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

摘要

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。它是通过氢氧化钠和氯乙酸钠的作用在纳米纤维素晶须表面接枝大量的羧基，强力搅拌下按照钙磷摩尔比1. 67同时滴加Ca(OH)2悬浊液和H3PO 4溶液到纳米纤维素悬浊溶液中，控制溶液pH值为7.0‑11.0，得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子，将该纳米复合粒子加入不同浓度的丝素蛋白溶液充分调和均匀后置入自制的模具中，按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥制得纳米骨仿生材料。本发明制得的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料在成分和结构上能够仿生天然骨，具有很好的力学性能、合理的孔隙率以及良好的生物相容性和生物活性，可以作为骨组织的修复或替代材料，具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，其特征在于：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，所述的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的制备方法，按以下步骤进行：（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须悬浊溶液；

（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；

（4）将步骤（3）中所得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子超声分散到浓度分别为

5%-15%，35%-45%，55%-65%的桑蚕丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35；

（5）将步骤（4）中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-50--80℃冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料。

2.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，其特征在于：所述骨仿生材料中含有梯度分布的相互连通的纳米微孔，纳米微孔的孔隙率梯度从外到内分别为17.7%-24.7%，32.8%-42.6%，69.4-88.4%。

3.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，其特征在于：所述羧基化纳米纤维素晶须的长径比为20:1-10:1，所述桑蚕丝素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。

4.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，其特征在于：所述羟基磷灰石和纳米纤维素晶须自组装形成复合粒子。

5.根据权利要求1所述的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，其特征在于：所述乙醇溶液的体积浓度为85%。

说明书

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

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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%。

[0007] 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。

[0008] 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：

[0009] （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；

[0010] （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；

[0011] （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；

[0012] （4）将步骤（3）中所得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子超声分散到浓度分别为5%-15%，35%-45%，55%-65%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35；

[0013] （5）将步骤（4）中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-50--80℃冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的含有石墨烯、羟基磷灰石和丝素的纳米骨仿生材料。

[0014] 与现有的骨替代材料及其制备方法相比，本发明具有以下优点：

[0015] （1）本发明中由羧基化改性的纳米纤维素晶须和羟基磷灰石自组装而成的复合粒子中，由于静电作用，棒状的羟基磷灰石分布在纳米纤维素晶须表面，将棒状的纳米纤维素晶须连接在一起，羧基化纳米纤维素晶须和羟基磷灰石层交替排列形成钢筋-混凝土结构。因而，可提高羟基磷灰石的抗压力学强度和韧性；

[0016] （2）本发明中制备的多孔骨仿生材料具有梯度分布的孔隙结构，从而在宏观上对天然骨进行仿生。本发明制备的复合支架材料可以容易的获得所需的形状和大小；可以形成一定结构和含量的孔隙，能够满足骨移植过程中对骨仿生材料类型的要求；

[0017] （3）本发明中制备的骨仿生材料具有无毒性、无刺激性、生物相容性好、细胞亲和性好、生物可降解性好以及优良的力学性能。

[0018] 本发明制备的由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，主要是基于羧甲基化改性的纳米纤维素晶须，通过静电自组装仿生矿化得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子，并结合丝素来制备密度和孔隙率梯度分布的多孔骨仿生材料。

附图说明

[0019] 图1 羧甲基化后纳米纤维素晶须的形貌；

[0020] 图2 纤维素纳米晶须与羟基磷灰石比例为1:1的复合粒子的形貌；

[0021] 图3 纤维素纳米晶须与羟基磷灰石比例为1:2的复合粒子的形貌；

[0022] 图4 纤维素纳米晶须与羟基磷灰石比例为1:4的复合粒子的形貌。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图通过实例对本发明进一步详细说明。

[0024] 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。

[0025] 实施例1

[0026] 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，按以下步骤进行：

[0027] （1）将纳米纤维素晶须超声分散到0.5mol/L 氢氧化钠的乙醇（85%）溶液中，浴比为1:500，在30℃下碱化60 min，再加入0.725mol/L的氯乙酸钠溶液，在60 ℃下超声搅拌50min，并用0.1mol/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须悬浊溶液；

[0028] （2）按照钙磷物质的量之比为1.67，将0.05mol/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4h，逐滴加入氨水控制反应pH值为8.0～9.0，控制反应温度为60℃，得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石比例为1：1的复合粒子悬浊液；

[0029] （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；

[0030] （4）将步骤（3）中所得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子超声分散到浓度分别为5%，35，55%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35；

[0031] （5）将步骤（4）中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-54℃冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料，该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，其质量比为1:2:2，其密度梯度从外到内分别为78.4%，57.4%，11.6%，其孔隙率梯度从外到内分别为17.2%，37.4%，80.2%。

[0032] 表1显示了含有纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素的多孔纳米骨仿生材料的力学性能和孔隙率，其羧甲基化后的纳米晶须、纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子结构的SEM照片如图1和图2（图1中放大倍数为5万倍，图2中放大倍数为2万倍）所示，由图1可以看出，本发明制备的羧甲基化纳米晶须的平均长径比约为10:1，由图2可以看出只有少部分的纳米晶须被羟基磷灰石覆盖。

[0033] 实施例2

[0034] 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，按以下步骤进行：

[0035] （1）将纳米纤维素晶须超声分散到1mol/L 氢氧化钠的乙醇（85%）溶液中，浴比为1:500，在50 ℃下碱化20min，再加入1.25 mol/L的氯乙酸钠溶液，在50 ℃下超声搅拌
100min，并用0.3mol/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须悬浊溶液；

[0036] （2）按照钙磷物质的量之比为1.67，将0.1mol/L的Ca(OH)2与稀释的稀释的壳聚糖和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2h， 逐滴加入氨水控制反应pH值为8.0～10.0，控制反应温度为75℃，得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石比例为1：2的复合粒子悬浊液；

[0037] （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；

[0038] （4）将步骤（3）中所得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子超声分散到浓度分别为10%，40%，60%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35；

[0039] （5）将步骤（4）中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-60℃冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料，该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，其质量比为1:4:3，其密度梯度从外到内分别为79%，61%，120%，其孔隙率梯度从外到内分别为18.1%，26.4%，77.2%，制备的骨仿生材料的力学性能和孔隙率如表1所示，其纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子的结构的SEM照片如图3（图中放大倍数为2万倍）所示，由图3可以看出，羧甲基化的纳米晶须几乎被羟基磷灰石覆盖。

[0040] 实施例3

[0041] 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，按以下步骤进行：

[0042] （1）将纳米纤维素晶须超声分散到0.08mol/L 氢氧化钠的乙醇（85%）溶液中，浴比为1:500，在40 ℃下碱化30 min，再加入0.1 mol/L的氯乙酸钠溶液，在55 ℃下超声搅拌60min，并用0.2mol/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须悬浊溶液；

[0043] （2）按照钙磷物质的量之比为1.67，将0.03mol/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3h，逐滴加入氨水控制反应pH值为8.0～10.0，控制反应温度为80℃，得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石比例为1：4的复合粒子悬浊液；

[0044] （3）将步骤（2）所得的石墨烯/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；

[0045] （4）将步骤（3）中所得到纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子超声分散到浓度分别为15%，45%，65%的丝素溶液，得到不同浓度的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液，其中纳米纤维素晶须/羟基磷灰石纳米复合粒子与丝素的质量比为65:35；

[0046] （5）将步骤（4）中制得的质量浓度最高的纳米纤维素晶须/羟基磷灰石/丝素共混溶液倒入自制的模具中，在液氮条件骤冷后，于-75℃冷冻干燥，再将其它共混溶液按照质量浓度由高到低的顺序逐层冷冻干燥，制得密度和孔隙率呈梯度分布的多孔骨仿生材料，该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，其质量比为1:8:6，其密度梯度从外到内分别为81.6%，63.2%，24.9%，其孔隙率梯度从外到内分别为19.4%，37.5%，75.3%，制备的骨仿生材料的力学性能和孔隙率如表1所示，其纳米纤维素晶须/羟基磷灰石复合粒子的结构的SEM照片如图4（图中放大倍数为2万倍）所示，由图4可以看出，在视野中已经观察不到纳米纤维素晶须，羟基磷灰石的尺度其长度50-300纳米，宽度在10-50纳米。

[0047] 表1由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料的性能

[0048]

[0049] 因此，本发明得到由矿化的纳米纤维素晶须构建的骨仿生材料，在结构上具有大量互相连通的纳米到微米尺度的微孔，并且具有梯度变化的孔隙率，充分仿生了天然骨中密质骨与松质骨的分布结构。在成分上选择了具有良好生物相容性的丝素蛋白以及功能优化的羧甲基化纳米纤维素晶须，增强了羟基磷灰石的抗压强度和韧性。根据本发明的方法制备的骨仿生材料具有很好的力学性能、良好的成形性和合理的孔隙率，可以作为植入型的可降解骨修复材料。