CN108744049B - 一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备go-pda/phbv复合骨支架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO‑PDA/PHBV复合骨支架的方法,该方法在氧化石墨烯表面沉积多巴胺,得到GO‑PDA粉末;所述GO‑PDA粉末与PHBV粉末通过液相混合后,固液分离,固体经过干燥和研磨,得到GO‑PDA/PHBV复合粉末;所述GO‑PDA/PHBV复合粉末通过选择性激光烧结得到GO‑PDA/PHBV复合骨支架。该方法利用多巴胺修饰氧化石墨烯,来促进氧化石墨烯的分散,防止其团聚,同时对氧化石墨烯片尖锐边缘进行修饰,避免对正常细胞的损伤,能更好发挥GO的生物活性,获得生物性能和机械性能更好的GO‑PDA/PHBV复合骨支架。

Description

一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支 架的方法
技术领域
本发明涉及一种复合骨支架,特别涉及一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯改善聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)骨支架性能的方法,属于人工骨支架材料技术领域。
背景技术
聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)是一种生物高分子聚酯,具有好的生物相容性和可降解性,作为一种人工骨支架植入材料得到了国内外学者的广泛关注。然而PHBV本身存在亲水性差、机械强度低和细胞相容差等问题,极大地限制其在骨修复中的应用,因此研究PHBV骨支架材料的改性已成为热点。加入与基体材料相容性好的增强相是提高材料力学性能、亲水性能和赋予支架特殊功能的有效方法。
氧化石墨烯(GO)是石墨烯的一种衍生物,其表面具有丰富的含氧基团使之具有优异的亲水性,同时GO具备优异的机械性能和良好的生物相容性,被认为是生物医学领域一种很有潜力的材料。目前有报道将氧化石墨烯用于改性聚合物材料以提高聚合物的亲水性和力学性能。然而GO具有大的比表面积和表面能以及强的范德华力,在聚合物基体中均匀分散十分困难,其团聚严重影响对聚合物的改性效果,特别是对于作为生物材料使用的聚合物材料,氧化石墨烯片尖锐的边缘易于穿透细胞膜并破坏细胞的正常功能使细胞失去活性。
发明内容
针对现有技术中PHBV复合骨支架材料亲水性差、机械强度低和细胞相容差等问题,以及GO分散性差,对聚合物改性效果差,同时氧化石墨烯片尖锐边缘可以穿透细胞膜并破坏细胞的正常功能使细胞失去活性等现象,导致其在生物材料改性应用受到局限,本发明的目的是在于提供一种利用多巴胺修饰GO来制备GO-PDA/PHBV复合骨支架材料的方法,该方法利用多巴胺修饰GO,来促进GO的分散,防止其团聚,同时对氧化石墨烯片尖锐边缘进行修饰,避免对正常细胞的损伤,能更好发挥GO的生物活性,获得生物性能和机械性能更好的GO-PDA/PHBV复合骨支架。
为实现上述技术目的,本发明提供了一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,该方法是在氧化石墨烯表面沉积多巴胺,得到GO-PDA粉末;所述GO-PDA粉末与PHBV粉末通过液相混合后,固液分离,固体经过干燥和研磨,得到GO-PDA/PHBV复合粉末;所述GO-PDA/PHBV复合粉末通过选择性激光烧结得到GO-PDA/PHBV复合骨支架。
本发明采用多巴胺作为氧化石墨烯的修饰单体,多巴胺本是一种广泛存在于生物体内的化合物,具有较好的生物相容性和亲水性,其本身带有大量的酚羟基和氨基等官能团,这些官能团可通过共价键或非共价键方式与氧化石墨烯及PHBV之间的界面存在较强的结合力,从而可以促进氧化石墨烯在PHBV基体中的均匀分散,能有效防止氧化石墨烯的分散,同时多巴胺对氧化石墨烯的边缘进行填充修饰,减少对周围正常细胞的损伤,且亲水性有利于细胞粘附和增殖,更好地发挥介孔生物玻璃的生物活性,氧化石墨烯与PHBV基体复合后,大大提高PHBV的机械性能,从而制备的GO-PDA/PHBV复合骨支架具有良好生物活性和机械性能。
优选的方案,将多巴胺溶液与氧化石墨烯分散液搅拌混合,升温至40~60℃,调节混合体系pH至6~10,搅拌反应,反应完成后,固液分离,干燥,即得GO-PDA粉末。在中性偏碱性环境中多巴胺易于沉积在氧化石墨烯表面,在氧化石墨烯表面生成规整的包覆层。
较优选的方案,搅拌反应的时间为10~14h。
较优选的方案,所述多巴胺溶液的浓度为0.5~1.5mol/mL。
较优选的方案,所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.1~0.4mg/mL。
较优选的方案,所述多巴胺溶液与所述氧化石墨烯分散液按体积比1~2:1~2混合。多巴胺与氧化石墨烯的比例最好是控制在本发明的优选范围内,已达到多巴胺充分修饰氧化石墨烯的目的。
较优选的方案,所述氧化石墨烯的厚度为0.8~1.2nm,片径为1~5μm。
优选的方案,GO-PDA粉末与PHBV粉末的质量比为1~3:97~99。GO-PDA粉末过多,一方面影响复合材料的烧结性能,另一方面GO-PDA会团聚,影响复合支架的机械性能。GO-PDA粉末过少,弥散强化效果较小,难以达到增强复合支架机械性能的目的。
较优选的方案,所述PHBV粉末的颗粒尺寸为1~10μm,纯度大于99%,熔点为220~240℃。
较优选的方案,所述选择性激光烧结的工艺条件为:激光功率为2.5~3.2W,扫描速度为500~600mm/min,扫描间距为2~2.5mm,光斑直径为0.8~1.0mm,粉床预热温度为200~220℃。
本发明制备GO-PDA/PHBV/PHBV复合骨支架的方法包括以下具体步骤:
(1)将GO粉末分散在去离子水中,质量浓度为0.1~0.4mg/ml,使用功率为500~1000W的超声波超声30~60min,得到GO的水悬浮液体系;
(2)配制一定量1mol/L的PDA盐酸盐水溶液,取5mL溶液与5mL上述得到的GO水溶液混合,室温下搅拌30~60min,升温,待反应液温度升至40~60℃时,加入一定量1mol/L的NaOH溶液,调节反应液pH值约为6~10,搅拌反应10~14h,最终得到均一的溶液,然后高速离心洗涤、干燥,获得PDA功能化的GO纳米复合材料(GO-PDA);
(3)将GO-PDA倒入装有PHBV溶液的烧杯中,溶液再经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀;
(4)混合溶液过滤后,在电热鼓风干燥箱中干燥,主要工艺参数为:干燥温度为60~80℃,保温时间为12~24h,得到混合粉末,混合粉末中PHBV占重量比为97~99%,PDA功能化的GO粉末占重量比为1~3%。
(5)将混合粉末置于激光快速成形系统中进行层层烧结,烧结完成后,利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架,主要工艺参数为:激光功率为2.5~3.2W,扫描速度为500~600mm/min,扫描间距为2~2.5mm,光斑直径为0.8~1.0mm,粉床预热温度为200~220℃。
相对现有技术,本发明技术方案带来的积极效果:
1、本发明采用多巴胺对氧化石墨烯表面进行修饰,利用多巴胺提高氧化石墨烯与PHBV界面之间的相互作用,从而促进氧化石墨烯在PHBV基质中的分散,进而改善复合支架的机械性能,同时可以更好地发挥氧化石墨烯的生物活性,提高复合骨架材料的生物性能。
2、本发明利用PDA对氧化石墨烯片尖锐的边缘进行修饰钝化,从而避免损伤正常细胞;
3、本发明利用PDA优异的亲水性和生物相容性,赋予制备的复合骨支架良好的生物活性,有利于细胞粘附和增殖。
4、本发明的利用多巴胺改性氧化石墨烯的方法操作简单,且原料成本低,有利于工业化生产。
具体实施例
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述,但本发明之内容并不局限于此。
实施例1
1)将GO粉末分散在去离子水中,质量浓度为0.2mg/ml,使用功率为500W的超声波超声50min,得到GO的水悬浮液;首先配制一定量1mol/L的PDA盐酸盐水溶液,取5mL,与5mL上述得到的GO水溶液混合,室温下搅拌50min,升温,待反应液温度升至40℃时,加入一定量1mol/L的NaOH溶液,调节反应液pH值约为8,搅拌反应12h,最终得到均一的溶液,然后高速离心洗涤、干燥得到PDA功能化的GO纳米复合材料(GO-PDA);
2)利用电子天平称取GO-PDA粉末0.1克,PHBV粉末9.9g,然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中,溶液再经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀;
3)混合溶液过滤后,在电热鼓风干燥箱中干燥,主要工艺参数为:干燥温度为60℃,保温时间为24h;
4)将干燥后的混合粉末置于选择性激光烧结系统中进行层层烧结,烧结完成后,利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架,主要工艺参数为:激光功率为2.8W,扫描速度为600mm/min,扫描间距为2mm,光斑直径为0.8mm,粉床预热温度为200℃;
5)经力学性能测试发现,经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架的压缩强度相比于未经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架提高了3.4倍,达到17.85MPa;细胞活力实验证实,所开发的纳米复合材料不会诱导对细胞的毒性作用。
实施例2
1)将GO粉末分散在去离子水中,质量浓度为0.3mg/ml,使用功率为1000W的超声波超声40min,得到GO的水悬浮液体系;首先配制一定量1mol/L的PDA盐酸盐水溶液,取5mL,与5mL上述得到的GO水溶液混合,室温下搅拌50min,升温,待反应液温度升至60℃时,加入一定量1mol/L的NaOH溶液,调节反应液pH值约为9,搅拌反应12h,最终得到均一的溶液,然后高速离心洗涤、干燥,获得PDA功能化的GO纳米复合材料(GO-PDA);
2)利用电子天平称取GO-PDA粉末0.3克,PHBV粉末9.7g,然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中,溶液再经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀;
3)混合溶液过滤后,在电热鼓风干燥箱中干燥,主要工艺参数为:干燥温度为80℃,保温时间为12h;
4)将干燥后的混合粉末置于选择性激光烧结系统中进行烧结实验,计算机根据界面轮廓信息对粉末材料进行有选择性的层层烧结,烧结完成后,利用压缩空气去除未烧结的粉末,形成所需人工骨的三维实体,主要工艺参数为:激光功率为2.8W,扫描速度为600mm/min,扫描间距为2mm,光斑直径为0.8mm,粉床预热温度为200℃;
5)经力学性能测试发现,经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架的压缩强度相比于未经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架提高了2.1倍,达到12.4MPa;细胞活力实验证实,所开发的纳米复合材料不会诱导对细胞的毒性作用。
对比例1
1)将GO粉末分散在去离子水中,质量浓度为0.2mg/ml,使用功率为500W的超声波超声60min,得到GO的水悬浮液体系;首先配制一定量1mol/L的PDA盐酸盐水溶液,取5mL,与5mL上述得到的GO水溶液混合,室温下搅拌20min,升温,待反应液温度升至30℃时,加入一定量1mol/L的NaOH溶液,调节反应液pH值约为5,搅拌反应8h,最终得到均一的溶液,然后高速离心洗涤、干燥,获得PDA功能化的GO纳米复合材料(GO-PDA);
2)利用电子天平称取GO-PDA粉末0.1克,PHBV粉末9.9g,然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中,溶液再经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀;
3)混合溶液过滤后,在电热鼓风干燥箱中干燥,主要工艺参数为:干燥温度为70℃,保温时间为18h;
4)将干燥后的混合粉末置于选择性激光烧结系统中进行烧结实验,计算机根据界面轮廓信息对粉末材料进行有选择性的层层烧结,烧结完成后,利用压缩空气去除未烧结的粉末,形成所需人工骨的三维实体,主要工艺参数为:激光功率为2.8W,扫描速度为600mm/min,扫描间距为2mm,光斑直径为0.8mm,粉床预热温度为200℃;
5)经力学性能测试发现,经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架的压缩强度达到6.4MPa;细胞活力实验证实,所开发的纳米复合材料不会诱导对细胞的毒性作用。
对比例2
2)将GO粉末分散在去离子水中,质量浓度为0.3mg/ml,使用功率为1000W的超声波超声40min,得到GO的水悬浮液体系;首先配制一定量1mol/L的PDA盐酸盐水溶液,取5mL,与5mL上述得到的GO水溶液混合,室温下搅拌80min,升温,待反应液温度升至80℃时,加入一定量1mol/L的NaOH溶液,调节反应液pH值约为12,搅拌反应16h,最终得到均一的溶液,然后高速离心洗涤、干燥,获得PDA功能化的GO纳米复合材料(GO-PDA);
3)利用电子天平称取GO-PDA粉末0.3克,PHBV粉末9.7g,然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中,溶液再经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀;
4)混合溶液过滤后,在电热鼓风干燥箱中干燥,主要工艺参数为:干燥温度为70℃,保温时间为12h;
5)将干燥后的混合粉末置于选择性激光烧结系统中进行烧结实验,计算机根据界面轮廓信息对粉末材料进行有选择性的层层烧结,烧结完成后,利用压缩空气去除未烧结的粉末,形成所需人工骨的三维实体,主要工艺参数为:激光功率为2.8W,扫描速度为600mm/min,扫描间距为2mm,光斑直径为0.8mm,粉床预热温度为200℃;
6)经力学性能测试发现,经过PDA修饰后的氧化石墨烯制备的复合支架的压缩强度达到7.9MPa;细胞活力实验证实,所开发的纳米复合材料不会诱导对细胞的毒性作用。

Claims (6)

1.一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:将多巴胺溶液与氧化石墨烯分散液搅拌混合,升温至40~60℃,调节混合体系pH至6~10,搅拌反应,反应完成后,固液分离,干燥,即得GO-PDA粉末;所述GO-PDA粉末与PHBV粉末通过液相混合后,固液分离,固体经过干燥和研磨,得到GO-PDA/PHBV复合粉末;所述GO-PDA/PHBV复合粉末通过选择性激光烧结得到GO-PDA/PHBV复合骨支架;
所述多巴胺溶液的浓度为0.5~1.5mol/L;
所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.1~0.4mg/mL;
所述多巴胺溶液与所述氧化石墨烯分散液按体积比1~2:1~2混合。
2.根据权利要求1所述的一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:搅拌反应的时间为10~14h。
3.根据权利要求1所述的一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:所述氧化石墨烯的厚度为0.8~1.2nm,片径为1~5μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:GO-PDA粉末与PHBV粉末的质量比为1~3:97~99。
5.根据权利要求4所述的一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:所述PHBV粉末的颗粒尺寸为1~10μm,纯度大于99%,熔点为220~240℃。
6.根据权利要求1~5任一项所述的一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备GO-PDA/PHBV复合骨支架的方法,其特征在于:所述选择性激光烧结的工艺条件为:激光功率为2.5~3.2W,扫描速度为500~600mm/min,扫描间距为2~2.5mm,光斑直径为0.8~1.0mm,粉床预热温度为200~220℃。
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