仿生骨复合材料及其制备方法和用途[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112336916 A(43)申请公布日 2021.02.09

(21)申请号 201910725714.1(22)申请日 2019.08.07

(71)申请人 四川大学

地址 610065 四川省成都市武侯区一环路

南一段24号(72)发明人 吴方　姚瑞娟　孟国龙　张博　

何静　刘娟　(74)专利代理机构 成都虹桥专利事务所(普通

合伙) 51124

代理人 黄鑫(51)Int.Cl.

A61L 27/12(2006.01)A61L 27/22(2006.01)A61L 27/24(2006.01)A61L 27/56(2006.01)

权利要求书3页 说明书10页 附图11页

D01D 5/00(2006.01)D04H 1/728(2012.01)

(54)发明名称

仿生骨复合材料及其制备方法和用途(57)摘要

本发明涉及仿生骨复合材料及其制备方法和用途，属于医用功能材料技术领域。本发明提供了仿生骨复合材料，它是包含下述组分的原料制备而成的：明胶和/或胶原、羟基磷灰石和硅源。本发明还提供了所述复合材料的制备方法以及在制备骨修复材料中的用途。本发明提供的高度仿生化的具有纤维网络结构的复合材料可为细胞提供与天然骨相似的微环境，符合骨组织工程的生物学要求，有望成为一种用于骨修复的理想的活性支架。

CN 112336916 ACN 112336916 A

权　利　要　求　书

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1.仿生骨复合材料，其特征是：它是包含下述组分的原料制备而成的：明胶和/或胶原、羟基磷灰石和硅源。

2.如权利要求1所述的复合材料，其特征是：所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原5～35份、羟基磷灰石0.2～30份、硅源0.001～5份，硅源以硅元素的重量计；优选地，所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原10.4～15.6份、羟基磷灰石1.6～2.4份、硅源0.0128～0.0192份，硅源以硅元素的重量计；进一步优选地，所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原13份、羟基磷灰石2份、硅源0.016份，硅源以硅元素的重量计。

3.如权利要求1或2所述的复合材料，其特征是：所述复合材料为静电纺丝纤维膜。4.如权利要求1～3任意一项所述的复合材料，其特征是：由下述方法制备得到：a、将羟基磷灰石和硅源置于水中充分搅拌，然后除去水分，得到掺硅羟基磷灰石，备用；

b、将掺硅羟基磷灰石与明胶和/或胶原均匀混合，即可。5.如权利要求4所述的复合材料，其特征是：步骤a所述掺硅羟基磷灰石的合成方法为：a1、取Ca(NO3)2与硅源，置于水中充分搅拌；a2、将(NH4)2HPO4水溶液加入到搅拌中的Ca(NO3)2和硅源的溶液中，在此过程中加入pH调节剂使溶液的pH保持在10±1，充分搅拌所得混合溶液，陈化，得到掺硅羟基磷灰石先驱液；

a3、将掺硅羟基磷灰石先驱液固液分离，收集固相，干燥，即可。6.如权利要求5所述的复合材料，其特征是：满足以下至少一项：步骤a1于60～80℃充分搅拌；优选地，步骤a1于70℃充分搅拌；步骤a1中Ca(NO3)2：水的质量体积比为(230～240)：500，g：ml；步骤a2所述(NH4)2HPO4水溶液的浓度为70～80g/250ml；

步骤a2将(NH4)2HPO4水溶液以3～7ml/min的速度加入到搅拌中的Ca(NO3)2和硅源的溶液中；

步骤a2所述pH调节剂为氨水；

步骤a2中混合溶液的搅拌时间为1～4h；优选地，步骤a2中混合溶液的搅拌时间为1h；步骤a2于60～80℃陈化；优选地，步骤a2于70℃陈化；步骤a2中陈化时间为12～48h；优选地，步骤a2中陈化时间为24h；步骤a3所述干燥采用冷冻干燥法；优选地，步骤a3冷冻干燥2～7天；优选地，步骤a3冷冻干燥4天。7.如权利要求4所述的复合材料，其特征是：步骤b采用静电纺丝法将掺硅羟基磷灰石与明胶和/或胶原均匀混合；优选地，所述静电纺丝法包括如下步骤：

b1、将掺硅羟基磷灰石和明胶和/或胶原均匀分散于水中，配制成均匀的纺丝液；b2、取纺丝液进行纺丝，即可。

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8.如权利要求7所述的复合材料，其特征是：步骤b1先将明胶和/或胶原加入到水中，搅拌溶解，得到溶液A，然后将掺硅羟基磷灰石加入溶液A中，混合均匀，得到纺丝液。

9.如权利要求8所述的复合材料，其特征是：满足以下至少一项：按质量体积比为(10～15)：100，g：ml的比例将明胶和/或胶原加入到水中；加热至35～70℃进行搅拌，得到溶液A；搅拌速度为600r/min，得到溶液A；搅拌2h，得到溶液A；

按照质量体积比为(1～5)：100，g：ml的比例将掺硅羟基磷灰石加入溶液A中；加热至35～70℃进行搅拌，得到纺丝液；搅拌速度为600r/min，得到纺丝液；搅拌2h，得到纺丝液。

10.如权利要求7所述的复合材料，其特征是：步骤b2满足以下至少一项：用注射器取纺丝液进行纺丝；注射器中放入搅拌子，纺丝过程中进行搅拌；注射器中搅拌子的搅拌速率为400～600r/min；静电纺丝针头为9号针头；

纺丝液的喷出速率为0.1～0.5mL/h；接收板与针头的距离为7～20cm；纺丝时环境温度为30～40℃；

静电纺丝针头所接正电压为10～30kV；优选地，静电纺丝针头所接正电压为15kV；电源负极接贴有铝箔的接收板。

11.如权利要求4～10任意一项所述的复合材料，其特征是：所述方法还包括将复合材料进行交联的步骤，其中，用EDC和NHS混合物的乙醇水溶液进行交联。

12.如权利要求11所述的复合材料，其特征是：满足以下至少一项：所述乙醇水溶液的浓度为80～95％v/v；优选地，所述乙醇水溶液的浓度为90％v/v；EDC的浓度为70～80mM；优选地，EDC的浓度为75mM；NHS的浓度为25～35mM；优选地，NHS的浓度为30mM；于2～8℃进行交联；优选地，于4℃进行交联；交联时间为8～24h；优选地，交联时间为12h。

13.如权利要求1～12任意一项所述的复合材料，其特征是：所述硅源为能够水解的含硅化合物；优选地，所述硅源为硅烷偶联剂；优选地，所述硅源为正硅酸乙酯。

14.权利要求1～13任意一项所述复合材料的制备方法，其特征是：将各重量配比的羟基磷灰石、硅源与明胶和/或胶原均匀混合，即得。

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15.权利要求1～13任意一项所述复合材料在制备骨修复材料中的用途。16.硅作为加速骨矿化的添加剂在制备仿生骨材料中的用途。17.如权利要求16所述的用途，其特征是：所述仿生骨材料主要由明胶和/或胶原和羟基磷灰石制备而成。

18.如权利要求16或17所述的用途，其特征是：所述仿生骨材料为静电纺丝纤维膜。

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仿生骨复合材料及其制备方法和用途

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技术领域

[0001]本发明涉及仿生骨复合材料及其制备方法和用途，属于医用功能材料技术领域。背景技术

[0002]天然骨材料是一种有机-无机纳米复合材料，其中大约有65％的无机矿物，25％的有机基质和10％的水。无机相纳米羟基磷灰石(hydroxyapatite,nHA)在胶原纤维上的沉积及沿c轴定向生长形成的nHA-胶原复合材料，赋予了骨材料独特的多级分级结构，以及优异的生物学及力学性能。由于nHA-胶原复合材料的化学组分、微纳米结构及构建对其生物、力学及其它性能都起到关键作用，因此仿天然骨合成材料的研究进展一直是一个巨大的挑战。[0003]矿化进程的关键因素和作用机制一直是仿生矿化研究的一个重点，对矿化进程的深入了解有助于我们更好地模仿自然，设计出结构、性能更加仿生的先进生物材料。一般认为，非胶原基蛋白(non-collagenous proteins,简称NCP)在HA的形核及长大、及骨的形成方面起到了关键作用，其中包括骨桥蛋白(osteopontin)，骨粘连蛋白(osteonectin)，骨钙素(osteocalcin)，骨涎蛋白(Bone sialoprotein),胎球蛋白(fetuin)，牙本质基质蛋白1(dentin matrixprotein1,DMP1)，以及非胶原蛋白替代体(聚天冬氨酸，PASP)。非胶原基蛋白因为具有高含量酸性的氨基酸结构域，具有和Ca离子和胶原官能团高度的亲和力，在HA的形核起到关键作用。此外，胶原纤维本身对形核的关键作用也受到日益重视。胶原具有官能团能和HA和Ca、P离子相互作用，I型胶原也含有很多带电氨基酸的团簇，在纤维内也有很多强烈带电的位点，有利于无定型钙磷酸盐先驱相(amorphous calcium phosphate,ACP)渗透到胶原纤维中。[0004]目前，生物矿化的研究一直多集中于非胶原蛋白、胶原细胞外基质等有机高分子材料及其和HA的相互作用，一个被明显忽视的因素是Si等无机微量元素对胶原纤维矿化的影响。从仿生角度来说，人体骨骼中的无机成分并不是完全只是HA，通常还有一些其他微量元素，如硅、锶、锌、镁，碳酸根等，这些微量元素在骨的动态重组中起着重要作用。Si元素对骨骼矿化的影响，早在1970年Carlisle已在Science报道，与喂食常规饲料的鸡相比，喂食含硅饲料的鸡的骨骼远为强壮。硅元素对成骨进程的促进作用已有大量详尽体外体内实验报道，目前较为公认的四个可能机制，包括溶解度升高、替换过程导致晶粒细化、表面电荷以及表面蛋白或形貌的变化，但其具体机制还存在很大争议(Bohner M.Silicon-substituted calcium phosphates–a critical view[J].Biomaterials,2009,30(32):03-06.)。迄今为止，绝大多数研究均集中于硅元素对羟基磷灰石和生物玻璃的细胞响应的影响。但无机微量元素Si对胶原纤维矿化进程的潜在影响及作用机制，尚没有看到相关报道。

发明内容

[0005]本发明的目的在于提供仿生骨复合材料及其制备方法和用途。

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本发明提供了仿生骨复合材料，它是包含下述组分的原料制备而成的：明胶和/或

胶原、羟基磷灰石和硅源。[0007]进一步地，所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原5～35份、羟基磷灰石0.2～30份、硅源0.001～5份，硅源以硅元素的重量计。[0008]优选地，所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原10.4～15.6份、羟基磷灰石1.6～2.4份、硅源0.0128～0.0192份，硅源以硅元素的重量计。[0009]进一步优选地，所述原料中各组分的重量配比为：明胶和/或胶原13份、羟基磷灰石2份、硅源0.016份，硅源以硅元素的重量计。[0010]进一步地，所述复合材料为静电纺丝纤维膜。[0011]进一步地，所述的复合材料由下述方法制备得到：[0012]a、将羟基磷灰石和硅源置于水中充分搅拌，然后除去水分，得到掺硅羟基磷灰石，备用；[0013]b、将掺硅羟基磷灰石与明胶和/或胶原均匀混合，即可。[0014]进一步地，步骤a所述掺硅羟基磷灰石的合成方法为：[0015]a1、取Ca(NO3)2与硅源，置于水中充分搅拌；[0016]a2、将(NH4)2HPO4水溶液加入到搅拌中的Ca(NO3)2和硅源的溶液中，在此过程中加入pH调节剂使溶液的pH保持在10±1，充分搅拌所得混合溶液，陈化，得到掺硅羟基磷灰石先驱液；[0017]a3、将掺硅羟基磷灰石先驱液固液分离，收集固相，干燥，即可。[0018]进一步地，所述的复合材料满足以下至少一项：[0019]步骤a1于60～80℃充分搅拌；[0020]优选地，步骤a1于70℃充分搅拌；[0021]步骤a1中Ca(NO3)2：水的质量体积比为(230～240)：500，g：ml；[0022]步骤a2所述(NH4)2HPO4水溶液的浓度为70～80g/250ml；

[0023]步骤a2将(NH4)2HPO4水溶液以3～7ml/min的速度加入到搅拌中的Ca(NO3)2和硅源的溶液中；

[0024]步骤a2所述pH调节剂为氨水；

[0025]步骤a2中混合溶液的搅拌时间为1～4h；[0026]优选地，步骤a2中混合溶液的搅拌时间为1h；[0027]步骤a2于60～80℃陈化；[0028]优选地，步骤a2于70℃陈化；[0029]步骤a2中陈化时间为12～48h；[0030]优选地，步骤a2中陈化时间为24h；[0031]步骤a3所述干燥采用冷冻干燥法；[0032]优选地，步骤a3冷冻干燥2～7天；[0033]优选地，步骤a3冷冻干燥4天。[0034]进一步地，步骤b采用静电纺丝法将掺硅羟基磷灰石与明胶和/或胶原均匀混合。[0035]优选地，所述静电纺丝法包括如下步骤：[0036]b1、将掺硅羟基磷灰石和明胶和/或胶原均匀分散于水中，配制成均匀的纺丝液；

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b2、取纺丝液进行纺丝，即可。

[0038]进一步地，步骤b1先将明胶和/或胶原加入到水中，搅拌溶解，得到溶液A，然后将掺硅羟基磷灰石加入溶液A中，混合均匀，得到纺丝液。[0039]进一步地，步骤b1满足以下至少一项：[0040]按质量体积比为(10～15)：100，g：ml的比例将明胶和/或胶原加入到水中；[0041]加热至35～70℃进行搅拌，得到溶液A；[0042]搅拌速度为600r/min，得到溶液A；[0043]搅拌2h，得到溶液A；

[0044]按照质量体积比为(1～5)：100，g：ml的比例将掺硅羟基磷灰石加入溶液A中；[0045]加热至35～70℃进行搅拌，得到纺丝液；[0046]搅拌速度为600r/min，得到纺丝液；[0047]搅拌2h，得到纺丝液。[0048]进一步地，步骤b2满足以下至少一项：[0049]用注射器取纺丝液进行纺丝；[0050]注射器中放入搅拌子，纺丝过程中进行搅拌；[0051]注射器中搅拌子的搅拌速率为400～600r/min；[0052]静电纺丝针头为9号针头；

[0053]纺丝液的喷出速率为0.1～0.5mL/h；[0054]接收板与针头的距离为7～20cm；[0055]纺丝时环境温度为30～40℃；

[0056]静电纺丝针头所接正电压为10～30kV；[0057]优选地，静电纺丝针头所接正电压为15kV；[0058]电源负极接贴有铝箔的接收板。[0059]进一步地，所述复合材料的制备方法还包括将复合材料进行交联的步骤，其中，用EDC和NHS混合物的乙醇水溶液进行交联。交联能够提高复合材料的稳定性；若不进行交联，明胶遇水溶胀，容易导致纺丝膜失去纤维结构。[0060]进一步地，所述交联满足以下至少一项：[0061]所述乙醇水溶液的浓度为80～95％v/v；[0062]优选地，所述乙醇水溶液的浓度为90％v/v；[0063]EDC的浓度为70～80mM；[00]优选地，EDC的浓度为75mM；[0065]NHS的浓度为25～35mM；[0066]优选地，NHS的浓度为30mM；[0067]于2～8℃进行交联；[0068]优选地，于4℃进行交联；[0069]交联时间为8～24h；[0070]优选地，交联时间为12h。[0071]经考察，乙醇水溶液的浓度优选为80～95％v/v，若乙醇水溶液浓度高于95％v/v，不利于EDC/NHS的溶解；浓度低于80％v/v，则明胶吸水较多，不利于保持明胶的纤维结构。

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进一步地，所述硅源为能够水解的含硅化合物。

[0073]优选地，所述硅源为硅烷偶联剂。[0074]优选地，所述硅源为正硅酸乙酯。

[0075]本发明提供了所述复合材料的制备方法：将各重量配比的羟基磷灰石、硅源与明胶和/或胶原均匀混合，即得。

[0076]本发明提供了所述复合材料在制备骨修复材料中的用途。

[0077]本发明提供了硅作为加速骨矿化的添加剂在制备仿生骨材料中的用途。[0078]进一步地，所述仿生骨材料主要由明胶和/或胶原和羟基磷灰石制备而成。[0079]进一步地，所述仿生骨材料为静电纺丝纤维膜。[0080]总体而言，本发明羟基磷灰石的合成是通过钙和磷酸氢二铵在碱性条件下反应得到的，合成过程中一直搅拌溶液，最后得到浆料，即羟基磷灰石的悬浮液。放置陈化后，浆料中的羟基磷灰石沉淀，经固液分离，得到羟基磷灰石固体。[0081]掺硅羟基磷灰石的合成方法与羟基磷灰石基本一致，只是一开始加入了硅源，这样在羟基磷灰石合成的过程中，硅可以掺入到羟基磷灰石中，最后得到掺硅羟基磷灰石。[0082]其中，陈化可以提高掺硅羟基磷灰石的纯度，增加其热稳定性；未经陈化处理，掺硅羟基磷灰石中容易出现CaO相。

[0083]本发明提供了修复骨的方法，该方法包括给有需要的患者施用所述的复合材料。[0084]本发明提供了仿生骨复合材料，主要具有以下优点：[0085]1、本发明提供的复合材料能够明显增加短时间内钙离子的沉积，进而增强骨组织的再生能力，具有加速骨矿化的显著优势。而且，本发明明确了无机微量元素硅的存在会影响胶原矿化过程，为骨修复材料的设计优化提供了更好的参考。[0086]2、本发明复合材料中掺杂了微量元素硅，能更好的模拟人体骨的成分，促进周围骨的形成。[0087]3、本发明复合材料的矿化产物大部分在纤维内部生成，且沿c轴分布，从而更加仿生地模拟了骨的结构。[0088]4、制备本发明复合材料的原料配比优选为：明胶和/或胶原8～20份、羟基磷灰石0.5～20份、硅源0.001～1份，在此范围内，可通过调整羟基磷灰石的用量改变复合材料的物理化学特性，或者提高其生物活性和生物相容性。[00]5、本发明优选采用明胶来制备复合材料，明胶来源广泛，价格低廉，且具有良好的生物相容性。[0090]6、本发明优选采用静电纺丝技术制备复合材料，操作简单，成本低，普适性广。制备得到的纳米级纤维膜具有较高的孔隙率，更好的模拟了细胞外基质的结构，适合细胞的黏附与增殖。[0091]7、本发明复合材料的制备过程中无有毒试剂参与，免除了残留物的毒副作用。附图说明

[0092]图1为试验例1中各组纺丝材料的扫描电镜图；

[0093]图2为试验例1中各组纺丝材料矿化1天的扫描电镜图；[0094]图3为试验例1中各组纺丝材料矿化4天的扫描电镜图；

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图4为试验例1中各组纺丝材料矿化7天的扫描电镜图；

[0096]图5为试验例1中不同纺丝材料矿化4天的宏观扫描电镜图；[0097]图6为试验例1中各组纺丝材料矿化1天的红外谱图；[0098]图7为试验例1中各组纺丝材料的热重曲线图；

[0099]图8为试验例1中各组纺丝材料矿化前和矿化1天的X射线光电子能谱图；[0100]图9为试验例1中各组纺丝材料矿化1天的XRD图；

[0101]图10为试验例1中不同纺丝材料矿化1天的透射电镜图；

[0102]图11为试验例1中明胶/掺硅羟基磷灰石组矿化1天和矿化7天的透射电镜及选区衍射图；

[0103]图12为纺丝距离8cm制备得到的纺丝材料形貌图；[0104]图13为明胶浓度25％制备得到的纺丝材料形貌图；[0105]图14为电压25KV制备得到的纺丝材料形貌图。

具体实施方式

[0106]本发明提供了仿生骨复合材料，它是包含下述组分的原料制备而成的：明胶和/或胶原、羟基磷灰石和硅源。[0107]从仿生角度来说，我们认为作为骨的主要无机和有机组分，纳米羟基磷灰石和胶原组成复合材料对骨骼的生物学性能、力学性能等相关人体功能有很大的影响，且可能存在密切的协同作用。许多文献报道了Si等成骨相关微量元素的存在可能对nHA有直接影响，但我们忽略了Si也可能对胶原有间接影响，其与胶原的协同作用和胶原纤维的矿化不仅存在影响的可能，还可能起到关键作用。我们通过研究发现硅元素的掺入对nHA-胶原静电纺丝复合材料的矿化进程有决定性的影响，硅元素的存在不仅显著促进胶原纤维矿化的进程，而且还显著影响矿化晶体的形貌。nHA-胶原的矿化表现出传统的团簇矿化晶体形貌，nSiHA-胶原的矿化表现出不同的形貌，且初步表现出纤维间均匀形核的方式，这种在胶原纤维内且沿c轴定向生长和沉积纳米羟基磷灰石的矿化进程可以得到具有与天然骨更接近的高度仿生微纳米结构。因此，本发明中这种高度仿生化的具有纤维网络结构的复合材料，有望成为骨修复材料制备及临床应用的理想的活性支架。[0108]进一步地，本发明优选采用明胶(Gelatin)来制备复合材料。与胶原相比，明胶资源更丰富，而且它是胶原的部分变性衍生物，保留了胶原的一些优良理化性能，如良好的生物相容性、生物降解性和骨传导性等。[0109]进一步地，本发明优选采用静电纺丝技术制备复合材料。在组织工程支架的制备技术中，静电纺丝技术操作简便、直接、高效，制得的纳米纤维有直径均匀、孔隙率高、比表面积大等优点。因此，从更好的模拟骨的成分和结构的角度考虑，本发明采用静电纺丝的方法制备出明胶/掺硅羟基磷灰石静电纺丝纤维膜。[0110]进一步地，通过控制静电纺丝的工艺参数，有助于进一步优化复合材料的形貌，以制备得到粗细更加均匀、更加圆滑的纤维结构。[0111]其中，配制纺丝液时，明胶和/或胶原的浓度为(10～15)：100，g：ml，由此得到粗细均匀，圆滑的纺丝。

[0112]接收板与针头的距离(即纺丝距离)为10～15cm，由此得到粗细均匀，圆滑的纺丝。

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静电纺丝针头所接正电压在10～20kV范围内，由此得到粗细均匀，圆滑的纺丝。并

且经过反复考察，控制正电压为15kV为最优条件，此时得到的纺丝形貌最佳。[0114]若静电纺丝的工艺参数控制不当，会造成制备得到的纺丝不够均匀、圆滑，或者会有串珠产生等现象，如图12～图14所示。图12～图14均为采用与本发明实施例1相似的方法制备得到的纺丝材料。图12的纺丝材料在制备过程中明胶浓度为13％(g/100ml)，纺丝距离8cm，电压15KV，纺丝速率0.3ml/h。图13的纺丝材料在制备过程中明胶浓度为25％(g/100ml)，纺丝距离13cm，电压15KV，纺丝速率0.3mL/h。图14的纺丝材料在制备过程中明胶浓度为13％(g/100ml)，纺丝距离13cm，电压25KV，纺丝速率0.3ml/h。[0115]综上所述，本发明提供的高度仿生化的复合材料可为细胞提供与天然骨相似的微环境，符合骨组织工程的生物学要求，有望成为一种用于骨修复的理想的活性支架。[0116]下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。[0117]以下实施例中，所用明胶是购于罗赛洛(广东)明胶有限公司，明胶类型是220LB 8，来源于牛骨，碱法制备。

[0118]实施例1本发明复合材料的制备[0119](1)掺硅羟基磷灰石的合成

[0120]采用湿化学法合成掺硅羟基磷灰石，具体步骤为：[0121]A、用电子天平称取118.1g的Ca(NO3)2与3.1g的TEOS(正硅酸乙酯)，加入到250mL去离子水中，将其放入70℃水浴锅中搅拌，使Ca(NO3)2溶解和TEOS进一步水解。[0122]B、将(NH4)2HPO437.7g加入到125ml去离子水中，并通过磁力搅拌器搅拌30min以上使其完全溶解。[0123]C、将溶解好的(NH4)2HPO4溶液用蠕动泵以4X速度(5ml/min)加入到正在搅拌的Ca(NO3)2和TEOS的溶液中，在此过程中通过滴加氨水使溶液的pH保持在10±0.2。[0124]D、当(NH4)2HPO4溶液加入完成之后，混合溶液继续搅拌1小时，使反应继续进行直至完全。搅拌完成后，混合溶液继续在70℃水浴中陈化24小时，最后得到掺硅羟基磷灰石先驱液。按原料的添加量计，所得掺硅羟基磷灰石中掺入了大约0.8％w/w的Si元素。[0125]E、将先驱液真空抽滤后装入烧杯，冷冻干燥4天后取出磨粉备用。[0126](2)纺丝液的配制

[0127]纺丝液包括以下重量份的各组分：明胶13份，掺硅羟基磷灰石2份，蒸馏水100份，将其加热搅拌并充分混合配制成均匀的纺丝液。具体配制方法：先按照质量体积比为13：100，g：ml的比例，将明胶加入到蒸馏水中，加热至35-70℃，磁力搅拌2小时至完全溶解，搅拌速度为600r/min，得到溶液A；然后按照质量体积比为2：100，g：ml的比例，将掺硅羟基磷灰石加入溶液A中，加热至35-70℃，磁力搅拌2小时，搅拌速度为600r/min，得到纺丝液。[0128](3)静电纺丝纤维膜的制备[0129]用10mL的注射器取步骤(2)制得的纺丝液进行纺丝，注射器中放入搅拌子，纺丝过程中一直搅拌，控制注射器中搅拌子的搅拌速率为400-600r/min，避免掺硅羟基磷灰石沉淀。静电纺丝针头为9号针头，针头所接正电压为15kV，电源负极接贴有铝箔的接收板。控制

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注射器的喷出速率为0.3mL/h，接收板与针头之间的距离为13cm，纺丝的环境温度为35℃，开启高压电源进行静电纺丝得到纤维膜。[0130](4)静电纺丝膜的交联

[0131]将步骤(3)制得的纺丝膜剪成1cm*1cm的样品，用75mM EDC+30mM NHS乙醇水溶液于4℃交联12h，然后用蒸馏水清洗3遍得到纤维膜。[0132]对比例1明胶/羟基磷灰石混纺膜的制备[0133](1)羟基磷灰石的合成

[0134]采用湿化学法合成掺硅羟基磷灰石，具体步骤为：[0135]A、用电子天平称取119.3g的Ca(NO3)2加入到250mL去离子水中，将其放入70℃水浴锅中搅拌，使Ca(NO3)2溶解。[0136]B、将(NH4)2HPO440.2g加入到125ml去离子水中，并通过磁力搅拌器搅拌30min以上使其完全溶解。[0137]C、将溶解好的(NH4)2HPO4溶液用蠕动泵以5ml/min加入到正在搅拌的Ca(NO3)2溶液中，在此过程中通过滴加氨水使溶液的pH保持在10±0.2。[0138]D、当(NH4)2HPO4溶液加入完成之后，混合溶液继续搅拌1小时，使反应继续进行直至完全。搅拌完成后，混合溶液继续在70℃水浴中陈化24小时，最后得到羟基磷灰石先驱液。

[0139]E、将先驱液真空抽滤后装入烧杯，冷冻干燥4天后取出磨粉备用。[0140](2)纺丝液的配制

[0141]纺丝液包括以下重量份的各组分：明胶13份，羟基磷灰石2份，蒸馏水100份，将其加热搅拌并充分混合配制成均匀的纺丝液。具体配制方法：先按照质量体积比为13：100，g：ml的比例，将明胶加入到蒸馏水中，加热至35-70℃，磁力搅拌2小时至完全溶解，搅拌速度为600r/min，得到溶液A；然后按照质量体积比为2：100，g：ml的比例，将羟基磷灰石加入溶液A中，加热至35-70℃，磁力搅拌2小时，搅拌速度为600r/min，得到纺丝液。[0142](3)静电纺丝纤维膜的制备[0143]用10mL的注射器取步骤(2)制得的纺丝液进行纺丝，注射器中放入搅拌子，纺丝过程中一直搅拌，控制注射器中搅拌子的搅拌速率为400-600r/min，避免羟基磷灰石沉淀。静电纺丝针头为9号针头，针头所接正电压为15kV，电源负极接贴有铝箔的接收板。控制注射器的喷出速率为0.3mL/h，接收板与针头之间的距离为13cm，纺丝的环境温度为35℃，开启高压电源进行静电纺丝得到纤维膜。[0144](4)静电纺丝膜的交联

[0145]将步骤(3)制得的纺丝膜剪成1cm*1cm的样品，用75mM EDC+30mM NHS乙醇水溶液于4℃交联12h，然后用蒸馏水清洗3遍得到纤维膜。[0146]对比例2明胶纺丝膜的制备[0147](1)纺丝液的配制

[0148]纺丝液包括以下重量份的各组分：明胶13份，蒸馏水100份，将其加热搅拌并充分混合配制成澄清的纺丝液。具体配制方法：先按照质量体积比为13：100，g：ml的比例，将明胶加入到蒸馏水中，加热至35-70℃，磁力搅拌2小时至完全溶解，搅拌速度为600r/min，得到明胶纺丝液。

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(2)静电纺丝纤维膜的制备

[0150]用10mL的注射器取步骤(2)制得的纺丝液进行纺丝。静电纺丝针头为9号针头，针头所接正电压为15kV，电源负极接贴有铝箔的接收板。控制注射器的喷出速率为0.3mL/h，接收板与针头之间的距离为13cm，纺丝的环境温度为35℃，开启高压电源进行静电纺丝得到纤维膜。[0151](3)静电纺丝膜的交联

[0152]将步骤(2)制得的纺丝膜剪成1cm*1cm的样品，用75mM EDC+30mM NHS乙醇水溶液于4℃交联12h，然后用蒸馏水清洗3遍得到纤维膜。[0153]以下通过试验例证明本发明的有益效果。[0154]试验例1复合材料的矿化试验[0155]1、矿化溶液的配制[0156](1)将准备好的3个100mL烧杯，搅拌子，1L烧杯，1L容量瓶及1L的无裂痕塑料杯在酸缸中泡过夜，配制1.2倍模拟体液之前用up水将以上容器冲洗干净备用。[0157](2)称取6.118g Tris(三羟甲基氨基甲烷)加入100mL烧杯中，加入up水溶解得到Tris溶液备用。[0158](3)取45mL up水加5mL盐酸混匀备用。[0159](4)1L烧杯中放入搅拌子并倒入700mL up水。将烧杯放置于磁力搅拌器水浴中，并用保鲜膜封住防止落入灰尘。烧杯中的水加热至36.5±1.5℃，加热过程中不断搅拌。[0160](5)按表1所述顺序将药品溶解于36.5±1.5℃的溶液中。[0161](6)加入提前溶解好的Tris溶液之前，在溶液中插入pH计电极，溶液pH应在2.0±1.0。[0162](7)使溶液温度保持在35℃至38℃之间，最好为36.5±0.5℃，往溶液中缓慢加入Tris，并注意溶液的pH值变化。逐渐加入少量Tris，当溶液pH值为7.30±0.05时，确保溶液温度在36.5±0.5℃。在溶液温度为36.5±0.5℃时，继续缓慢加入Tris溶液，当pH值升到7.45±0.01后，停止加入Tris溶液，用移液缓慢加入提前稀释好的盐酸，使溶液pH降到7.42，然后继续缓慢加入Tris溶液，当pH值升到7.45±0.01，交替加入盐酸和Tris溶液，重复这个过程，直到加完所有Tris。溶解过程中保持pH值在7.42-7.45之间。在溶解完所有的Tris后，将溶液的温度调整到36.5±0.2℃。通过缓慢滴入盐酸使溶液在36.5±0.2℃条件下PH值为7.42±0.01，最后温度为溶液36.5℃时，pH值为7.40[0163](8)将溶液中的pH电极移出，用up水冲洗，并将冲洗液倒入配制的模拟体液中。[01](9)将配制的模拟体液从烧杯倒入1L容量瓶中。用up水反复冲洗烧杯表面并将冲洗液倒入容量瓶中。加入up水，定容至刻度线。[0165](10)将配制好的模拟体液装入无裂纹的塑料杯中，放入4℃冰箱备用。[0166]表1 矿化溶液的配制

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药品顺序123药品名称NaClNaHCO3KCl

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药品重量(g)8.0350.3550.225

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K2HPO4·3H2OMgCl2·6H2OHCl

CaCl2·2H2ONa2SO4TrisHCl

0.27720.31130mL0.46560.0726.1180～5mL

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2、纺丝膜的矿化

[0169]将实施例1、对比例1、对比例2交联后的三组样品分别放入15mL离心管，每管放入一片材料并加入10mL配制的1.2倍模拟体液，封口后置于37℃水浴锅中矿化，分别矿化1，4，7天后取出材料，并用up水清洗，放入24孔板中。3、实验结果[0170]在电镜下观察纺丝膜的形貌，结果见图1～图5，图1～图4中A,D,G为明胶组，B,E,H为明胶/羟基磷灰石组，C,F,I为明胶/掺硅羟基磷灰石组；图5中A,A1,A2为明胶/羟基磷灰石组，B,B1,B2为明胶/掺硅羟基磷灰石组。[0171]从图1可以看出，根据对比例1、对比例2、实施例1制备得到的明胶/羟基磷灰石混纺膜、明胶纺丝膜及明胶/掺硅羟基磷灰石混纺膜都具有良好的纤维结构，并且明胶/羟基磷灰石混纺膜及明胶/掺硅羟基磷灰石混纺膜上明显看到掺入的羟基磷灰石颗粒及掺硅羟基磷灰石颗粒。

[0172]从图2可以看出，在37℃环境下浸泡在模拟体液中矿化1天后，明胶纺丝膜上无明显矿化产物，明胶/羟基磷灰石混纺膜上局部有矿化产物的团簇出现，而明胶/掺硅羟基磷灰石混纺膜上矿化产物沿纤维沉积，矿化后纤维直径明显增加且仍保持纤维结构。[0173]从图3、图4可以看出，随着矿化时间的延长(分别为4天、7天)，明胶纺丝膜始终保持着纤维结构且无明显矿化产物出现，明胶/羟基磷灰石混纺膜表面的矿化产物团簇逐渐长大并变的致密，混纺膜失去了纤维结构特征；而随着矿化时间的延长，明胶/掺硅羟基磷灰石混纺膜上不断沿纤维沉积矿化产物，纤维直径增大且始终保持着纤维结构。[0174]从图5可以看出，对比例1制备的明胶/羟基磷灰石混纺膜仅发生了区域性的矿化，但实施例1制备的复合材料却是整体性的矿化。[0175]采用Nicolet 6700高级傅里叶变换红外光谱仪对矿化1天的各组材料进行样品成分的分析。测量范围为4000～400cm-1，扫描次数为16。结果见图6。从图6可以看出，三组材料都可以观察到明胶的特征峰，分别是3600～2800cm-1(酰胺A)，1740～1585cm-1(酰胺I)，1560～1503cm-1(酰胺II)，以及1353～1218cm-1(酰胺III)。而在明胶/羟基磷灰石和明胶/掺硅羟基磷灰石两组材料的红外谱图上还可以看到，在1035cm-1，605cm-1以及560cm-1处有PO43-的特征峰，873cm-1处有CO32-的特征峰，这些特征峰的存在说明了矿化1天后，这两组材料上有羟基磷灰石的生成。

[0176]采用梅特勒多利多的TGA/DTG热重分析仪进行样品组分的分析。将矿化1天的各组材料在空气气氛中以5℃/min的速度加热至800℃，得到残留的矿化产物的质量。结果见图7。从图7可以看出，三组材料在室温到200℃区间失重较缓慢，该区间主要是复合材料吸附水的质量损失。热失重主要发生在200℃～490℃，三组材料在这个温度区间差别较大，明胶组失重约59.7％，明胶/羟基磷灰石组失重约32.62％，明胶/掺硅羟基磷灰石组失重约

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21.94％。在490℃之后区间的失重很缓慢，最后的残余量为明胶组剩余21.47％，明胶/羟基磷灰石组剩余56.83％，明胶/掺硅羟基磷灰石组剩余63.12％。按矿化产物量多少排序为：明胶/掺硅羟基磷灰石组＞明胶/羟基磷灰石组＞明胶组。[0177]采用赛默飞的ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱仪进行材料表面成分分析。结果见图8。从图8可以看出，矿化前(上图)三组样品的成分无明显差别，主要元素是C，N，O，这些都是明胶的主要组成元素。矿化1天后(下图)，明胶/羟基磷灰石组出现了Ca，P的峰，且C1s和N1s峰明显减弱。而明胶/掺硅羟基磷灰石组也出现了Ca，P的峰，C1s和N1s的峰减弱更加明显。以上实验结果说明，明胶/羟基磷灰石和明胶/掺硅羟基磷灰石组矿化1天后，材料表面有钙磷矿化产物的沉积。[0178]采用Empyrean X-射线衍射仪对矿化1天的矿化产物晶体结构进行分析。XRD图见图9。从图9可以看出，明胶组没有磷灰石的明显特征峰，在明胶/羟基磷灰石组和明胶/掺硅羟基磷灰石组都可以看到在2θ＝32.1°和26.5°处有较明显特征峰，对应羟基磷灰石的(002)和(211)晶面(参考PDF卡片09-432)。明胶/羟基磷灰石组的图谱上还可以看到在2θ＝28.8°，39.6°，47°和49.5°处也有较弱特征峰，分别对应(210)，(310)，(222)和(213)晶面，说明与明胶/羟基磷灰石组材料相比，明胶/掺硅羟基磷灰石组材料上的矿化产物具有更特定的晶向。

[0179]图10为明胶/羟基磷灰石和明胶/掺硅羟基磷灰石组材料矿化1天后的透射电镜图，其中A,B,C为明胶/羟基磷灰石组，D,E,F为明胶/掺硅羟基磷灰石组。从图10可以看出，在明胶/羟基磷灰石组材料上的矿化产物呈团簇状分布在纤维丝上及纤维外的碳支持膜上，晶体尺寸在40～160nm左右，说明对于明胶/羟基磷灰石组材料，形核同时发生在纺丝纤维内和纤维外。而明胶/掺硅羟基磷灰石组材料上的矿化产物明显更多，且晶体较有序地定向排列于纤维上，晶体取向为平行于明胶纤维丝的c轴，晶体尺寸在30-120nm之间。[0180]为了进一步了解明胶/掺硅羟基磷灰石组材料上矿化产物相的变化，本实验还进行了选区电子衍射，结果如图11所示，其中，A,C表示明胶/掺硅羟基磷灰石组矿化1天的透射电镜图及选区衍射图，B,D表示明胶/掺硅羟基磷灰石组矿化7天的透射电镜图及选区衍射图。矿化1天后，从明胶/掺硅羟基磷灰石组的衍射图谱可以看到在非晶态背景下有稀疏分布的晶体斑点。矿化7天后，明胶纤维上可以看到大量针状晶体束的团簇，衍射环对应(002)和(211)晶面，与XRD结果一致。

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