一种纳米仿生骨材料及其制备方法 【技术领域】
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种纳米仿生骨材料及其制备方法。
背景技术
天然骨是一种多层次组装结构并且具有完美优异性能的生物矿化复合物，其有机成分主要是I型胶原蛋白(collagen)，无机成分主要是纳米羟基磷灰石(hydroxyapatite)。近年来的研究表明，骨组织的形成主要包括纤维状胶原的自组装和纳米羟基磷灰石的定向沉积的两个过程，并且这两个过程同时进行，相互作用。因此目前模板组装方法是获得高度仿生的最佳策略。然而现有的研究几乎都局限于单一模板对无机晶体纳米羟基磷灰石成核的调节和控制上，而我们天然骨的形成是一个多模板协同共组装的结果，因此受到自然界的启发，我们首次提出了基于双模板协同共组装的来制备纳米仿生骨的研究新策略。是对现有单一模板机制研究的一个重要突破和巨大补充。
细胞外基质(extracellular matrix)是由大分子构成的错综复杂的网络结构。细胞外基质的主要成分包括蛋白质和多糖类。由于这些细胞外基质的大分子物质具有良好的生物相容性和可降解性。利用这些细胞外基质的有机大分子模板的组装来调控和诱导无机晶体的定向生长是目前研究生物矿化骨材料的首选方案，有机大分子通过自组装或协同共组装形成一个规则地有导向成核位点的空间框架，这个框架模板的形状、尺寸以及排列方式都调控无机晶体的成核和生长。一种分子模板只可能提供一种成核位点和一个活性中心，晶体在这样的分子模板上生长导致方向单一，结构层次也较为简单，无法获得高度仿生的多层次优异结构的材料。因此我们提出采用双模板协同共组装新策略来制备结构和性能更加完善的仿生骨材料。通过选择结构相配，功能互补的两个分子模板来同时调控晶体的生长，使晶体多矢量生长方向，结构层次复杂且有规律性。这种基于双模板协同共组装获得的仿生骨材料，不仅具有良好的生物相容性，骨传导性和骨诱导性，还具有可控的降解特性和优异的机械性能。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提出了一种纳米仿生骨材料及其制备方法，它克服现有的单模板组装的仿生骨材料的不足，它不仅在成分上模拟了天然骨的组成，更在结构上对天然骨进行了高度仿生，该材料具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性，可控降解性及优异的机械性能。
本发明中提出的一种纳米仿生骨材料，其特征在于，它基于双分子模板协同共组装生成，该双分子模板主要包括蛋白质与蛋白质分子模板、蛋白质与多糖分子模板、多糖与多糖分子模板、合成分子与合成分子模板及合成分子模板与天然分子模板。
优选的，所述蛋白质分子模板主要包括胶原蛋白、骨形态发生蛋白、纤连蛋白、层连蛋白、骨唾液酸蛋白、丝素蛋白、血清蛋白中的任何一种。
优选的，多糖分子模板主要包括氨基聚糖、蛋白聚糖、硫酸软骨素、透明质酸、壳聚糖中任何一种。
优选的，所述天然分子模板为所述的蛋白质和多糖分子以及对其进行改性、接枝和交联中的任何一种。
优选的，所述合成分子模板为所述蛋白质分子模板和多糖分子模板的改性、接枝和交联、合成的两性多肽分子、合成的两性自组装分子中的任何一种。
本发明中提出的上述纳米仿生骨材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、分别准备两种一定量的分子模板材料；
步骤2、分别将两种分子模板在特定的溶剂中溶解；当分子模板选用胶原蛋白、纤连蛋白、层连蛋白、氨基聚糖、蛋白聚糖、壳聚糖时，用稀酸作为溶剂；当分子模板选用骨形态发生蛋白、骨唾液酸蛋白、血清蛋白、硫酸软骨素、透明质酸、合成的两性多肽分子、合成的自组装分子时，用去离子水作为溶剂；当分子模板选用丝素蛋白时，用钙醇三元溶液作为溶剂；
步骤3、按照钙磷摩尔比为5∶3的要求，分别配制一定量的钙离子溶液和磷酸根离子溶液，其中，钙离子溶液的浓度为0.01‑1mol/L水溶液，磷酸根离子溶液浓度为0.006‑0.6mol/L；
步骤4、将一种分子模板溶液与钙离子溶液来混合，同时将另一种分子模板溶液与磷酸根离子溶液混合，中速搅拌混合均匀后，静置让其进行自组装至稳定状态，保证双模板协同共组装；
步骤5、将含有磷酸根离子的溶液逐滴加入到含有钙离子的溶液中，使混合溶液中分子模板∶羟基磷灰石的质量比为3∶7(理论值)，这与天然骨成分中有机无机成分的质量比例相一致。然后将混合溶液pH调至7.4；再转至37℃恒温水浴24至36小时，得到的沉淀样品。在本步骤中，仿生的羟基磷灰石在双模板上原位合成，形成具有高度仿生组装结构的纳米骨材料。
进一步的，本发明该方法包括以下步骤：
步骤6、将所述步骤5中得到的沉淀样品，除去上清，离心分离出沉淀，用三蒸水反复洗涤至中性，将洗涤后的沉淀样品放入冻干机内冷冻至干燥状态，待干燥后研磨成粉。用三蒸水反复洗涤至中性是为了确保其中的盐离子彻底洗净，避免污染新合成的材料。
更进一步的，本发明还包括以下步骤：
步骤7、取所述步骤6中得到的一定量的粉体材料，置于静等压成型机进行塑形，保存备用。利用静等压将粉体材料进行塑形，以便进行后续的生物相容性和机械性能检测，也有利于长期保存备用。
作为一种优选的制备方法，所述钙离子溶液包括四水硝酸钙、一水乙酸钙、氯化钙、氢氧化钙溶液中的任一种；所述的磷酸根离子溶液包括磷酸氢二铵(钠、钾)、磷酸二氢铵(钠、钾)、磷酸溶液中的任一种。
本发明首次描述了一种基于双模板协同共组装的纳米仿生骨材料及其制备方法，该发明填补了目前利用模板组装法制备仿生纳米材料在双模板领域里的空白。实验结果表明，双模板法制备的纳米材料的最突出的优点是结构仿生，多层次的结构产生优异的机械性能。双模板法导向合成的无机晶体形貌与天然骨中高度接近。
【附图说明】
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1实施例1在I型胶原蛋白和血清蛋白双模板调控下得到的粉体材料静压成圆片图。
图2实施例2在丝素蛋白和II型胶原蛋白双模板调控下生长的纳米羟基磷灰石TEM图。
图3实施例5在骨形态发生蛋白和两性短肽双模板调控下定向生长排列的纳米羟基磷灰石HRTEM图。
【具体实施方式】
实施例1
1)称取I型胶原蛋白(collagen I，COL I)0.5g溶解在0.5M乙酸溶液中，配制浓度为5mg/ml的胶原溶液100ml，为了保持胶原蛋白的活性，整个反应过程在4℃环境中进行。
2)称取牛血清蛋白(bovine serum albumin，BSA)0.5g溶解在去离子水中，配制浓度为5mg/ml的血清蛋白溶液100ml，血清蛋白的纯度对实验的影响很大，所以要选用纯度高的血清蛋白，本实施例中使用的是牛血清蛋白(细胞培养级)。
3)分别配制200ml的0.1mol/L硝酸钙水溶液和0.06mol/L磷酸氢二铵，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将胶原溶液与硝酸钙溶液混合形成Ca‑COL I，同时将配制的血清蛋白溶液与磷酸氢二铵溶液混合形成P‑BSA，轻轻搅拌1小时后；将P‑BSA逐滴加入到Ca‑COL I中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用氨水将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例2
1)称取丝素蛋白(silk fibroin，SF)冻干粉0.5g溶解在氯化钙、无水乙醇和去离子水配制的三元溶剂中(氯化钙∶乙醇∶水＝1∶2∶8)，然后用截留分子量为12000的透析带透析丝素蛋白的钙醇溶液，最后得到浓度为5mg/ml的纯丝素蛋白溶液100ml。
2)称取II型胶原蛋白(collagen，COL II)0.5g溶解在0.5M乙酸溶液中，配制浓度为5mg/ml的胶原溶液100ml，为了保持II型胶原蛋白的活性，整个反应过程在4℃环境中进行。
3)分别配制200ml的0.1mol/L一水乙酸钙溶液和0.06mol/L磷酸氢二钠，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4) 将胶原溶液与乙酸钙溶液混合形成Ca‑COL II，同时将配制的丝素蛋白溶液与磷酸氢二钠溶液混合形成P‑SF，轻轻搅拌1小时后；将P‑SF逐滴加入到Ca‑COL II中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M氢氧化钠将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例3
1)称取V型胶原蛋白(collagen V，COL I)0.5g溶解在0.5M乙酸溶液中，配制浓度为5mg/ml的胶原溶液100ml，为了保持胶原蛋白的活性，整个反应过程在4℃环境中进行。
2)称取透明质酸(hyaluronic acid，HA，分子量是5KD)0.5g溶解在去离子水中，配制浓度为5mg/ml的透明质酸溶液100ml，透明质酸的纯度对实验的影响很大，所以要选用纯度高的透明质酸，本实施例中使用的是透明质酸(细胞培养级)。
3)分别配制200ml的0.1mol/L硝酸钙水溶液和0.06mol/L磷酸二氢铵，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将胶原溶液与硝酸钙溶液混合形成Ca‑COL V，同时将配制的透明质酸溶液与磷酸氢二铵溶液混合形成P‑HA，轻轻搅拌1小时后；将P‑HA逐滴加入到Ca‑COL V中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用氨水将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例4
1)称取硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)0.5g溶解在去离子水中，配制浓度为5mg/ml的溶液100ml，硫酸软骨素的纯度对实验的影响很大，所以要选用纯度高的硫酸软骨素，本实施例中使用的是硫酸软骨素(医用级)。
2)称取透明质酸(hyaluronic acid，HA，分子量是5KD)0.5g溶解在去离子水中，配制浓度为5mg/ml的透明质酸溶液100ml，透明质酸的纯度对实验的影响很大，所以要选用纯度高的透明质酸，本实施例中使用的是透明质酸(细胞培养级)。
3)分别配制200ml的0.1mol/L氯化钙水溶液和0.06mol/L磷酸二氢钾，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将硫酸软骨素溶液与氯化钙溶液混合形成Ca‑CS，同时将配制的透明质酸溶液与磷酸氢二铵溶液混合形成P‑HA，轻轻搅拌1小时后；将P‑HA逐滴加入到Ca‑CS中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M的氢氧化钾将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例5
1)采用多肽固相合成法来合成两性短肽分子(peptide‑amphiphiles，PA)，该短肽有22个氨基酸组成，一端高度疏水，另一端高度亲水，并且包含细胞促粘附因子的RGD序列，取该合成的多肽50mg溶于去离子水中，配制浓度为1mg/ml的两性短肽分子溶液50ml。
2)称取骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein‑2，BMP‑2)50mg溶解在去离子水中，配制浓度为1mg/ml的溶液50ml。
3)分别配制200ml的0.01mol/L硝酸钙水溶液和0.006mol/L磷酸二氢钾，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将两性短肽分子溶液与硝酸钙溶液混合形成Ca‑PA，同时将配制的骨形态发生蛋白2溶液与磷酸二氢钾溶液混合形成P‑BMP‑2，轻轻搅拌1小时后；将P‑BMP‑2逐滴加入到Ca‑PA中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M的氢氧化钾将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例6
1)采用多肽固相合成法来合成两性短肽分子(peptide‑amphiphiles，PA)，该短肽有22个氨基酸组成，一端高度疏水，另一端高度亲水，并且包含细胞促粘附因子的RGD序列，取该合成的多肽50mg溶于去离子水中，配制浓度为1mg/ml的两性短肽分子溶液50ml。
2)称取壳聚糖(chitosan，CTS，分子量是25KD，脱乙酰度为95％)50mg溶解在0.5M乙酸溶液中，配制浓度为1mg/ml的溶液50ml。
3)分别配制200ml的0.01mol/L硝酸钙水溶液和0.006mol/L磷酸氢二钠，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将两性短肽分子溶液与硝酸钙溶液混合形成Ca‑PA，同时将配制的壳聚糖溶液与磷酸二氢钾溶液混合形成P‑CTS，轻轻搅拌1小时后；将P‑CTS逐滴加入到Ca‑PA中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M的氢氧化钠将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例7
1)通过超分子自组装合成了两性水凝胶材料(gelatin‑alphiphile，GA)，该水凝胶材料是一种温敏性控制的两性材料。称取该水凝胶材料0.5g，配制浓度为1％的水凝胶溶液50ml，0.22μm的滤膜过滤。
2)称取I型胶原蛋白0.5g溶解在0.5M乙酸溶液中，配制浓度为5mg/ml的胶原溶液100ml，为了保持胶原蛋白的活性，整个反应过程在4℃环境中进行。
3)分别配制200ml的0.1mol/L硝酸钙水溶液和0.06mol/L磷酸氢二铵，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将I型胶原蛋白溶液与硝酸钙溶液混合形成Ca‑COL，同时将配制的两性水凝胶材料溶液与磷酸二氢铵溶液混合形成P‑GA，轻轻搅拌1小时后；将P‑GA逐滴加入到Ca‑COL中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M的氨水将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
实施例8
1)采用多肽固相合成法来合成两性短肽分子(peptide‑amphiphiles，PA)，该短肽有22个氨基酸组成，一端高度疏水，另一端高度亲水，并且包含细胞促粘附因子的RGD序列，取该合成的多肽50mg溶于去离子水中，配制浓度为1mg/ml的两性短肽分子溶液50ml。
2)通过超分子自组装合成了两性水凝胶材料(gelatin‑alphiphile，GA)，该水凝胶材料是一种温敏性控制的两性材料。称取该水凝胶材料50mg，配制浓度为1mg/ml的水凝胶溶液50ml。
3)分别配制200ml的0.01mol/L氯化钙水溶液和0.006mol/L磷酸二氢钠，钙磷摩尔比为5∶3，然后分别用0.22μm的滤膜过滤一次保存备用。这是为了消除杂质成分对模板组装和晶体生长的影响。
4)将两性短肽分子溶液与氯化钙溶液混合形成Ca‑PA，同时将配制的两性水凝胶材料溶液与磷酸二氢铵溶液混合形成P‑GA，轻轻搅拌1小时后；将P‑GA逐滴加入到Ca‑PA中，得到分子模板∶羟基磷灰石的质量比＝3∶7的混合溶液；用0.01M的氢氧化钠将混合溶液pH调至7.4。
5)将混合后中性溶液转移至37℃恒温水浴锅中过夜反应24小时，确保溶液部分全部浸没在液面以下，在正常的生理温度和酸碱度下来模拟生物矿化的过程。
6)反应完成后的沉淀样品，弃去上清，离心分离出沉淀，用去离子水反复洗至中性。
7)洗涤后的沉淀放入冻干机内冷冻干燥48小时，待干燥后研磨成粉，包装保存。
8)将冻干研磨后的部分粉体材料在10Mpa压力下静压成直径是8mm的圆片状材料，保存备用。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。