CN101736441A - 生物活性碳纳米纤维及其制备方法 - Google Patents

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刘海洋
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方舟
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Abstract

本发明提供了一种生物活性碳纳米纤维及其制备方法，采用静电纺丝工艺和高温烧结的碳纳米纤维中原位生成了具有生物活性的磷酸钙盐纳米颗粒，其中碳纳米纤维的直径为50～500nm，纳米磷酸钙盐的粒径为10～100nm，重量百分比含量为1～10％。本发明工艺简单，并且高度分散的磷酸钙盐纳米颗粒增强了碳纳米纤维与骨组织的生物结合，明显地改善了碳纳米纤维的诱导成骨能力。

Description

生物活性碳纳米纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物活性碳纳米纤维及其制备方法，属于生物复合材料的制备技术和应用研究领域，本发明的生物活性碳纳米纤维适用于硬组织(颅骨、颌骨、承重骨)工程生物支架材料、替代修复材料和填充植入材料，可以应用于骨外科、整形外科以及牙科等领域。
背景技术
碳纤维作为一种典型的碳基材料，具有良好的生物组织相容性，对人体组织的刺激性低，而且还具有优异的生物机械性能和生物力学相容性，弹性模量与人体骨骼硬组织的相近，因此碳纤维及其复合材料可以应用于人工骨、人工牙齿和人工关节等生物组织工程支架，在生物医学工程领域有着巨大的市场需求和广泛的应用前景。碳纳米纤维是一种一维纳米尺度的碳纤维，具有更大的比表面积、长径比和更多的亚稳态表面原子，表面能和表面效应更加显著，表面粗糙度也更加突出，从而与成骨细胞的吸附作用增强，与成纤细胞和软骨细胞的相互作用则会削弱，提高骨组织的自身修复能力。此外，与普通碳纤维相比，碳纳米纤维的表面缺陷数量得以极大的减少，可以避免普通碳纤维材料表面碳颗粒的严重脱离问题，即使有少许脱落的纳米碳颗粒也可被巨噬细胞或淋巴细胞所吞噬吸收，而几乎不会游离脱落出微米碳颗粒或亚微米碳颗粒，大大地降低了“黑肤效应”甚至癌变的发生几率。所以，近年来碳纳米纤维受到了国内外学者的广泛关注和高度重视，被视为一种理想的生物支架材料和生物体植入增强材料。
尽管碳纳米纤维表现出不俗的生物医学性能，但是与其它碳基材料一样，碳纳米纤维也是一种生物惰性材料，只具备骨传导能力而不具备骨诱导能力，并且不易与人体组织形成有效的生理结合和连接，从而与人体生理环境相隔离，导致产生较强的“异物排斥”效应。α-磷酸三钙(α-TCP)、β-磷酸三钙(β-TCP)及羟基磷灰石(HA)等磷酸钙基无机盐的化学成份、晶体结构、物理化学性能与人体骨骼中的矿物成份相似，具有良好的生物相容性和生物活性。尤其是β-TCP，其在人体中能够通过正常的新陈代谢途径释放Ca2+和PO4 3-到体液中，诱导植入体周围形成新的骨组织，并为新骨的生成提供生理营养成分，因此不仅具有较好的骨传导能力，而且会与骨形态蛋白(BMP)产生较强的亲和性以及与骨组织形成直接的生物键合，表现出很强的生物活性。正是由于磷酸钙基生物陶瓷优异的生物活性，基于磷酸钙盐改性的生物活性碳基材料已成为世界各国学者研究的重点和热点。中国专利200510053426.4公开了一种采用超声湿法辅助法制备的纳米碳材料/羟基磷灰石复合材料，复合粒子的粒径为20-200nm，而羟基磷灰石均一地沉积在纳米碳材料的表面上，两者之间达到了纳米分散和结合。中国专利200710068442.X公开了一种表面仿生矿化涂层的碳纤维，其是将碳纤维在5倍浓度的模拟体液(SBF)中浸渍4周左右，得到表面具有HA涂层的碳纤维，具有一定的生物活性和生物相容性。但是，上述的专利中，均是用已经合成HA纳米颗粒分散在碳纤维的表面上，这样，HA纳米颗粒由于与碳纤维之间存在相互作用力弱的缺陷，而容易游离脱落，进一步导致碳纤维生物活性的大大降低。
发明内容
本发明提供了一种生物活性碳纳米纤维及其制备方法，通过静电纺丝法和原位合成法在碳纳米纤维中原位生成的磷酸钙盐纳米颗粒，提高了碳纳米纤维的生物活性和生物相容性，并改善了碳纳米纤维与骨形态蛋白(BMP)的亲和性和骨组织的结合力，提高其骨诱导能力。
本发明提供的生物活性碳纳米纤维的制备方法为：将钙盐和磷酸盐分别溶于去离子水中，钙盐和磷酸盐的摩尔浓度均为0.1～1.5mol/L，经过搅拌后陈化；在搅拌下，依次加入到纺丝聚合物的有机溶液中，配制成均一的电纺丝混合溶液，其中钙盐和磷酸盐的用量按照产物所需磷酸钙盐的Ca/P比加以配制，聚合物的质量浓度为10～15％；采用静电纺丝法制备含有钙盐和磷酸盐的聚合物纳米纤维膜，其中注射器针头内径为0.5～1.5mm，施加的静电电压为10～25kV，纺丝液的流量为0.4～1.0mL/h，接收距离为15～25cm，接收滚筒在转动中的外径线速度为1～10m/s；对电纺丝纳米纤维膜经过预氧化和烧结工艺，在高温烧结过程中，在碳纳米纤维内部及表面原位合成磷酸钙盐，得到生物活性碳纳米纤维。
(a)将钙盐和磷酸盐分别溶于去离子水中，钙盐和磷酸盐的摩尔浓度均为0.1～1.5mol/L，经陈化4～10天后再机械搅拌、磁力搅拌或超声搅拌下将其缓慢滴加到聚合物的有机溶液中，配成均一的纺丝液，其中钙盐和磷酸盐按照所需产物磷酸钙盐的Ca/P比加以配制，聚合物的质量浓度为10～15％；
(b)采用静电纺丝法制备含有钙盐和磷酸盐的聚合物纳米纤维膜，其中注射器针头内径为0.5～1.5mm，施加的静电电压为10～25kV，纺丝液的流量为0.4～1.0mL/h，接收距离为15～25cm，接收滚筒在转动中的外径线速度为1～10m/s；
(c)将电纺纳米纤维膜在250～300℃下空气中进行预氧化0.5～2h，得到稳定化纳米纤维；
(d)将稳定化纳米纤维在一定的温度和惰性气氛下进行烧结，则可得到生物活性碳纳米纤维支架。
本发明的制备方法中所述的钙盐包括硝酸钙、氯化钙、醋酸钙、乳酸钙或柠檬酸钙的一种或多种组合。
本发明的制备方法中所述的生物活性碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的磷酸盐包括三乙基磷酸、三丁基磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或六氟磷酸的一种或多种组合。
本发明的制备方法中，所述的纺丝聚合物有机溶液中的纺丝聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺、聚膦腈的一种或多种组合；相应的有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃或三氯甲烷中的一种或多种组合。
本发明的制备方法中所述的预氧化工艺是常规的。
本发明的制备方法中所述的烧结工艺是常规的，温度为800～1500℃，烧结时间为1～12h，升温速度为1～5℃/min，降温速度为1～10℃/min，在室温(25℃)取出；烧结过程中的惰性保护气体包括高纯氮、高纯氩的一种或两种组合。
本发明上述制备方法制备的生物活性碳纳米纤维主要包括：直径为50～500nm碳纳米纤维的，碳纳米纤维的内部和表面包含具有生物活性的磷酸钙盐纳米颗粒，磷酸钙盐的粒径为10～100nm，重量百分比含量为1～10％。
本发明所述的生物活性碳纳米纤维中，碳纳米纤维的横截面形状可以为圆形、椭圆形。
本发明所述的生物活性碳纳米纤维中，碳纳米纤维的微观结构排列形式可
本发明所述的具有生物活性的磷酸钙盐包括α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸二钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙或焦磷酸钙的一种或多种组合。
本发明的效果：本发明采用静电纺丝法和高温烧结法制备了一种生物活性碳纳米纤维，其中在碳纳米纤维的内部和表面上原位生成了具有生物活性的磷酸钙盐纳米颗粒，由于碳纳米纤维对磷酸钙盐的晶体生长具有阻碍作用并限制了磷酸钙盐纳米颗粒的相互团聚，纳米磷酸钙盐粒径均一和高度分散，克服了在纺丝液中直接加入纳米磷酸钙盐颗粒所产生的分布不均和严重团聚现象的不足。此外，在碳纳米纤维中原位生成的磷酸钙盐纳米颗粒可以与骨形态蛋白(BMP)产生较强的亲和性并且与骨组织形成较强的生物键合，既可保持碳纳米纤维的良好骨传导能力，又可明显地改善碳纳米纤维的诱导成骨能力。本发明的方法简单，适宜于工业化生产。
附图说明
图1是实施例1所述的β-TCP/碳纳米纤维的SEM图；
图2是实施例1所述的β-TCP/碳纳米纤维的TEM图；
图3是实施例1和2所述的β-TCP/碳纳米纤维的XRD图。
具体实施方式
本发明的制备方法具体实施步骤是：
(a)将钙盐和磷酸盐分别溶于去离子水中，其中钙盐和磷酸盐的摩尔浓度均为0.1～1.5mol/L，经陈化4～10天后再机械搅拌、磁力搅拌或超声搅拌下将其依次缓慢滴加到聚合物的有机溶液中，配成均一的纺丝液，钙盐和磷酸盐的用量按照所需产物磷酸钙盐的Ca/P比加以配制，聚合物的质量浓度为酸盐的用量按照所需产物磷酸钙盐的Ca/P比加以配制，聚合物的质量浓度为10～15％；
(b)采用静电纺丝法制备含有钙盐和磷酸盐的聚合物纳米纤维膜，其中注射器针头内径为0.5～1.5mm，施加的静电电压为10～25kV，纺丝液的流量为0.4～1.0mL/h，接收距离为15～25cm，接收滚筒在转动中的外径线速度为1～10m/s；
(c)将电纺纳米纤维膜在250～300℃下空气中进行预氧化0.5～2h，得到稳定化纳米纤维；
(d)将稳定化纳米纤维在一定的温度和惰性气氛下进行烧结，则可得到生物活性碳纳米纤维。
下面通过实施例对本发明实施方式进行详细的说明：
实施例1
将2.361g四水合硝酸钙和1.143mL三乙基磷酸分别溶于10mL去离子水中，经陈化1星期后再将其缓慢滴加到100mL浓度为10wt％的聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝过程中，选用内径为0.9mm的9号注射针头，施加的静电电压为15kV，纺丝液流量为0.4mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为15cm，滚筒外径线速度为5m/s，经过8h的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维膜。将所得的电纺纳米纤维膜在280℃下进行预氧化1h。最后，将稳定化复合纳米纤维置于碳化炉中在1200℃和高纯氮气的保护下烧结6h，升温速度为2℃/min，以5℃/min的降温速度冷却取出则可得到生物活性β-TCP/碳纳米纤维复合材料(效果见图1和2)，其中碳纳米纤维的直径为120nm左右，β-TCP
实施例2
将2.629g四水合硝酸钙和1.143mL三乙基磷酸依次溶于10mL去离子水中，经陈化1星期后再将其缓慢滴加到100mL浓度为10wt.％的聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝过程中，选用内径为0.9mm的9号注射针头，施加的静电电压为15kV，纺丝液流量为0.4mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为15cm，滚筒外径线速度为5m/s，经过8h的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维膜。将所得的电纺纳米纤维膜在280℃下进行预氧化1h。最后，将稳定化复合纳米纤维置于碳化炉中在1000℃和高纯氮气的保护下烧结6h，升温速度为2℃/min，以5℃/min的降温速度冷却取出则可得到生物活性HA/碳纳米纤维复合材料，其中碳纳米纤维的直径为150nm左右，HA纳米晶粒的粒径为20nm左右(效果见图3)，重量百分比含量为5％。
实施例3
将1.110g氯化钙和1.814mL三丁基磷酸依次溶于10mL去离子水中，经陈化10天后再将其缓慢滴加到100mL浓度为10wt.％的聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝过程中，选用内径为1.1mm的12号注射针头，施加的静电电压为15kV，纺丝液流量为0.5mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为20cm，滚筒外径线速度为5m/s，经过8h的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维膜。将所得的电纺纳米纤维膜在280℃下进行预氧化1h。最后，将稳定化复合纳米纤维置于碳化炉中在1200℃和高纯氮气的保护下烧结6h，升温速度为2℃/min，以5℃/min的降温速度冷却取出则可得到生物活性β-TCP/碳纳米纤维复合材料。
实施例4
将1.110g氯化钙和1.814mL三丁基磷酸依次溶于10mL去离子水中，经陈化10天后再将其缓慢滴加到100mL浓度为10wt.％的聚乙烯醇/三氯甲烷溶液中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝过程中，选用内径为1.1mm的12号注射针头，施加的静电电压为10kV，纺丝液流量为0.4mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为20cm，滚筒外径线速度为8m/s，经过8h的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维膜。将所得的电纺纳米纤维膜置于碳化炉中在1200℃和高纯氩气的保护下烧结6h，升温速度为3℃/min，以5℃/min的降温速度冷却取出则可得到生物活性β-TCP/碳纳米纤维复合材料。
实施例5
将3.083g乳酸钙和0.575g磷酸二氢铵依次溶于10mL去离子水中，经陈化10天后再将其缓慢滴加到100mL浓度为10wt.％的聚乙烯醇/三氯甲烷溶液中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝过程中，选用内径为1.1mm的12号注射针头，施加的静电电压为10kV，纺丝液流量为0.4mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为20cm，滚筒外径线速度为8m/s，经过8h的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维膜。将所得的电纺纳米纤维膜置于碳化炉中在1350℃和高纯氮气的保护下烧结2h，升温速度为2℃/min，以5℃/min的降温速度冷却取出则可得到生物活性磷酸四钙/碳纳米纤维复合材料。

Claims (7)

1.一种生物活性碳纳米纤维，其特征在于：碳纳米纤维的直径为50～500nm，并且碳纳米纤维的内部和表面包含具有生物活性的磷酸钙盐纳米颗粒，纳米颗粒的粒径为10～100nm，重量百分比含量为1～10％。
2.一种权利要求1所述的生物活性碳纳米纤维支架的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将钙盐和磷酸盐分别溶于去离子水中，钙盐和磷酸盐的摩尔浓度均为0.1～1.5mol/L，经陈化4～14天后再将其缓慢滴加到聚合物的有机溶液中，配成均一的纺丝液，其中钙盐和磷酸盐按照产物磷酸钙盐所需的Ca/P比加以配制，聚合物的质量浓度为10～15％；
(b)采用通用的静电纺丝工艺制备含有钙盐和磷酸盐的聚合物纳米纤维膜，其中注射器针头内径为0.5～1.5mm，施加的静电电压为10～25kV，纺丝液的流量为0.4～1.0mL/h，接收距离为15～25cm，接收滚筒在转动中的外径线速度为1～10m/s；
(c)将电纺纳米纤维膜在250～300℃下空气中进行预氧化0.5～2h，得到稳定化纳米纤维；
(d)将稳定化纳米纤维在一定的温度和惰性气氛下进行高温烧结，则可得到生物活性碳纳米纤维。
3.根据权利要求1所述的生物活性碳纳米纤维，其特征在于：所述的具有生物活性的磷酸钙盐包括α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸二钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、焦磷酸钙的一种或多种组合。
4.根据权利要求2所述的生物活性碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的钙盐包括硝酸钙、氯化钙、醋酸钙、乳酸钙、柠檬酸钙的一种或多种组合。
5.根据权利要求2所述的生物活性碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的磷酸盐包括三乙基磷酸、三丁基磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、六氟磷酸的一种或多种组合。
6.根据权利要求2所述的生物活性碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的制备纳米纤维的聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺、聚膦腈的一种或多种组合；相应的有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、三氯甲烷中的一种或多种组合。
7.根据权利要求2所述的生物活性碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的烧结温度为800～1500℃，烧结时间为1～12h，升温速度为1～5℃/min，降温速度为1～10℃/min；烧结过程中的惰性保护气体包括高纯氮、高纯氩的一种或两种组合。
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