一种骨再生多重仿生支架材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种骨再生多重仿生支架材料及其制备方法，该方法是以生物活性纳米无机颗粒、水溶性天然蛋白和纳米纤维束的混合溶液为原料，通过包括预冷冻—冷冻处理—冷冻干燥—后处理的工艺流程，制得包括片层材料及分散在片层材料层间的插层结构的骨再生多重仿生支架材料，插层结构由纳米纤维束及其表面均匀且连续分布的生物活性纳米无机颗粒组成；水溶性天然蛋白与所述纳米纤维束的质量比为20:2～4；骨再生多重仿生支架材料中，生物活性纳米无机颗粒的含量为20～35wt％；本发明专利技术的一种骨再生多重仿生支架材料的制备方法，工艺简单，可控性好；制得的骨再生多重仿生支架材料，力学性能、材料表面粗糙度、细胞黏附生长和材料成骨活性好。

【技术实现步骤摘要】
一种骨再生多重仿生支架材料及其制备方法
本专利技术属于生物材料
，涉及一种骨再生多重仿生支架材料及其制备方法。
技术介绍
机体内的骨是一种致密的缔结组织，其在生命活动中扮演着重要的角色。正常情况下，骨组织有一定的再生和自我修复能力，但是由于严重创伤、肿瘤切除、交通意外等造成的大段骨缺损则只能采用骨移植的方法加以修复。目前采用的移植技术存在诸多不足，如供体缺乏、二次创伤、并发炎症、免疫排斥、成骨能力有限等问题，而骨组织工程技术的发展为骨修复提供了一种新的治疗途径。具有骨再生多重仿生支架材料的制备无疑会加快骨缺损的修复。丝素蛋白由于具有优异的生物相容性、可控的降解性、无免疫源性、优良的加工性等，成为了组织工程支架的理想材料之一。然而，研究表明纯丝素蛋白支架的力学性能较弱，难以匹配骨组织修复较高的力学性能需求。公开号为CN106075591A的中国专利公开了一种以纳米纤维束增强天然高分子支架的相关技术，相关支架材料在骨组织修复中体现出了一定潜力。该专利公开内容显示随着插层材料(纳米纤维束)含量的增加，支架材料的力学强度会出现明显增加。然而，片层间插层数量的明显增加必然会导致支架孔径和孔隙率的显著下降，从而严重影响细胞朝向支架内部的生长和营养物质的快速交换。此外，该方案制备获得的支架材料表面较为平整、细胞在其上的初始黏附也会受到不利影响。截至目前，国内外还未见相关报道或专利来有效调和这一应用矛盾。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种骨再生多重仿生支架材料及其制备方法，其在增强水溶性天然蛋白基骨仿生片层支架材料的力学性能同时赋予其高的孔径和孔隙率，提升材料表面粗糙度的同时赋予支架较高的成骨活性。为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：一种骨再生多重仿生支架材料，包括片层材料及分散在片层材料层间的插层结构；所述片层材料是由水溶性天然蛋白通过冰模板法诱导自组装形成的；所述插层结构由纳米纤维束及其表面均匀且连续分布的生物活性纳米无机颗粒组成；水溶性天然蛋白与纳米纤维束的质量比为20:2～4；骨再生多重仿生支架材料中，生物活性纳米无机颗粒的含量为20～35wt％。作为优选的技术方案：如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，所述片层材料的片层厚度为5～25μm，片层间距为80～200μm(本专利技术中所指的片层间距是指平均片层间距)；所述骨再生多重仿生支架材料的孔隙率为80～95％，平均孔径为100～200μm。细胞在骨再生多重仿生支架材料中具有良好的黏附与增殖能力。孔隙率和孔径参数是与细胞良好生长密切相关的支架材料参数，适宜于细胞良好生长所需的支架平均孔径一般要大于100μm，孔隙率一般要大于80％。生物活性纳米无机颗粒的负载增大了骨再生多重仿生支架材料的孔径和孔隙率，进而使得其可容纳的水分子增多，连通性增强。上述参数的提升均有利于营养物质和代谢废物的输送，从而利于细胞在骨再生多重仿生支架材料上的黏附和生长。此外，生物活性纳米无机颗粒的负载还增大了材料表面的粗糙度，可进一步增强细胞的初始黏附。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，水溶性天然蛋白为丝素蛋白、丝胶蛋白、胶原蛋白或弹性蛋白；生物活性纳米无机颗粒为纳米羟基磷灰石、纳米生物玻璃、纳米磷酸钙或者纳米氧化镁。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，生物活性纳米无机颗粒的平均粒径为20～200nm。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，纳米纤维束的材质为细菌纤维素、聚乳酸、聚己内酯、蚕丝、胶原或者植物来源纤维素。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，纳米纤维束中纤维的平均直径为30～500nm。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，骨再生多重仿生支架材料的压缩强度为2～8MPa，弹性模量为15～40MPa，与天然骨组织具有良好的力学匹配性，可达到较好的力学性能仿生。本专利技术还提供制备如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料的方法，以生物活性纳米无机颗粒、水溶性天然蛋白和纳米纤维束的混合溶液为原料，通过包括预冷冻—冷冻处理—冷冻干燥—后处理的工艺流程，制得骨再生多重仿生支架材料。作为优选的技术方案：如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料，包括以下步骤：(1)将生物活性纳米无机颗粒加入水溶性天然蛋白溶液中，混合均匀得到混合液I；混合均匀采用磁力搅拌器搅拌，在1000rpm下搅拌30min；所述水溶性天然蛋白溶液的浓度为9～15wt％；(2)在混合液I中分批加入纳米纤维束，混合均匀得到混合液II；混合均匀采用磁力搅拌器搅拌，在1000rpm下搅拌1h；(3)将混合液II成型后进行预冷冻—冷冻处理—冷冻干燥；所述成型为：将混合液II倒入模具中成型，模具为直径为5～20mm，高度为5～30mm的圆柱形模具，模具的材质为硅胶、玻璃、铜、铁、铝、铜合金、铁合金或铝合金；所述预冷冻的温度为-30～-10℃，时间为6～12h；所述冷冻处理的温度为-200～-60℃，时间为6～12h；所述冷冻干燥的真空度为5～15Pa，处理时间为12～24h；现有技术中的支架材料与活性无机成份的复合往往是通过矿化手段来实现，所需时间长、效率低，且难以保证生长出骨修复所需的晶形。(4)将冷冻干燥后的材料进行后处理，再将支架放入37℃烘箱中烘干，制得骨再生多重仿生支架材料。如上所述的一种骨再生多重仿生支架材料的方法，所述后处理为：在70～90％的相对湿度下处理或在体积分数为70～95vol％的乙醇溶液(是乙醇和水的混合溶液)中浸泡处理，处理时间为2～24小时。由于湿度后处理环境不会破坏生长因子等活性蛋白的结构，因而该处理方案还可适用于前期向仿生支架体系中负载相关生长因子。本专利技术的原理是：本专利技术以水溶性天然蛋白为基体，以生物活性纳米无机颗粒复合纳米纤维束为改性体，通过不同的处理工艺，最终利用冷冻干燥制备具有适宜于细胞长入、增殖和成骨分化的多重骨再生多重仿生支架材料。其具体形成和调控机理如下：当将一定浓度配比的水溶性天然蛋白水溶液、生物活性纳米无机颗粒、纳米纤维束通过外界机械力作用均匀混合处理一段时间，然后将混合物放入一定低温下进行预冷冻，此时混合物开始与外界进行热交换，其中的水在达到凝固点之后开始形成冰晶核，随后冰晶核开始生长，同时水溶性天然蛋白分子在此过程中被浓缩，其高分子链在自组装和冰晶的诱导下形成片层状结构。预冷结束后再将混合物放置到更低的温度冻实，最后将冻好的样品置于冷冻干燥机中，使体系中冰晶升华后通过进一步的后处理便得到所需的仿生片层多孔支架。由于混合体中的生物活性纳米无机颗粒和纳米纤维束仅能分散而不能溶解在水溶性天然蛋白溶液中，生物活性纳米无机颗粒将优先粘附到纳米纤维束表面形成复合改性体，分散在溶液中的生物活性纳米无机颗粒和纳米纤维束复合体将主要形成上述水溶性天然蛋白片层间的插层结构，以增强支架的力学性能并改变支架材料的孔隙特征。与此同时，生物活性纳米无机颗粒的混入和附着将使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨再生多重仿生支架材料，其特征是：包括片层材料及分散在片层材料层间的插层结构；/n所述片层材料是由水溶性天然蛋白通过冰模板法诱导自组装形成的；/n所述插层结构由纳米纤维束及其表面均匀且连续分布的生物活性纳米无机颗粒组成；/n所述水溶性天然蛋白与所述纳米纤维束的质量比为20:2～4；/n所述骨再生多重仿生支架材料中，生物活性纳米无机颗粒的含量为20～35wt％。/n

【技术特征摘要】
1.一种骨再生多重仿生支架材料，其特征是：包括片层材料及分散在片层材料层间的插层结构；
所述片层材料是由水溶性天然蛋白通过冰模板法诱导自组装形成的；
所述插层结构由纳米纤维束及其表面均匀且连续分布的生物活性纳米无机颗粒组成；
所述水溶性天然蛋白与所述纳米纤维束的质量比为20:2～4；
所述骨再生多重仿生支架材料中，生物活性纳米无机颗粒的含量为20～35wt％。


2.根据权利要求1所述的一种骨再生多重仿生支架材料，其特征在于，所述片层材料的片层厚度为5～25μm，片层间距为80～200μm；所述骨再生多重仿生支架材料的孔隙率为80～95％，平均孔径为100～200μm。


3.根据权利要求1所述的一种骨再生多重仿生支架材料，其特征在于，水溶性天然蛋白为丝素蛋白、丝胶蛋白、胶原蛋白或弹性蛋白；
生物活性纳米无机颗粒为纳米羟基磷灰石、纳米生物玻璃、纳米磷酸钙或者纳米氧化镁。


4.根据权利要求1所述的一种骨再生多重仿生支架材料，其特征在于，生物活性纳米无机颗粒的平均粒径为20～200nm。


5.根据权利要求1所述的一种骨再生多重仿生支架材料，其特征在于，纳米纤维束的材质为细菌纤维素、聚乳酸、聚己内酯、蚕丝、胶原或者植物来源纤维素。


6.根据权利要求1所述的一种骨再生多重仿生支架材料，其特征在于，纳米纤维束中纤维的平均直径为30～...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚响，张耀鹏，谷敏婧，范苏娜，王文波，
申请(专利权)人：东华大学，上海交通大学医学院附属第九人民医院，
类型：发明
国别省市：上海;31