抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨及其制备.pdf

本发明公开了一种抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨及其制备方法，是以原位合成法制备的羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体为载体，通过离子交换与离子吸附作用得到载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；以此粉体为原料，采用热压烧结法制备出抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。本发明所得人工骨抑菌效果明显，既保持了羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨较强的力学性能和良好的生物性能，同时又可以治疗和预防感染，避免多次手术。

1、  一种抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨，是以羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨为载体表面吸附银离子制得；其特征在于：所述复合人工骨的成分中碳纳米管的质量分数为1％～15％；银离子的质量分数为1％～8％。

2、  如权利要求1所述的抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨，其特征在于：所述复合人工骨的成分中碳纳米管的质量分数为5％～10％；银离子的质量分数为3％～6％。

3、  如权利要求1所述的抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨，其特征在于：所述羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨粉体采用原位合成法制得。

4、  权利要求1或2所述抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的制备方法，步骤是以原位合成法制备的羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体为原料，利用离子交换与离子吸附作用制备出载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体，然后采用热压烧结制备出抗菌性复合人工骨。

5、  如权利要求4所述抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的制备方法，其特征在于：由以下步骤实现：
1)称取碳纳米管质量分数为1％～15％的羟基磷灰石/碳纳米管粉体，加入到去离子水中，超声波震荡20～100min，形成稳定的悬浮液；
2)称取一定量的硝酸银，将其加入到去离子水中，配成重量百分比浓度为1％的硝酸银溶液；
3)按照银离子质量分数为1％～8％，量取相应的步骤2)所得的硝酸银溶液，在搅拌条件下缓慢加入到步骤1)所制得的悬浮液中，在温度为20～60℃的条件下搅拌60～300min，形成的沉淀以常规方式离心、醇洗、干燥，得载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；
4)将步骤3)所得复合粉体在氮气保护下，以1100℃±30℃保温20min±5min条件进行热压烧结，即得抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。

6、  如权利要求5所述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法，其特征在于：步骤1)所述羟基磷灰石/碳纳米管粉体中碳纳米管质量分数选5％～10％；超声波震荡的时间选30～60min。

7、  如权利要求5所述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法，其特征在于：步骤3)所述硝酸银溶液的银离子质量分数选3％～6％。

8、  如权利要求5所述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法，其特征在于：步骤3)所述搅拌温度选30～50℃，搅拌时间选100～200min。

9、  如权利要求5所述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法，其特征在于：步骤3)所述醇洗采用75％乙醇溶液。

10、  如权利要求5所述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法，其特征在于：步骤4)所述热压烧结温度的升温速度是40℃/min。

抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨及其制备
技术领域
本发明涉及一种复合人工骨及其制备方法，尤其涉及一种抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨及其制备方法，属于生物医用材料领域。
背景技术
长期以来，研制理想的生物材料替代自体骨进行骨缺损修复一直是医学和材料学领域的重要课题。羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HAp)与自然骨的无机质成分相同，结构相似，因此具有良好的生物活性和生物相容性，已在临床上广泛用作骨缺损修复和骨填充整形材料。然而，羟基磷灰石作为一种无机非金属材料，有着该类材料的共性：强度和韧性很低。碳纳米管具有独特的金属或半导体的导电性、极强的机械强度、韧性、较大的比表面积，可广泛应用于各种高科技技术领域，是一种新型的功能材料和结构材料。前期研究表明，碳纳米管的加入可以极大的提高羟基磷灰石基体的强度，获得可用于硬组织替代的骨修复材料。
另一方面；具有良好生物活性的羟基磷灰石亦为细菌附着提供了便利场所，植入材料界面引发的感染往往会引起植入体的过早松动和脱落，并引发邻近组织和器官的感染甚至坏死，导致手术的失败，同时也给患者带来二次手术的痛苦和经济上的重大负担。目前，临床上对于感染性或污染性骨缺损的治疗方法不多，通常采取先清创、引流，待感染伤口愈合后再次进行自体骨移植。治疗周期长，效果差。也有一些学者，将人工骨复合某种抗生素用于治疗感染性或污染性骨缺损，但终究因抗生素的抗菌谱有限，应用3日左右就会使细菌产生抗体，致使蛋白质变性，从而出现耐药现象，并进一步使感染加重，更加难以控制。这种做法已经被证实是临床耐药性菌株增加的重要途径之一，是违背合理应用抗菌素原则的方法。
在抗菌性金属离子中，银离子(Ag+)具有抗菌广谱、杀菌效率高、不易产生抗药性等特点，因此被广泛应用于无机抗菌剂中。载银抗菌剂的抗菌机理是银离子可与菌体中酶蛋白的巯基(—SH)强烈地结合，使一些以此为必要基的酶丧失活性，从而达到灭菌作用。但是，科学研究表明，过量的重金属元素，可以导致机体中毒，甚至死亡。因此，如何掌握合理的用量是关系到人身安全的一项关键的内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨及其制备方法。
本发明所述抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨是一种理想的抗感染性人工骨替代与填充材料，适合在骨创伤外科和整形重建外科中的应用，该人工骨既保持了羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨较强的力学性能、良好的生物性能，同时又可以治疗和预防感染，避免多次手术。
本发明所述的抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨，是以羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨为载体表面吸附银离子制得；其特征在于：所述复合人工骨的成分中碳纳米管的质量分数为1％～15％；银离子的质量分数为1％～8％。
进一步的，所述复合人工骨的成分中碳纳米管的质量分数优选5％～10％；银离子的质量分数优选3％～6％。
其中：上述羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨粉体采用原位合成法制得。
本发明所述抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的制备方法，步骤是以原位合成法制备的羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体为原料，利用离子交换与离子吸附作用制备出载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体，然后采用热压烧结制备出抗菌性复合人工骨。
进一步具体的制备方法，由以下步骤实现：
1)称取碳纳米管质量分数为1％～15％的羟基磷灰石/碳纳米管粉体，加入到去离子水中，超声波震荡20～100min，形成稳定的悬浮液；
2)称取一定量的硝酸银，将其加入到去离子水中，配成重量百分比浓度为1％的硝酸银溶液；
3)按照银离子质量分数为1％～8％，量取相应的步骤2)所得的硝酸银溶液，在搅拌条件下缓慢加入到步骤1)所制得的悬浮液中，在温度为20～60℃的条件下搅拌60～300min，形成的沉淀以常规方式离心、醇洗、干燥，得载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；
4)将步骤3)所得复合粉体在氮气保护下，以1100℃±30℃保温20min±5min条件进行热压烧结，即得抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。
上述的制备抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨的方法中：
步骤1)所述羟基磷灰石/碳纳米管粉体中碳纳米管质量分数优选5％～10％；超声波震荡的时间优选30～60min。
步骤3)所述硝酸银溶液的银离子质量分数优选3％～6％。
步骤3)所述搅拌温度优选30～50℃，搅拌时间优选100～200min。
步骤3)所述醇洗优选采用75％乙醇溶液。
步骤4)所述热压烧结温度的升温速度优选是40℃/min
在本发明中，采用羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体作为载体材料。复合粉体对于银离子的负载作用一方面来自于银离子与羟基磷灰石中钙离子的离子交换作用，另一方面来自于碳纳米管与银离子之间的吸附作用。在前者中，由于两种离子电荷不同，而且离子半径相差很大，因此Ag⁺对Ca²⁺的取代多发生在载体的表面，很难进入到晶格内部去，从而其载银效果不佳。利用高温作用，可以促使载体表面的Ag⁺深入扩散到晶格内部去，从而得到更加稳定的载银效果，这是高温煅烧可以提高载银效果的原因。对于普通的载银粉体进行高温煅烧时，Ag⁺发生散逸的现象十分突出，不利于进行高温煅烧。在本发明中，所得载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体中羟基磷灰石是一种处于纳米态的粉体，它具有很强的吸附效应，可以吸附大量的Ag⁺，同时也处于一种高能状态，具有极强的反应活性。在热压烧结过程中，通过晶格变形，使Ag⁺深入到晶格内部，达到了较好的载银效果。
本发明具有如下突出的有益效果：
本发明是针对目前感染性和污染性骨缺损病例，克服普通人工骨材料的缺点研究出来的可以抗菌的人工骨替代与填充材料。由于银离子的载入是在材料成型之前，因此材料内外部银离子浓度比较均一，可以保证银离子在较长时间内降解。这样，一方面可以起到有效地抗菌、灭菌作用，防止感染性和污染性骨缺损部位的再度感染，另一方面，可以加速感染性和污染性骨缺损部位的愈合。进一步的实验证明本发明所制备的载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌24h抑菌率均达100％。
具体实施方式
实施例1
1)称取5g羟基磷灰石/碳纳米管粉体(碳纳米管质量分数5％)，加入到100mL去离子水中，超声波震荡30min，形成稳定的悬浮液；
2)称取1g硝酸银，加入到100mL去离子水中，配成硝酸银溶液；
3)量取10mL如步骤2)所得硝酸银溶液，在机械搅拌下缓慢加入到步骤1)所述悬浮液中；
4)将步骤3)所得悬浮液在20℃下搅拌60min，所得沉淀经离心、醇洗、干燥，得到载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；
5)将步骤4)所得复合粉体热压烧结(氮气保护，1100℃保温20min，升温速度40℃/min)，即可得到抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。
实施例2
1)称取5g羟基磷灰石/碳纳米管粉体(碳纳米管质量分数10％)，加入到100mL去离子水中，超声波震荡30min，形成稳定的悬浮液；
2)称取1g硝酸银，加入到100mL去离子水中，配成硝酸银溶液；
3)量取50mL如步骤2)所得硝酸银溶液，在机械搅拌下缓慢加入到步骤1)所述悬浮液中；
4)将步骤3)所得悬浮液在30℃下搅拌60min，所得沉淀经离心、75％(v/v)乙醇洗、干燥，得到载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；
5)将步骤4)所得复合粉体热压烧结(氮气保护，1100℃保温20min，升温速度40℃/min)，即可得到抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。
实施例3
1)称取5g羟基磷灰石/碳纳米管粉体(碳纳米管质量分数15％)，加入到100mL去离子水中，超声波震荡30min，形成稳定的悬浮液；
2)称取1g硝酸银，加入到100mL去离子水中，配成硝酸银溶液；
3)量取20mL如步骤2)所得硝酸银溶液，在机械搅拌下缓慢加入到步骤1)所述悬浮液中；
4)将步骤3)所得悬浮液在40℃下搅拌80min，所得沉淀经离心、醇洗、干燥，得到载银羟基磷灰石/碳纳米管复合粉体；
5)将步骤4)所得复合粉体热压烧结(氮气保护，1100℃保温20min，升温速度40℃/min)，即可得到抗菌性载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨。
上述实施例中所述羟基磷灰石/碳纳米管粉体的制备采用原位合成法，详见“卢志华，孙康宁，赵中帆.原位合成制备碳纳米管/羟基磷灰石复合粉体.硅酸盐学报.2007年35卷2期”。
上述3个实施例所得到的载银羟基磷灰石/磁纳米管复合人工骨样品进行下列检测：
经过Rigaku D/MAX-VA-X-ray衍射仪分析证实：载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨为羟基磷灰石和碳纳米管的复合体。
经过JEM-100Cx II能谱分析证实：载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨含有钙、磷、氧和银元素。
经过最小抑菌浓度(MIC)测定和抑菌率测定证实：载银羟基磷灰石/碳纳米管复合人工骨对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有良好的杀菌作用，其24h抑菌率均达100％。