CN105816918A - 一种脂肪族聚酯-纳米羟基磷灰石复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米复合材料的制备领域，特别涉及一种脂肪族聚酯-纳米羟基磷灰石复合材料及制备方法。其制备步骤为：（1）采用共沉淀、水热法或溶胶-凝胶/静电纺丝方法，合成羟基磷灰石纳米棒或纳米纤维；（2）通过多巴胺氧化自聚合实现对纳米羟基磷灰石的表面包覆改性；（3）采用溶液共混方法，制备脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料薄膜或多孔支架。本发明的方法具有：改性条件温和、简单易行、改性效果显著等优点，聚多巴胺包覆的纳米羟基磷灰石在脂肪族聚酯基体中分散均匀，界面粘结性能改善，脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料力学性能得到显著提高，可应用于骨组织再生修复等相关领域。

Description

一种脂肪族聚酯-纳米羟基磷灰石复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备以及骨组织再生领域，具体涉及一种脂肪族聚酯-纳米羟基磷灰石复合材料及制备方法。

背景技术

羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，简称HA，是人体骨骼和牙齿的主要组成成分。人工合成的HA与生物硬组织中的HA在组成和晶体结构上十分相似，具有良好的骨传导性与骨诱导性。HA多孔支架植入体内后，可有效地促进骨组织的再生。但单纯HA支架的缺点也很明显，如脆性大、力学稳定性差，以及缺乏对天然细胞外基质有机/无机复合材料特性的仿生等。近年来，纳米HA的制备技术越来越成熟，采用共沉淀、水热法、溶胶-凝胶/静电纺丝等方法，可以方便地获得针状、棒状或纤维状的纳米HA。这些纳米HA具有表面积大、成骨生物活性高、易于与生物可降解高分子复合等优势，对于发展新型骨再生修复材料的意义显著。

脂肪族聚酯具有生物相容性好、生物可降解速度可调节性强、易于成型等特点，脂肪族聚酯/纳米HA复合材料是目前研究得最为广泛的骨再生修复材料之一。但纳米HA比表面积大，易于团聚，而且无机HA与聚合物的模量相差较大，两者的界面结合力也较弱，因此，纳米HA在在聚合物中不易分散，增加添加量常导致严重的团聚，反而降低了复合材料的力学性能。表面改性是改进此不足的重要手段，改性方法包括表面物理吸附、表面接枝小分子、表面化学接枝聚合物等方法，虽然改性后的纳米HA在聚合物中的分散性和团聚状况得到一定程度的改善，但有些改进效果仍不理想，有些改性过程比较复杂，使用的有机试剂存在潜在的生物毒性。因此，寻找更为有效、更为简便、生物相容性更好的纳米HA表面改性方法十分必要。

近年来，生物粘附分子多巴引起了人们的广泛关注，它是贻贝类生物所分泌粘附蛋白的关键分子，在不同材质的材料表面都具有很强的粘附性。多巴胺是多巴的类似物，1997年，Lee等（Science2007,318:426-430）发现多巴胺可以通过氧化自聚包覆在不同的材料表面，经聚多巴胺改性的表面，其界面粘结性能都得到显著提高。Ku等（Biomaterials2010,31:2535-2541）证实聚多巴胺生物相容性优异，经聚多巴胺改性的表面对细胞具有很好的粘附性，不会改变细胞的生物学行为。Liu等（Chemicalreviews2014,114:5057-5115）总结认为，多巴胺氧化聚合改性作为一种简单有效的、普适的表面改性方法具有很好的应用前景。

因此，对于脂肪族聚酯/纳米HA复合材料这类有机/无机复合材料，采用多巴胺对纳米HA进行表面改性，无疑将促进两者的界面粘结，以及帮助纳米HA在聚酯基体中的分散，从而获得力学性能和生物学性能优异的骨再生修复材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种脂肪族聚酯-纳米HA复合材料及制备方法，其特点在于利用多巴胺氧化自聚合实现对纳米HA的表面包覆改性，通过聚多巴胺界面层促进纳米HA与脂肪族聚酯的界面粘结，达到改善纳米HA分散、提高纳米HA添加量的目的，从而解决纳米HA在脂肪族聚酯中难以均匀分散、界面相容性差的问题，获得力学性能和生物学性能优异的骨再生修复材料。

本发明的一种脂肪族聚酯/纳米HA复合材料的制备方法如下：

（1）将纳米HA悬浮分散于水中，向体系中加入多巴胺使其浓度在0.1mg/ml-4mg/ml范围内，向体系中加入三羟甲基氨基甲烷，调节体系pH值为8.5，然后在室温反应6-72小时，收集得到聚多巴胺改性的纳米HA；

（2）将聚多巴胺改性的纳米HA悬浮于有机溶剂中，溶胀24小时，得到悬浮液A；将脂肪族聚酯溶于有机溶剂得到高分子溶液B；将一定量的A和B混合得到混合液C，使纳米HA与脂肪族聚酯的重量比为0:100-50:50；

（3）将混合液C溶液浇铸成膜，或者制备得到脂肪族聚酯/纳米HA多孔支架材料；

本发明所述的脂肪族聚酯为以乳酸、羟基乙酸、羟基己酸中的一个或多个为结构单元的均聚或共聚高分子。

本发明所述的纳米HA为采用共沉淀、水热法或溶胶-凝胶/静电纺丝法制备的纳米棒状或纳米纤维状HA中的一种。

本发明采用多巴胺对纳米HA进行表面改性，是利用多巴胺在碱性条件下的氧化自聚合来实现的。

本发明的脂肪族聚酯/纳米HA复合材料的制备，是通过将聚多巴胺改性的纳米HA分散于有机溶剂中，然后与脂肪族聚酯溶液混合，采用溶液浇铸成膜或制备成多孔支架来实现的。

本发明用于制备脂肪族聚酯/纳米HA复合材料的有机溶剂为二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、二氧六环、三氟乙醇中的一种。

本发明的脂肪族聚酯/纳米HA复合材料多孔支架，可采用多种方法制备，可以为致孔剂法、相分离法、静电纺丝法、三维打印成型法中的一种或两种及两种以上方法的联合使用。

本发明制备得到的聚多巴胺改性纳米HA，在不改变原有纳米HA性能的同时，通过其表面聚多巴胺层在溶剂中的溶胀，与脂肪族聚酯之间形成良好的分子间作用力，改善了纳米HA在脂肪族聚酯中的分散性，提高了两者间的界面结合力，从而达到了提高脂肪族聚酯/纳米HA复合材料力学性能的目的。本发明的改性技术和过程简单，条件温和，脂肪族聚酯/纳米HA复合材料具有良好的生物学性能与力学性能，可以应用于骨组织再生修复。

以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

具体实施方式：

实施例1（共沉淀法+0.1mg/mL+72hr+10%wtHA+溶液浇铸成膜+氯仿+PLLA）

(1)取4g四水合硝酸钙，2g磷酸二氢铵，依次加入到含有150mL去离子水中，用氨水调节体系的pH值为10，搅拌下在80℃下反应2小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到HA纳米棒；

(2)取1gHA纳米棒，悬浮分散于0.1mg/mL的多巴胺溶液中，加入三羟甲基氨基甲烷调节体系pH值为8.5，搅拌下在室温下反应72小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到聚多巴胺改性HA纳米棒；

(3)将1g聚多巴胺改性HA纳米棒分散于氯仿中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将9g聚左旋乳酸（PLLA，分子量10万）溶解于氯仿，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀，然后在室温溶液浇铸，待溶剂完全挥发后，得到HA纳米棒含量为10%wt的PLLA/HA复合材料薄膜。与纯PLLA薄膜相比，该复合材料薄膜的拉伸强度上升27.7%，拉伸模量上升9.4%。

实施例2（共沉淀法+2mg/mL+48hr+30%wtHA+溶液浇铸成膜+氯仿+PLLA）

(1)步骤同实施例1的步骤（1）；

(2)取1gHA纳米棒，悬浮分散于2mg/mL的多巴胺溶液中，加入三羟甲基氨基甲烷调节体系pH值为8.5，搅拌下在室温下反应48小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到聚多巴胺改性HA纳米棒；

(3)将3g聚多巴胺改性HA纳米棒分散于氯仿中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将7gPLLA（分子量10万）溶解于氯仿，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀，然后在室温溶液浇铸，待溶剂完全挥发后，得到HA纳米棒含量为30%wt的PLLA/HA复合材料薄膜。与纯PLLA薄膜相比，该复合材料薄膜的拉伸强度上升33.3%，拉伸模量上升32.4%。

实施例3（水热法+2mg/mL+48hr+30%wtHA+溶液浇铸成膜+氯仿+PLGA）

(1)取24g油酸的乙醇溶液，10mLNaOH水溶液，10mLCaCl₂水溶液，5mLNaH₂PO₄水溶液依次加入到烧杯中，在水热反应釜中180℃下反应24小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到HA纳米纤维；

(2)取1gHA纳米纤维，悬浮分散于2mg/ml的多巴胺溶液中，加入三羟甲基氨基甲烷调节体系pH值为8.5，搅拌下在室温下反应48小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到聚多巴胺改性HA纳米纤维；

(3)将3g聚多巴胺改性HA纳米纤维分散于氯仿中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将7g聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA7525，分子量10万）溶解于氯仿，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀，然后在室温溶液浇铸，待溶剂完全挥发后，得到HA纳米纤维含量为30%wt的PLGA/HA复合材料薄膜。与纯PLGA薄膜相比，该复合材料薄膜的拉伸强度上升30.8%，拉伸模量上升28.7%。

实施例4（溶胶凝胶静电纺丝+2mg/mL+48hr+30%wtHA+溶液浇铸成膜+氯仿+PLC）

(1)将磷酸三乙酯（TEP）水解液与Ca(NO₃)₂的乙醇溶液按钙磷比为1.67混合，室温陈化2周，形成凝胶-溶胶溶液，将该凝胶-溶胶溶液与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和水按照5:1:0.5（w:w:w）混合配成纺丝液，经静电纺丝得到初纺的复合纳米纤维。初纺纳米纤维经在700℃下烧结去除PVP助纺剂后，得到HA纳米纤维；

(2)取1gHA纳米纤维，悬浮分散于2mg/ml的多巴胺溶液中，加入三羟甲基氨基甲烷调节体系pH值为8.5，搅拌下在室温下反应48小时。反应结束后，离心分离、去离子水洗涤、真空干燥得到聚多巴胺改性HA纳米纤维；

(3)将3g聚多巴胺改性HA纳米纤维分散于氯仿中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将7g聚乳酸-羟基己酸共聚物（PLC7525，分子量10万）溶解于氯仿，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀，然后在室温溶液浇铸，待溶剂完全挥发后，得到HA纳米纤维含量为30%wt的PLC/HA复合材料薄膜。与纯PLC薄膜相比，该复合材料薄膜的拉伸强度上升34.8%，拉伸模量上升33.7%。

实施例5（共沉淀法+2mg/mL+48hr+50%wtHA+盐致孔法+二氧六环+PLLA）

(1)步骤同实施例1的步骤（1）；

(2)步骤同实施例2的步骤（2）；

(3)将5g聚多巴胺改性HA纳米棒分散于二氧六环中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将5gPLLA（分子量10万）溶解于二氧六环，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀后加入50g干燥经筛分的氯化钠致孔剂（粒径范围为150微米到300微米），搅拌均匀后移入圆柱体型模具中，置于液氮中冷冻，经冷冻干燥机、去离子水洗涤、再次冷冻干燥，得到HA纳米棒含量为50%wt的PLLA/HA多孔复合材料支架。与纯PLLA多孔支架相比，该多孔复合材料支架的压缩模量上升120%。

实施例6（共沉淀法+2mg/ml+48hr+30%wtHA+静电纺丝+三氟乙醇+PLLA）

(1)步骤同实施例1的步骤（1）；

(2)步骤同实施例2的步骤（2）；

(3)将3g聚多巴胺改性HA纳米棒分散于三氟乙醇中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将7gPLLA（分子量10万）溶解于三氟乙醇，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀得到PLLA浓度为10%wt的纺丝液，静电纺丝得到HA纳米棒含量为30%wt的PLLA/HA复合材料纳米纤维支架。与纯PLLA纳米纤维支架相比，该复合材料纳米纤维支架的拉伸强度上升24.5%，拉伸模量上升12.8%。

实施例7（共沉淀法+10%wtHA+溶液浇铸成膜+氯仿+PLLA）

(1)步骤同实施例1的步骤（1）；

(2)将1gHA纳米棒分散于氯仿中，室温溶胀24小时得到悬浮液A；将9gPLLA（分子量10万）溶解于氯仿，室温搅拌溶解24小时得到均匀的聚合物溶液B；将A和B混合均匀，然后在室温溶液浇铸，待溶剂完全挥发后，得到HA纳米棒含量为10%wt的PLLA/HA复合材料薄膜。与纯PLLA薄膜相比，该复合材料薄膜的拉伸强度下降6.7%，拉伸模量下降3.4%。

Claims (5)

1.本发明的一种脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料，其特征在于利用多巴胺氧化自聚合实现对纳米羟基磷灰石的表面聚多巴胺包覆改性，将其与生物可降解脂肪族聚酯复合，获得力学性能优异的骨再生修复材料，其制备方法如下：步骤（1）将纳米羟基磷灰石悬浮分散于水中，向体系中加入多巴胺使其浓度在0.1mg/mL-4mg/mL范围内，向体系中加入三羟甲基氨基甲烷，调节体系pH值为8.5，然后在室温反应6-72小时，收集得到聚多巴胺改性的纳米羟基磷灰石；步骤（2）将聚多巴胺改性的纳米羟基磷灰石悬浮于有机溶剂中，溶胀24小时，得到悬浮液A；将脂肪族聚酯溶于有机溶剂得到高分子溶液B；将一定量的A和B混合得到混合液C，使纳米羟基磷灰石与脂肪族聚酯的重量比为0:100-50:50；步骤（3）将混合液C溶液浇铸成脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料膜、或制备得到脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料多孔支架。

2.根据权利要求1所述的一种脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料，其脂肪族聚酯是以乳酸、羟基乙酸、羟基己酸中的一个或多个为结构单元的均聚或共聚高分子。

3.根据权利要求1所述的一种脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料，其纳米羟基磷灰石为采用共沉淀、水热法或溶胶-凝胶/静电纺丝法制备的纳米棒状或纳米纤维状羟基磷灰石中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征是步骤（2）中的有机溶剂为二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、二氧六环、三氟乙醇中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种脂肪族聚酯/纳米羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征是步骤（3）中多孔支架的制备方法为致孔剂法、相分离法、静电纺丝法、三维打印成型法中的一种或两种及两种以上方法的联合使用。