一种丝素自增强复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种丝素自增强复合材料及其制备方法和应用。本方法首先对蚕丝生丝进行脱胶处理，再溶解于脱胶蚕丝的良溶剂中，透析后只留有丝素蛋白得到纯丝素溶液，再经过冷冻干燥和研磨后得到再生丝素粉末，再将再生丝素粉末加入到热压模具中，或将市售的蚕丝织物在热压模具中进行铺层，或采用一层再生丝素粉末、一层市售的蚕丝织物以交替间隔的方式在热压模具中进行铺层；再将热压模具放入热压机中进行热压处理使材料成型，得到丝素自增强复合材料。本发明专利技术利用自增强效应将再生丝素粉末和蚕丝织物进行铺层热压成型，得到的自增强复合材料具有优异的界面结合性能和力学性能，同时具有优异的生物性能。具有优异的生物性能。具有优异的生物性能。

【技术实现步骤摘要】
一种丝素自增强复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及生物医学材料领域，具体是一种丝素自增强复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着世界人口老龄化的日益加剧，骨质疏松症、关节炎、颈椎病和腰椎疾病患者的数量在不断增加。对骨修复需求的增加导致了对骨植入材料需求的迅速增加。目前，骨植入材料主要包括金属、合金、陶瓷和聚合物。金属和合金是目前外科手术中应用最广泛的材料，约占骨植入材料的70～80％。虽然金属和合金具有良好的生物相容性、较高的机械强度和良好的抗疲劳能力，但金属和合金的弹性模量(40～110GPa)远大于人体骨骼的弹性模量(3～30GPa)，从而导致应力屏蔽效应，严重的会导致金属松动和骨植入手术的失败，甚至导致二次手术的发生。金属和合金植入物要么是完全不可降解的(如不锈钢、镍铬合金和钛合金)，要么是快速降解的(如镁合金)，不符合骨形成标准(60～120天)。陶瓷材料(主要包括氧化铝、氧化锆、生物活性玻璃、羟基磷灰石和磷酸三钙等)，具有脆性高、韧性差的缺点。因此，许多研究将聚合物应用于骨组织工程，因为它们具有良好的生物相容性、生物降解性和可调节的机械性能。
[0003]目前，胶原和明胶是生物组织修复的两种主要高分子材料。然而，它们在生理条件下的机械强度和稳定性都不够好。对于壳聚糖、藻酸盐和淀粉来说，它们非常脆弱，导致细胞粘附和细胞结合不良。合成聚合物(聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇和聚羟基丁酸)的生物活性和细胞粘附性还不足以用于骨组织工程。
[0004]蚕丝是一种天然聚合物，因其优异的生物相容性、生物可降解性、良好的可加工性和低成本等特点，被广泛应用于手术缝合线、血管、皮肤、肌腱、肌肉、药物载体和骨骼等生物医学领域。脱胶蚕丝的杨氏模量为8.9～17.4GPa，拉伸强度为300～740MPa，密度为1.30～1.37g/cm3。与金属、合金和陶瓷相比，蚕丝的力学参数更接近人体骨骼的力学参数，因此比其他人造材料更适合做人造骨。但是目前制备的丝素人造骨的力学性能普遍较差。因此，获得既具有机械性能又具有生物性能的再生蚕丝材料仍然具有挑战性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种丝素自增强复合材料及其制备方法和应用。
[0006]本专利技术解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种丝素自增强复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007](1)对蚕丝生丝进行脱胶处理，再用洗涤剂洗涤去除丝胶，再干燥去除洗涤剂，得到脱胶蚕丝；
[0008](2)将脱胶蚕丝溶解于脱胶蚕丝的良溶剂中，得到均相的丝素混合液；
[0009](3)将丝素混合液置于截留分子量为1000～25000的透析袋中，再将透析袋置于去
离子水中进行透析至透析袋中只留有分子量为1000～25000的丝素蛋白，得到纯丝素溶液；
[0010](4)将纯丝素溶液进行离心或过滤处理以去除不溶性杂质，然后将纯丝素溶液进行冷冻干燥至溶液全部变为固态泡沫状支架，得到丝素多孔支架；然后将丝素多孔支架研磨至均匀的粉末状态，得到再生丝素粉末；
[0011](5)将再生丝素粉末加入到热压模具中，或将市售的蚕丝织物在热压模具中进行铺层，或采用一层再生丝素粉末、一层市售的蚕丝织物交替间隔的方式在热压模具中进行铺层；再将热压模具放入热压机中进行热压处理使材料成型，再冷却定型后，得到丝素自增强复合材料。
[0012]本专利技术解决所述复合材料技术问题的技术方案是，提供一种所述制备方法制备得到的丝素自增强复合材料。
[0013]本专利技术解决所述应用技术问题的技术方案是，提供一种所述丝素自增强复合材料的应用，其特征在于，将该丝素自增强复合材料作为骨植入材料，制成蚕丝医用骨螺钉或者蚕丝医用骨固定板，用于植入到动物体内进行骨折固定。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0015](1)本专利技术利用自增强效应，在没有任何化学粘结剂的情况下，将再生丝素粉末和蚕丝织物进行铺层热压成型，两者通过氢键、范德华力、静电力结合在一起，得到的自增强复合材料具有优异的界面结合性能和力学性能，同时具有优异的生物性能。
[0016](2)本专利技术从蚕丝中提取的再生丝素可进行热压，在高温高压的状态下，再生丝素蛋白由Silk I结构转化为Silk II结构，证明再生丝素的热塑性，克服了现有蚕丝不具备热塑性的难题。
[0017](3)本专利技术复合材料的力学性能和生物降解性能具有可调控性：通过调控丝素自增强复合材料的纤维体积含量(即蚕丝织物的含量，其范围为0～100％)，即可实现对其力学性能、生物降解性能的调控，以满足不同部位骨骼的需求。复合材料的拉伸性能可在40～200MPa范围内调控，弯曲性能可在50～300MPa范围内调控，压缩性能可在30～500MPa范围内调控，剪切性能可在2～50MPa范围内调控。一个月后的体外降解速率可控制在4～20％。
[0018](4)本专利技术的复合材料的外观呈黄色半透明状，且随着纤维体积含量的增大，其透明度逐渐降低，直至完全不透明。即纤维体积含量为0时，复合材料透明度最高；纤维体积含量为100％时，复合材料不透明。
[0019](5)本专利技术所制得的蚕丝医用骨螺钉能够用于骨组织修复领域，尤其是骨折修复。该蚕丝医用骨螺钉具有优异的生物相容性，能够促进骨骼细胞的生长发育，且能在人体内降解为氨基酸和小分子的肽被人体吸收，无需二次手术取出。同时成本很低，每根蚕丝医用骨螺钉的成本在5～10元，能够大大降低医用植入物的成本。
[0020](6)本制备方法操作简便，能耗低，成本低，适用于产业化生产。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料的拉伸强度图；
[0022]图2为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料的弯曲强度图；
[0023]图3为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料的压缩强度图；
[0024]图4为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料的剪切强度图；
[0025]图5为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料在PBS缓冲液中的体外降解性能图；
[0026]图6为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料在α
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胰凝乳蛋白酶/PBS缓冲液中的体外降解性能图；
[0027]图7为本专利技术实施例1
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5制备的丝素自增强复合材料在蛋白酶十四/PBS缓冲液中的体外降解性能图；
[0028]图8为本专利技术实施例4制备的蚕丝医用骨螺钉在马松三色染色后的组织切片图；
[0029]图9为本专利技术实施例4制备的蚕丝医用骨螺钉在苏木精、伊红染色后的组织切片图；
[0030]图10为本专利技术实施例4制备的蚕丝医用骨螺钉的结构示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丝素自增强复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对蚕丝生丝进行脱胶处理，再用洗涤剂洗涤去除丝胶，再干燥去除洗涤剂，得到脱胶蚕丝；(2)将脱胶蚕丝溶解于脱胶蚕丝的良溶剂中，得到均相的丝素混合液；(3)将丝素混合液置于截留分子量为1000～25000的透析袋中，再将透析袋置于去离子水中进行透析至透析袋中只留有分子量为1000～25000的丝素蛋白，得到纯丝素溶液；(4)将纯丝素溶液进行离心或过滤处理以去除不溶性杂质，然后将纯丝素溶液进行冷冻干燥至溶液全部变为固态泡沫状支架，得到丝素多孔支架；然后将丝素多孔支架研磨至均匀的粉末状态，得到再生丝素粉末；(5)将再生丝素粉末加入到热压模具中，或将市售的蚕丝织物在热压模具中进行铺层，或采用一层再生丝素粉末、一层市售的蚕丝织物交替间隔的方式在热压模具中进行铺层；再将热压模具放入热压机中进行热压处理使材料成型，再冷却定型后，得到丝素自增强复合材料。2.根据权利要求1所述的丝素自增强复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，脱胶处理采用煮沸脱胶，具体是将蚕丝生丝置于脱胶溶液中进行煮沸脱胶；煮沸时间为25～40min；蚕丝生丝与脱胶溶液的质量比为1:20～60；脱胶溶液采用碱液或生物酶；碱液采用Na2CO3溶液、NaOH溶液、NaHCO3溶液、Na2SiO3溶液或肥皂溶液，碱液的浓度为0.05～0.2wt％；洗涤剂采用温度为40～60℃的去离子水。3.根据权利要求1所述的丝素自增强复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，脱胶蚕丝的良溶剂采用LiBr溶液、NaSCN溶液、ZnCl2溶液、CaCl2/C2H5OH/H2O溶液、HFIP、水合六氟丙酮、甲酸、二氯乙酸或离子液体；脱胶蚕丝的良溶剂的浓度为5～10mol/L，脱胶蚕丝与脱胶蚕丝的良溶剂的质量比为1:10～30，溶解温度为50～90℃，溶解时间为3～6h。4.根据权利要求1所述的丝素自增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊威，陆琳琳，孙岩，雷睿心，范从波，朱光，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：