一种机械性能可控的微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料的微球制备方法，其中包括利用数值计算羟基磷灰石与纤维素相互作用后材料力学性能的方法。基于分子动力学计算分析理论，通过反复模拟不同质量比羟基磷灰石与纤维素之间的分子动力学行为，计算它们之间相互作用后的综合力学性能，最终得到符合个体差异骨支架微球力学性能要求的混合体系，而后基于以上的模拟数值进行人工骨支架微球的制备。本发明的有益效果是：1）从材料微观层面对人工骨复合材料的弹性模量进行研究,提高骨支架材料机械强度评估效率，并为定制相应力学性能的骨支架奠定理论基础。2）为陶瓷类多孔材料计算工艺学提供理论依据。

说明书

所属领域

本发明涉及一种微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料微球的制备方法，尤其涉及以分子动力学、第一性原理为计算理论，通过模拟计算羟基磷灰石生物陶瓷微球材料的力学性能来获得机械性能可控的羟基磷灰石复合材料微球。

现有技术

在现代医疗治疗各种骨缺损、骨再造等手术中，需要在骨缺损的部位植入或填充自体骨或异体骨来达到治愈的目的，使骨骼尽早地恢复其完整性和连续性，以获得正常的力学性能。由于自体骨供源有限且术后由于供体部位骨缺陷易造成感染、血肿等并发症，而异体骨存在应力不匹配会产生骨应力屏蔽效应，存在二次手术等弊端，这些不足之处限制了自体骨与异体骨在临床上的推广应用。生物工程应用中迫切需要一种可以替代自体骨与异体骨的人造骨支架的出现，随着现代科技的发展，已经发现或制造出了可用于制造替代人骨骨支架的理想材料。理想的骨替代物材料应该满足如下要求：1、与人体组织具有良好生物相容性，无免疫源反应；2、良好的成骨诱导性；3、与人骨力学性能相近匹配，且具有一定的强度和支撑力；4、具有合适的表面理化性质，且能被宿主骨组织吸收替代；5、优良的三维微观结构，保证培养液及血液能够进入骨支架内部，且易于成型；6、取材方便，易于大量制作。

动物骨骼和牙齿的主要成分是羟基磷灰石，人体内高达50%的骨骼都是由均匀成分的无机羟基磷灰石构成，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量更是在96%以上。羟基磷灰石生物复合材料由于其具有优良的生物活性、骨传导性、多孔性及生物相容性，目前已经是被组织工程学界作为首选人工骨替代材料。但是羟基磷灰石的质地比较脆，只用羟基磷灰石制成的微球特别容易破碎，力学性能明显不佳，其强度和抗弯能力不足。现工程中多采用以丝素蛋白或聚乳酸等作为基底，添加羟基磷灰石作为基质来制作复合材料，这样既保证了材料的生物相容性和骨成导性，同时提高了材料的力学性能，使其可以作为骨支架材料。

发明专利CN200610116039.5公开了一种聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料的制备方法；发明专利CN200610021763.X公开了复合型纳米羟基磷灰石/医用高分子材料组织工程支架材料及其制备方法；上述两种专利都是从宏观上通过调节丝素或聚乳酸与羟基磷灰石的比例来制备微球，获得所需的骨支架材料，其力学性能参数需要多次尝试实验才能获得具有适当力学性能要求的材料，并不能满足因年龄、性别等引起的骨骼机械强度不同的个体差异所需要不同弹性模量复合材料。若要满足个体差异需要用大量的实验进行尝试研究，这样既浪费了时间，也增加了成本。发明专利CN200710112834.1公开了一种利用计算机模拟计算蛋白质与DNA之间作用力的方法。该方法可应用于分子识别和基因表达等领域的研究，但在骨支架材料的制造方面尚未有相关方法的表述。

本发明提出的骨支架微球制备方法，利用计算机模拟计算羟基磷灰石与微晶纤维素之间的作用力，从微观层面上进行分子动力学计算，从而获取骨支架复合材料的力学性能参数，进而可以对材料的性质进行预测，可快速简便地获得根据个体差异定制具有不同机械强度的骨支架基体材料，提高了复合材料的研发效率。

本发明专利所提出的数值模拟方法是针对人工骨支架材料羟基磷灰石及其复合材料进行研究，以制造可定制力学性能的人工骨支架为目标，提出一种从微观层面预测人工骨支架所用材料的力学参数的模拟方法，为实际生产提供理论参考。

发明内容

基体材料的力学性能是影响骨支架术后机械性能的主要影响因素之一。为了实现现有技术对所制造的人工骨支架力学性能的可控，需要评价其基体材料羟基磷灰石微球的机械强度，为支架制造和计算提供主要依据，定制出患者骨骼强度相匹配的人工骨支架。本发明提出了一种利用分子动力学理论计算羟基磷灰石与纤维素复合材料的力学性能的方法来制备微球，旨在高效低成本的制备力学性能可控的复合材料微球，同时也为制造满足个体差异的人工骨支架提供实践指导和计算工艺学理论基础。

本发明公开了一种微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料的微球制备方法，其中包括利用数值计算羟基磷灰石与纤维素相互作用后材料力学性能的方法。基于分子动力学计算分析理论，通过反复模拟不同质量比羟基磷灰石与纤维素之间的分子动力学行为，计算它们之间相互作用后的综合力学性能，最终得到符合个体差异骨支架微球力学性能要求的混合体系，并记录下此时羟基磷灰石与微晶纤维素的质量比a，及其混合体系的力学参数（弹性模量）。而后基于以上的模拟数值进行人工骨支架微球的制备。该微球制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、利用材料科学分子模拟仿真软件进行建模及仿真，建立羟基磷灰石元胞和微晶纤维素的分子模型，将两种模型放在同一个无定型晶胞中，随后在该无定型晶胞中混杂入水分子模型。

步骤2、通过编辑力场程序或选用合适的力场，对上述无定型晶胞模型进行动力学行为模拟，计算它们之间相互作用后的综合力学性能。

步骤3、对上述过程中羟基磷灰石与微晶纤维素的质量比进行调整，反复计算，最终得到符合个体差异骨支架微球力学性能要求的混合体系，并记录下此时羟基磷灰石与微晶纤维素的质量比a，及其混合体系的力学参数。

步骤4、按照步骤1中所取得的质量比组合，在天平中称重出羟基磷灰石和微晶纤维素。

步骤5、将称重出的两种材料混合置于搅拌机中混均匀。

步骤6、逐渐加入水，继续搅拌至材料至均匀膏状物。

步骤7、将所得膏状材料置于挤压造粒器中，挤塑剪切成棒状复合材料。

步骤8、将棒状复合材料置于有凹槽底盘的高速旋转筒，旋转后得到相应粒径颗粒。

步骤9、通过筛分网筛分出所需粒径颗粒。

步骤10、将所得球形颗粒置于干燥炉干燥，空冷，完成机械性能可控的微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料的制备。

本发明的有益效果是：

1）该方法从材料微观层面对人工骨复合材料的弹性模量进行研究,提高骨支架材料机械强度评估效率，并为定制相应力学性能的骨支架奠定理论基础。

2）本发明是基于分子动力学的第一性原理方法建模分析，可方便高效得到基体材料机械性能制作工艺参数，所用力场模型相较于其他理论算法更为接近实验数据，为陶瓷类多孔材料计算工艺学提供理论依据。

附图说明

图1是步骤1中聚丙烯腈/羟基磷灰石复合材料的分子模型示意图

具体实施实例

本实施实例中，实验材料分别为羟基磷灰石和微晶纤维素，微晶纤维素选用聚丙烯腈,制备出的微球颗粒大小为1毫米。

具体实施实例一：本实施实例中，依据本发明内容，实验材料选用羟基磷灰石和聚丙烯腈，具体包括以下按步骤：

步骤1、利用材料科学分子模拟仿真软件materials studio进行建模及仿真，建立羟基磷灰石元胞和聚丙烯腈的分子模型，将两种模型放在同一个无定型晶胞中，随后在该无定型晶胞中混杂入水分子模型；

步骤2、通过选用COMPASS力场，对上述无定型晶胞模型进行动力学行为模拟，用共轭梯度方法对上述混杂后的晶胞进行50Ps的动力学计算，达到能量最小化后停止计算，而后计算它们之间相互作用后的综合力学性能。此处理过程中每经过1^对各原子周围半径范围内进行一次计算；

步骤3、对上述过程中羟基磷灰石与聚丙烯腈的质量比进行调整，反复计算，最终得到符合个体差异骨支架微球力学性能要求，即弹性模量为13.436GPa的混合体系，体系中包含9个羟基磷灰石元胞的超胞模型和30个单元体的聚丙烯腈的分子模型，并记录下此时羟基磷灰石与聚丙烯腈的质量比17∶3；

步骤4、按照步骤1中所取得的质量比，在天平中称重出羟基磷灰石85g和聚丙烯腈15g。

步骤5、将步骤2中称重出的两种材料混合置于搅拌机中，以120转/分，2小时混均匀。

步骤6、同时逐渐加入水，继续搅拌至材料成膏状均匀混合物,此时加入的水是50g。

步骤7、将所得膏状复合材料置于挤压造粒器中，在3MPa压强下，挤塑剪切成棒状复合材料。

步骤8、将棒状复合材料置于50目凹槽底盘的2500rpm的旋转筒中，经过30分钟旋转后得到相应粒径复合材料球形颗粒。

步骤9、先通过14目的筛分网筛分出小于1165微米的颗粒，再通过15目的筛分网筛分出大于991微米的颗粒，至此我们就得到1毫米左右粒径大小的羟基磷灰石复合材料微球颗粒。

步骤10、将步骤9中所得微球颗粒置于干燥炉中，300℃下干燥12小时，取出空冷即可。

具体实施实例二：本实施实例中，具体实施步骤与例一不同的是聚丙烯腈单元体为33，记录的实验材料羟基磷灰石和聚丙烯腈质量比为47∶9，该实施例的步骤2中，称量出的羟基磷灰石和聚丙烯腈重量分别为94g和18g,加入的水为53g。

具体实施实例三：本实施实例中，具体实施步骤与例一不同的是聚丙烯腈单元体为41，记录的实验材料选用羟基磷灰石和聚丙烯腈质量比为25∶6，该实施例的步骤2中，称量出的羟基磷灰石和聚丙烯腈重量分别为100g和24g,加入的水为55g。

具体实施实例四：本实施实例中，具体实施步骤与例一不同的是聚丙烯腈单元体为43，记录的实验材料选用羟基磷灰石和聚丙烯腈质量比为4∶1，该实施例的步骤2中，称量出的羟基磷灰石和聚丙烯腈重量分别为84g和21g,加入的水为52g。

对上述四个实施例所得的微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料微球颗粒进行力学性能测试，并得出各实施例中材料弹性模量的测量值。与其相应的模拟值对照，如表1所示。可以看出，测量值和模拟值差值很小，本专利提供的方法，可以完成机械性能可控的微晶纤维素/羟基磷灰石复合材料的制备。

表1模拟不同质量比制作的人工骨支架复合材料的弹性模量