CN103866424B - 一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，属于生物复合材料技术领域。将生物活性物质的前驱体溶胶-凝胶液、聚丙烯腈、致孔剂以及有机溶剂在水浴加热以及超声的条件下混合均匀，经陈化后得到纺丝液；静电纺丝工艺制得初生纳米纤维膜；然后经过热牵伸，分阶段升温的预氧化、碳化的工艺制备一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法。该材料的表面因存在生物活性纳米粒子而具有生物相容性、生物活性和生物可降解性，因存在结构规整的纳米级孔道而具有较高的比表面积，从而使材料的生物性能大大提高。因此本发明制备出的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料可进一步作为新型骨修复材料或者骨组织支架增强材料。
Description
技术领域
本发明属于生物复合材料技术领域，特别涉及一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，可作为具有生物活性、生物相容性和生物降解性的骨修复材料。
背景技术
近年来，碳纳米纤维（CNF）因具有优异的机械性能、化学稳定性、血液相容性和生物学相容性及高的比表面积被广泛用于骨修复材料或者骨组织支架增强材料领域。但是由于连续长度的碳纳米纤维无法通过生物溶解、有氧生物氧化、吞噬或排泄等作用在人体内降解和排出，使其大范围应用受到了很大限制。为了解决这一问题，人们通过引入具有生物活性的无机组分赋予了碳纳米纤维在人体内的可降解性和崩解性，获得了具有更好生物活性的杂化碳纳米纤维材料。然而，随着临床医学的迅速发展和生物组织重建工程的兴起，对各种碳纳米纤维的生物活性等性能提出了更高的要求，现有的杂化碳纳米纤维存在比表面积有限、生物活性释放速度低等问题，需要进一步改善。研究表明，制备多孔结构的碳纳米纤维是进一步提高其生物活性与生物活性释放速度的一个有效途径。目前制备多孔碳纳米纤维主要依靠水热活化、酸碱浸泡以及添加致孔剂等技术。其中，水热活化法是利用二氧化碳、水蒸气或者两者的混合气体在一定温度下处理碳纳米纤维，该方法获得的孔以微孔为主，孔的结构不易控制；酸碱浸泡法主要是以氢氧化物，如氢氧化钠和氢氧化钾，或酸，如磷酸、硝酸和硫酸为活化剂浸泡处理碳纳米纤维，该方法制孔工艺复杂，成本较高，难实现工业化生产，而且以上两种方法均会降低生物活性粒子的活性。文献（Small,2007,3(1):91–95）提出以聚甲基丙烯酸甲酯为致孔剂，文献（JournalofPolymerScience:PartB:PolymerPhysics,2009,47:493–503）以聚乳酸为致孔剂，两篇文献中均采用共混纺丝法制备多孔碳纳米纤维，但预氧化、碳化等热处理阶段都采用了一步升温的工艺，碳纳米纤维中所形成的多孔结构不规整且孔道尺寸可控性差，不能满足骨修复应用对碳纳米纤维高生物活性的应用要求。因此，急需开发一种制备工艺简便、生产效率高、成本低、孔结构可控性好的方法来制备具有高生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
发明内容
本发明的目的在于克服传统的杂化碳纳米纤维比表面积小、生物活性有限的缺点，通过添加致孔剂，利用分阶段升温的预氧化、碳化工艺不断加大碳化深度和多层次稳定多孔结构，制备出一种比表面积大、结构可控及形貌规整的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料，该材料是具有生物活性、生物相容性、生物可降解性以及机械强度较高的复合材料，可作为新型的骨修复材料。
本发明的具体技术内容如下：
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I：四水合硝酸钙为钙源、磷酸三乙酯为磷源、正硅酸乙酯为硅源，取前两种或三种原料混溶，制备生物活性物质的前驱体溶胶-凝胶液。
步骤II：将聚丙烯腈和致孔剂共混溶于有机溶剂，40～80℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将生物活性物质的前驱体溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化3～6天制备出纺丝液。
步骤III：纺丝液进行静电纺丝，制备初生纳米纤维膜。
步骤IV：将步骤III获得的初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，然后悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺。
步骤V：将步骤IV获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，经分阶段升温、保温以及降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，生物活性物质物质为生物活性玻璃、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸二钙、磷酸氢钙中的一种或几种，其在纺丝液中的质量百分比为5%～30%。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤II的有机溶剂为氮氮二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤II的致孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚氧化乙烯、醋酸纤维素中的一种。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，致孔剂和聚丙烯腈的质量比为1/4～2/1，优选为3/4或1/1，两者的总质量与有机溶剂的质量比为1/8～1/12，优选为1/10。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤II静电纺丝的接收装置为平板或辊筒中的一种，静电电压为15～25kV，优选为20kV，纺丝流速为0.2～0.6ml/h，优选为0.5ml/h，针头与接收装置间的距离为10～30cm，优选为20cm。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤IV预氧化阶段升温程序为：从室温以5℃/min升温至80～120℃并保温5～20min，优选为100℃和10min，以3℃/min升温至120～170℃并保温5～20min，优选为150℃和10min，以1℃/min升温至200～300℃并保温20～90min，优选为270或280℃和30min，气体气氛为空气，第一阶段保温温度与第二阶段保温温度不同时为120℃。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤V碳化阶段升温程序为：从室温以5℃/min升温至200～400℃并保温5～20min，优选为300℃和10min，以3℃/min升温至500～750℃并保温5～20min，优选为700℃和10min，以1℃/min升温至800～1500℃并保温1～5h，优选为1000℃和3h，气体气氛为氮气。
本发明提供的一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料及其制备方法，其特征在于，其中，步骤V最终获得的材料的碳纳米纤维表面有纳米级的生物活性粒子，并具有纳米圆孔，或在纤维表面和内部呈现纳米级的连续性轴向孔道。
本发明的效果
本发明以聚合物为致孔剂，结合静电纺丝、高温烧结等方法制备了一种比表面积大、粗糙度高、孔结构可控及形貌规整的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。其中，多孔碳纳米纤维具有更大的比表面积和粗糙度，能够加快材料表面羟基磷灰石的形成，促进成骨细胞的贴附，从而加强骨组织与植入材料的界面结合。此外，本发明引入生物活性成分并通过分阶段预氧化和碳化来调控多孔结构，所制备的多孔杂化碳纳米纤维材料表面因存在生物活性纳米粒子而具有更加优异的生物活性、生物相容性和生物可降解性等性能优点；因存在结构规整的纳米级孔道而具有很大的比表面积，显著加快了生物活性成分的释放速度，从而使材料的生物性能大大提高。因此本发明制备出的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料具有潜在的医用价值，进一步可以作为新型骨修复材料或者骨组织支架增强材料。
附图说明
图1致孔剂对材料微观形貌的影响：(a1,a2)无致孔剂(b1,b2)含致孔剂；
图2多孔结构对材料表面羟基磷灰石形成的影响：（a）非多孔材料（b）多孔材料。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明进行详细说明，但本发明不限于以下具体实施例。
实施例1
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，正硅酸乙酯为硅源，将三者混溶制得生物活性玻璃溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为5%。将聚丙烯腈和聚乳酸按质量比为2/1的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在70℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将生物活性玻璃溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化4天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至150℃保温10min，然后以1℃/min升温至250℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至600℃保温10min，然后以5℃/min升温至1000℃，保温时间为3h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料，材料的微观形貌如附图1(b1,b2)所示。该材料在模拟体液中浸泡一天可形成大量羟基磷灰石，如附图2（b）证明该材料具有很好的生物活性和生物相容性。
实施例2
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得α-磷酸三钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为10%。将聚丙烯腈和聚乳酸按质量比为2/1的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在70℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将α-磷酸三钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化4天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至150℃保温10min，然后以1℃/min升温至260℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至600℃保温10min，然后以5℃/min升温至900℃，保温时间为4h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
实施例3
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得β-磷酸三钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为8%。将聚丙烯腈和聚乳酸按质量比为2/1的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在70℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将β-磷酸三钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化5天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至150℃保温10min，然后以1℃/min升温至260℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至700℃保温10min，然后以5℃/min升温至900℃，保温时间为1h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
实施例4
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得β-磷酸三钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为15%。将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为1/1的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在50℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将β-磷酸三钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化4天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至150℃保温10min，然后以1℃/min升温至270℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至800℃保温10min，然后以5℃/min升温至1200℃，保温时间为3h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
实施例5
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得β-磷酸三钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为20%。将聚丙烯腈和醋酸纤维素按质量比为4/3的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在50℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将β-磷酸三钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化4天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至170℃保温10min，然后以1℃/min升温至270℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至600℃保温10min，然后以5℃/min升温至1200℃，保温时间为2h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
实施例6
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得磷酸氢钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为25%。将聚丙烯腈和醋酸纤维素按质量比为3/4的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在50℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将磷酸氢钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化5天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至170℃保温10min，然后以1℃/min升温至270℃，保温时间为60min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至600℃保温10min，然后以5℃/min升温至1200℃，保温时间为1h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
实施例7
以四水合硝酸钙为钙源，磷酸三乙酯为磷源，将两者混溶制得β-磷酸三钙溶胶-凝胶液，其在纺丝液中的质量百分比为30%。将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为3/4的比例混溶于氮氮二甲基甲酰胺，在50℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将β-磷酸三钙溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化4天制备出纺丝液，并静电纺丝制备初生纳米纤维膜。
将初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，夹具下端施加恒定力，然后将其悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺，以5℃/min升温至100℃保温10min，以3℃/min升温至150℃保温10min，然后以1℃/min升温至280℃，保温时间为80min。然后将获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至800℃保温10min，然后以5℃/min升温至1300℃，保温时间为1h，气体气氛为氮气，降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料。
对比例1
配制纺丝液的过程中，不加致孔剂，只将聚丙烯腈溶于氮氮二甲基甲酰胺，其他步骤和工艺与实施例1相同，制备材料。结果发现在碳纳米纤维的表面无纳米级的孔出现，材料的比表面积较小，材料的微观形貌如附图1(a1,a2)所示。该材料在模拟体液中浸泡一天形成少量羟基磷灰石，如附图2（a），证明材料的生物活性和生物相容性均严重降低。
对比例2
配制纺丝液的过程中，不添加生物活性溶胶-凝胶液，其他步骤和工艺与实施例1相同，制备材料。结果发现材料为多孔碳纳米纤维，其表面无生物活性粒子。材料因失去生物活性粒子而导致生物活性、生物相容性和生物可降解性较差。
对比例3
以实施例1的步骤配制纺丝液，其中超声陈化时间变为1天，然后静电纺丝，其他步骤和工艺与实施例1相同，制备材料。结果发现在多孔碳纳米纤维的表面无生物活性粒子生长，材料因失去生物活性粒子而导致生物活性、生物相容性和生物可降解性较差。
对比例4
以实施例1的步骤和工艺配制纺丝液，然后进行静电纺丝、预氧化，随后其碳化工艺以5℃/min升温至300℃保温10min，以3℃/min升温至600℃保温3h制备获得材料。由于碳化温度较低，不足以促使多孔碳纳米纤维内部的生物活性玻璃纳米粒子迁移至表面，因此纤维表面观察不到生物活性粒子，致使材料的生物相容性和生物可降解性大大降低。
上述实施例制备得到的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料的微观形貌和实施例1相似，在碳纳米纤维的表面有纳米级的生物活性粒子，并呈现纳米圆孔，或在纤维表面和内部呈现纳米级的连续性孔道。
Claims (7)
1.一种具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I：四水合硝酸钙为钙源、磷酸三乙酯为磷源、正硅酸乙酯为硅源，取前两种或三种原料混溶，制备生物活性物质的前驱体溶胶-凝胶液；
步骤II：将聚丙烯腈和致孔剂共混溶于有机溶剂，40～80℃水浴中超声获得均一稳定的溶液，然后将生物活性物质的前驱体溶胶-凝胶液加入到以上溶液，经超声陈化3～6天制备出纺丝液；
步骤III：纺丝液进行静电纺丝，制备初生纳米纤维膜；
步骤IV：将步骤III获得的初生纳米纤维膜剪裁至合适尺寸，以夹具固定两端，然后悬挂于预氧化炉中进行热牵伸与分阶段升温的预氧化工艺；
步骤V：将步骤IV获得的纳米纤维膜置于碳化炉中进行碳化，经分阶段升温、保温以及降温后得到具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料；
步骤V碳化阶段升温程序为：从室温以5℃/min升温至200～400℃并保温5～20min，然后以3℃/min升温至500～750℃并保温5～20min，再以以1℃/min升温至800～1500℃并保温1～5h，气体气氛为氮气；步骤II的致孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚氧化乙烯、醋酸纤维素中的一种；致孔剂和聚丙烯腈的质量比为1/4～2/1，两者的总质量与有机溶剂的质量比为1/8～1/12。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤I中生物活性物质为生物活性玻璃、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸二钙、磷酸氢钙中的一种或几种，其在纺丝液中的质量百分比为5％～30％。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤II的有机溶剂为氮氮二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，致孔剂和聚丙烯腈的质量比为3/4或1/1，两者的总质量与有机溶剂的质量比为1/10。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤II静电纺丝的接收装置为平板或辊筒中的一种，静电电压为15～25kV，纺丝流速为0.2～0.6ml/h，针头与接收装置间的距离为10～30cm。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤IV预氧化阶段升温程序为：从室温以5℃/min升温至80～120℃并保温5～20min，然后以3℃/min升温至120～170℃并保温5～20min，再以以1℃/min升温至200～300℃并保温20～90min，气体气氛为空气，第一阶段保温温度与第二阶段保温温度不同时为120℃。
7.按照权利要求1-6所述的任一方法制备得到的具有生物活性的多孔杂化碳纳米纤维材料，碳纳米纤维表面有纳米级的生物活性粒子，并具有纳米圆孔，或在纤维表面和内部呈现纳米级的连续性轴向孔道。
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