[发明专利]一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种基于负泊松比效应构建的仿生骨复合材料，应用于制备骨修复或骨替代材料。

背景技术

我国每年由于交通和工业事故、肿瘤、骨组织坏死和风湿等疾病引起的骨组织缺损、骨折病患人数达数百万人。随着人口老龄化的日益严重，年老引起的骨组织疏松使骨缺损的病患有增多的趋势，此外，每年需要进行颅颌面和肢体整形、美容的人数也达到千万人。因此，临床治疗对骨组织修复材料有着巨大的市场需求。目前应用于骨组织修复的金属、骨水泥、生物活性玻璃、磷酸钙类生物活性陶瓷以及可吸收性的高分子材料等难以满足临床对骨组织修复和重建的需求。制备能主动诱导和激发组织器官再生并具有良好力学性能的类人骨组织替代、修复材料对于解决临床日益扩大的骨修复需求具有重要意义。

天然骨是一种由约30%的有机基质和70%的羟基磷灰石构成的有机/无机生物复合材料，有机基质主要包括非胶原蛋白、粘多糖等。无机成分的羟基磷灰石纳米晶体有序地嵌在胶原纤维基质中，有机和无机组元间的密切协同作用以及分子水平的独特组装，赋予了天然骨的多级结构和优异的力学性能。因此，要制备良好的力学性能、生物相容性以及生物活性的骨修复或骨替代材料，需要创新纳米仿生骨复合材料的结构、并从分子水平进行仿生设计，模拟天然骨的组成和功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料。结合静电纺技术与纺织技术相制备一种具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，并以此为模板利用仿生矿化的方法得到类似于天然骨中分级结构的骨替代材料。这种骨仿生材料不仅在成分和结构上实现了对天然骨的仿生，良好的生物相容性、生物可降解性以及良好的骨诱导性能，可激发骨的再生；而且在力学性能方面，由于这种负泊松比结构使其具备足够的强度来承受机体自身的重量，以及自适应性以满足机体可能遭遇的压缩、剪切和撞击等多个外力作用场合。

实现本发明目的技术方案是：一种基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料，其特征在于它是以矿化的纳米纤维为基本单元，沿轴向平行排列形成纳米纤维纱线结构，再进一步交织形成具有负泊松比结构的有机/无机的纳米复合材料，有机的纳米纤维与无机的矿物质的质量比为1:1-10，孔隙率为35%-85%。

所述的纳米复合材料是由纳米纤维经纱、纬纱以及结节纱按照设计的负泊松比结构编织而成，结节点的密度为10-40个/cm²，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm层数至少为4层。

所述的纳米纤维纱线是由矿化的纳米纤维沿纱线轴向平行排列形成的，纳米纤维纱线的直径为200-400μm，所述的矿化纳米纤维是无机矿物在纳米纤维上自组装得到的。

所述的纳米纤维是由聚乳酸和柞蚕丝素构成的，其直径为纳米纤维的直径200-1000nm，柞蚕丝素和聚乳酸的质量比为5：95-25:75，聚乳酸分子量大于100000，柞蚕丝素蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50。

所述的无机的矿物质为羟基磷灰石，它是由针状晶粒组成的球状形貌，针状晶粒尺寸为 0.5nm- 1nm。

所述的基于负泊松比效应构建仿生骨复合材料的制备方法，其步骤如下：

（1）将柞蚕丝素和聚乳酸按照质量比为1:1-10放入六氟异丙醇溶液中，在常温下进行磁力搅拌1-3天，得到质量分数为5-25%的静电纺丝溶液；

（2）将去离子水和无水乙醇按照质量比为1:1-4的比例配置混合溶剂，将聚乙烯吡咯烷酮放入混合溶剂中，在室温下磁力搅拌120-360min得到质量分数为15-35%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；

（3）以步骤（1）中的混合纺丝溶液作为芯层溶液，以步骤（2）中的聚乙烯吡咯烷酮溶液作为壳层溶液，利用静电纺丝的方法制备具有皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线，所述的纳米纤维的皮层为聚乙烯吡咯烷酮，所述的纳米纤维的芯层为柞蚕丝素和聚乳酸混合成分，静电纺丝的电压为18-25 kV，纺丝溶液总流量为0.1-1.0 mL/h，正负喷头溶液流量比1:0.5-2，芯溶液与壳溶液的流量比为1-1:3，喷头内管内径0.3 mm，外管内径0.5mm，正负喷头间的距离10-15 cm，卷绕速度35-50mm/min；

（4）将步骤（3）中所得的具有皮芯结构的纳米纤维构成的纳米纤维纱线利用纺织编织技术，编织形成具有负泊松比结构的三维多层纳米纤维织物，多层纳米纤维织物的经密为90-240根/5cm，纬密为140-280根/5cm，结节点的密度为10-40个/cm²；