一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于材料领域，具体涉及一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部；其制备方法包括：将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥；再置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，即得。该三维多孔复合材料具有较高的孔隙率和贯通性，较好的生物相容性、生物降解性、力学和机械性能，良好的促细胞粘附和生长活性，优异的促成骨性和骨诱导性，作为生物材料，尤其是骨修复材料，具有较高的临床应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用
本专利技术属于材料领域，生物组织修复材料、有机材料领域和无机非金属材料领域，具体涉及一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料、其制备方法和应用。
技术介绍
由骨髓炎和骨肿瘤手术切除、先天畸形、运动损伤及事故创伤等引起的大面积骨缺损依靠机体自身是无法修复的，因此，需要借助植入材料帮助骨缺损部位进行修复并痊愈。目前骨缺损部位修复和再生的主要方法有自体骨移植、同种异体骨移植和人工合成骨移植替代材料。自体骨移植和同种异体骨移植等存在骨源限制、术后感染等问题。生物骨修复材料需要良好的生物活性、生物相容性和骨诱导性，与天然骨适配的一定力学性能，及合适的孔结构以便于细胞的黏附、铺展及营养物质的运输。骨修复材料的生物学性能不仅与化学组成有关，还取决于孔结构、孔径大小和孔隙率。研究表明，相互贯通的大孔结构有利于骨细胞和骨组织的生长、营养物质的输送。当孔径小于5μm时，多孔支架中无骨组织生长；当孔径大于25μm时，纤维管状组织开始渗透到多孔支架中；当孔径大于50μm时，可以观察到组织矿化；当孔径大于75μm时，矿化组织会深入到孔深处500μm；当孔径大于100μm时，生物骨矿化深入到孔深1000μm处，骨被确认重建。孔隙率在40wt％～60wt％及以上比较有利于密质组织生长。明胶是胶原降解的产物，不仅持有胶原作为生物材料的一些优点，同时还无抗原性，植入体内无排异反应。明胶价廉易得，易溶于水，是一种理想的天然骨修复材料。但是单纯明胶的促成骨性能不明显。白磷矿因有效的促进新骨生成的良好生物相容性、生物活性、生物降解性和促成骨性能，而在骨修复领域得到广泛应用。但是单一的白磷矿支架存在力学强度低、脆性大等缺点，不适合承重部位的骨缺损修复。本申请模仿自然骨的化学组成和孔结构制备白磷矿/明胶多孔支架，白磷矿多孔支架中填充明胶不仅提高生物学性能，还可改善力学性能。稀土离子虽不是一种生命必需金属元素，但近年来稀土在工农业、医药方面的大量应用，使稀土获得越来越多的关注。文献报道，适宜浓度的稀土离子对肿瘤细胞的生长有抑制作用，对正常细胞具有“高抑低促”的作用，即稀土离子在低浓度下对正常细胞有促进作用，在高浓度下对正常细胞有抑制作用。本申请通过先将稀土掺杂进白磷矿，再与明胶复合制备复合支架，通过该复合支架在体内的降解，控制释放的稀土离子在合适的范围内，促进细胞生长的同时，避免稀土离子的毒副作用。研究表明，将明胶和羟基磷灰石以某种形式生成微球形态，有利于改善骨修复材料的力学性能和降解速率，且该材料有良好的韧性，填充缺损部位，通过植入体与周围组织的接触，促进界面与界面之间的紧密度，更好发挥材料的成骨性作用。中国专利申请CN107308499A，公开纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用，具体为一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料及其制备方法，该方法简单，对环境友好，材料有良好的生物相容性和骨再生性，在骨修复材料领域具有良好的应用前景。中国专利申请CN1298395C应用钙磷盐粉体和甲壳素/壳聚糖纤维制成复合物，其中添加了少量明胶及骨形态蛋白，证实该材料具有良好的生物活性和骨诱导成骨活性。目前，将多种用于骨修复的生物材料复合制备的复合支架材料缺乏多孔结构，缺乏韧性，降解速度过快，均无法形成理想的用于骨修复的支架材料。多孔支架材料的常见制备方法有盐沥滤法、发泡法、静电纺丝法、热致相分离法等，本专利技术采用冷冻干燥法制备掺杂稀土元素的纳米级白磷矿/明胶三维多孔复合材料，该制备方法简单，易于操作。本申请采用人工合成的掺杂稀土元素的白磷矿制备掺杂稀土元素的纳米级白磷矿/明胶三维多孔复合材料，不仅具有较高的生物活性、生物相容性、力学和机械性能，且孔径大、孔隙率高、贯通性好，提高细胞生长活性的同时，表现出优异的促成骨性能和骨诱导性，在人工骨修复领域具有重要的临床应用价值和社会效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，该复合材料呈现三维贯通的网状多孔道结构，具有较高的孔隙率和贯通性，较好的生物相容性、生物降解性、力学和机械性能，良好的促细胞粘附和生长活性，优异的促成骨性和骨诱导性，具有较高的骨修复临床应用价值。本专利技术还提供掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的制备方法，该制备方法简单易操作，制备周期短，生产成本低。本专利技术的技术方案为，一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。所述网状多孔道结构的孔径为200～500μm，孔隙率40％～90％。所述掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为1：19～21：5～6：23～25。白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种或组合，优选为铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种。上述掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的制备方法，步骤包括：(1)将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥，制得成型初品；(2)将成型初品置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，制得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料。步骤(1)的混匀体系中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶的质量比为1：1～10，优选为1：3～10，更优选为1：3～5。步骤(1)中，明胶溶液的浓度为0.05～1g/mL，优选为0.1～1g/mL，更优选为0.1～0.5g/mL。步骤(1)中，明胶溶液还需进行消泡前处理，消泡方式为超声。步骤(1)中，于-80℃～0℃、0.1～20Pa条件下冷冻干燥1～120小时。冷冻干燥的温度为优选为-80℃～-20℃，冷冻干燥的压力优选为0.2～10Pa，冷冻干燥的时间优选为24～100小时，更优选为48～80小时。步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为1：19～21：5～6：23～25；白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种或组合，优选为铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽等镧系稀土元素中任意一种。步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥前，注入模具，便于制备多样的、符合实际临床需求的形状。步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，还进行消泡处理，消泡的方式为超声。步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿的制备方法，步骤包括：a.向溶有钙源、镁源和稀土硝酸盐的溶液中加入磷源溶液，混匀，陈化，过滤，得掺杂稀土元素的白磷矿前驱体；b.将掺杂稀土元素的白磷矿前驱体洗涤至中性，干燥，煅烧，得掺杂稀土元素的白磷矿。步骤a的混匀体系中，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35，优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，具有三维贯通的网状多孔道结构，明胶夹杂掺杂稀土元素的白磷矿形成网状多孔道结构的孔壁，掺杂稀土元素的白磷矿均匀分布在孔壁表层及内部。2.根据权利要求1所述的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，三维贯通的网状多孔道结构的孔径为200～500μm，孔隙率40％～90％。3.根据权利要求1所述的掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料，其特征在于，掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1～15：15～35；白磷矿中掺杂的稀土元素包括铈、镧、钆、镱、镨、钕、釤、铕或铽中任意一种或组合。4.权利要求1-3任一项所述掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：(1)将掺杂稀土元素的白磷矿与明胶溶液混匀后，冷冻干燥，制得成型初品；(2)将成型初品置于戊二醛溶液中浸泡交联，洗涤至中性，冷冻干燥，制得掺杂稀土元素的白磷矿/明胶三维多孔复合材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，掺杂稀土元素的白磷矿与明胶的质量比为1：1～10，明胶溶液的浓度为0.05～1g/mL；掺杂稀土元素的白磷矿粒径为10～50nm，掺杂稀土元素的白磷矿含有稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素，稀土元素、钙元素、镁元素和磷元素的摩尔比为1：10～30：1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚平，胡敏，范章豪，李苗苗，郭翠香，柯勤飞，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31