技术领域
[0001] 本
发明属于
生物医用材料领域，具体涉及一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 硅(silicon,Si)是动物体内天然拥有的一种微量元素，存在于众多组织器官中。并且硅元素已经被证实是新骨生长和软骨发育必需的一种微量元素，而在骨缺损的修复研究方面，含硅
生物材料表现出明显优于传统Ca-P材料的诸多优势。因此，将Si元素引入
骨修复材料中将能够赋予这类传统生物医用材料更优异的生物学特性，在骨缺损修复中将更好地发挥Si元素的功能性。
[0003] 天然骨主要是由无机成分和有机成分两大部分组成，其中无机成份主要是低结晶的羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，而有机成分则主要由蛋白和多糖类物质构成。其中羟基磷灰石在天然骨中的重量约有60％，是天然骨组织的主要无机成分。并且羟基磷灰石具有良好的
生物相容性以及
骨传导性，在骨修复材料领域得到广泛的应用。鉴于上述Si元素在骨修复中的重要作用，目前已有相关研究人员利用湿化学沉淀法、
水热法、干法方法制备出Si掺杂羟基磷灰石。
[0004] 天然骨材料具有非常精妙的从微观到宏观的复杂多级结构，从而使之具有高强度和高韧性的优异性能，其主要原因在于天然骨形成过程中的生物矿化过程，其本质也就是由有机分子模板进行原位生物矿化形成基于模板/羟基磷灰石逐级组装的有机/无机
复合材料。与一般无机沉淀合成方法比较，生物矿物具有以下三个显著的优点：1)矿化结构有序，其强度和韧性明显提高；2)生物矿化一般是具有择优的晶体生长取向；3)有机质与矿物质具有明显的相互作用；矿物质是基于整个生物代谢过程中形成，并参与代谢。因此由有机分子模板介导无机成分的矿化沉积是一个非常有效的制备仿生骨修复材料的重要方法。
发明内容
[0005] 本发明针对
现有技术的不足，目的在于提供一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料及其制备方法。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种模板介导合成含硅羟基磷灰石材料，所述含硅羟基磷灰石材料具有有序定向生长的结构，由模板介导合成，其中硅含量为0.1wt％～1.6wt％，硅以
硅酸根的形式掺杂在羟基磷灰石晶格中。
[0008] 上述模板介导合成含硅羟基磷灰石材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)提供硅源，模板溶液，
钙源溶液和磷源溶液；
[0010] (2)将模板溶液与钙源溶液和/或磷源溶液混合；调节含钙溶液的pH值为中性，缓慢加入硅源，然后在搅拌条件下逐滴加入含磷溶液，再调节反应体系pH值至所需pH，持续反应一段时间，停止搅拌，静置，收集沉淀，再经洗涤、
冷冻干燥后得到含硅羟基磷灰石材料；
[0011] 当所述模板为单模板且为非丝素蛋白模板时，所述含钙溶液为模板溶液与钙源溶液的混合，所述含磷溶液为磷源溶液；当所述模板为单模板且为丝素蛋白模板时，所述含钙溶液为钙源溶液，所述含磷溶液为模板溶液与磷源溶液的混合；
[0012] 当所述模板为双模板且两种模板均为非丝素蛋白时，所述含钙溶液为双模板中的任一种模板与钙源溶液的混合，所述含磷溶液为双模板中的另一种模板与磷源溶液的混合；
[0013] 当所述模板为双模板且其中一种模板为丝素蛋白时，所述含磷溶液为丝素蛋白模板与磷源溶液的混合，所述含钙溶液为另一种模板与钙源溶液的混合。
[0014] 上述方案中，钙源溶液以钙元素计，磷源溶液以磷元素计，硅源以硅元素计，所述钙元素：(磷元素+硅元素)的摩尔比为5：3；所述磷元素：硅元素的摩尔比为9:1～167:1。
[0015] 上述方案中，所述模板溶液中的模板与含硅羟基磷灰石的
质量比值为3：7。
[0016] 上述方案中，所述硅源为正硅酸乙酯。
[0017] 上述方案中，步骤(2)所述反应体系pH值为7.4。
[0018] 上述方案中，步骤(2)所述反应时间为24～36h。
[0019] 上述方案中，所述单模板为分子模板或复合分子模板，所述分子模板选自
蛋白质模板、多糖类模板和合成高分子模板中的一种，所述复合分子模板是由分子模板交联得到；所述双模板为两种单模板的组合。
[0020] 上述方案中，所述蛋白质模板为
胶原蛋白模板、丝素蛋白模板、纤连蛋白模板、层连蛋白模板和血清蛋白模板中的一种。
[0021] 上述方案中，所述多糖类模板为透明质酸模板、
硫酸软骨素模板、壳聚糖模板、海藻酸钠模板和细菌
纤维素模板中的一种。
[0022] 上述方案中，所述合成高分子模板为合成两亲肽(PAN)模板、溴化十六烷基三甲铵(CTAB)模板、聚
丙烯酸(PAA)模板、
乙二胺四乙酸(EDTA)模板、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)模板和聚乙烯(PVP)模板中的一种。
[0023] 上述方案中，所述复合分子模板为分子模板通过交联剂或缩肽剂交联得到，所述交联为多种分子模板之间的互交联或同一种分子模板中多个模板的内交联。
[0024] 本发明中，所述模板溶液的浓度选自3～10mg/ml，所述钙源溶液的浓度选自0.05-0.1mol/L，所述磷源溶液的浓度选自0.03～0.06mol/L。本发明中，当模板选用丝素蛋白、透明质酸、硫酸软骨素、海藻酸钠、复合分子模板时，用去离子水作为
溶剂；当模板选用胶原蛋白、纤连蛋白、壳聚糖、层连蛋白时，用稀酸作为溶剂。
[0025] 本发明的有益效果如下：本发明提供了一种模板介导合成含硅羟基磷灰石材料的方法，采用合适的工艺条件制备获得的含硅羟基磷灰石材料具有有序的定向生长结构，其中硅含量为0.1wt％～1.6wt％，硅以硅酸根的形式取代
磷酸根掺杂在羟基磷灰石晶格中；所述含硅羟基磷灰石材料的强度和韧性明显提高，且可以充分发挥硅元素在骨缺损修复中的促进作用，是一种优选的骨修复替代材料；本发明所述制备方法操作简单，条件易于控制，具有实际的应用价值。
附图说明
[0026] 图1为
实施例1在丝素蛋白介导下合成的含硅羟基磷灰石粉体的XRD图谱。
[0027] 图2为实施例3在胶原蛋白和丝素蛋白双模板介导下合成的含硅羟基磷灰石粉体的XRF图谱。
[0028] 图3为实施例4在硫酸软骨素和透明质酸双模板介导下合成的含硅羟基磷灰石晶体高分辨透射
电子显微镜观察结果。
[0029] 图4为HA和Si-HA
晶体结构理论模型，其中a为HA的晶
体模型，b为Si-HA的晶体模型，硅酸根取代磷酸根掺杂在羟基磷灰石晶格中。
具体实施方式
[0030] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0031] 实施例1
[0032] 一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料，通过如下方法制备得到：
[0033] (1)称取丝素蛋白(silk fibroin,SF)0.6g溶解于100ml去离子水中，过滤去除杂质，得到浓度为6mg/ml的丝素蛋白溶液；
[0034] (2)称取3.29g四水
硝酸钙溶于200ml去离子水，获得钙源溶液；
[0035] (3)称取1.052g磷酸氢二铵粉末溶于200ml去离子水，得到磷源溶液，将上述丝素蛋白溶液与磷源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，获得丝素蛋白模板-磷溶液；
[0036] (4)将钙源溶液置于37℃恒温水浴锅中搅拌，调节pH至7以后，取88.6μL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢加入钙源溶液中，得到钙硅溶液；
[0037] (5)将丝素蛋白模板-磷溶液逐滴加入到37℃持续搅拌的上述钙硅溶液中，用
氨水调节pH值为7.4；继续反应24h后停止搅拌，静置12h后收集沉淀，再用去离子水反复抽滤洗涤3次以上；随后冷冻干燥所得粉末即为丝素蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末。
[0038] 本实施例制备得到的丝素蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末的XRD图如图1所示。由图1可见，该物质的XRD图谱中在2θ为28°、32°等
位置出现明显的HA特征衍射峰，(PDF卡片9-432)与HA标准卡片所给出的特征峰相符合。因此，此产物主相为HA，但是产物(Si-HA)的特征衍射峰与HA标准卡特征峰相比有宽化现象，表明Si的掺杂使材料的结晶度降低，粒径变小。所述丝素蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末经XRF检测结果可知，其中硅含量为0.78wt％。
[0039] 实施例2
[0040] 一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料，通过如下方法制备得到：
[0041] (1)称取I型胶原蛋白(Collagen,COL I)0.6g溶解于浓度为0.5％(v/v％)的100ml
醋酸溶液中，过滤去除杂质，得到浓度为6mg/ml的I型胶原蛋白溶液；
[0042] (2)称取1.546g
氯化钙溶于200ml去离子水得到钙源溶液，将上述I型胶原蛋白溶液与钙源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，得到胶原蛋白模板-钙溶液；
[0043] (3)称取1.10g磷酸氢二钠溶于200ml去离子水，溶解完全后，得到磷源溶液；
[0044] (4)将上述胶原蛋白模板-钙溶液置于37℃恒温水浴锅中搅拌，并用浓度为1M的NaOH溶液将pH调节至7以后，取132.9μL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢加入胶原蛋白模板-钙溶液中，得到钙硅溶液；
[0045] (5)将磷源溶液逐滴加入到上述钙硅溶液中，持续搅拌，最后用浓度为1M的NaOH溶液调节pH值为7.4；继续反应24h后停止搅拌，静置12h后收集沉淀，再用去离子水反复抽滤洗涤3次以上；冷冻干燥所得粉末即为I型胶原蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末。
[0046] 本实施例制备得到产物经XRD分析可知：产物为I型胶原蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末，所述I型胶原蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末经XRF检测结果可知，其中的硅含量为1.095wt％。
[0047] 实施例3
[0048] 一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料，通过如下方法制备得到：
[0049] (1)称取I型胶原蛋白(Collagen,COL I)0.3g溶解于浓度为0.5％(v/v％)的50ml醋
酸溶液中，过滤去除杂质，得到浓度为6mg/ml的胶原蛋白溶液；
[0050] (2)称取1.032g氢
氧化钙粉末溶于200ml去离子水，得到钙源溶液，将上述胶原蛋白溶液与钙源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，得到胶原蛋白模板-钙溶液；
[0051] (3)另取丝素蛋白0.3g溶解于50ml去离子水中，过滤去除杂质，得到6mg/ml的丝素蛋白溶液；
[0052] (4)称取1.0456g磷酸二氢铵溶于200ml去离子水，溶解完全后，得到磷源溶液，将步骤(3)所得丝素蛋白溶液与磷源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，得到丝素蛋白模板-磷溶液；
[0053] (5)将胶原蛋白模板-钙溶液置于37℃恒温水浴锅中搅拌，调节pH至7以后，取100.2μL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢加入胶原蛋白模板-钙溶液中；
[0054] (6)将步骤(4)所得丝素蛋白模板-磷溶液逐滴加入步骤(5)所得的胶原蛋白模板-钙溶液中，持续搅拌，并用氨水调节pH值为7.4；继续反应24h后停止搅拌，静置12h后收集沉淀，再用去离子水反复抽滤洗涤3次以上；冷冻干燥所得粉末即为丝素/胶原蛋白双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末。
[0055] 本实施例制备得到产物经XRD分析可知：产物为丝素/胶原蛋白双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末，说明硅元素成功参入羟基磷灰石材料中。本实施例所得丝素/胶原蛋白双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末的XRF检测结果如图2所示，由此结果可见，丝素/胶原蛋白双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末中硅元素含量为0.85wt％，与理论硅含量0.9wt％比较接近。
[0056] 实施例4
[0057] 一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料，通过如下方法制备得到：
[0058] (1)称取医用级硫酸软骨素(chnodroitin sulfate，CS)0.3g溶解于50ml去离子水中，配置浓度为6mg/ml的硫酸软骨素蛋白模板溶液；
[0059] (2)称取3.29g四水硝酸钙溶于200ml去离子水得到钙源溶液，并将步骤(1)所得硫酸软骨素蛋白模板溶液与钙源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，得到硫酸软骨素蛋白模板-钙溶液；
[0060] (3)取透明质酸(hyaluronic acid，HA，Mw：5KD)0.3g溶解于50ml去离子水中，过滤去除杂质，得到6mg/ml的透明质酸溶液；
[0061] (4)称取1.078g磷酸氢二铵溶于200ml去离子水，溶解完全后，得到磷源溶液，将步骤(3)所得透明质酸溶液与磷源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，获得透明质酸模板-磷溶液；
[0062] (5)将硫酸软骨素蛋白模板-钙溶液置于37℃恒温水浴锅中搅拌，调节pH至7以后，取44.3μL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢加入该溶液中，得到钙硅溶液；
[0063] (6)将步骤(4)所得透明质酸模板-磷溶液逐滴加入到步骤(5)所得钙硅溶液中，持续搅拌，最后用氨水调节pH值为7.4；继续反应24h后停止搅拌，静置12h后收集沉淀，再用去离子水反复抽滤洗涤3次以上；冷冻干燥所得粉末即为透明质酸/硫酸软骨素双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末。
[0064] 本实施例制备得到产物经XRD分析可知：产物为透明质酸/硫酸软骨素双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末，所述透明质酸/硫酸软骨素双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末经XRF检测结果可知，其中的硅含量为0.369wt％。本实施例所得透明质酸/硫酸软骨素双模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末的高分辨透射电镜所得结果如图3所示，由图3可见，该硅参杂羟基磷灰石具有有序的定向生长结构。
[0065] 实施例5
[0066] 一种模板介导合成的含硅羟基磷灰石材料，通过如下方法制备得到：
[0067] (1)分别称取1g纤连蛋白模板和0.1g
牛血清
白蛋白，以NHS/EDC为催化剂，制备复合分子模板；将复合分子模板溶解于去离子水中，配置浓度为6mg/ml的复合分子蛋白模板溶液；
[0068] (2)称取3.29g四水硝酸钙溶于200ml去离子水得到钙源溶液，将步骤(1)所得复合分子蛋白模板溶液与钙源溶液混合，搅拌均匀后静置1h，得到复合分子蛋白模板-钙溶液；
[0069] (3)称取1.00g磷酸氢二铵溶于200ml去离子水，溶解完全后得到磷源溶液；
[0070] (4)将复合分子蛋白模板-钙溶液置于37℃恒温水浴锅中搅拌，调节pH至7以后，取177.3μL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢加入该溶液中，获得钙硅溶液；
[0071] (5)将步骤(3)所得磷源溶液逐滴加入步骤(4)所得钙硅溶液中，持续搅拌，用氨水调节pH值为7.4；继续反应24h后停止搅拌，静置12h后收集沉淀，再用去离子水反复抽滤洗涤3次以上；冷冻干燥所得粉末即为复合分子蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末。
[0072] 本实施例制备得到产物经XRD分析可知：产物为复合分子蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末，所述复合分子蛋白模板介导的硅掺杂羟基磷灰石粉末经XRF检测结果可知，其中的硅含量为1.532wt％。
[0073] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
