CN101185776B - 一种纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，纳米羟基磷灰石(n-HA)非水溶胶与聚合物原位共混制备的n-HA/聚合物复合骨替代材料，其中n-HA的含量为20-60wt％。制备方法包括：将具有极性和亲水性的高分子聚合物溶入有机溶剂；与n-HA溶胶搅拌共混，使n-HA颗粒在聚合物中均匀分布并与之形成化学键合；后经离心分离、干燥、热压成型等得到n-HA/聚合物复合材料。本发明制备的复合骨替代材料中纳米尺度的羟基磷灰石均匀分布在聚合物基体中，并与聚合物形成强的化学键和，不但具备高的拉伸和弯曲强度及适宜的弹性模量等力学性能，而且保证材料有良好的生物相容性，满足临床对人体承重骨修复材料的使用要求。
Description
【技术领域】
本发明属于无机/有机生物复合材料制备技术，特别是一种利用羟基磷灰石溶胶中粒子的高度分散性和稳定性，获得的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法。
【背景技术】
人骨是天然具有复杂分级结构和优异力学性能的纳米羟基磷灰石(n-HA)/胶原纤维复合材料。近年来，以仿生生物结构及功能为目标，围绕纳米羟基磷灰石与聚合物复合骨修复材料的研究已经成为热点。
综观国内外研究，所开发的复合材料各具特色，但也都存在一定的问题。如：早期开发的高分子量聚乙烯/HA复合材料，由于HA颗粒与聚合物分子间没有化学键合，HA的加入量较低，不仅力学性能不理想，而且也缺乏生物活性；将分子自组装技术与模拟生物矿化相结合，合成的多级微结构仿生的胶原/n-HA复合纳米人工骨，由于胶原基体的强度较低，使复合材料不能用于人体承重骨的替代。因此，一些强度高、塑性好，能与HA表面形成键合，并具有一定极性和亲水性的高分子聚合物被用作聚合物/n-HA复合生物活性材料的增韧体。如多聚糖、聚乳酸、聚ε己内脂、聚二甲基硅氧烷及聚酰胺(PA66)等，可与n-HA因化学键合、氢键连接和电荷吸引而紧密结合。这类复合材料的制备大多以干燥的羟基磷灰石粉末或羟基磷灰石浆料为原料，而纳米尺度HA极大的比表面积和很高的比表面能，使其在制备和后处理过程中极易发生粒子凝并、团聚，形成二次粒子，改变n-HA颗粒的原始尺寸和形态，使其在高分子基体中分布不均匀，而且表面活性能降低，与高分子的结合力下降。这也成为复合材料制备中普遍存在及亟待解决的关键问题之一。
本发明制备n-HA非水溶胶并与聚合物在液态下共混反应，利用溶胶中n-HA粒子的高度分散性，使其均匀分布于聚合物基体中并形成化学键和，得到n-HA/聚合物仿生骨修复材料。这种方法和所制备的材料国内外尚未见报道。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服现有纳米无机/有机复合材料制备技术的不足，而提供一种纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，该方法通过将羟基磷灰石溶胶与聚合物共混，制备n-HA在聚合物基体中均匀分布，并良好键合的生物复合材料，用于人体承重骨的替代。
本发明为解决上述问题所采用的方案是设计一种纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法。其特征在于包括下述步骤：
(1)按照3-6g/ml的比例将富含酰胺键和羧基基团的聚合物溶解在有机溶剂中；
(2)按重量比1∶1取n-HA在DMAC中的溶胶，在70-90℃温度下，与富含酰胺键和羧基基团的聚合物有机溶液搅拌共混3-5h，在搅拌力场作用下，使n-HA颗粒在富含酰胺键和羧基基团的聚合物中均匀分布并产生化学键合；
(3)将制备的共混液用5000-10000r/min的速度将产物离心10min以上，使沉降物与上层液分离；
(4)沉降物用去离子水和乙醇反复清洗各4-6次，将产物在40-70℃温度下干燥24小时；
(5)用常规热压成型机在250-300℃温度下压制干燥复合粉体，得到n-HA/富含酰胺键和羧基基团的聚合物复合材料。
本发明的优越性在于：采用的羟基磷灰石为溶胶态，具有高分散性和稳定性的优异性能，由此制备的复合材料中羟基磷灰石为纳米尺寸，能均匀分布在聚合物基体中，且由于高的表面活性可以与聚合物形成强的化学键和，不但具备高的拉伸和弯曲强度及适宜的弹性模量等力学性能，而且保证材料有良好的生物相容性，满足临床对人体承重骨修复材料的使用要求。且制备的复合材料的性能指标达到：(1)材料的压缩强度：150-200MPa；弯曲强度：250-300MPa；拉伸强度：150-200MPa；弹性模量：15-20Gpa。(2)在模拟体液中浸泡不同时期(最长50周)，各力学性能指标下降不超过10-20％。(3)材料的细胞毒性等级为0级，细胞增殖率与纯HA相当。
【附图说明】
图1为纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料中羟基磷灰石棒状颗粒在聚合物基体中排列结构示意图。
以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
本发明制备的复合骨替代材料以羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)非水溶胶与聚合物(如PA66或PU)有机溶液为原料，采用共混、离心、清洗、干燥、热压成型制备生物复合材料，材料中羟基磷灰石为直径10-15nm长100-200nm棒状颗粒，均匀分布在聚合物基体中，使力学性能指标大大优化，即从成分、性能上实现对自然骨的仿生。
本发明将纳米羟基磷灰石溶胶与聚合物共混制备生物复合材料的方法，通常包括以下步骤：
(1)将具有一定极性和亲水性的高分子聚合物溶入有机溶剂；
(2)按设计比例取适量n-HA溶胶，在70-100℃温度下，与聚合物溶液搅拌共混2-5h，在搅拌力场作用下，使n-HA颗粒在聚合物中均匀分布并化学键合；
(3)将制备的共混液用不小于10000r/min的速度将产物离心10min以上，将沉降物与上层液分离；
(4)沉降物用去离子水清洗4-6次后，用乙醇清洗2-3次。将产物在60-90℃温度下干燥24小时；
(5)用常规热压成型机压制干燥块体，得到n-HA/聚合物复合材料。
上述所说的步骤(1)中的高分子聚合物可以取聚亚安酯、聚二甲基硅氧烷或聚酰胺等中的至少一种。
上述所说的步骤(1)中的有机溶剂可以为乙酸或环己烷等中的至少一种。
上述所说的步骤(1)中的HA非水溶胶的制备方法是：
(1)根据化学反应方程式：10Ca(NO3)2+6(NH4)3PO4+2NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3，按1∶2的比例称取(NH)4PO3和Ca(NO)3，分别溶于蒸馏水中，其水溶液的浓度分别为0.05-0.07g/ml和0.02-0.04g/ml。明胶也溶于蒸馏水中，制成0.1-0.2g/ml的溶液。
(2)在三口烧瓶中先后加入甘油、明胶溶液和Ca(NO)2溶液，其中三种溶液的体积比为1∶1∶2，共混加热到70-90℃，以40-60ml/h的速度向上述混合溶液中滴加(NH)4PO3溶液，同时用市售氨水(NH3·H2O)调节共混液的pH值为9-11。全部滴加完毕后溶液继续反应20-40min。
(3)然后升高温度到95-105℃，边蒸发水边加入分析纯DMAC(N，N-二甲基乙 酰胺)溶液，其总量与共混液中的水量相当，直至溶液里的水份全部蒸发完毕，得到HA非水溶胶。
实验显示，由此制备的纳米羟基磷灰石(n-HA)非水溶胶稳定性好(z电位达-30～-35mv)，并与富含酰胺键的聚合物产生良好的共混性。
上述所说的步骤(2)中的搅拌力场可为电子搅拌力场。
上述所说的步骤(5)中所说的热压成型温度为260-300℃，时间为20-30min。
本发明的工作原理为：由于在制备羟基磷灰石非水溶胶时，在HA颗粒表面包覆了富含酰胺键(-NH)和羧基(C＝O)基团的聚合物。当将表面改性的n-HA颗粒分散在二甲基乙酰胺溶液中时，因溶剂化作用使n-HA颗粒均匀分布并保持空间稳定。当纳米羟基磷灰石溶胶与同样含有酰胺键的聚合物共混时，表面接枝的极性酰胺基团使液晶n-HA颗粒具有亲水性，可与同样具有酰胺键的聚合物基体之间产生良好的混溶性，保证了在搅拌外力作用下实现n-HA颗粒在聚合物中的良好分散及化学键合。
实施例1：
(1)将5g聚酰胺(PA66)溶入20ml有机溶剂甲酸中；
(2)按设计比例(重量比1∶1)取n-HA溶胶，在90℃温度下，与PA66溶液搅拌共混3h，在搅拌力场作用下，使n-HA颗粒在PA66中均匀分布并复合；
(3)将制备的共混液用不小于10000r/min的速度将产物离心10min以上，将沉降物与上层液分离。
(4)沉降物用去离子水清洗6次后，用乙醇清洗2-3次。将产物在65℃温度下干燥24小时；
(5)用常规热压成型机在260℃温度下压制干燥复合粉体，得到n-HA/PA66复合材料。
实验结果显示，用以上方法共混后n-HA及PA66两相的组分未发生改变(X射线衍射结果)；透射电镜下观察所制备的n-HA/PA66复合材料，其羟基磷灰石为直径10-15nm长100-200nm棒状颗粒，均匀分布在PA66基体中；红外光谱显示n-HA与PA66间产生了良好的键合。使制备的复合材料的力学性能指标大大优化。
实施例2：
(1)将5g聚亚安酯(PU)溶入20ml有机溶剂乙酸中；
(2)按设计比例(重量比1∶1)取n-HA溶胶，在90℃温度下，与PU溶液搅拌共混3h，在搅拌力场作用下，使液晶n-HA颗粒在PU中均匀分布并复合；
(3)将制备的共混液用不小于10000r/min的速度将产物离心10min以上，将沉降物与上层液分离。
(4)沉降物用去离子水清洗6次后，用乙醇清洗2-3次。将产物在65℃温度下干燥24小时；
(5)采用热压成型机，在280℃热压得到n-HA/PU复合材料。
以上制备的n-HA/PU生物复合材料，其羟基磷灰石为直径10-15nm长100-200nm棒状颗粒，含量为20-60wt％，均匀分布在PU基体中，使制备的聚合物力学性能指标大大优化。
实施例3：
(1)根据化学反应方程式：10Ca(NO3)2+6(NH4)3PO4+2NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3，为制备2g纳米羟基磷灰石(n-HA)，按1∶2的比例称取(NH)4PO3和Ca(NO)3，分别溶于蒸馏水中，其水溶液的浓度分别为0.05g/ml和0.025g/ml。明胶也溶于蒸馏水中，制成0.2g/ml的溶液。
(2)在三口烧瓶中先后加入200ml甘油、明胶溶液和Ca(NO)2溶液，其中三种溶液的体积比为1∶1∶2，共混加热到85℃，以40ml/h的速度向上述混合溶液中滴加(NH)4PO3溶液约50ml，同时用市售氨水(NH3·H2O)调节共混液的pH值为10。全部滴加完毕后溶液继续反应20min。
(3)然后升高温度到100℃左右，边蒸发水边加入分析纯DMAC(N，N-二甲基乙酰胺)溶液约250ml，直至溶液里的水份全部蒸发完毕，得到HA非水溶胶。
实验显示，由此制备的纳米羟基磷灰石(n-HA)非水溶胶稳定性好(z电位达-34.50mv)，并与富含酰胺键的聚合物产生良好的共混性。
Claims (7)
1.一种纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)按照3-6g/ml的比例将富含酰胺键和羧基基团的聚合物溶解在有机溶剂中；
(2)按重量比1∶1取n-HA在DMAC中的溶胶，在70-90℃温度下，与富含酰胺键和羧基基团的聚合物有机溶液搅拌共混3-5h，在搅拌力场作用下，使n-HA颗粒在富含酰胺键和羧基基团的聚合物中均匀分布并产生化学键合；
(3)将制备的共混液用5000-10000r/min的速度将产物离心10min以上，使沉降物与上层液分离；
(4)沉降物用去离子水和乙醇反复清洗各4-6次，将产物在40-70℃温度下干燥24小时；
(5)用常规热压成型机在250-300℃温度下压制干燥复合粉体，得到n-HA/富含酰胺键和羧基基团的聚合物复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的富含酰胺键和羧基基团的聚合物取聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或聚酰胺中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的有机溶剂为乙酸或环己烷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中n-HA在DMAC中的溶胶按以下方法制备：
(1)根据化学反应方程式：10Ca(NO3)2+6(NH4)3PO4+2NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3，按1∶2的比例称取(NH)4PO3和Ca(NO)3，分别溶于蒸馏水中，其水溶液的浓度分别为0.05-0.07g/ml和0.02-0.04g/ml；明胶也溶于蒸馏水中，制成0.1-0.2g/ml的溶液；
(2)在三口烧瓶中先后加入甘油、明胶溶液和Ca(NO)2溶液，三种溶液的体积比为1∶1∶2，共混加热到70-90℃，再向上述混合溶液中滴加(NH)4PO3溶液，同时用市售氨水调节共混液的pH值为9-11；全部滴加完毕后溶液继续反应20-40min；
(3)然后升高温度到95-105℃，边蒸发水边加入分析纯DMAC溶液，其总量与共混液中的水量相当，直至溶液里的水份全部蒸发完毕，得到n-HA在DMAC中的溶胶。
5.根据权利要求1所述的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的搅拌力场为电子搅拌力场。
6.根据权利要求1所述的纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中的热压成型温度为260-300℃，时间为20-30min。
7.根据权利要求1或2-6所述的任一纳米羟基磷灰石/聚合物复合骨替代材料的制备方法，其特征在于所述得到的n-HA/富含酰胺键和羧基基团的聚合物复合材料中，羟基磷灰石为直径10-15nm，长100-200nm的棒状纳米颗粒，含量为20-60wt％，均匀分布于富含酰胺键和羧基基团的聚合物基体中。
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