CN107185032A - 一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料及其制备方法，该医用复合材料由以下方法制备：1)对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，后再进行偶联处理得硅烷偶联基体；2)向壳聚糖溶液中加入表面活性剂混合均匀得壳聚糖混合液；取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成聚乳酸溶液；搅拌条件下将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，高速乳化得铸膜液；3)将所得铸膜液涂覆在硅烷偶联基体的表面，除去溶剂和表面活性剂形成干膜层，后在80‑90℃条件下保温即得。该复合材料具有良好的生物相容性、表面活性和机械力学性能，可通过调节聚乳酸/壳聚糖膜层的厚度来控制降解速率，植入人体后降解产物可被人体吸收或随新陈代谢排出体外，无需二次手术取出。

Description

一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于医用复合材料技术领域，具体涉及一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料，同时还涉及一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法。

背景技术

骨折是一种高发的骨外科疾病，有效的骨内固定可以防止骨断端的移位，并辅助其生长和愈合。目前临床应用的骨固定材料主要为金属材料，如不锈钢、钛基合金、钴基合金、形状记忆合金、贵金属及纯金属铌、锆等，这些金属植入材料具有优良的力学性能，但也存在较多不足，如在生理环境中会被腐蚀释放出有害金属离子，造成局部炎症和组织坏死；弹性模量明显高于人骨的弹性模量(10-30GPa)，在人体内会产生应力遮挡效应，抑制新骨的生长；在人体内均不可自发降解，需要二次手术取出，增加患者的痛苦和经济负担。

近年来，镁合金成为最有潜力的可降解生物医用金属材料。与传统的医用金属材料相比，镁及镁合金具有以下优点：1)良好的生物学特性：镁是人体必需的元素，通常以离子形式存在，促进骨细胞的形成，加速骨的愈合，并参与蛋白质合成，激活人体内多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统和活动，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程。2)良好的力学相容性：镁合金与人骨的密度极为相近，弹性模量也较其他医用金属更接近人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应，促进骨折愈合。3)可降解性：镁是一种活泼金属，易发生氧化和电化学反应，在人体体液中易生成镁离子，被周围基体组织吸收，如过量也可以通过尿液排出体外，不会对人体产生不良反应；其作为植入材料存在于人体时，无需二次手术取出；4)储量丰富，价格低廉。

作为骨修复材料，为了使骨组织愈合，植入物需要保持至少12周的机械完整性。但是，镁及镁合金在人体生理环境中容易腐蚀降解，在较短的时间内生成氢气和Mg(OH)₂；在含有Cl^-的环境中，镁表面的Mg(OH)₂氧化膜更容易溶解形成MgCl₂。据报道，镁合金作为植入物进入人体后，仅8天就开始分解，降解速度大于骨组织的愈合速度，只能在体内存在3-5周，就会造成材料的性能失效，并引发次生危害。因此，对医用植入镁及镁合金的研究重点集中在如何降低其腐蚀速率、提高耐蚀性。

目前，通常从以下两个方面提高镁合金的耐蚀性：一是通过合金化调整镁合金的成分、相组成和围观结构，改善镁合金的耐腐蚀性能；但是添加元素往往会对人体产生影响，调控难度大，风险难以控制。二是对镁合金进行表面改性，形成具有耐蚀性的表面膜层结构，从而对基体起到保护作用，延缓镁合金的腐蚀速度；但是现有的表面改性方法不能兼顾耐蚀性和在人体内的生物相容性，效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料。

本发明的第二个目的是提供一种上述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料，由包括以下步骤的方法制备而成：

1)取镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，经水洗、干燥后再浸入硅烷偶联剂溶液中进行偶联处理，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25-30g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂，混合均匀，得壳聚糖混合液；取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为50-60g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.0-1.2:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中高速乳化3-5min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，除去溶剂和表面活性剂，形成干膜层，后在80-90℃条件下保温30-40min，即得。

步骤1)中，所述镁合金基体为AZ31B镁合金。

步骤1)中，所述磷酸盐和硅酸盐双电解液体系含有磷酸钠5g/L、硅酸钠10g/L、氢氧化钠4g/L、氟锆酸钾2g/L。

所述微弧氧化处理为恒流处理，电流密度为3-6A/dm²，电源频率为600Hz，占空比为10％，处理时间为6-10min。

步骤1)中，所用硅烷偶联剂为KH570；硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为1％-2％。

步骤1)中，所述偶联处理的温度为40-50℃，处理时间为80-100min。

步骤2)中，所述表面活性剂为吐温80；表面活性剂壳聚糖混合液中的质量浓度为0.2％-0.3％。

步骤2)中，所述高速乳化的转速为8000-10000rpm。

步骤3)中，除去溶剂和表面活性剂的方法为：60℃烘干或冷冻干燥除去溶剂后，用无水乙醇洗去表面活性剂。

步骤3)中，形成干膜层的厚度为0.4-0.8mm。

一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，经水洗、干燥后再浸入硅烷偶联剂溶液中进行偶联处理，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25-30g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂，混合均匀，得壳聚糖混合液；取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为50-60g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.0-1.2:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中高速乳化3-5min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，除去溶剂和表面活性剂，形成干膜层，后在80-90℃条件下保温30-40min，即得。

本发明的聚乳酸改性镁合金医用复合材料中，聚乳酸是一种以可再生的植物资源为原料经过化学合成制备的可生物降解的高分子聚合物，具有良好的生物相容性和生物降解性，最终降解产物为水和二氧化碳，可逐渐被人体吸收；聚乳酸的强度随着降解时间的延长而逐渐降低，不会抑制骨的生长；弹性模量更接近于人骨；耐蚀性好，在人体环境下降解时间长。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物，是天然可降解的阳离子多糖；对生物细胞无免疫原性，无排斥反应，具有良好的生物相容性和亲水性，安全可靠；壳聚糖降解产物是碱性的氨基葡萄糖，对细胞黏附和增殖促进性好，具有抗炎、抗菌和天然药物活性作用。

本发明的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，通过乳液铸膜的方式，采用聚乳酸与壳聚糖共同改性镁合金基体，在镁合金基体表面形成聚乳酸/壳聚糖膜层，一方面在保持镁合金本身机械强度的基础上，利用聚乳酸与壳聚糖在人体环境中降解速度慢的性能改善镁合金的耐蚀性，使复合材料的降解速度与骨愈合、生长速度相匹配；另一方面，通过壳聚糖改善聚乳酸表面的亲水性，促进细胞正常黏附和增殖，同时壳聚糖的降解产物为碱性，与聚乳酸的酸性降解产物相中和，维持骨附近的pH值稳定，避免引起周围组织炎症。

本发明的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，充分发挥了镁合金、聚乳酸、壳聚糖三者的优势，具有良好的生物相容性、表面活性和机械力学性能，可通过调节镁合金基体表面的聚乳酸/壳聚糖膜层的厚度来控制降解速率，降解产物对人体无害，该复合材料整体无毒无免疫原性，植入人体后降解产物可被人体吸收或随新陈代谢排出体外，无需二次手术取出，适合作为骨固定材料推广使用。

本发明的聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，先对镁合金表面进行微弧氧化和硅烷偶联，微弧氧化在镁合金表面形成一层氧化镁陶瓷层，具有良好的耐磨性、耐蚀性，还提高了表面与有机涂层的结合力；硅烷偶联是采用化学键合的方式将有机涂层与无机基体结合在一起，获得良好的结合强度。采用乳液铸膜的形式使亲水性壳聚糖与疏水性聚乳酸共同形成膜层，实现稳定均一的共混；该膜层中，聚乳酸与壳聚糖分布均匀且膜层厚度均一，使得两者之间的协同作用大大提高；该亲水性壳聚糖与疏水性聚乳酸的复合膜层通过硅烷偶联剂与微弧氧化的镁合金基体牢固结合，膜层不易脱落，对镁合金的防护作用好，防止镁合金提前降解，使得复合材料获得与骨愈合、生长相匹配的降解速率。同时，该制备方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

具体实施方式中，所用聚乳酸为注塑级颗粒，粘均分子量为6-7万，密度为1.24g/cm³。所用壳聚糖的脱乙酰度为85％，重均分子量为1×10⁵。

所用镁合金基体为AZ31B镁合金板材，其组成成分如表1所示。

表1所用AZ31B镁合金板材成分表

元素

Zn

Al

Mn

Si

Cu

Ni

Fe

Mg

含量(wt％)

1.0-1.2

3.0-3.2

0.5-0.6

≤0.1

≤0.05

≤0.005

≤0.005

余量

具体实施方式中，所用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系含有磷酸钠5g/L、硅酸钠10g/L、氢氧化钠4g/L、氟锆酸钾2g/L；制备时，将氟锆酸钾、磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠按配方量依次加入去离子水中，充分溶解。微弧氧化处理采用现有的微弧氧化装置；微弧氧化过程中采用循环水冷却，控制温度不超过40℃。

具体实施方式中，所用硅烷偶联剂为KH570(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)。将无水乙醇与水按照体积比为10:1的比例混合后，用醋酸调整pH值为5.0-5.5，加入配方量的KH570，混合均匀后，静置1h，即得硅烷偶联剂溶液。

具体实施方式中，所用醋酸水溶液的体积浓度为2.0％。

实施例1

本实施例的聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取厚度为2.0mm的镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，所述微弧氧化处理为恒流处理，电流密度为6A/dm²，电源频率为600Hz，占空比为10％，处理时间为6min；微弧氧化结束后，用去离子水冲洗，后干燥，再浸入质量浓度为2.0％的硅烷偶联剂溶液中，在温度40℃条件下进行偶联处理100min，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂吐温80，混合均匀，得壳聚糖混合液；所得壳聚糖混合液中，吐温80的质量浓度为0.20％；

取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为50g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.2:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中，以10000rpm的转速高速乳化3min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，冷冻干燥除去溶剂，用无水乙醇洗去表面活性剂并在50℃烘干，形成厚度为500μm的干膜层，后在90℃条件下保温30min，即得所述聚乳酸改性镁合金医用复合材料。

实施例2

本实施例的聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取厚度为2.0mm的镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，所述微弧氧化处理为恒流处理，电流密度为3A/dm²，电源频率为600Hz，占空比为10％，处理时间为10min；微弧氧化结束后，用去离子水冲洗，后干燥，再浸入质量浓度为1.0％的硅烷偶联剂溶液中，在温度50℃条件下进行偶联处理80min，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为30g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂吐温80，混合均匀，得壳聚糖混合液；所得壳聚糖混合液中，吐温80的质量浓度为0.30％；

取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为60g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中，以8000rpm的转速高速乳化5min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，冷冻干燥除去溶剂，用无水乙醇洗去表面活性剂并在50℃烘干，形成厚度为600μm的干膜层，后在85℃条件下保温35min，即得所述聚乳酸改性镁合金医用复合材料。

实施例3

本实施例的聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取厚度为2.0mm的镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，所述微弧氧化处理为恒流处理，电流密度为4A/dm²，电源频率为600Hz，占空比为10％，处理时间为4min；微弧氧化结束后，用去离子水冲洗，后干燥，再浸入质量浓度为1.0％的硅烷偶联剂溶液中，在温度45℃条件下进行偶联处理90min，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂吐温80，混合均匀，得壳聚糖混合液；所得壳聚糖混合液中，吐温80的质量浓度为0.25％；

取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为55g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.1:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中，以9000rpm的转速高速乳化4min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，冷冻干燥除去溶剂，用无水乙醇洗去表面活性剂并在50℃烘干，形成厚度为400μm的干膜层，后在85℃条件下保温35min，即得所述聚乳酸改性镁合金医用复合材料。

实验例1

本实验例对实施例1-3所得聚乳酸改性镁合金医用复合材料的力学性能进行检测，结果如表2所示。

其中，拉伸强度参照GB/T1447-2005标准进行测试，加载速度为2mm/min。

弯曲强度参照GB/T3356-1999标准进行测试，加载速度为2mm/min，跨距为30mm。

冲击韧性采用无缺口型试样简支梁冲击，跨距为40mm。

表2实施例1-3所得聚乳酸改性镁合金医用复合材料力学性能检测结果

从表2可知，本发明的聚乳酸改性镁合金医用复合材料具有良好的力学性能和更接近人骨的弹性模量。

实验例2

本实验例对实施例1-3所得聚乳酸改性镁合金医用复合材料的降解性能进行测试。本实验例采用Sorensen磷酸缓冲液作为模拟介质进行浸泡实验，模拟考察复合材料在人体环境内的降解行为。浸泡实验的样品尺寸为50mm×12mm，将复合材料浸泡在SBF模拟体液中进行降解，温度恒温为37℃；在实验过程中每隔两天更换一次模拟体液，保持溶液Ph＝7.4；每隔1周取出烘干称重计算腐蚀失重率，从而评价复合材料腐蚀降解速率。结果如表3所示。

表3实施例1-3所得聚乳酸改性镁合金医用复合材料的腐蚀失重率(％)

时间(周)	实施例1	实施例2	实施例3
				1	0.11	0.10	0.12
2	0.40	0.44	0.38
				4	1.0	1.1	1.0
6	1.7	1.9	1.6
				8	2.6	2.9	2.5
12	5.2	5.5	5.3

从表3可以看出，实施例1-3的聚乳酸改性镁合金医用复合材料在浸泡第4周后，失重率在1.0％左右，失重较小，几乎不影响复合材料的强度；在经过12周之后，失重率达到5％，经计算，应是镁合金表面聚乳酸/壳聚糖的膜层已降解过半厚度，此时模拟体液还没有大面积接触镁合金基体。按此降解速率计算，约在第15周左右，体液大面积接触镁合金基体，镁合金开始降解，复合材料进入快速降解阶段。从上述内容可知，该复合材料在人体环境下的降解速率适中，慢于骨愈合、生长速率，又不至于过慢，适合作为骨固定材料使用。

Claims (9)

1.一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：由包括以下步骤的方法制备而成：

1)取镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，经水洗、干燥后再浸入硅烷偶联剂溶液中进行偶联处理，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25-30g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂，混合均匀，得壳聚糖混合液；取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为50-60g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.0-1.2:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中高速乳化3-5min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，除去溶剂和表面活性剂，形成干膜层，后在80-90℃条件下保温30-40min，即得。

2.根据权利要求1所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤1)中，所述磷酸盐和硅酸盐双电解液体系含有磷酸钠5g/L、硅酸钠10g/L、氢氧化钠4g/L、氟锆酸钾2g/L。

3.根据权利要求2所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：所述微弧氧化处理为恒流处理，电流密度为3-6A/dm²，电源频率为600Hz，占空比为10％，处理时间为6-10min。

4.根据权利要求1所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤1)中，所用硅烷偶联剂为KH570；硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为1％-2％。

5.根据权利要求4所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤1)中，所述偶联处理的温度为40-50℃，处理时间为80-100min。

6.根据权利要求1所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤2)中，所述表面活性剂为吐温80；表面活性剂壳聚糖混合液中的质量浓度为0.2％-0.3％。

7.根据权利要求1所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤2)中，所述高速乳化的转速为8000-10000rpm。

8.根据权利要求1所述的聚乳酸改性镁合金医用复合材料，其特征在于：步骤3)中，除去溶剂和表面活性剂的方法为：60℃烘干或冷冻干燥除去溶剂后，用无水乙醇洗去表面活性剂。

9.一种聚乳酸改性镁合金医用复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)取镁合金基体，采用磷酸盐和硅酸盐双电解液体系对镁合金基体表面进行微弧氧化处理，经水洗、干燥后再浸入硅烷偶联剂溶液中进行偶联处理，取出风干，得硅烷偶联基体；

2)取壳聚糖溶于醋酸水溶液中制成质量浓度为25-30g/L的壳聚糖溶液，向所得壳聚糖溶液中加入表面活性剂，混合均匀，得壳聚糖混合液；取聚乳酸溶于三氯甲烷中制成质量浓度为50-60g/L的聚乳酸溶液；

搅拌条件下，按照聚乳酸溶液与壳聚糖混合液的体积比为1.0-1.2:1的比例，将聚乳酸溶液加入壳聚糖混合液中，混合均匀后，置于均浆机中高速乳化3-5min，得铸膜液；

3)将步骤2)所得铸膜液涂覆在步骤1)所得硅烷偶联基体的表面，除去溶剂和表面活性剂，形成干膜层，后在80-90℃条件下保温30-40min，即得。