一种丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材料及制备方法

摘要

本发明涉及材料技术领域，公开了一种丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔骨支架材料，其由丝素蛋白和磷酸八钙组成，且丝素蛋白和磷酸八钙质量比为10:1-10；其制备方法的步骤包括：配制等浓度的磷酸二氢钠与含丝素蛋白的硝酸钙溶液；在加热搅拌条件下将上述两溶液混合得到白色沉淀，经离心洗涤和冷冻干燥后制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物；再与高浓度的丝素蛋白溶液混合均匀，注入模具中，经冷冻干燥后制得多孔支架；经过后处理制得丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔骨支架材料。本发明制备得到的丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔骨支架材料具有良好的生物相容性、可降解性、力学性能和成骨性能，制备过程简单，可用于骨组织工程领域。

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材料及 制备方法。

背景技术

骨组织工程技术从细胞、支架和活性因子角度出发，依靠生物材料诱导骨组织再 生和原位骨修复。但是，目前骨组织工程支架材料的修复效果较自体骨仍有差异。仿生 角度出发，制备出模拟天然骨成分和结构的人工骨移植材料是骨修复材料的重要研究内 容。磷酸盐陶瓷材料可与骨形成较强的骨键合，并具有良好的生物相容性和生物活性， 是临床上骨组织的理想替代材料。羟基磷灰石是骨中含量最多的无机成分，但其在体内 难吸收，只是被新生骨包围而非替代，与三磷酸钙等混合可改善其降解性能。磷酸八钙 也是骨中一种重要的磷酸盐成分，近年来，其作为骨修复材料逐渐引起关注。磷酸八钙 在骨形成过程中能向羟基磷灰石转变，并且在体内可降解。有研究报道指出，磷酸八钙 材料不但促进骨髓基质细胞的成骨分化，也能诱导周围破骨细胞前体细胞分化为破骨细 胞。而磷酸八钙移植入体内后，成骨细胞和破骨细胞在材料表面的黏附和增殖，及成骨 细胞合成骨基质和破骨样细胞对磷酸八钙的降解最终导致了材料降解与新骨形成。因 此，磷酸八钙作为骨支架材料，预期具有良好的骨修复效果。

但由于磷酸八钙具有力学性能差、热力学不稳定和不适用高温加工处理等缺点， 其在骨组织工程中的应用受到了限制。通过与明胶、胶原等混合制备为复合支架的策略， 有效改善了磷酸八钙的一些缺点。目前，已经报道的磷酸八钙复合材料有明胶和胶原与 磷酸八钙的复合支架。但是，目前磷酸八钙复合材料仍面临一些问题。胶原作为骨修复 材料得到广泛认可，而磷酸八钙无法与胶原均匀混合，但是磷酸八钙晶体颗粒大小却对 骨修复效果有影响。因此制备均一的磷酸八钙复合材料，十分必要。此外，磷酸八钙本 身较脆，且在水环境中极易溃散，力学性能差，而必要的力学性能是支架植入体内后须 具备的基本条件，尤其对于骨修复材料来说，须具有一定是的力学性能。上述几种磷酸 八钙复合材料对上述问题关注不足。

但现有技术中，还没有丝素蛋白/磷酸八钙复合物制备的多孔支架，本发明由此而 来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材料及制备方法。该材 料具有良好的生物相容性、可降解性和力学性能，而且制备过程简单。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材 料，其特征在于，其由丝素蛋白和磷酸八钙组成，且丝素蛋白和磷酸八钙质量比为 10:1-10。

本发明一优选技术方案中，该复合骨支架材料为多孔支架，孔径为30-300μm。

本发明一优选技术方案中，丝素蛋白和磷酸八钙质量比为10:1-5；优选地，丝素 蛋白和磷酸八钙质量比为2:1。

本发明的第二方面提供一种丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材料的制备方法，包括 以下步骤：

(1)将丝素蛋白溶于硝酸钙溶液中，控制丝素蛋白含量不同，制得浓度为低浓度 的丝素蛋白溶液；

(2)配制磷酸二氢钠溶液；

(3)在加热搅拌条件下，将步骤(1)制得的含丝素蛋白的硝酸钙溶液缓慢加到 步骤(2)配制的磷酸二氢钠溶液中，最终得到白色沉淀物，将白色沉淀离心洗涤三次 后，冷冻干燥后制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物；

(4)将步骤(3)制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物用研钵研磨成粉，然后与高浓度 丝素蛋白溶液混合均匀，注入模具中，经冷冻干燥后制得多孔支架；

(5)将步骤(4)制得的多孔支架，在有机溶剂中进一步处理，水洗，再次冷冻 干燥，最终制得丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔支架。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(1)中的硝酸钙浓度和所述步骤(2)中磷 酸二氢钠溶液浓度分别为40-80mM。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(1)中的硝酸钙浓度和所述步骤(2)中磷 酸二氢钠溶液浓度相等。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(1)中，所述低浓度丝素蛋白溶液的质量浓 度为0.1wt％-4wt％。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(4)中，所述高浓度丝素蛋白溶液为质量浓 度为6wt％-12wt％。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(3)中，在68℃-70℃条件下搅拌。

本发明一优选技术方案中，所述步骤(5)中有机溶剂选自乙醇、甲醇或京尼平。

本发明的优点在于：(1)本发明首次结合共沉淀技术及冷冻干燥技术，成功制备 了丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔骨支架材料，此过程中，丝素蛋白的存在可调控磷酸八 钙晶体的生长，磷酸八钙可均匀分散于支架中，使得该骨支架材料具有良好的生物相容 性、可降解性、力学性能和成骨性能，可用于骨组织工程领域。

(2)本发明的丝素蛋白/磷酸八钙复合骨支架材料首次结合磷酸八钙和利于骨修 复的丝素蛋白，成骨性能好，制备为多孔支架，可用于骨缺损修复。本发明的骨支架材 料具有良好的降解性能和力学性能，且引入丝素蛋白后可增强磷酸八钙的成骨性能，其 作为骨支架材料，将具有良好的前景。

(3)本发明制备的丝素蛋白/磷酸八钙复合支架。因此，在体外细胞实验及体内 移植实验中，能够维持形状。此外，在水环境下，磷酸八钙会向羟基磷灰石慢慢转化， 所以随着体外培养及体内植入时间的增加，其强度还会增加。

附图说明

图1磷酸八钙、丝素蛋白/磷酸八钙复合物和丝素蛋白的红外光谱图。

图2丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔骨支架的SEM照片。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明具体实施方式。

实施例1：

1.将丝素蛋白溶于50mL硝酸钙40mM溶液中，制得丝素蛋白浓度为0.1wt％的 溶液。

2.配制浓度为40mM的磷酸二氢钠溶液50mL。

3.在68℃和搅拌条件下，将步骤1)制得的含丝素蛋白的硝酸钙溶液以缓慢加到步 骤2)配制的磷酸二氢钠溶液中，继续搅拌1小时，最终得到白色沉淀物。将白色沉淀 离心洗涤三次后，置于-80℃下1天，冷冻干燥2天后制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物， 其红外谱图如图1所示；

4.将步骤3)制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物用研钵研磨成粉，称取20mg粉，然后 与1mL浓度为6wt％的丝素蛋白溶液混合均匀，注入圆柱状模具中，放置在-80℃下1 天，经冷冻干燥2天后制得多孔支架，其中丝素蛋白/磷酸八钙复合物粉与丝素蛋白的 质量比约为1：3。

5.将步骤4)制得的多孔支架，室温下在京尼平中浸泡处理1小时，水洗，再次冷 冻干燥，最终制得丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔支架，孔径约为100-300μm。

实施例2：

1.将丝素蛋白溶于50mL硝酸钙80mM溶液中，制得丝素蛋白浓度为0.5wt％的 溶液。

2.配制浓度为80mM的磷酸二氢钠溶液50mL。

3.在70℃和搅拌条件下，将步骤1)制得的含丝素蛋白的硝酸钙溶液以缓慢加到 步骤2)配制的磷酸二氢钠溶液中，继续搅拌1.5小时，最终得到白色沉淀物。将白色沉 淀离心洗涤三次后，置于-80℃下1天，冷冻干燥2天后制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物；

4.将步骤3)制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物用研钵研磨成粉，称取50mg粉，然后 与1mL浓度为10wt％的丝素蛋白溶液混合均匀，注入圆柱状模具中，放置在-80℃下1 天，经冷冻干燥2天后制得多孔支架，其中丝素蛋白/磷酸八钙复合物粉与丝素蛋白的 质量比约为1：2。

5.将步骤4)制得的多孔支架，在乙醇中浸泡处理1小时，水洗，再次冷冻干燥， 最终制得丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔支架，孔径约为50-200μm。

实施例3：

1.将丝素蛋白溶于120mL硝酸钙40mM溶液中，制得丝素蛋白浓度为2wt％的 溶液。

2.配制浓度为40mM的磷酸二氢钠溶液120mL。

3.在68℃加热搅拌条件下，将步骤1)制得的含丝素蛋白的硝酸钙溶液以缓慢加 到步骤2)配制的磷酸二氢钠溶液中，继续搅拌1.5小时，最终得到白色沉淀物。将白色 沉淀离心洗涤三次后，置于-80℃下1天，冷冻干燥2天后制得丝素蛋白/磷酸八钙复合 物；

4.将步骤3)制得丝素蛋白/磷酸八钙复合物用研钵研磨成粉，称取100mg粉，然 后与1mL浓度为10wt％的丝素蛋白溶液混合均匀，注入圆柱状模具中，放置在-80℃下 1天，经冷冻干燥2天后制得多孔支架，其中丝素蛋白/磷酸八钙复合物粉与丝素蛋白的 质量比约为1：1。

5.将步骤4)制得的多孔支架，在甲醇中浸泡处理1小时，水洗，再次冷冻干燥， 最终制得丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔支架，孔径约为30-200μm(图2)。

本发明中的丝素蛋白/磷酸八钙复合支架的制备过程中首先是制备了丝素蛋白/磷酸 八钙复合物，通过加入丝素蛋白可调控磷酸八钙晶体的形成，得到的磷酸八钙晶体直径 为纳米级，远远小于上述胶原/磷酸八钙复合支架中的磷酸八钙的尺寸。且此方法制备 的丝素蛋白/磷酸八钙复合物在水中分散性比纯磷酸八钙好，这样更利于最终制得磷酸 八钙晶体均匀分散的丝素蛋白/磷酸八钙复合支架。

而本发明中的丝素蛋白/磷酸八钙复合支架的制备过程中不涉及高温处理方式，将 采用甲醇或京尼平进行后处理，能够保证在夹持及水环境中，不会发生破碎及溃散现象， 使支架成型。因此，相对于现有的几种复合材料，本发明中的方法更有优势。

发明人按照文献方法制备明胶/磷酸八钙复合物支架，未经后期高温处理前，极易 破碎，无法夹持，将其放在水中，会发生溃散。同样，本发明制备的丝素蛋白/磷酸八 钙复合物经冻干制成多孔支架也存在同样问题。因此，如想不经后期高温处理而提高其 力学性能，达到抗溃散效果，与浓丝素蛋白混合，然后经甲醇或京尼平交联是可行路线。 因此，本发明制备的丝素蛋白/磷酸八钙复合支架。因此，在体外细胞实验及体内移植 实验中，能够维持形状。此外，在水环境下，磷酸八钙会向羟基磷灰石慢慢转化，所以 随着体外培养及体内植入时间的增加，其强度还会增加。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发 明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及 其等同物界定。