CN114456434B - 一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，将热塑性聚氨酯和聚乳酸溶液混合得到高分子高分子聚合物混合液，将壳聚糖盐酸盐、纳米羟基磷灰石、无水氯化镁、高密度壳聚糖溶液分别分散在溶剂中，加入高分子聚合物混合液中，最后冷冻干燥得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料；本发明结合了聚乳酸和聚氨酯的各自的优势，提高材料的整体机械强度、抗冲击性和形状记忆性能，壳聚糖、镁离子、羟基磷灰石促进了骨再生细胞的粘附、增殖和分化，以及血管重建，最后冷干成型，骨修复材料表现出优异的修复性能，将在生物医学、骨组织工程修复中显示出广阔的应用前景。

Description

一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，属于生物组织工程材料技术领域。
背景技术
骨修复材料作为人体硬组织替代和修复的重要生物材料，广泛应用于骨外科、骨科和齿科等领域。随着外伤、炎症和肿瘤等引起的骨缺损患者数量的增多，骨替代材料需求量激增。因此，骨修复材料的开发成为了研究热点。其中，生物惰性材料是应用最早的临床医用材料，但作为永久性植入材料，惰性植入物会永远留在人体内，进行二次手术不仅成本较高，还增加了患者的痛苦。为此，人们又通过组织工程开发了多种生物相容材料，如羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)等，但其机械性能较差，只能用于非承重骨的关键尺寸缺陷。
目前，可生物降解高分子材料备受人们的关注，可生物降解高分子材料不仅具有良好的生物相容性、还具有优良的力学性能及加工性能，可作为骨缺损修复支架应用于骨组织工程，不仅极大拓宽了临床骨缺损修复材料的范围，也克服了体内排异反应及疾病传染等不良并发症，为骨缺损材料的临床应用开拓了新的发展空间，聚乳酸具有生物相容性、可降解性、加工性能好以及力学强度高等优点，在人体内降解的产物为乳酸，代谢最终产物为CO2和H2O，但聚乳酸材料脆性强，缺乏柔韧性和粘性，灵活性和抗冲击性低。
与只加入高分子材料作为骨缺损的支撑体相比，将生物降解高分子材料作为支撑基体材料，再将促进生长的多种修复材料加入基体中，随着高分子材料的降解释放出来无疑会有更好的效果。壳聚糖(poly-β-1,4-linked glucosamine，CS)是一种阳离子多糖，由几丁质的碱性N-脱乙酰化制成。自然界中甲壳素的来源很丰富，例如甲壳类动物壳、昆虫表皮(主要来自虾和蟹)和真菌细胞壁。CS可以促进骨组织的形成，是一种很有前途的用于骨缺损修复的天然生物材料支架。此外，壳聚糖上的正电荷可以促进支架与带负电荷的组织细胞或体液结合。镁是体内第四丰富的阳离子，相当于成年人体内的约1摩尔(24g)，超过60％积聚在骨骼和牙齿中。作为人体必需元素，镁已被发现是参与能量代谢、蛋白质和核酸合成、甲状旁腺功能维持以及与骨骼健康密切相关的维生素D代谢的各种酶促反应的辅助因子。羟基磷灰石(HAp)是钙磷灰石的一种天然矿物形式，分子式为Ca10[PO]46[OH]2，约占骨骼重量的50％，因此具有出色的骨传导和骨整合特性。同时，与松质骨相比，HAp具有相似的初始机械性能——在拉伸和剪切下易碎且较弱，但耐压缩载荷，当植入体内时，合成HAp的大孔隙率(直径>100μm)和孔互连性允许骨祖细胞的粘附、增殖和分化，以及血管重建和随后新骨的向内生长，然而，羟基磷灰石的降解很缓慢，将几种修复材料与生物可降解高分子材料复合并发挥出各自的优势是非常困难的，它们的降解性对于植入人体后的再生和诱导组织自我再生至关重要，需要适当的生物降解率来匹配组织再生率，快速降解会影响骨细胞的粘附，而缓慢降解会阻碍细胞增殖和基质分泌，因此急需开发一种合适的方法来实现上述目的。
发明内容
本发明提供一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，使用热塑性聚氨酯(TPU)和PLA两种聚合物共混，有效地提高材料整体机械强度、抗冲击性和形状记忆性能；通过调整TPU和PLA的比例，进而调整所得到材料的力学性能，以满足应用要求；本发明使用溶液混合的模式，分别将分散好的TPU、壳聚糖盐酸盐、无水氯化镁、纳米羟基磷灰石、高密度壳聚糖以特定的比例加入PLA基体中，最后冷干成型，材料被PLA/TPU基体包裹，随着基体的降解，功能材料逐步被释放，并用作骨修复。
本发明技术方案如下：
一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将3-5g热塑性聚氨酯颗粒加入到15-25mL N-N二甲基甲酰胺中搅拌溶解完全后得到热塑性聚氨酯溶液，将12-20g聚乳酸颗粒加入到60-100mL二氯甲烷中搅拌溶解完全后得到聚乳酸溶液，将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液搅拌混合，得到高分子聚合物混合液；
(2)将5-7g壳聚糖盐酸盐、1-3g纳米羟基磷灰石、1-3g无水氯化镁分别加入到50-100mL二氯甲烷中搅拌分散均匀后混合，得到填料混合液；
(3)将3-5g高密度壳聚糖加入到30-50mL浓度为3wt％的乙酸溶液中搅拌分散，得到高密度壳聚糖溶液；
(4)将步骤(2)的填料混合液和步骤(3)高密度壳聚糖溶液加入步骤(1)的高分子聚合物混合液中，搅拌混匀得到复合材料混合液；
(5)将步骤(4)的复合材料混合液倒入到模具中，在冷干机中冷冻干燥后得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料。
步骤(1)搅拌溶解是在400-600rpm下混合搅拌4-6h至溶解完全；将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液搅拌混合是采用增力电动搅拌器，在400-800rpm下混合搅拌2-3h。
步骤(2)分别加入到二氯甲烷中后，采用增力电动搅拌器，在200-400rpm下搅拌分散1-2h；混合后置于超高速均质器中，在6000-10000rpm的转速下分散10-20min。
步骤(3)高密度壳聚糖加入3wt％乙酸溶液中搅拌分散是采用增力电动搅拌器，400-600rpm下混合搅拌4-8h。
步骤(4)搅拌混匀是采用增力电动搅拌器，400-800rpm下混合搅拌1-2h。
步骤(5)冷冻干燥是在-50℃下冷冻干燥6-18h。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明选用PLA共混TPU的模式，TPU的加入可以提高材料的整体机械强度、抗冲击性和形状记忆性能。通过调整TPU和PLA的重量比，就可以调整所得到材料的力学性能。
功能性材料壳聚糖、镁离子、羟基磷灰石，以设计的比例被加入高分子聚合物基体中，壳聚糖可以促进骨组织的形成促进支架与组织细胞或体液结合。镁是合成维生素D代谢的各种酶促反应的辅助因子。羟基磷灰石(HAp)具有出色的骨传导和骨整合特性。但HAp在拉伸和剪切下易碎且较弱而且羟基磷灰石的降解很缓慢。为了克服HAp易碎、脆断和降解缓慢的问题。本发明将其与其他功能填料一并加入力学性能好的PLA/TPU支架中，并严格控制添加量。赋予材料促进骨再生细胞的粘附、增殖和分化、血管重建的功能，最后冷干成型，材料被PLA/TPU基体包裹，随着基体的降解，功能材料逐步被释放，并用作骨修复，骨修复材料表现出优异的修复性能，将在生物医学、骨组织工程修复中显示出广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1冷冻干燥得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料实物图；
图2为实施例1冷冻干燥得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的受压实验图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将5g热塑性聚氨酯颗粒加入到25mL N-N二甲基甲酰胺中，在600rpm下混合搅拌4h溶解完全，得到热塑性聚氨酯溶液；
将20g聚乳酸颗粒加入到100mL二氯甲烷中，在600rpm下混合搅拌4h溶解完全，得到聚乳酸溶液；
将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液混合，在增力电动搅拌器中，800rpm下搅拌2h，得到高分子聚合物混合液；
(2)将7g壳聚糖盐酸盐、3g纳米羟基磷灰石、3g无水氯化镁分别加入到100mL二氯甲烷中，分别在增力电动搅拌器中，400rpm下搅拌分散1h，搅拌分散均匀后混合，混合后置于超高速均质器中，在10000rpm的转速下分散10min，得到填料混合液；
(3)将5g高密度壳聚糖加入到50mL浓度为3wt％的乙酸溶液中，在增力电动搅拌器中，600rpm下搅拌混合4h，分散均匀得到高密度壳聚糖溶液；
(4)将步骤(2)的填料混合液和步骤(3)高密度壳聚糖溶液加入到步骤(1)的高分子聚合物混合液中，在增力电动搅拌器中，800rpm下搅拌1h，搅拌混匀得到复合材料混合液；
(5)将步骤(4)的复合材料混合液倒入到模具中，在冷干机中，-50℃下冷冻干燥18h，得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料。
如图1所示为本实施例制备得到冷冻干燥的聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的实物图，从图中可以看出，材料有明显的孔隙结构，各项材料分布均匀。
如图2所示为本实施例冷冻干燥得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的受压实验图本，从图中可以看出，材料具有良好的机械性能，在500g的砝码压力下，结构稳定，无明显变形。
实施例2
一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将3g热塑性聚氨酯颗粒加入到15mL N-N二甲基甲酰胺中，在400rpm下混合搅拌6h溶解完全，得到热塑性聚氨酯溶液；
将12g聚乳酸颗粒加入到60mL二氯甲烷中，在400rpm下混合搅拌6h溶解完全，得到聚乳酸溶液；
将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液混合，在增力电动搅拌器中，400rpm下搅拌3h，得到高分子聚合物混合液；
(2)将5g壳聚糖盐酸盐、1g纳米羟基磷灰石、1g无水氯化镁分别加入到50mL二氯甲烷中，分别在增力电动搅拌器中，200rpm下搅拌分散2h，搅拌分散均匀后混合，混合后置于超高速均质器中，在6000rpm的转速下分散20min，得到填料混合液；
(3)将3g高密度壳聚糖加入到30mL浓度为2wt％的乙酸溶液中，在增力电动搅拌器中，400rpm下搅拌混合8h，分散均匀得到高密度壳聚糖溶液；
(4)将步骤(2)的填料混合液和步骤(3)高密度壳聚糖溶液加入到步骤(1)的高分子聚合物混合液中，在增力电动搅拌器中，400rpm下搅拌2h，搅拌混匀得到复合材料混合液；
(5)将步骤(4)的复合材料混合液倒入到模具中，在冷干机中，-50℃下冷冻干燥6h，得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料。
实施例3
一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将4g热塑性聚氨酯颗粒加入到20mL N-N二甲基甲酰胺中，在500rpm下混合搅拌5h溶解完全，得到热塑性聚氨酯溶液；
将16g聚乳酸颗粒加入到80mL二氯甲烷中，在500rpm下混合搅拌5h溶解完全，得到聚乳酸溶液；
将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液混合，在增力电动搅拌器中，600rpm下搅拌2.5h，得到高分子聚合物混合液；
(2)将6g壳聚糖盐酸盐、2g纳米羟基磷灰石、2g无水氯化镁分别加入到80mL二氯甲烷中，分别在在增力电动搅拌器中，300rpm下搅拌分散1.5h，搅拌分散均匀后混合，混合后置于超高速均质器中，在8000rpm的转速下分散15min，得到填料混合液；
(3)将4g高密度壳聚糖加入到40mL浓度为4wt％的乙酸溶液中，在增力电动搅拌器中，500rpm下搅拌混合6h，分散均匀得到高密度壳聚糖溶液；
(4)将步骤(2)的填料混合液和步骤(3)高密度壳聚糖溶液加入到步骤(1)的高分子聚合物混合液中，在增力电动搅拌器中，600rpm下搅拌1.5h，搅拌混匀得到复合材料混合液；
(5)将步骤(4)的复合材料混合液倒入到模具中，在冷干机中，-50℃下冷冻干燥12h，得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料。

Claims (6)

1.一种聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将3-5g热塑性聚氨酯颗粒加入到15-25mL N-N二甲基甲酰胺中搅拌溶解完全后得到热塑性聚氨酯溶液，将12-20g聚乳酸颗粒加入到60-100mL二氯甲烷中搅拌溶解完全后得到聚乳酸溶液，将热塑性聚氨酯溶液和聚乳酸溶液搅拌混合，得到高分子聚合物混合液；
(2)将5-7g壳聚糖盐酸盐、1-3g纳米羟基磷灰石、1-3g无水氯化镁分别加入到50-100mL二氯甲烷中搅拌分散均匀后混匀，得到填料混合液；
(3)将3-5g高密度壳聚糖加入到30-50mL质量分数2-4％的乙酸溶液中搅拌分散，得到高密度壳聚糖溶液；
(4)将步骤(2)的填料混合液和步骤(3)的高密度壳聚糖溶液加入到步骤(1)的高分子聚合物混合液中，搅拌混匀得到复合材料混合液；
(5)将步骤(4)的复合材料混合液冷冻干燥后得到聚乳酸基骨修复复合气凝胶。
2.根据权利要求1所述聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)搅拌溶解是在400-600rpm下混合搅拌4-6h；搅拌混合是采用增力电动搅拌器，在400-800rpm下混合搅拌2-3h。
3.根据权利要求1所述聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)分别加入到二氯甲烷中后，采用增力电动搅拌器，在200-400rpm下搅拌分散1-2h；混合后置于超高速均质器中在6000-10000rpm的转速下分散10-20min。
4.根据权利要求1所述聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)搅拌分散是采用增力电动搅拌器，400-600rpm下混合搅拌4-8h。
5.根据权利要求1所述聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)搅拌混匀是采用增力电动搅拌器，400-800rpm下混合搅拌1-2h。
6.根据权利要求1所述聚乳酸基骨修复复合气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)冷冻干燥是在-50℃下冷冻干燥6-18h。
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