步骤：配制明胶的三氟乙醇溶液作为明胶电纺溶液，进行静电纺丝得到明胶电纺纤维膜，在戊二醛存在下进行处理形成交联纤维膜，再经甘氨酸溶液浸泡，水洗，干燥，得到交联的明胶电纺纤维膜，然后依次分别浸入pH≥11的CaCl2的三羟甲基氨基甲烷溶液中和Na2HPO4的三羟甲基氨基甲烷溶液中进行矿化，水洗，重复浸泡3～5次，水洗，干燥。
2、权利要求1所述的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料的制备方法，其特征在于它包括的步骤：
1)将明胶溶于三氟乙醇，于37℃下不断搅拌至溶液透明澄清，得到明胶电纺溶液，明胶电纺溶液的浓度0.1g/mL；
2)将明胶溶液注入注射器中，在电压为10kV、溶液流速为0.8mL/h、接收距离为15cm的条件下静电纺丝，经真空干燥后得到明胶电纺纤维膜；
3)用25％的戊二醛水溶液蒸汽于20～25℃下交联明胶电纺膜2天，或用50％戊二醛水溶液及无水乙醇配制成的戊二醛乙醇溶液在4℃下对明胶电纺膜交联2天；之后将交联膜取出，用0.1mol/L甘氨酸溶液浸泡6h除去游离戊二醛，用电阻率为18.24MΩ·cm的水反复冲洗，置于通风厨中空气干燥24h；
4)以0.05mol/L的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液为溶剂，分别配制浓度0.2mol/L～0.4mol/L的CaCl2溶液和0.12mol/L～0.24mol/L的Na2HPO4溶液，并用1mol/L的氢氧化钠溶液调节Ca、P溶液的pH值，使pH≥11；
5)将步骤3)制备的明胶电纺膜浸入CaCl2溶液12h后取出用水反复冲洗；随后将膜浸入Na2HPO4溶液中浸泡相等时间，取出用水反复冲洗。
6)步骤5)操作为一个循环，如此循环3～5次，直至完成矿化，样品经干燥，即可获得本发明所述的矿化电纺明胶超细纤维仿生骨修复材料。
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