本發(fā)明屬于生物醫(yī)用膜材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種原位制備改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜的方法。
背景技術(shù)：
羥基磷灰石(簡稱HAP)分子式為Ca10(PO4)6(OH)2，隸屬于六方晶系。其具有良好的生物相容性，能夠引導(dǎo)骨組織再生，主要存在于人骨和牙齒中，是醫(yī)學(xué)上應(yīng)用極為廣泛的生物材料。人體骨骼中存在的并非是純的HAP，還有其他一些陽離子。通過向HAP中引入鋅、鎂、鍶、鉻、鉬等人體微量元素可以更大程度的模擬自然骨。聚乙烯醇(簡稱PVA)是一種可完全生物降解的水溶性高分子材料，對人體無毒，無副作用，具有良好的生物相容性，在眼科、傷口敷料和人工關(guān)節(jié)等方面具有廣泛應(yīng)用。將改性后的羥基磷灰石和聚乙烯醇原位合成得到的生物膜，兼具聚乙烯醇的柔、韌等高分子特性，和羥基磷灰石的強、剛等無機特性。且通過交聯(lián)劑對聚乙烯醇的原位交聯(lián)，能有效提高生物膜的強度、耐熱、耐溶劑等性能。
目前，對羥基磷灰石進(jìn)行原位改性和對聚乙烯醇用交聯(lián)劑進(jìn)行原位交聯(lián)已有一些文獻(xiàn)和專利進(jìn)行報道，例如，周宏卉利用鋅、鎂等元素對羥基磷灰石進(jìn)行改性，研究了這些微量元素對羥基磷灰石結(jié)構(gòu)和性能的影響(周宏卉.改性羥基磷灰石制備及結(jié)構(gòu)表征[D].四川大學(xué),2007.)；Eiji Fujii等人制備了摻鋅的HAP晶體粉末，研究了摻鋅量的多少對HAP表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)的影響，探究了ZnHAP對蛋白選擇性吸附的能力(Eiji Fujii,Mizuki Ohkubo,Kanji Tsuru et al.Selective protein adsorption property and characterization of nano-crystalline zinc-containing hydroxyapatite[J].Acta Biomaterialia 2(2006)69–74)；Wang等人制備了PVA交聯(lián)膜，并探究了其對蛋白質(zhì)的吸附性能(Xiaoliang Wang,Qiuxia Fu,Xueqin Wang et al.In situ cross-linked and highly carboxylated poly(vinyl alcohol)nanofibrous membranes for efficient adsorption of proteins[J].J.Mater.Chem.B,2015,3,7281-7290)。但是，目前尚未有文獻(xiàn)報道利用原位生成改性羥基磷灰石/聚乙烯醇溶液，后采用靜電紡絲技術(shù)來制備用于蛋白質(zhì)吸附的納米復(fù)合膜。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種原位制備改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜的方法，該方法解決了HAP粒子在膜制備過程中易團(tuán)聚的問題，通過交聯(lián)劑的原位交聯(lián)很好地提高了復(fù)合膜的強度、耐熱性和耐溶劑等性能，并采用靜電紡絲技術(shù)使得生物膜具有納米級別的結(jié)構(gòu)，使其擁有很好的生物特性和對蛋白質(zhì)的吸附性能。
本發(fā)明的一種原位制備改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜的方法，包括：
(1)將摻雜硝酸鹽的硝酸鈣溶液在攪拌條件下滴加到聚乙烯醇的水溶液中，然后滴加磷酸氫二銨溶液，鈣磷比為1.67，40-70℃下攪拌12～24h，原位生成摻雜改性羥基磷灰石/聚乙烯醇溶液；然后加入馬來酸酐和催化劑，攪拌4～6h，得到混合溶液；其中，馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為5-50：100；聚乙烯醇與摻雜硝酸鹽的硝酸鈣的質(zhì)量比為90:10～50:50；摻雜改性納米羥基磷灰石中摻雜金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～6.4％；
(2)將步驟(1)中的混合溶液進(jìn)行靜電紡絲，將得到的膜烘干，得到原位制備的改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。
所述步驟(1)中硝酸鹽為硝酸鎂，硝酸鍶，硝酸鋅，硝酸鉬和硝酸鉻中的至少一種。
所述硝酸鹽溶液和硝酸鈣溶液濃度為0.1～0.5mol/L。
摻雜硝酸鹽的目的是為了更大程度地模擬自然骨，從模擬生物礦化的思路出發(fā)，對純的羥基磷灰石進(jìn)行改性，從而使得制備的改性羥基磷灰石具有更好的性能。
所述步驟(1)摻雜金屬元素占HAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不包含Ca。
所述步驟(1)中磷酸氫二銨溶液濃度為0.1～0.3mol/L。
所述步驟(1)中摻雜硝酸鹽的硝酸鈣溶液和磷酸氫二銨溶液均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28％的氨水溶液調(diào)節(jié)pH值為10～11。
所述步驟(1)中聚乙烯醇的水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～20％。
所述步驟(1)中摻雜硝酸鹽的硝酸鈣溶液和磷酸氫二銨溶液的滴加速度為0.5～3mL/min。
所述步驟(1)中催化劑為多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，加入量為聚乙烯醇質(zhì)量的0.1-0.5％。
所述步驟(1)中聚乙烯醇與改性硝酸鈣的質(zhì)量比為90/10、80/20、70/30、60/40或50/50。
所述步驟(2)中靜電紡絲的參數(shù)為：外加電壓20-40KV，加料速度0.5-1.5mL/h，紡絲溫度25-45℃，紡絲濕度30-50％，滾筒的轉(zhuǎn)速為100-200rpm。
所述步驟(2)中烘干的條件為：烘干溫度為70-100℃，烘干的時間為1-4h。
所述步驟(2)中通過原位生成的摻雜改性納米羥基磷灰石在原位交聯(lián)制得的膜內(nèi)部具有很好的分散性和穩(wěn)定性，同時兼具良好的生物相容性，能用來分離吸附多種蛋白質(zhì)、生物酶以及其它生物制品。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程如下：配置一定濃度的硝酸鹽溶液、硝酸鈣溶液以及磷酸氫二銨溶液，并用氨水調(diào)節(jié)其pH值。按一定比例將硝酸鹽類溶液和硝酸鈣溶液混合均勻。而后在攪拌作用下將摻雜的硝酸鈣溶液加入到聚乙烯醇的水溶液中，在一定溫度下，朝混合溶液中逐滴加入一定量的磷酸氫二銨溶液原位生成摻雜改性納米羥基磷灰石，持續(xù)攪拌24h。在反應(yīng)所得的溶液中加入一定量的馬來酸酐粉末，以及作為反應(yīng)催化劑的多磷酸使聚乙烯醇產(chǎn)生原位交聯(lián)，持續(xù)攪拌4h后得到混合溶液，并用溶液進(jìn)行靜電紡絲，將得到的膜放入烘箱中烘干后，即得到摻雜改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用原位生成和原位交聯(lián)，并通過靜電紡絲制備得到生物膜，羥基磷灰石在聚合物基體內(nèi)具有很好的分散性，并且對多種蛋白質(zhì)的分離具有良好的吸附選擇性。
本發(fā)明采用原位合成和原位交聯(lián)的方法，有效解決了無機粒子在復(fù)合膜中的團(tuán)聚問題，使得HAP能分散均勻，從而使最終得到的膜均一、穩(wěn)定。此外，利用靜電紡絲技術(shù)制備得到的生物膜具備納米級的分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用前景廣闊。
有益效果
(1)本發(fā)明采用原位合成的方法制備改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜，使無機粒子能夠均勻分散，膜的最終性能均一、穩(wěn)定，改善了無機粒子和聚乙烯醇之間的界面相容性；對多種蛋白質(zhì)的分離具有良好的吸附選擇性；
(2)本發(fā)明對羥基磷灰石進(jìn)行了摻雜改性，通過調(diào)節(jié)摻雜元素量的多少，改變羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌，來獲得高生物活性和相容性的生物膜；
(3)本發(fā)明利用交聯(lián)劑來對聚乙烯醇進(jìn)行原位交聯(lián)，提高了最終生物膜的強度、耐熱、耐溶劑等性能；
(4)本發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)來加工反應(yīng)得到的混合液，得到具有納米級別的生物膜；
(5)本發(fā)明所生成的納米復(fù)合膜能用來分離吸附多種蛋白質(zhì)、生物酶以及其它生物制品，在蛋白質(zhì)吸附領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景；
(6)本發(fā)明中通過改性HAP得到的復(fù)合膜更加貼近于人體自然骨的成分，具有很好的生物活性和生物相容性，其對蛋白的吸附能力比純HAP優(yōu)異。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
實施例1
配置0.5mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.5mol/L的Sr(NO3)2溶液以及0.3mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10。將47.775mL的Ca(NO3)2·4H2O溶液和0.975mL的Sr(NO3)2溶液混合均勻，得到摻雜Sr(NO3)2的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以0.5mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到5wt％的聚乙烯醇(取9.789g)水溶液中，在40℃下，以1mL/min的速度向混合溶液中滴加0.3mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌12h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為5：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓20KV，加料速度0.5mL/h，紡絲溫度30℃，紡絲濕度40％，滾筒的轉(zhuǎn)速為100rpm)，將得到的膜放入70℃的烘箱中烘干4h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述改性羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.29％，其對LZ的吸附量為41.7mg/g，對BSA的吸附量為13.8mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為3.0。
實施例2
配置0.33mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.33mol/L的Mg(NO3)2·6H2O溶液以及0.2mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10。將46.8mL的Ca(NO3)2·4H2O溶液和1.95mL的Mg(NO3)2·6H2O溶液混合均勻，得到摻雜Mg(NO3)2的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以1mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到10wt％的聚乙烯醇(取9.838g)水溶液中，在70℃下，以2mL/min的速度向混合溶液中滴加0.2mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌24h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為10：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓30KV，加料速度0.6mL/h，紡絲溫度40℃，紡絲濕度45％，滾筒的轉(zhuǎn)速為100rpm)，將得到的膜放入100℃的烘箱中烘干1h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述改性羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.56％，其對LZ的吸附量為68.1mg/g，對BSA的吸附量為26.6mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為2.6。
實施例3
配置0.1mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.1mol/L的Zn(NO3)2·6H2O溶液以及0.06mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10。將45.825mL的Ca(NO3)2·4H2O溶液和2.925mL的Zn(NO3)2·6H2O溶液混合均勻，得到摻雜Zn(NO3)2的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以1.5mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到12wt％的聚乙烯醇(取9.9352g)水溶液中，在60℃下，以3mL/min的速度向混合溶液中滴加0.06mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌18h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為15：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓25KV，加料速度0.7mL/h，紡絲溫度45℃，紡絲濕度35％，滾筒的轉(zhuǎn)速為150rpm)，將得到的膜放入90℃的烘箱中烘干2h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述改性羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.83％，其對LZ的吸附量為57.4mg/g，對BSA的吸附量為21.2mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為2.7。
實施例4
配置0.17mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.17mol/L的Mo(NO3)3·5H2O溶液以及0.1mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至11。將44.85mLCa(NO3)2·4H2O溶液和3.9mL的Mo(NO3)3·5H2O溶液混合均勻，得到摻雜Mo(NO3)3的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以1.2mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到20wt％的聚乙烯醇(取9.984g)水溶液中，在60℃下，以1.5mL/min的速度向混合溶液中滴加0.1mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌24h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為20：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓35KV，加料速度0.9mL/h，紡絲溫度40℃，紡絲濕度38％，滾筒的轉(zhuǎn)速為200rpm)，將得到的膜放入80℃的烘箱中烘干3h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述改性羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.08％，其對LZ的吸附量為51.9mg/g，對BSA的吸附量為30.1mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為1.7。
實施例5
配置0.5mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.5mol/L的Cr(NO3)3·9H2O溶液以及0.3mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10。將43.875mLCa(NO3)2·4H2O溶液和4.875mL的Cr(NO3)3·9H2O溶液混合均勻，得到摻雜Cr(NO3)3的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以2mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到16wt％的聚乙烯醇(取10.0328g)水溶液中，在85℃下，以2.5mL/min的速度向混合溶液中滴加0.3mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌24h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為30：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓40KV，加料速度1.5mL/h，紡絲溫度30℃，紡絲濕度42％，滾筒的轉(zhuǎn)速為100rpm)，將得到的膜放入90℃的烘箱中烘干1h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述改性羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.32％，其對LZ的吸附量為45.7mg/g，對BSA的吸附量為21.0mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為2.2。
實施例6
配置0.5mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液、0.5mol/L的Sr(NO3)2溶液以及0.3mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10。將48.694mL的Ca(NO3)2·4H2O溶液和0.056mL的Sr(NO3)2溶液混合均勻，得到摻雜Sr(NO3)2的硝酸鈣溶液。而后在攪拌作用下以0.5mL/min的滴加速度將摻雜的硝酸鈣溶液加入到5wt％的聚乙烯醇(取9.789g)水溶液中，在40℃下，以1mL/min的速度向混合溶液中滴加0.3mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌12h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為25：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓20KV，加料速度0.5mL/h，紡絲溫度30℃，紡絲濕度40％，滾筒的轉(zhuǎn)速為100rpm)，將得到的膜放入70℃的烘箱中烘干4h后，即得到改性羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。制得的納米羥基磷灰石所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％，其對LZ的吸附量為44mg/g，對BSA的吸附量為30mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為1.5。
對比例1
配置0.33mol/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液以及0.2mol/L的磷酸氫二銨溶液各50mL，并用28wt％的氨水調(diào)節(jié)其pH值至10.5。將48.75mL的Ca(NO3)2·4H2O溶液在攪拌作用下加入到20wt％的聚乙烯醇(取9.838g)水溶液中，在60℃下，以2mL/min的速度向混合溶液中滴加0.2mol/L磷酸氫二銨溶液48.75mL，持續(xù)攪拌24h。在反應(yīng)所得的溶液中加入馬來酸酐粉末(馬來酸酐與聚乙烯醇的摩爾比為50：100)，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％(相對于聚乙烯醇)的反應(yīng)催化劑多磷酸(即聚磷酸H6P4O13)，持續(xù)攪拌4h后對溶液進(jìn)行靜電紡絲(外加電壓38KV，加料速度1.5mL/h，紡絲溫度45℃，紡絲濕度30％，滾筒的轉(zhuǎn)速為150rpm)，將得到的膜放入100℃的烘箱中烘干1h后，即得到羥基磷灰石/聚乙烯醇納米復(fù)合膜。所述羥基磷灰石中所摻雜金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，其對LZ的吸附量為44.5mg/g，對BSA的吸附量為31.2mg/g，LZ/BSA吸附選擇性為1.4。