一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料、制备方法及应用，具体涉及利用具有阴离子特性的高分子量聚电解质——如聚天冬氨酸、聚丙烯酸、聚谷氨酸等模拟生物体非内胶原蛋白诱导生物矿化的功能，在胶原支架材料表面交联高分子量聚阴离子电解质以形成表面带有功能性官能团的改性胶原，并进一步诱导纤维内仿生矿化的构建方法。该方法包括将不同类型的经过聚阴离子表面改性的胶原支架在磷酸钙矿化溶液中进行处理，得到具有纤维内矿化特征的仿生矿化胶原支架材料。本发明专利技术通过高分子量聚阴离子电解质对胶原支架材料的表面改性作用诱导纤维内仿生矿化，构建了与天然骨组织结构类似、具有优异的机械性能和生物相容性的新型仿生矿化胶原支架材料。

【技术实现步骤摘要】
一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料、制备方法及应用
本专利技术属于仿生矿化材料及组织工程支架材料领域，涉及一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料、制备方法及应用。
技术介绍
创伤、感染、肿瘤及先天性疾患等常造成不同类型的骨缺损，全世界每年约有220万的病人需要进行骨移植修复，是目前临床上除输血以外应用最广泛的组织移植。自体骨、异体骨仍是目前主要的骨缺损修复材料，然而其来源有限、免疫排斥等缺陷催生了骨再生修复材料研究的不断探索。理想的再生修复材料应该具有和缺损组织完全一致的结构和功能，因此目前骨再生材料领域的研究热点之一就是模拟天然骨组织的成分和结构，构建纤维内仿生矿化胶原支架材料。天然骨组织的形成是无机矿物质元素在生物体精密控制下，选择性沉积在I型胶原上,从而形成有机/无机分子高度有序排列的过程。而骨组织的仿生矿化，是指采用人工合成的方法，在体外利用非胶原蛋白及其类似物调控生物矿化的过程，使矿物质前体在I型胶原分子内有序排列，形成具有多分级结构的有机无机复合材料的过程。这种人工合成材料表现出与天然骨组织类似的强度和良好的断裂韧性，是高度仿生的骨缺损修复材料。传统的仿生矿化技术为了模拟自然硬组织的纤维内矿化形式，往往需要在矿化液中添加非胶原蛋白类似物如聚天冬氨酸、聚丙烯酸、聚谷氨酸等高分子量的聚电解质，以稳定矿化液中的矿物质离子，形成具有流动性及纳米尺寸的无定形磷酸钙前体，这是实现羟磷灰石晶体在胶原内沉积的关键因素。但是这些聚电解质有较强的阴离子特性，游离状态下，有一定的毒性；同时，矿化液体内应用时，很快被体液稀释，而难以保证局部聚电解质的有效作用浓度，导致无法发挥诱导纤维内矿化的作用。因此，传统的仿生矿化模式不可避免的存在着生物相容性差、易引起生物体刺激反应、体内应用困难等缺陷。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料、制备方法及应用，本专利技术在国际上首次提出通过化学交联的方法直接将非胶原蛋白类似物的功能性官能团加载到胶原支架材料上，而矿化液仅仅提供钙、磷离子来源，利用经过聚阴离子改性后的胶原自身携带有大量羧基的特点，诱导纤维内矿化的形成。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案包括：根据本专利技术的第一个目的，本专利技术的一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料，包括将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。可选的，所述的聚阴离子选自聚天冬氨酸、聚丙烯酸和聚谷氨酸中的一种，且聚阴离子的分子量大于40kDa。根据本专利技术的第二个目的，本专利技术的一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法，包括在胶原支架材料表面通过共价键合的方法交联聚阴离子，得到表面交联有聚阴离子的胶原支架材料，再将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。可选的，所述的聚阴离子选自聚天冬氨酸、聚丙烯酸和聚谷氨酸中的一种或一种以上的混合物，且聚阴离子的分子量大于40kDa。可选的，所述的共价键合的方法中所用的交联剂选自1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛、双亚胺酸酯和马来酰亚胺中的一种或一种以上的混合物。可选的，所述的共价键合的方法中所用的聚电解质溶剂为2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液或三羟甲基氨基甲烷缓冲液，2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液或三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH＝5.5～7.4。可选的，所述的磷酸钙矿化液的pH值为7.4。可选的，包括：(1)将聚阴离子于聚电解质溶剂中形成浓度为2～10mg/mL的聚电解质溶液，调节聚电解质溶液的pH＝6.0；(2)将交联剂溶解于上述聚电解质溶液中,常温下静置1～15分钟,以使所述聚阴离子上的羧基在交联剂的作用下形成酯活化,后调节pH＝7.0得到待交联聚电解质溶液；优选的，交联剂选自1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛、双亚胺酸酯和马来酰亚胺中的一种，以5～10mg/mL(EDC)和/或5～15mg/mL(NHS)、戊二醛1.0％、双亚胺酸酯2.0％、马来酰亚胺0.1mM的浓度溶解于上述聚电解质溶液中；(3)将胶原支架材料置于所述待交联聚电解质溶液中，常温下反应1～15分钟以使聚阴离子上的羧基通过共价键结合的方式牢固交联在胶原支架材料的胶原分子上；去除胶原支架材料表面游离的聚阴离子，获得表面交联有聚阴离子的胶原支架材料；(4)再将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。根据本专利技术的第三个目的，本专利技术的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料作为硬组织缺损修复材料的应用。或者根据本专利技术的第三个目的，本专利技术的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法制备得到的材料作为硬组织缺损修复材料的应用。本专利技术所形成的纤维内仿生矿化方法相比于传统的矿化方法具有明显的优越性，体现在：(1)传统方法是要将大分子的聚阴离子溶解于矿化液中，导致体内应用困难，聚阴离子利用率不高，并存在一定的生物毒性，而本专利技术中通过将聚阴离子共价结合在胶原支架材料上，矿化液仅仅提供钙、磷离子来源，解决了体内应用困难及生物毒性的问题；(2)由于将大量的聚阴离子官能团直接交联在胶原分子上，极大的提高了聚阴离子的利用效率，从而形成了更加快速、均匀、广泛的纤维内矿化，解决了现有矿化模式矿化周期长、矿化程度受限的问题；(3)传统仿生矿化中使用的是完全裸露、不经修饰的胶原基质，虽然形成了一定程度的纤维内矿化，但是其矿化过程与机理均与生物矿化迥异：在自然硬组织的矿化过程中，成骨细胞分泌矿化相关的非胶原蛋白—如骨涎蛋白、骨桥蛋白、骨粘连蛋白、牙本质涎磷蛋白、牙本质基质蛋白等，这些非胶原蛋白通过静电吸附、疏水性吸附以及范德华力等作用力选择性的结合在胶原基质上的特定区域,沿着胶原支架材料长轴方向形成周期性排列的连续的成核位点，从而促进羟基磷灰石晶体的成核，并控制它们的取向和生长。本研究通过在I型胶原上交联大量羧基，模拟了生物矿化过程中结合在胶原分子上的非胶原蛋白的功能性片段，从而更高程度地模拟了胶原、非胶原蛋白、矿物质三者之间的相互作用关系，为探索非胶原蛋白调控生物矿化的机制提供了重要线索；(4)大量存在于纤维内的羟基磷灰石晶体显著增强了胶原支架材料的机械强度，并且具有良好的生物相容性，能够为细胞生长提供更好的内环境。同时纳米羟基磷灰石具有骨传导性及运载基因或各种生物分子的能力，其强吸附性使得材料的可修饰性强，且不同的修饰位点及修饰机理有利于对材料实现多重功能化改性，是理想的骨缺损再生修复材料；(5)本专利技术采用胶原支架材料改性的方法，利用共价结合在胶原分子上的大量羧基稳定并引导超饱和磷酸钙矿化液，实现了胶原支架材料内部的有序矿化，模拟了自然骨组织胶原支架材料与矿物质有序排列的纤维内矿化形式，而这种纤维内矿化形式是构成自然骨组织7级分级结构的基础，不仅决定了骨组织在纳米尺度上的力学性能，更对其整体机械和生物学特性起着决定性作用。附图说明图1为实施例1构建的聚阴离子改性胶原支架材料矿化后的透射电镜图；其中，图1中的a图表示低倍观察下，未经染色的整个胶原支架材料束呈现高电子密度的状态，胶原支架材料内部充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料，其特征在于，包括将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。

【技术特征摘要】
1.一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料，其特征在于，包括将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。2.如权利要求1所述的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料，其特征在于，所述的聚阴离子选自聚天冬氨酸、聚丙烯酸和聚谷氨酸中的一种或一种以上的混合物，且聚阴离子的分子量大于40kDa。3.一种聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法，其特征在于，包括在胶原支架材料表面通过共价键合的方法交联聚阴离子，得到表面交联有聚阴离子的胶原支架材料，再将表面交联有聚阴离子的胶原支架材料在磷酸钙矿化液中进行矿化处理，即得聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料。4.如权利要求3所述的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法，其特征在于，所述的聚阴离子选自聚天冬氨酸、聚丙烯酸和聚谷氨酸中的一种或一种以上的混合物，且聚阴离子的分子量大于40kDa。5.如权利要求3或4所述的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法，其特征在于，所述的共价键合的方法中所用的交联剂选自1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛、双亚胺酸酯和马来酰亚胺中的一种或一种以上的混合物。6.如权利要求3或4所述的聚阴离子改性纤维内仿生矿化材料的制备方法，其特征在于，所述的共价键合的方法中所用的聚电解质...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛丽娜，宋群，焦凯，陈吉华，郑智明，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61