本发明涉及生物医用材料领域，尤其是指一种高强度壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的制备方法与应用。
背景技术：
再生医学和组织工程是治疗组织创伤和缺损的有效方法，其关键是开发具有优异力学性能且具有生物相容性的支架材料，特别是骨组织工程对支架材料的力学性能和韧性提出更高的要求。然而，包括生物活性玻璃、生物陶瓷、聚合物和传统复合材料在内的现有材料不能满足用于骨修复材料的所有要求。近年来，有机-无机杂化材料由于具有产生高性能材料的潜力而吸引了研究者的兴趣。杂化材料是一种特殊的有机-无机复合材料，其有机和无机组分在分子水平上相互作用，有机和无机组分之间纳米尺度的精细分散导致材料表现为单相，材料结合了两种组分的优点，杂化材料的性质可以在无机物和聚合物的性质之间调整，以适应临床应用的综合要求。因此，有机-无机杂化材料在骨修复中有着诱人的应用前景。
壳聚糖是天然存在的几丁质的衍生物，有很好的生物可降解性，其降解产物与氨基葡萄糖结构相似，对人体组织无毒、无害，可被人体吸收，因此壳聚糖具有优异的生物相容性。壳聚糖在吸收植入材料方面的应用的研究报道较多，但这些研究主要集中在一维线材(如手术缝线)或二维的薄膜(如人工皮肤)等，壳聚糖作为三维植入材料多应用于水凝胶，这些线材、薄膜和水凝胶力学强度低，与骨的力学性能不匹配，因此，单纯的壳聚糖作为材料的应用受到限制。
二氧化硅具有良好的生物相容性，能够与骨形成牢固的化学结合，并使修复点位迅速再生。最新的研究表明，二氧化硅释放的的si离子能从基因层面上激活组织的修复作用，能够激发骨祖细胞进入细胞周期的活性阶段(从g1期进入s期)，使细胞分裂并合成可矿化成骨的细胞外基质。二氧化硅脆性大的缺点限制了其应用，将二氧化硅和壳聚糖制成杂化材料，可以得到性能优异的新型材料，有望能够成功应用于再生医学和骨修复中。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供了一种具有高力学强度、可生物降解、可吸收、能促进骨组织修复的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的制备方法，利用壳聚糖的阳离子高分子的特性，与带负电荷的二氧化硅产生电荷相互作用，以及硅烷偶联剂在有机-无机网络间产生共价键连接，用溶胶-凝胶法生成壳聚糖-二氧化硅纳米分散体系，从而形成具有有机-无机互穿网络结构的杂化材料；其具体包括以下步骤：
1)将壳聚糖粉末加入到酸溶液中，搅拌待其充分溶解，过滤除去不溶物后得到壳聚糖溶液；其中，所述酸溶液为醋酸、乳酸、乙醇酸或丙烯酸的水溶液；
2)将硅烷偶联剂加入壳聚糖溶液中，反应1～120h，得到壳聚糖-硅烷偶联剂溶液，所述硅烷偶联剂为含环氧基、异氰酸酯基、氨基、烯基的硅氧烷；
3)正硅酸乙酯在酸溶液中搅拌1～4h使其水解，得到透明澄清的溶液；其中，所述酸溶液为盐酸、硝酸、醋酸、乳酸、乙醇酸或丙烯酸的水溶液；
4)将壳聚糖-硅烷偶联剂溶液加入到步骤3)得到的透明澄清的溶液中，搅拌均匀，真空脱泡，得到混合溶液；
5)将步骤4)的混合溶液倒入模具中，静置1～7d，生成凝胶，将凝胶从模具中倒出，放入恒温恒湿箱中养护4～28d，得到透明致密的固体材料；
6)将步骤5)的材料用碱溶液处理以中和材料中的酸；
7)将碱液处理后的材料用超纯水浸泡至中性，然后在烘箱中烘干，得到壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料。
在步骤1)中，所述壳聚糖粉末的粘均分子量为20～200万，脱乙酰度为75～100％；所述壳聚糖溶液的质量分数为3～10％。
在步骤2)中，所述硅烷偶联剂的用量为壳聚糖单体单元的物质的量的0～100％。
在步骤3)中，所述酸溶液的摩尔浓度为0.01～5mol/l。
在步骤5)中，所述养护是在温度为15～40℃，湿度为30％～80％的恒温恒湿箱中静置。
在步骤6)中，所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾或三羟甲基氨基甲烷的水溶液，其摩尔浓度为0.1～5mol/l。
在步骤7)中，所述壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料当中的壳聚糖质量为杂化材料总质量的30～80％。
在步骤7)中，所述烘干温度为30～50℃。
上述制得的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料用作骨缺损修复材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明利用了壳聚糖具有阳离子高分子的特性，与带负电荷的二氧化硅产生正负电荷相互作用，以及硅烷偶联剂在有机-无机网络间产生共价键连接，用溶胶-凝胶法生成壳聚糖-二氧化硅纳米分散体系，从而形成具有有机-无机互穿网络结构的杂化材料，材料具有强度高、韧性好的特点。
2、本发明制备工艺简单易操作，材料来源广泛，材料的力学性能好，生物活性高，在再生医学和骨修复领域的应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施例4的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的透射电子显微镜照片(超薄切片法)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
称取7g壳聚糖粉末(脱乙酰度75％，粘均分子量20万)溶于93g3.5％(v/v)稀醋酸水溶液中，制成壳聚糖溶液备用。称取5.39gγ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷加入到壳聚糖溶液中，23℃水浴中搅拌反应120h。称取19.8g正硅酸乙酯加入到16.8ml5mol/l的乙酸溶液中搅拌4h使其水解，往水解液中加入100g壳聚糖-硅烷偶联剂溶液，搅拌均匀，真空脱泡，混合液注入模具中，静置48h，形成凝胶。将模具中的凝胶取出，放入温度为15℃、相对湿度为30％的恒温恒湿箱中养护7d，得到透明致密的固体。将该固体浸入500ml5mol/l的三羟甲基氨基甲烷水溶液中，24h后取出，用超纯水浸泡至中性，在40℃烘箱中烘干。测试壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的压缩强度、压缩模量及压缩应变率，结果见表1。
实施例2
称取3g壳聚糖粉末(脱乙酰度100％，粘均分子量100万)溶于97g1.5％(v/v)乳酸水溶液中，制成壳聚糖溶液备用。称取1.20gγ-异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷加入到壳聚糖溶液中，23℃水浴中搅拌反应1h。称取12.1g正硅酸乙酯加入到16.8ml1mol/l的乳酸溶液中搅拌4h使其水解，往水解液中加入100g壳聚糖-硅烷偶联剂溶液，，搅拌均匀，真空脱泡，混合液注入模具中，静置48h，形成凝胶。将模具中的凝胶取出，放入温度为40℃、相对湿度为80％的恒温恒湿箱中养护28d，得到透明致密的固体。将该固体浸入500ml0.1mol/l的氢氧化钠水溶液中，24h后取出，用超纯水浸泡至中性，在50℃烘箱中烘干。测试壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的压缩强度、压缩模量及压缩应变率，结果见表1。
实施例3
称取10g壳聚糖粉末(脱乙酰度90％，粘均分子量47万)溶于90g5％(v/v)乙醇酸水溶液中，制成壳聚糖溶液备用。称取26.4g正硅酸乙酯加入到1mol/l的乙醇酸溶液中搅拌4h使其水解。往溶液中加入100g质量分数为10％的壳聚糖溶液，搅拌均匀，真空脱泡，混合液注入模具中，静置48h，形成凝胶。将模具中的凝胶取出，放入温度为23℃、相对湿度为50％的恒温恒湿箱中养护3d，得到透明致密的固体。将该固体浸入500ml1mol/l的三羟甲基氨基甲烷水溶液中，24h后取出，用超纯水浸泡至中性，在30℃烘箱中烘干。测试壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的压缩强度、压缩模量及压缩应变率，结果见表1。
实施例4
称取7g壳聚糖粉末(脱乙酰度90％，粘均分子量47万)溶于93g3.5％(v/v)丙烯酸水溶液中，制成壳聚糖溶液备用。称取16.2g正硅酸乙酯加入到16.8ml0.1mol/l的盐酸溶液中搅拌4h使其水解。往溶液中加入100g质量分数为7％的壳聚糖溶液，搅拌均匀，真空脱泡，混合液注入模具中，静置48h，形成凝胶。将模具中的凝胶取出，放入温度为23℃、相对湿度为50％恒温恒湿箱中养护7d，得到透明致密的固体。将该固体浸入500ml1mol/l的磷酸氢二钠水溶液中，24h后取出，用超纯水浸泡至中性，在30℃烘箱中烘干。测试壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的压缩强度、压缩模量及压缩应变率，结果见表1。
参见图1所示，为本实施例的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的透射电子显微镜照片(超薄切片法)，图中比例尺为200纳米，从图1可以看出二氧化硅纳米粒子在壳聚糖基体中的均匀分散。
实施例5
称取7g壳聚糖粉末溶于93g3.5％(v/v)稀醋酸水溶液中，制成壳聚糖溶液备用。称取10.4g正硅酸乙酯加入到16.8ml3.5％(v/v)的硝酸溶液中搅拌4h使其水解。往溶液中加入100g质量分数为7％的壳聚糖溶液，搅拌均匀，真空脱泡，混合液注入模具中，静置48h，形成凝胶。将模具中的凝胶取出，放入恒温恒湿箱中养护7d，得到透明致密的固体。将该固体浸入500ml1mol/l的磷酸氢二钾水溶液中，24h后取出，用超纯水浸泡至中性，在40℃烘箱中烘干。测试壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的压缩强度、压缩模量及压缩应变率，结果见表1。
表1壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料的力学性能
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。