专利名称：明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于生物医用材料领域，特别涉及一种经由生物矿化原理制备得到的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，以及该多孔骨修复框架材料的制备方法与应用。
背景技术：
自然骨是钙磷盐经过非胶原大分子的诱导成核，并经胶原大分子规范生长而成的具有精密分级结构的复杂生物矿化系统。非胶原大分子是由十八种氨基酸组合排列而成的蛋白质大分子，其分子链上具有有利于钙磷盐成核位点，可以有效降低钙磷离子从溶液中沉淀的界面能。胶原大分子也是由十八种氨基酸组合排列而成的蛋白质大分子，但是胶原大分子由两条a I和一条a 2链左旋而成，其分子链上的羧基和氨基基团大多参与了胶原纤维分子内的化学键和，只有少数的基团暴露在外，成为规范钙磷盐生长的基点。明胶是胶原降解的产物，它不仅保持了胶原作为生物材料所特有的一些优点。与胶原相比，明胶无抗原性，植入体内无免疫排斥反应；而且价格便宜，易溶于水，容易处理；明胶的结构单元为甘氨酸-脯氨酸和羟脯氨酸与赖氨酸(Gly-Pro-Hyp-Hyl)，是柔性两性电解质，有利于细胞粘连。所以利用明胶作为钙磷盐成核与生长的模板，模拟生物矿化体系，制备化学成份与自然骨类似的骨修复复合材料也是必然选择。中国专利(申请号200810052418.1)公开了一种纳米片状羟基磷灰石与明胶复合材料和制备方法。该材料的羟基磷灰石含量高达33%以上，并且具有片层状结构，层间距为5. 8 6. 3nm,使羟基磷灰石和明胶二者达到纳米尺度上的复合。但是该材料还不是钙磷盐与明胶的分子程度上的复合。中国专利(申请号200410003454. 0)公开了一种生物矿化丝蛋白/高分子复合多孔框架材料及其制备方法。该方法首先经由生物矿化原理获得丝蛋白与钙磷盐的沉淀物，然后将该沉淀物进一步与生物相容性较好的高分子复合，得到的多孔框架材料具有良好的生物相容性和生物降解性，能够用于临床修复。但是该制备方法还是比较繁琐，溶解高分子时会用到一些有毒的有机试剂。韩国的Hae-Won Kim等人利用生物矿化原理合成了明胶和纳米轻基磷灰石复合的多孔材料(Kim H-ff, Knowles JC, Kim H-E. Porous scaffolds of gelatin-hydroxyapatitenanocomposites obtained by biomimetic approach Characterization and antibioticdrug release. Journal of Biomedical Materials Research Part B AppliedBiomaterials 2005 ；74B(2) :686-698.)。该多孔材料中的纳米羟基磷灰石的比例最高占到了 30wt %，孔隙率达到89 92 %，孔径大小在0. 5 I ii m和300 500 u m。作者利用该多孔材料包覆了抗菌药物四环素，研究了四环素在该材料中的释放效率，结果表明四环素释放速率可控。但是作者只研究 了 Ca/P为1. 667的钙磷盐与明胶的复合材料。本发明利用生物矿化原理，直接在明胶溶液中制备出多种钙磷盐与明胶分子分散均匀的多孔骨修复框架材料。

发明内容
本发明的目的之一在于提供一种成本低的可用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料；本发明使得纳米骨磷灰石和明胶二者达到分子尺度上的复合，达到模拟天然骨组织结构的多孔框架材料。本发明的目的之二在于提供一种制备工艺简单，可适合规模化生产的经由生物矿化原理进行制备明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的方法。本发明的目的之三在于提供明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的应用。本发明的可用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，是利用生物矿化原理直接从水溶液中制备明胶与纳米骨磷灰石的多孔复合材料，该多孔复合材料与自然骨有类似的化学组成；其中，纳米骨磷灰石的Ca/p的摩尔比值为I 2. 2，纳米骨磷灰石与明胶的质量含量比为1. 2 :1 1: 33。所述的多孔骨修复框架材料中可进一步含有消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子中的一种。所述的多孔骨修复框架材料的孔隙率为35% 90%;所述的多孔骨修复框架材料的孔径为30 500 u m。所述的明胶是交联的明胶或未交联的明胶。所述的交联的明胶或未交联的明胶选自交联的或未交联的骨胶、交联的或未交联的皮胶、交联的或未交联的 鱼胶中的一种或几种。本发明的可用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的制备方法包括以下步骤I)将明胶颗粒加入到去离子水中溶胀形成明胶溶液(可在加热至35°C 75°C的条件下进行明胶颗粒的溶胀)，然后向明胶溶液中加入磷酸盐固体，搅拌使磷酸盐充分溶解，得到混合均匀的溶液；其中磷酸盐的加入量是根据纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比和纳米骨磷灰石与明胶颗粒的质量比例计算加入的(优选磷酸盐与明胶颗粒的质量比为1: 2 1: 20);用碱液调节溶液的pH，使其达到反应所需的pH条件(优选pH为5 11);2)将钙盐加入到去离子水中，搅拌使钙盐充分溶解；钙盐的加入量是根据纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比和纳米骨磷灰石与明胶颗粒的质量比例计算加入的(优选钙盐与步骤I)所述的明胶颗粒的质量比为3 : 2 1: 7);用碱液调节溶液的pH达到反应所需的PH条件(优选pH为5 11)；3)在温度为20°C 75°C及搅拌(优选搅拌的速率为IOOrpm 3000rpm)条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用碱液调节反应体系的pH,保持反应在所需的pH条件(优选pH为5 11);步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持反应体系在反应所需的pH条件(优选pH为5 11)、反应温度为20°C 75°C及搅拌(优选搅拌的速率为IOOrpm 3000rpm)条件下陈化得到纳米骨磷灰石和明胶的混合物，该混合物为乳白色的液体(陈化的时间可为0小时 7天)；4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和明胶的混合物冷冻(优选温度为-40°C -196°C )干燥后，可得到本发明的可用于骨修复的明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料。所述的多孔骨修复框架材料的孔隙率为35% 90%;所述的多孔骨修复框架材料的孔径为30 500 u m。在步骤I)的混合均匀的溶液中可进一步加入消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子中的一种。消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子的用量是明胶颗粒质量的1%。 10%。所述的消炎药物可以是庆大霉素或万古霉素。所述的骨生长诱导因子可选自骨形态发生蛋白、转化生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、生长激素中一种。所述的钙盐是硝酸钙、氯化钙或它们的混合物。所述的磷酸盐选自磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中的一种或两种以上的混合物。所述的碱液是氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵的水溶液；溶液的优选浓度为
0.1M 2M。所述的明胶是交联的明胶或未交联的明胶。在将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和明胶的混合物冷冻干燥之前进一步加入交联剂可得到交联的明胶。交联剂的质量浓度为5%。 15% ;交联剂的加入量是每克明胶颗粒优选添加30iU 1000 ill的交联剂。用于明胶交联的所 述的交联剂选自戊二醛、双醛葡萄糖、京尼平、谷氨酰胺转氨酶等所组成的组中的至少一种。所述的交联的明胶或未交联的明胶选自交联的或未交联的骨胶、交联的或未交联的皮胶、交联的或未交联的鱼胶中的一种或几种。本发明的可用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料可用于骨、牙齿、及整形外科中的填充材料使用。本发明的可用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料是在明胶溶液中，经明胶分子诱导钙、磷离子的均匀成核及其后续的纳米骨磷灰石晶体的生长，最终经冷冻干燥法得到的磷酸钙盐与明胶分子分散均匀的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料具有良好的生物相容性和生物降解性，并能够承受一定的压缩应力，其韧性随着明胶含量的增加而增加，可以作为骨，牙齿或整形手术中的填充材料使用。本发明的多孔骨修复框架材料成本低，制备工艺简单，适于产业化生产。


图1.本发明实施例1制备得到的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的电镜图片。
具体实施例方式实施例1I)将骨明胶颗粒IOg加入到200ml去离子水中溶胀，而后加热至55°C形成骨明胶溶液，然后向骨明胶溶液中加入9. 2g的磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)固体，搅拌使其充分溶解，得到混合均匀的溶液；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节骨明胶溶液的pH达到5. 0 ；2)将16. 5g硝酸钙(Ca (NO3) 2 4H20)加入到200ml去离子水中，搅拌使硝酸钙充分溶解；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节上述溶液的pH达到5. 0 ；3)在温度为37°C及搅拌速率为100rpm的条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用氢氧化钾(KOH)水溶液调节反应体系的PH，使反应体系的pH保持在5. 0下进行反应；步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持上述反应体系在PH等于5、反应温度为37°C及搅拌速率为IOOrpm的条件下继续进行陈化23小时，得到纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物，该混合物为乳白色的液体；4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物在温度为-30°C下进行冷冻干燥后，得到可用于骨修复的骨明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料；电镜图片如图1所示。该多孔骨修复框架材料中的纳米骨磷灰石与骨明胶的质量含量比为1.2 1，纳米骨磷灰石的组成为磷酸氢钙，纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为1:1。其表面和内部均为联通的孔径结构，孔隙率为76 %，孔径为100 y m 500 Um0可以用于骨，牙齿及整形外科的填充材料使用。实施例21)将骨明胶颗粒200g加入到200ml去离子水中溶胀，而后加热至55°C形成骨明胶溶液，然后向骨明胶溶液中加入5. 3g的磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)固体，搅拌使其充分溶解，得到混合均匀的溶液；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节骨明胶溶液的pH达到11 ；2)将20. 8g的硝酸钙(Ca(NO3)2 4H20)加入到200ml去离子水中，搅拌使硝酸钙充分溶解；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节上述溶液的pH达到11 ；3)在温度为37°C及搅拌速率为3000rpm的条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用氢氧化钾(KOH)水溶液调节反应体系的PH，使反应体系的pH保持在11下进行反应；步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持上述反应体系在PH等于11、反应温度为37°C及搅拌速率为3000rpm的条件下继续进行陈化23小时，得到纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物，该混合物为乳白色的液体；4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物在温度为-30°C下经冷冻干燥后，得到可用于骨修复的骨明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料中的纳米骨磷灰石与骨明胶的质量含量比为1: 33，纳米骨磷灰石的组成为类羟基磷灰石，纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为2. 2。其表面和内部均为联通的孔径结构，孔隙率为90 %，孔径为30 y m 200 y m。可以用于骨，牙齿及整形外科的填充材料使用。实施例3I)将鱼明胶颗粒50g加入到200ml去离子水中溶胀,而后加热至55°C形成鱼明胶溶液，然后向鱼明胶溶液中加入7. 0g的磷酸氢二钾(K2HPO4)固体,搅拌使其充分溶解,而后加入骨形态发生蛋白25mg。用氢氧化铵((NH4)OH)调节溶液的pH，使其达到10. 10 ;得到混合均匀的溶液；
2)将14. 2g的硝酸钙(Ca(NO3)2 4H20)加入到200ml去离子水中，搅拌使硝酸钙充分溶解；用氢氧化铵((NH4)OH)水溶液调节上述溶液的pH达到10. 10 ；3)在温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用氢氧化铵((NH4)OH)水溶液调节反应体系的pH,使反应体系的pH保持在10. 10下进行反应；步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持上述反应体系在PH等于10. 10、反应温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下继续进行陈化23小时，得到纳米骨磷灰石和鱼明胶的混合物，该混合物为乳白色的液体；4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和鱼明胶的混合物在温度为-20°C下进行冷冻干燥后，得到可用于骨修复的鱼明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料中的纳米骨磷灰石与鱼明胶的质量含量比为3 25，纳米骨磷灰石的组成为类羟基磷灰石，纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为1. 5，含有骨形态发生蛋白。其表面和内部均为联通的孔径结构，孔隙率为84%，孔径为70 iim 400 iim。可以用于骨，牙齿及整形外科的填充材料使用。实施例4I)将骨明胶颗粒25g加入到200ml去离子水中溶胀，而后加热至55°C形成骨明胶溶液，然后向骨明胶溶液中加入5. 3g的磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)固体，搅拌使其充分溶解，而后加入消炎药物万古霉素25mg ;用氢氧化铵((NH4)OH)水溶液调节骨明胶溶液的pH达到10. 10 ；2)将6. 7g的氯化钙Ca(Cl)2加入到200ml去离子水中，搅拌使氯化钙充分溶解；用氢氧化铵((NH4)OH)水溶液调节上述溶液的pH达到10. 10 ；3)在温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用氢氧化铵((NH4)OH)水溶液调节反应体系的pH,使反应体系的pH保持在10`. 10下进行反应；步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持上述反应体系在PH等于10. 10、反应温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下继续进行陈化23小时，得到纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物，该混合物为乳白色的液体；4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和骨明胶的混合物在温度为-40°C下进行冷冻干燥后，得到可用于骨修复的骨明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料中的纳米骨磷灰石与骨明胶的质量含量比为6 25，纳米骨磷灰石的组成为类羟基磷灰石，纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为1. 667，含有消炎药物万古霉素。其表面和内部均为联通的孔径结构，孔隙率为62%，孔径为30 ii m 500 ii m。可以用于骨，牙齿及整形外科的填充材料使用。实施例5I)将皮胶颗粒25g加入到200ml去离子水中溶胀，而后加热至55°C形成皮胶溶液，然后向皮胶溶液中加入5.1g的磷酸氢二钠(Na2HPO4)固体，搅拌使其充分溶解，得到混合均匀的溶液；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节骨明胶溶液的pH达到10. 10 ；2)将6.1g的氯化钙CaCl2加入到200ml去离子水中，搅拌使氯化钙充分溶解；用氢氧化钾(KOH)水溶液调节上述溶液的pH达到10. 10 ；3)在温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用氢氧化钾(KOH)水溶液调节反应体系的PH，使反应体系的pH保持在10. 10下进行反应；步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，得到一乳白色的液体；保持上述反应体系在PH等于10. 10、反应温度为37°C及搅拌速率为400rpm的条件下继续进行陈化23小时，得到纳米骨磷灰石和皮胶的混合物，该混合物为乳白色的液体；4)向步骤3)得到的纳米骨磷灰石和皮胶的混合物中加入2. 5ml 8 (v/v) %戊二醛溶液，继续交联30分钟；5)将步骤4)得到的纳米骨磷灰石和交联皮胶在温度为_40°C下进行冷冻干燥后，得到可用于骨修复的皮胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料中的纳米骨磷灰石与皮胶的质量含量比为6 25，纳米骨磷灰石的组成为类羟基·磷灰石，纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为1. 667，皮胶为戊二醛交联后的皮胶。其表面和内部均为联通的孔径结构，孔隙率为62%，孔径为30 500 Um0可以用于骨，牙齿及整形外科的填充材料使用。
权利要求
1.一种用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，其特征是纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为I 2. 2，纳米骨磷灰石与明胶的质量含量比为1.2 I I 33 ； 所述的明胶是交联的明胶或未交联的明胶。
2.根据权利要求1所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，其特征是所述的多孔骨修复框架材料中含有消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子中的一种。
3.根据权利要求2所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，其特征是所述的消炎药物是庆大霉素或万古霉素； 所述的骨生长诱导因子选自骨形态发生蛋白、转化生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、生长激素中一种。
4.根据权利要求1或2所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，其特征是所述的多孔骨修复框架材料的孔隙率为35% 90%，孔径为30 500 μ m。
5.根据权利要求1所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料，其特征是所述的交联的明胶或未交联的明胶选自交联的或未交联的骨胶、交联的或未交联的皮胶、交联的或未交联的鱼胶中的一种或几种。
6.一种根据权利要求1 5任意一项所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的制备方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤 1)将明胶颗粒加入到去离子水中溶胀形成明胶溶液，然后向明胶溶液中加入磷酸盐固体，搅拌，得到混合均匀的溶液，其中磷酸盐与明胶颗粒的质量比为1: 2 1: 20;用碱液调节溶液的PH为5 11 ； 2)将钙盐加入到去离子水中，搅拌，其中钙盐与步骤I)所述的明胶颗粒的质量比为3 : 2 1: 7 ;用碱液调节溶液的pH为5 11 ; 3)在温度为20°C 75°C及搅拌条件下，将步骤I)所配制的溶液逐滴滴加到步骤2)所配制的溶液中，在滴加过程中不断用碱液调节反应体系的pH为5 11 ;步骤I)所配制的溶液滴加完毕后，陈化得到纳米骨磷灰石和明胶的混合物； 4)将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和明胶的混合物冷冻干燥后，得到所述的用于骨修复的明胶/纳米磷灰石的多孔骨修复框架材料； 所述的明胶是交联的明胶或未交联的明胶； 所述的交联的明胶是在将步骤3)得到的纳米骨磷灰石和明胶的混合物冷冻干燥之前加入交联剂后得到的。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是步骤I)所述的混合均匀的溶液中加入有消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子中的一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述的消炎药物、鹿茸多肽或骨生长诱导因子的用量是明胶颗粒质量的1%。 10% ； 所述的消炎药物是庆大霉素或万古霉素； 所述的骨生长诱导因子选自骨形态发生蛋白、转化生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、生长激素中一种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是所述的钙盐是硝酸钙、氯化钙或它们的混合物； 所述的磷酸盐选自磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中的一种或两种以上的混合物； 所述的交联的明胶或未交联的明胶选自交联的或未交联的骨胶、交联的或未交联的皮胶、交联的或未交联的鱼胶中的一种或几种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是所述的碱液是氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵的水溶液。
11.一种根据权利要求1 5任意一项所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料的应用，其特征是所述的用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料用于骨、牙齿、及整形外科中的填充材料使用。
全文摘要
本发明属于生物医用材料领域，特别涉及用于骨修复的明胶/纳米骨磷灰石的多孔骨修复框架材料及其制备方法与应用。本发明是在明胶溶液中，经明胶分子诱导钙、磷离子的均匀成核及其后续的纳米骨磷灰石晶体的生长，最终经冷冻干燥法得到的磷酸钙盐与明胶分子分散均匀的多孔骨修复框架材料。该多孔骨修复框架材料的纳米骨磷灰石的Ca/P的摩尔比值为1～2.2，纳米骨磷灰石与明胶的质量含量比为1.2∶1～1∶33。该多孔骨修复框架材料具有良好的生物相容性和生物降解性，并能够承受一定的压缩应力，其韧性随着明胶含量的增加而增加，可以作为骨，牙齿或整形手术中的填充材料使用。
文档编号A61L27/54GK103041452SQ20111030948
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者郭燕川, 马铭, 张兵, 史京京, 王颖 申请人:中国科学院理化技术研究所