CN107875455A - 一种有机无机混纺静电纺丝纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机无机混纺静电纺丝纤维，由可降解聚合物分散于溶剂中与磷酸钙类纳米颗粒混纺而制成；制备该有机无机混纺静电纺丝纤维的方法，包括：可降解聚合物与溶剂均质、加磷酸钙类纳米颗粒进行均质和静电混纺纺丝。该有机无机混纺静电纺丝纤维，可降解聚合物与磷酸钙类纳米颗粒的结合强度高、韧性强，可塑性强，具有较好的医学应用前景。

Description

一种有机无机混纺静电纺丝纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种医用生物材料领域，尤其涉及一种有机无机混纺静电纺丝纤维及其制备方法。

背景技术

磷酸钙骨水泥是一种自固化非陶瓷型磷灰石类材料。自1985年由Brown和Chow首先研制出以磷酸盐为主要成分的骨修复材料。经过二十几年的研究发展，在骨修复材料领域，可任意塑形并能够在体液条件下快速自固化，且固化产物与人体正常骨组织中的无机成分相近、生物相容性良好。磷酸钙骨水泥已成为生物医学材料的重要一员。

单纯的磷酸钙骨水泥由于其自身的脆性较大和抗压强度不足，一般只能用于非负重区的骨体的修复，限制了其临床应用。为增强磷酸钙骨水泥，研究者们通过向磷酸钙骨水泥中引入可降解纤维可以改善骨水泥的降解性能，以使骨水泥增强、增韧。

纤维特别是纳米纤维是一种高取向性和高强度的纤维，具有良好的机械性能。静电纺丝法是目前能够直接连续制备纳米纤维的有效方法，因其操作简单方便，制备的纤维直径较细而受到广泛关注。但是，由于高分子纤维的密度及表面状态与无机磷酸盐差别很大，如图1所示，因此在直接混合的情况下，大多数骨水泥两种成分：有机纤维2与磷酸钙无机颗粒1的相容性不理想，往往导致界面粘结性差、分散不均匀的问题，难以起到增强效果。

因此，本领域急需一种复合纤维增强复合骨水泥，纤维与骨水泥的界面结合强度高，且复合骨水泥强度高、韧性好，可塑性强，固化迅速，降解快，更好地满足手术使用的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种界面结合强度高、韧性好的有机无机混纺静电纺丝纤维。

本发明的目的之二在于提供上述有机无机混纺静电纺丝纤维的制备方法。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种有机无机混纺静电纺丝纤维，由可降解聚合物分散于溶剂中与磷酸钙类纳米颗粒混纺而制成；

所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或两种以上；所述可降解聚合物的溶剂为四氢呋喃和/或二甲基甲酰胺；

所述磷酸钙类纳米颗粒为磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、焦磷酸钙、偏磷酸钙和磷酸二氢钙中的一种或两种以上；所述磷酸钙类纳米颗粒的粒径为100-1000nm。

进一步地，所述可降解聚合物的溶剂为四氢呋喃与二甲基甲酰胺按(1-2)：1的体积比组成。

进一步地，所述磷酸钙类纳米颗粒是由磷酸钙类材料分散于无水乙醇中球磨而成。

进一步地，所述可降解聚合物的分子量为8-10万。

进一步地，所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸或聚己内酯。

进一步地，所述磷酸钙类纳米颗粒是由磷酸四钙、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸二氢钙、磷酸氢钙、磷酸钙中的任意两种按(1-2):1的重量比混合组成。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

上述有机无机混纺静电纺丝纤维的制备方法，包括以下步骤：

1)将可降解聚合物分散于5-20倍重量的溶剂中，高速振荡均质，得到可降解聚合物的分散液；

2)向步骤1)得到的可降解聚合物的分散液中加入2.5-15％质量的磷酸钙类纳米颗粒，高速振荡后超声震荡均质，消泡后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.1-5mL/h，电压为10-20kv，收集距离10-20cm。

进一步地，步骤1)中，可降解聚合物的分子量为8-10万。

进一步地，高速振荡采用旋转轨迹式振荡方式，振荡速度为150-200rpm，振荡时间为30min。

进一步地，步骤2)中，纺丝溶液挤出速度为0.5-1mL/h，电压为12-15kv，收集距离14-16cm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的有机无机混纺静电纺丝纤维，是由可降解聚合物与磷酸钙类纳米颗粒混纺得到的，可降解聚合物采用有机溶剂进行震荡均质后加磷酸钙类纳米颗粒均质后再超声辅助均质，最后混纺得到有机无机混纺静电纺丝纤维，该方法混纺得到的有机无机混纺静电纺丝纤维，可降解聚合物与磷酸钙类纳米颗粒的结合强度高、韧性强，可塑性强，具有较好的医学应用前景。

附图说明

图1为现有技术的骨水泥结构示意图；

图2本发明的结构示意图；

图中，各附图标记：1、无机颗粒；2、有机纤维。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明提供一种有机无机混纺静电纺丝纤维，由可降解聚合物分散于溶剂中与磷酸钙类纳米颗粒混纺而制成；

所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或两种以上；所述可降解聚合物的溶剂为四氢呋喃和/或二甲基甲酰胺；

所述磷酸钙类纳米颗粒为磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、焦磷酸钙、偏磷酸钙和磷酸二氢钙中的一种或两种以上；所述磷酸钙类纳米颗粒的粒径为100-1000nm。

该有机无机混纺静电纺丝纤维是一种内生性的有机、无机共纺静电纺丝纤维，具有较好的结合强度高、韧性强。

该有机无机混纺静电纺丝纤维的制备方法，包括以下步骤：

1)将可降解聚合物分散于5-20倍重量的溶剂中，高速振荡均质，得到可降解聚合物的分散液；

2)向步骤1)得到的可降解聚合物的分散液中加入2.5-15％质量的磷酸钙类纳米颗粒，高速振荡后超声震荡均质，消泡后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.1-5mL/h，电压为10-20kv，收集距离10-20cm。

该制备方法是利用有机可降解聚合物于溶剂中均质，再与磷酸钙类纳米颗粒均质，最终混纺出内生性、结合强度高的有机无机混纺静电纺丝纤维，可承受较大的应力，跟机体具有较好的相容。

本发明还提供一种利用上述有机无机混纺静电纺丝纤维制备的骨水泥。

上述骨水泥的制备方法包括以下步骤：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：将磷酸钙类材料加无水乙醇分散，球磨，过筛，干燥；

所述磷酸钙类材料为磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、焦磷酸钙、偏磷酸钙和磷酸二氢钙中的一种或两种以上；

2)静电纺丝纤维的制备：将可降解聚合物于溶剂中均质，再加入步骤1)的磷酸钙类纳米颗粒进行均质，静置消泡后进行静电纺丝，得静电纺丝纤维；所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或两种以上；所述溶剂为四氢呋喃和/或二甲基甲酰胺；纺丝溶液挤出速度为0.1-5mL/h，电压为10-20kv，收集距离10-20cm；

3)固相组分的制备：将步骤2)得到的静电纺丝纤维干燥，剪短，与步骤1)的磷酸钙类纳米颗粒按1:(10-100)的重量比混合，得到固相组分；

4)固化液的制备：将壳聚糖、柠檬酸和水按照质量比为(0-2)：(3-4)：100的比值进行混合，并充分搅拌制得的固化液；

5)固化：将步骤3)的固相组分与步骤4)的固化液按(1-2)g:1mL的重量比混合，固化得到骨水泥。

本发明制备的骨水泥得到的是一种内应-外合双重作用的骨水泥，有机纤维中嵌入了磷酸钙类材料的纳米颗粒，明显改善了界面相容性提高界面结合强度，使该骨水泥具有良好的韧性和较高的抗压强度、可塑性强，具有快速固化性能以及良好的生物相容性和生物降解性，解决了传统骨水泥脆性大、抗压强度低、难降解的缺陷。

实施例1：

一种有机无机混纺静电纺丝纤维，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：称取0.6g羟基磷灰石纳米颗粒，在无水乙醇介质中球磨混合，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得羟基磷灰石纳米颗粒；

2)将0.75g分子量为8-10w的聚乳酸-羟基乙酸共聚物分散于3.65g体积比为2:1的四氢呋喃-二甲基甲酰胺混合溶剂中，150rpm振荡均质30min，得到可降解聚合物的分散液；

3)向步骤2)得到的可降解聚合物的分散液中加入步骤1)制得的羟基磷灰石纳米颗粒，150rpm振荡均质30min后，超声震荡均质30min，消泡后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.5mL/h，电压为15kv，收集距离15cm，得到有机无机共混静电纺丝纤维。

实施例2：

一种有机无机混纺静电纺丝纤维，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：称取0.4g羟基磷灰石纳米颗粒，在无水乙醇介质中球磨混合，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得羟基磷灰石纳米颗粒；

2)将0.5g分子量为8-10w的聚乳酸分散于4.1g体积比为1:1的四氢呋喃-二甲基甲酰胺混合溶剂中，150rpm振荡均质30min，在40℃下放置24小时后，再次150rpm振荡均质30分钟并静置30分钟，得到可降解聚合物的分散液；

3)向步骤2)得到的可降解聚合物的分散液中加入步骤1)制得的羟基磷灰石纳米颗粒，150rpm振荡均质30min后，超声震荡均质30min，静置至气泡消除后立即使用混合液进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.8mL/h，电压为13kv，收集距离15cm，得到有机无机共混静电纺丝纤维。

实施例3：

一种有机无机混纺静电纺丝纤维，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：称取0.48g羟基磷灰石纳米颗粒，在无水乙醇介质中球磨混合，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得羟基磷灰石纳米颗粒；

2)将0.6g分子量为8-10w的聚乳酸分散于3.92g体积比为4:3的四氢呋喃-二甲基甲酰胺混合溶剂中，150rpm振荡均质30min，在40℃下放置24小时后，再次150rpm振荡均质30分钟并静置30分钟，得到可降解聚合物的分散液；

3)向步骤2)得到的可降解聚合物的分散液中加入步骤1)制得的羟基磷灰石纳米颗粒，150rpm振荡均质30min后，超声震荡均质30min，静置至气泡消除后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.6mL/h，电压为14kv，收集距离15cm，得到有机无机共混静电纺丝纤维。

实施例4：

一种有机无机混纺静电纺丝纤维，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：称取0.32g羟基磷灰石纳米颗粒，在无水乙醇介质中球磨混合，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得羟基磷灰石纳米颗粒；

2)将0.4g分子量为8-10w的聚乳酸分散于4.28g体积比为4:3的四氢呋喃-二甲基甲酰胺混合溶剂中，150rpm振荡均质30min，在40℃下放置24小时后，再次150rpm振荡均质30分钟并静置30分钟，得到可降解聚合物的分散液；

3)向步骤2)得到的可降解聚合物的分散液中加入步骤1)制得的羟基磷灰石纳米颗粒，150rpm振荡均质30min后，超声震荡均质30min，静置至气泡消除后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为1mL/h，电压为12kv，收集距离15cm，得到有机无机共混静电纺丝纤维。

实施例5：

一种骨水泥，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：将7gα-磷酸三钙和3g磷酸二氢钙加无水乙醇分散，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得到磷酸钙类纳米颗粒；

2)静电纺丝纤维的制备：取实施例1得到的有机无机共混静电纺丝纤维；

3)固相组分的制备：将步骤2)得到的静电纺丝纤维在50℃烘箱中干燥1h后，剪成3mm长的短片，取0.5g静电纺丝纤维短片，与步骤1)得到的磷酸钙类纳米颗粒混合均匀，得到有机无机共混静电纺丝纤维增强复合骨水泥的固相组分；

4)固化液的制备：将壳聚糖、柠檬酸和水按照质量比为1：3：100的比值进行混合，并充分搅拌制得的固化液；

5)固化：将步骤3)的固相组分与步骤4)的固化液按1.2g:1mL的重量比混合，然后分别填入模具中，置于37℃、100％湿度环境中固化。固化时间为1h，脱模后烘干其抗压强度为45.21MPa。

实施例6：

一种骨水泥，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：将8g磷酸四钙和2g磷酸氢钙加无水乙醇分散，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得到磷酸钙类纳米颗粒；

2)静电纺丝纤维的制备：取实施例2得到的有机无机共混静电纺丝纤维；

3)固相组分的制备：将步骤2)得到的静电纺丝纤维在50℃烘箱中干燥1h后，剪成3mm长的短片，取0.8g静电纺丝纤维短片，与步骤1)得到的磷酸钙类纳米颗粒混合均匀，得到有机无机共混静电纺丝纤维增强复合骨水泥的固相组分；

4)固化液的制备：将壳聚糖、柠檬酸和水按照质量比为1：4：100的比值进行混合，并充分搅拌制得的固化液；

5)固化：将步骤3)的固相组分与步骤4)的固化液按1.5g:1mL的重量比混合，然后分别填入模具中，置于37℃、100％湿度环境中固化。固化时间为1h，脱模后烘干其抗压强度为49.35MPa。

实施例7：

一种骨水泥，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：将6g磷酸四钙和4gβ-磷酸三钙加无水乙醇分散，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得到磷酸钙类纳米颗粒；

2)静电纺丝纤维的制备：取实施例3得到的有机无机共混静电纺丝纤维；

3)固相组分的制备：将步骤2)得到的静电纺丝纤维在50℃烘箱中干燥1h后，剪成3mm长的短片，取0.8g静电纺丝纤维短片，与步骤1)得到的磷酸钙类纳米颗粒混合均匀，得到有机无机共混静电纺丝纤维增强复合骨水泥的固相组分；

4)固化液的制备：将壳聚糖、柠檬酸和水按照质量比为2：3：100的比值进行混合，并充分搅拌制得的固化液；

5)固化：将步骤3)的固相组分与步骤4)的固化液按2g:1mL的重量比混合，然后分别填入模具中，置于37℃、100％湿度环境中固化。固化时间为1h，脱模后烘干其抗压强度为44.64MPa。

实施例8：

一种骨水泥，通过以下步骤制得：

1)磷酸钙类纳米颗粒的制备：将7g部分结晶磷酸钙和3g磷酸氢钙加无水乙醇分散，过200目筛后，50℃烘箱中干燥1h，得到磷酸钙类纳米颗粒；

2)静电纺丝纤维的制备：取实施例4得到的有机无机共混静电纺丝纤维；

3)固相组分的制备：将步骤2)得到的静电纺丝纤维在50℃烘箱中干燥1h后，剪成3mm长的短片，取0.7g静电纺丝纤维短片，与步骤1)得到的磷酸钙类纳米颗粒混合均匀，得到有机无机共混静电纺丝纤维增强复合骨水泥的固相组分；

4)固化液的制备：将壳聚糖、柠檬酸和水按照质量比为2：4：100的比值进行混合，并充分搅拌制得的固化液；

5)固化：将步骤3)的固相组分与步骤4)的固化液按1.6g:1mL的重量比混合，然后分别填入模具中，置于37℃、100％湿度环境中固化。固化时间为1h，脱模后烘干其抗压强度为42.94MPa。

由实施例4-6可知，采用本发明提供的静电纺丝纤维，能形成较好强度的骨水泥。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，由可降解聚合物分散于溶剂中与磷酸钙类纳米颗粒混纺而制成；

所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基脂肪酸酯、聚碳酸酯、聚己内酯和聚乙醇酸中的一种或两种以上；所述可降解聚合物的溶剂为四氢呋喃和/或二甲基甲酰胺；

所述磷酸钙类纳米颗粒为磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、羟基磷灰石、焦磷酸钙、偏磷酸钙和磷酸二氢钙中的一种或两种以上；所述磷酸钙类纳米颗粒的粒径为100-1000nm。

2.如权利要求1所述的有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，所述可降解聚合物的溶剂由四氢呋喃与二甲基甲酰胺按(1-2)：1的体积比组成。

3.如权利要求1所述的有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，所述磷酸钙类纳米颗粒是由磷酸钙类材料分散于无水乙醇中球磨而成。

4.如权利要求1所述的有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，所述可降解聚合物的分子量为8-10万。

5.如权利要求1所述的有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，所述可降解聚合物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸或聚己内酯。

6.如权利要求1所述的有机无机混纺静电纺丝纤维，其特征在于，所述磷酸钙类纳米颗粒是由磷酸四钙、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸二氢钙、磷酸氢钙、磷酸钙中的任意两种按(1-2):1的重量比混合组成。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的有机无机混纺静电纺丝纤维的制备方法，包括以下步骤：

1)将可降解聚合物分散于5-20倍重量的溶剂中，高速振荡均质，得到可降解聚合物的分散液；

2)向步骤1)得到的可降解聚合物的分散液中加入2.5-15％质量的磷酸钙类纳米颗粒，高速振荡后超声震荡均质，消泡后进行静电纺丝，纺丝溶液挤出速度为0.1-5mL/h，电压为10-20kv，收集距离10-20cm。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，可降解聚合物的分子量为8-10万。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，高速振荡采用旋转轨迹式振荡方式，振荡速度为150-200rpm，振荡时间为30min。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，纺丝溶液挤出速度为0.5-1mL/h，电压为12-15kv，收集距离14-16cm。