纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及材料领域，公开了一种纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，以生物活性高分子为填充材料，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃为支架；其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％。制备方法包括以下步骤：(1)取掺杂稀土元素的多孔微球状纳米级生物玻璃生物与活性高分子溶液均匀混合，得到混合浆料；(2)混合浆料冷冻干燥成型，制成纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料。本发明专利技术方法简单，操作方便，对环境友好，合成的掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃/高分子三维多孔材料具有良好的生物相容性和骨再生性，在骨修复材料领域具有良好的应用前景。

Nano bioactive glass / polymer porous material and preparation method and application thereof

The present invention relates to the field of materials and discloses a nano bioactive glass / polymer porous materials, biological polymer filling material, rare earth doped porous microsphere nano bioglass scaffold; its diameter is 5 ~ 500 m, the porosity of 40% ~ 90%. The preparation method comprises the following steps: (1) porous microspheres like nanoscale bioactive glass and biological activity of polymer solution doped with rare earth element mixed evenly mixed slurry; (2) mixed slurry freeze drying, made of nano bioactive glass / polymer three-dimensional porous composite material. The invention has simple method, convenient operation, friendly to the environment, the synthesis of rare earth doped microsphere nano bioactive glass / polymer porous materials with compatibility and bone regeneration of good biological and has good application prospect in the field of bone repair materials.

【技术实现步骤摘要】
纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料领域，生物材料领域、无机非金属材料领域、无机金属材料领域和有机物材料领域，具体为一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料及其制备方法。技术背景严重的骨创伤或骨肿瘤切除术后往往会遗留或大或小的骨缺损，临床医生需要应用各种骨修复材料对其进行填补、修复。虽然自体骨移植向来是修复骨缺损“金标准”，但其存在增加创伤、骨量受限、供区并发症等缺点，而异体骨移植也因为可能传播疾病、发生免疫排斥反应而影响了广泛应用。自1960年制备出生物玻璃以来，生物玻璃凭借自身良好的生物相容性和生物降解性和对于缺损骨良好的再生能力，在过去的40多年中，生物玻璃引起了广大研究者的兴趣。熔融法生物玻璃是第一代生物玻璃，其产品已经在整形外科和牙科等临床中得到很好的应用，已经取得了良好的治疗效果。但是熔融法自身存在一些不容忽视的缺点，比如高温熔融工艺能耗较大，研磨过筛进一步导致有害杂质掺杂且导致颗粒形貌不规则、粒度不均匀等现象。为了解决传统生物活性玻璃结构、形态不可控等问题，模板自组装技术结合溶胶凝胶制备生物玻璃是一种新型的制备生物玻璃的方法。溶胶凝胶生物玻璃是一类新型的医用生物活性材料，可以用于制备骨修复材料及骨组织工程支架。溶胶凝胶发生物玻璃突破了传统制备生物玻璃的缺点，能够使生物玻璃中SiO2在生物玻璃组分含量提高至90％，这也促使生物玻璃有更广的应用范围。相比于熔融法制备的生物玻璃，溶胶凝胶法制备的生物玻璃具有纳米结构，从而使生物玻璃具有更大的比表面积和更高的生物活性。但是目前大多数的研究人员利用溶胶凝胶法在制备生物玻璃时，主要是在酸性条件下制备生物玻璃。相比与酸性条件制备生物玻璃，碱性条件下，溶胶凝胶生物玻璃可以很好的控制生物玻璃的形貌。但是，制备的纳米级的生物玻璃粉末难以直接应用于骨修复方便，如何固定生物玻璃粉末，让生物玻璃粉末在进行骨修复，也是一个比较困难的问题。中国专利申请105541086A，公开了一种制备多孔生物玻璃支架的方法，制备了一种孔隙率高、贯通性好、孔径可控的生物玻璃支架方法。中国专利申请CN106267374A，公开了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，提供了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备方法，该生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架可应用于针对骨缺损的修复及治疗，具有良好的生物相容性、有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解。目前大多数研究人员制备生物玻璃时，主要是通过掺杂少量的微量元素来提高生物玻璃的生物活性。例如，在生物玻璃中掺杂Sr、Zn、Mg和Si等微量元素，它们对细胞的增殖、骨矿化和提高骨强度等发挥着重要的作用。稀土离子虽然不是一种生命必需金属元素，但近年来随着稀土在工农业、医药方面的大量应用，稀土已经越来越多的引起了众多研究者的广泛关注。很多文献已经报道，稀土离子对于细胞具有“低促高抑”的作用，即稀土离子在低浓度下，变现为对正常细胞的促进作用，稀土离子在高浓度下，变现为对正常细胞的一直作用。目前多孔支架材料的常见的制备方法有添加造孔剂法、发泡法、有泡沫浸渍法等，本专利技术采用冷冻干燥法来制备一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃三维多孔复合材料，这种制备方法简单，易于操作，而且制备的三维多孔复合材料，孔隙率高，贯通性好。基于此，本专利技术利用冷冻干燥来制备一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃多孔复合材料，这种材料具有较高的生物相同性，可用于针对骨缺损修复，在成骨能力方面有较出色的作用，有望成为骨修复的理想支架材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃/高分子多孔复合材料，该材料具有较高的空隙率，而且贯通性好，可用于骨修复。本专利技术的另一个目的是提供上述掺杂稀土元素的微球状纳米级生物玻璃/高分子多孔复合材料的制备方法，该制备工艺不仅简单而且制备周期短，生产成本低。本专利技术将上述物生物玻璃支架材料应用于骨修复领域。本专利技术的技术方案为：一种纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，具有三维多孔结构，其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％；以生物活性高分子为支架，以掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃为填充材料。优选的，作为填充材料的掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃平均表面孔径为2～3.5nm，比表面积为200～300m2/g；粒径为100～400nm，优选为200～350nm；其组成为xSiO2yP2O5wRe2O3zCaO；其中Re为稀土金属元素，选自镱、钆、铈或镧等稀土金属元素；w、x、y、z为摩尔百分数，0<x≤80％，0<y≤10％，0<z≤36％，0<w≤18％，w+x+y+z＝1。优选的，(x+y)/(w+z)＝3～8:1；x/y＝10～25:1，z/w＝2～10：1。在本专利技术的优选方式中，(x+y)/(w+z)＝5.25，x/y＝20，z/w＝3～7：1。掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.1～10，优选为1：0.3～5，更优选为1：0.5～3。所述的生物活性高分子为壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯吡咯烷酮、聚羟基丁酸酯、聚己内酯或者任意混合物。所述材料主要包含高分子材料、稀土掺杂纳米生物玻璃，拥有三维贯通的大孔结构，其孔径为5～500μm，孔隙率为40～90％，具有良好的生物相容性和生物降解性，还具有优异的促进骨再生的性能；上述稀土掺杂的生物玻璃的结构式为xSiO2yP2O5wRe2O3zCaO。上述的稀土掺杂纳米生物玻璃/壳聚糖三维多孔复合材料的制备方法，其具体步骤包括：(1)取掺杂稀土元素的多孔微球状纳米级生物玻璃生物与活性高分子溶液均匀混合，得到混合浆料；(2)混合浆料冷冻干燥成型，制成纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料。步骤(1)中，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.1～10，优选为1：0.3～5，更优选为1：0.5～3。稀土掺杂生物玻璃与生物活性高分子溶液的用量比为1g：1～200mL，优选为1g：10～100mL。生物活性高分子材料为壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯吡咯烷酮、聚羟基丁酸酯或聚己内酯。生物活性高分子用水、烃类、醇类、酸类或酯类溶解；优选的，用水或体积分数为0.1％～50％的醋酸溶液溶解；更优选的，醋酸溶液体积分数为0.5％～10％。优选的，生物活性高分子溶液为壳聚糖的醋酸溶液、胶原蛋白水溶液或醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液或醇溶液；其浓度为2g/L～饱和溶液，优选为25g/L～饱和溶液。步骤(1)中，超声去除混合浆料中的气泡。步骤(2)中，可将混合浆料置于模具中冷冻干燥成型。在-80～0℃下冷冻干燥5min～360hr，优选的干燥时间为1～120hr；更优选的，在0.1pa～10Kpa真空条件下冷冻干燥。步骤(2)冷冻干燥成型后得到的纳米生物玻璃子三维多孔复合材料洗涤至中性。优选的，步骤(2)冷冻干燥成型得到的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料用碱性溶液处理，洗涤至中性。优选的，当生物活性高分子溶液为酸性时，步骤(2)冷冻干燥成型后得到的纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料用碱性溶液处理，洗涤至中性。碱性溶液为浓度为0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，其特征在于，以生物活性高分子为填充材料，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃为支架；具有三维多孔结构，其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％。

【技术特征摘要】
1.一种纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，其特征在于，以生物活性高分子为填充材料，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃为支架；具有三维多孔结构，其大孔径为5～500μm，孔隙率40％～90％。2.权利要求1所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料，其特征在于，所述的掺杂稀土元素的多孔微球纳米生物玻璃材料的平均表面孔径为2～3.5nm，比表面积为200～300m2/g；其组成为xSiO2yP2O5wRe2O3zCaO；其中Re为稀土金属元素，选自镱、钆、铈或镧；w、x、y、z为摩尔百分数，0<x≤80％，0<y≤10％，0<z≤36％，0<w≤18％，w+x+y+z＝1；所述的生物活性高分子为壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯吡咯烷酮、聚羟基丁酸酯、聚己内酯或者任意混合物。3.权利要求1或2所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：(1)取掺杂稀土元素的多孔微球状纳米级生物玻璃与生物活性高分子溶液均匀混合，得到混合浆料；(2)混合浆料冷冻干燥成型，制成稀土掺杂纳米生物玻璃/高分子三维多孔复合材料。4.权利要求3所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料的制备方法，其特征在于，生物活性高分子溶液的溶剂为水、烃类、醇类、酸类、酯类、醇类或者其混合物；其中生物活性高分子的含量为5g/L～饱和溶液。5.权利要求3所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料的制备方法，其特征在于，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.1～10；掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子溶液的用量比为1g：1～200mL。6.权利要求3所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料的制备方法，其特征在于，掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子的质量比为1：0.3～5；掺杂稀土元素的多孔微球状纳米生物玻璃与生物活性高分子溶液的用量比为1g：10～100mL。7.权利要求3所述纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)冷冻干燥成型后的稀土掺杂纳米生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚平，陆嘉炜，唐亚奇，赵培培，柯勤飞，徐合，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31