CN115058109A - 一种混合粒径尺寸的可降解复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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CN115058109A CN202211001694.1A CN202211001694A CN115058109A CN 115058109 A CN115058109 A CN 115058109A CN 202211001694 A CN202211001694 A CN 202211001694A CN 115058109 A CN115058109 A CN 115058109A
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Abstract

本申请涉及材料技术领域，具体公开了一种混合粒径尺寸的可降解复合材料及其制备方法和应用。所述可降解复合材料包括可降解高分子材料和生物活性材料，所述生物活性材料采用至少两种不同平均粒径的生物活性材料制成；其制备方法为：将可降解高分子材料，不同平均粒径的生物活性材料进行熔融共混，熔融共混温度为160~250℃，转速为50~300rpm，制得混合粒径尺寸的可降解复合材料。本申请的可降解复合材料的优点是：在提升可降解复合材料的力学性能的同时，兼顾可降解复合材料的加工性能。

Description

一种混合粒径尺寸的可降解复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及材料技术领域，具体涉及一种混合粒径尺寸的可降解复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
骨缺损是由创伤、肿瘤、先天性疾病等多种原因引起的复杂病理学变化。临床上大多采用自体骨移植、异体骨移植。随着材料学和组织工程技术的不断革新发展，多种骨修复代替材料也在临床中起着至关重要的作用。
目前用于骨组织修复的材料主要有金属、陶瓷和聚合物几大类。金属材料已成功应用于关节修复，其具有强度好、加工方便等优点。但金属材料与骨的结合仅仅是机械锁合，会产生磨损、应力屏蔽、感染、二次手术等问题。陶瓷类材料分为生物惰性陶瓷材料（如氧化铝，氧化锆等）和生物活性陶瓷材料（如HA和β-TCP等），陶瓷材料虽然强度高但质脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏等不足，一般用于非承力的骨修复场合。聚合物材料分为可降解材料（如PLA、PLGA等）和不可降解材料（如PMMA，PEEK等），可降解材料具有可吸收性可以避免修复手术，但聚合物材料的力学强度不足、生物活性差以及有炎症反应限制了其发展应用。因此，可降解聚合物材料与陶瓷材料的复合材料应运而生，在保持各个组分材料某些特点的基础上，具有组分间协同作用产生的综合性能，可弥补单一材料的缺点，可产生单一材料不具备的新特性。
聚乳酸类可降解高分子材料，已经在临床上有普遍应用，但是材料与骨的结合能力较低、不具有骨传导性、产品植入人体后降解生成的酸性产物会导致无菌炎性反应，甚至导致无菌性骨组织坏死，酸性产物会促进材料发生加速降解。生物活性陶瓷材料，如β-TCP，主要是由钙、磷组成，其成分与骨基质的无机成分相似，与骨结合好，能在体内降解为新骨形成提供钙和磷，同时具有良好的骨传导性和生物相容性。相关的如公开号为CN110624136A的中国发明公开了一种可降解医用复合材料及其制备方法和应用，该复合材料以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)作为可降解有机基材，以β-磷酸三钙作为无机填料，采用植物多酚作为偶联剂，采用PLGA-b-PEG-b-PLGA作为相容剂，该复合材料中的有机相和无机相的界面结合力强，材料力学性能优异。
类似的专利中关于聚乳酸类材料与生物活性陶瓷材料的复合材料的制备方法，通常是以聚乳酸类材料为基体，将平均粒径为单一尺寸的纳米或微米级的β-TCP加入其中，通过溶液或者熔融共混的方法将两者混合分散均匀。平均粒径单一尺寸是指只使用一种粒径尺寸的β-TCP粉体，其平均粒径是纳米或微米的。也有文献专利对β-TCP粉体进行了表面改性，还有的是在聚乳酸和β-TCP的体系中又增加了分散剂、增韧剂和稳定剂等。但是都是使用的一种单一尺寸的β-TCP。没有出现过使用两种或两种以上不同粒径大小的β-TCP按比例配合使用的报道。
发明内容
为了在提升可降解复合材料的力学性能的同时，兼顾可降解复合材料的加工性能，本申请提供一种混合粒径尺寸的可降解复合材料及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，采用如下的技术方案：
一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，包括可降解高分子材料和生物活性材料，所述生物活性材料采用至少两种不同平均粒径的生物活性材料制成。
本申请采用可降解高分子材料和生物活性材料复配使用，两组分之间产生协同作用，制得的可降解复合材料兼具可降解高分子材料和生物活性材料的特性，具有较佳的综合性能；即该复合材料在具有较佳力学性能的基础上，具有良好的骨传导性和生物相容性。
同时本申请中的生物活性材料采用至少两种不同平均粒径的生物活性材料制成，使得本申请中的可降解复合材料不再是单一粒径尺寸的，而是不同粒径尺寸粉体的搭配使用。根据粉体堆积理论，大小粒径的粉体搭配使用，小粒径粉体可以填充大粒径粉体间隙达到较优的分散状态，从而在提升可降解复合材料的力学性能的同时，兼顾可降解复合材料的加工性能，使得复合材料兼具优异的力学性能和加工性能。
优选的，所述生物活性材料主要由纳米级和微米级两种平均粒径的生物活性材料配制而成。
纳米级的生物活性材料，比表面积大，易团聚，制备的复合材料的强度有很大提高但粘度增加较大，成型加工性能差。微米级的生物活性材料，颗粒间的间隙大，受力容易断裂，强度增加较少但颗粒比表面积小，复合材料加工性能较好。也就是说，单一纳米级的复合材料强度高但加工性能差，单一微米级的复合材料强度小但加工性能好。因此，本申请使用两种粒径尺寸的生物活性材料制成的可降解复合材料其力学性能和加工性能都具有一定的提升，两种性能够兼得，同时产生了1+1＞2的技术效果，制备的复合材料不仅具有较佳的力学性能，同时具有优异的加工性能，有利于复合材料在注塑、模压、挤出等工艺中成型，并有利于制成复杂的产品。
优选的，所述生物活性材料的纳米级平均粒径范围为200-1000nm。
在一些实施方式中，所述生物活性材料的纳米级平均粒径范围可以为200-500nm、500-800nm、800-1000nm。
优选的，所述生物活性材料的纳米级平均粒径范围为500-800nm。
在一个具体的实施方式中，所述生物活性材料的纳米级平均粒径可以为200 nm 、300 nm 、400 nm 、500 nm、600 nm 、700 nm、800 nm、900 nm、1000 nm。
优选的，所述生物活性材料的纳米级平均粒径为平均粒径700nm。
优选的，所述生物活性材料的微米级平均粒径范围为1-200µm。
在一些实施方式中，所述生物活性材料的微米级平均粒径范围可以为1-5µm、1-10µm、1-50µm、1-100µm、1-150µm、5-10µm、5-50µm、5-100µm、5-150µm、5-200µm、10-50µm、10-100µm、10-150µm、10-200µm、50-100µm、50-150µm、50-200µm、100-150µm、100-200µm、150-200µm。
在一个具体的实施方式中，所述生物活性材料的微米级平均粒径可以为1µm、3µm、5µm、10µm、50µm、100µm、150µm、200µm。
优选的，所述生物活性材料的微米级平均粒径5µm。
通过采用上述技术方案，不同粒径尺寸粉体搭配可以改善使用单一尺寸粉体造成的力学性能和加工性能的局限，同时经过发明人的探索，发现，生物活性材料的微米级平均粒径和纳米级平均粒径在上述范围和具体数值时，制备的复合材料可产生较优的力学性能和加工性能。
优选的，所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比为0.5-9:1-9.5。
在一些实施方式中，所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比可以为0.5-2:1-9.5、0.5-4:1-9.5、0.5-6:1-9.5、2-4:1-9.5、2-6:1-9.5、2-9:1-9.5、4-6:1-9.5、4-9:1-9.5、0.5-2:1-5、0.5-4:1-5、0.5-6:1-5、2-4:1-5、2-6:1-5、2-9:1-5、4-6:1-5、4-9:1-5、0.5-2:1-6、0.5-4:1-6、0.5-6:1-6、2-4:1-6、2-6:1-6、2-9:1-6、4-6:1-6、4-9:1-6、0.5-2:1-8、0.5-4:1-8、0.5-6:1-8、2-4:1-8、2-6:1-8、2-9:1-8、4-6:1-8、4-9:1-8、0.5-2:5-6、0.5-4:5-6、0.5-6:5-6、2-4:5-6、2-6:5-6、2-9:5-6、4-6:5-6、4-9:5-6、0.5-2:5-8、0.5-4:5-8、0.5-8:5-8、2-4:5-8、2-6:5-8、2-9:5-8、4-6:5-8、4-9:5-8、0.5-2:5-9.5、0.5-4:5-9.5、0.5-9.5:5-9.5、2-4:5-9.5、2-6:5-9.5、2-9:5-9.5、4-6:5-9.5、4-9:5-9.5、0.5-2:6-8、0.5-4:6-8、0.6-8:6-8、2-4:6-8、2-6:6-8、2-9:6-8、4-6:6-8、4-9:6-8、0.5-2:6-9.5、0.5-4:6-9.5、0.6-9.5:6-9.5、2-4:6-9.5、2-6:6-9.5、2-9:6-9.5、4-6:6-9.5、4-9:6-9.5、0.5-2:8-9.5、0.5-4:8-9.5、0.8-9.5:8-9.5、2-4:8-9.5、2-6:8-9.5、2-9:8-9.5、4-6:8-9.5、4-9:8-9.5。
优选的，所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比为2-6:5-8。
在一个具体的实施方式中，所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比可以为2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2。
优选的，所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比为4:6。
申请人发现，通过调整生物活性材料中纳米级与微米级的质量比能够影响所制备的复合材料的力学性能和加工性能，且申请人最后发现，生物活性材料中纳米级与微米级的质量比在上述范围和具体数值时，制备的复合材料可产生较优的力学性能和加工性能。
优选的，以质量百分比计，所述可降解高分子材料为60-90%，纳米级生物活性材料5-20%，微米级生物活性材料10-35%。
在一个具体的实施方式中，所述可降解高分子材料的质量百分比可以为60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%；纳米级生物活性材料的质量百分比可以为5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%；所述微米级生物活性材料的质量百分比可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%。
本申请通过控制复合材料中的可降解高分子材料、纳米级生物活性材料和微米级生物活性材料的配比，有效的提升复合材料的力学性能和加工性能。
同时，还可以在上述配方的基础上，继续增加分散剂，增韧剂与稳定剂，来进一步改善复合材料的性能。如分散剂可选自高级脂肪酸及其盐类等；增韧剂可选自PEG-PLGA共聚物等；稳定剂可选自维生素C及其衍生物等。
优选的，所述可降解高分子材料选自聚乙醇酸、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯其中的至少一种。
优选的，所述可降解高分子材料选自聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），且聚乳酸-羟基乙酸共聚物中，聚乳酸与羟基乙酸摩尔比例50-90%：10-50%，特性粘度0.5-3.5dl/g。
在一个具体的实施方式中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的聚乳酸的摩尔比例可以为50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%；聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的羟基乙酸摩尔比例可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%。
在一个具体的实施方式中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物特性粘度可以为0.5 dl/g 、0.6dl/g、0.7 dl/g、0.8 dl/g、0.9 dl/g、1.0 dl/g、1.1 dl/g、1.2 dl/g、1.3 dl/g、1.4dl/g、1.5 dl/g、1.6 dl/g、1.7 dl/g、1.8 dl/g、1.9 dl/g、2.0 dl/g、2.1 dl/g、2.2 dl/g、2.3 dl/g、2.4 dl/g、2.5 dl/g、2.6 dl/g、2.7 dl/g、2.8 dl/g、2.9 dl/g、3.0 dl/g、3.1dl/g、3.2 dl/g、3.3 dl/g、3.4 dl/g、3.5 dl/g。
进一步的，聚乳酸与聚羟基乙酸摩尔比例为85%：15%，聚乳酸-羟基乙酸共聚物特性粘度3.0dl/g。
通过采用上述技术方案，采用两种单体乳酸和羟基乙酸随机聚合而成的聚乳酸-羟基乙酸共聚物，是一种可降解的功能高分子有机化合物，具有较好的机械强度和弹性模量，具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能。
优选的，所述生物活性材料选自β-磷酸三钙（TCP）或羟基磷灰石。
通过采用上述技术方案，β-磷酸三钙主要是由钙、磷组成，其成分与骨基质的无机成分相似，与骨结合好。同时TCP具有与羟基磷灰石(HA)不同的生物性能，最大的区别就是TCP植入人体后，能在体内降解为新骨的形成提供较丰富的Ca、P。同时TCP具有良好的骨传导性能和生物相容性，植入动物体后，骨与材料能直接融合。而β-TCP的降解产物呈弱碱性，能中和PLGA降解产生的乳酸和乙醇酸。
TCP与PLGA复合，有着优异的力学及生物学性能，PLGA的酸性降解产物可被β-TCP弱碱性缓冲，减少甚至避免植入体周围组织炎症的发生；β-TCP为骨愈合或修复过程提供优质钙、磷来源，改善材料的骨结合能力，骨诱导性可提供良好的骨细胞粘附生长环境。
第二方面，本申请提供一种混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：将可降解高分子材料，不同平均粒径的生物活性材料进行熔融共混，熔融共混温度为160~250℃，转速为50~300rpm，制得混合粒径尺寸的可降解复合材料。
通过采用上述技术方案，直接将生物活性材料加入可降解高分子材料中，在高于可降解高分子材料熔融温度条件下共混，凭借机械作用力将生物活性材料分散在可降解复合材料基体中，采用熔融共混法制备可降解复合材料，整个制备过程简单，操作方便，生产周期短，生产效率高，适合工业化生产。
优选的，所述可降解高分子材料各组分熔融共混所用的设备为双螺杆挤出机。
本申请复合材料的制备工艺不限于双螺杆挤出，还可以是其它方式的熔融混合，溶液混合或机械分散与融合。
同时，本申请中的可降解复合材料也可以采用溶剂挥发法、原位聚合法等方法进行制备。
第三方面，本申请提供一种混合粒径尺寸的可降解复合材料在骨植入产品中的应用。
优选的，所述骨植入产品为可吸收界面螺钉、可吸收锚钉或可吸收接骨板。
熔融指数可以从侧面反应材料的流动性，熔融指数越小则流动性越差，熔融指数越大流动性越好。
本申请的可降解复合材料在注塑成骨植入产品时，在相同的注塑条件下，材料的熔融指数大，流动性越好，注塑压力小，有利于加工成型更加复杂的骨植入产品。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请采用混合粒径尺寸制备可降解复合材料，使用的生物活性材料不再是单一粒径尺寸的，而是不同粒径尺寸粉体的搭配使用，根据粉体堆积理论，大小粒径的粉体搭配使用，小粒径粉体可以填充大粒径粉体间隙达到较优的分散状态，使得复合材料兼具优异的力学性能和加工性能。
2、采用熔融共混法制备可降解复合材料，整个制备过程简单，操作方便，生产周期短，生产效率高，适合工业化生产。
3、本申请的可降解复合材料在注塑成骨植入产品时，在相同的注塑条件下，材料的熔融指数大，流动性越好，注塑压力小，即混合粒径尺寸的可降解复合材料，具有优异的加工性能，有利于复合材料在注塑、模压、挤出等工艺中成型，利于制成复杂的产品。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
予以特别说明的是：除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的实验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；以下实施例中所用的原材料、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得；所述实验试剂用量，如无特殊说明，均为常规实验操作中试剂用量；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
现有专利中，关于可降解复合材料的制备方法，使用的生物活性材料平均粒径是都是单一尺寸的，即是纳米级或是微米级的。纳米级的材料，比表面积大，易团聚，复合材料的强度有很大提高但粘度增加较大，成型加工性能差。微米级的材料，颗粒间的间隙大，受力容易断裂，强度增加较少但颗粒比表面积小，复合材料加工性能较好。也就是说，单一纳米级的复合材料强度高但加工性能差，单一微米级的复合材料强度小但加工性能好。因此，使用单一粒径尺寸的生物活性材料制成的可降解复合材料其力学性能和加工性能都具有一定的弊端，两种性能不能够兼得。
本申请的发明人使用混合粒径尺寸制备可降解复合材料，使用的生物活性材料不再是单一粒径尺寸的，而是不同粒径尺寸粉体的搭配使用。根据粉体堆积理论，大小粒径的粉体搭配使用，小粒径粉体可以填充大粒径粉体间隙达到较优的分散状态，使得复合材料兼具优异的力学性能和加工性能。
实施例
实施例1
一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，包括以下质量百分比的组分：聚乳酸-羟基乙酸共聚物60%、平均粒径500nm的β-磷酸三钙20%、平均粒径50µm的β-磷酸三钙20%；其中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的乳酸与羟基乙醇酸摩尔比例为85%：15%，特性粘度3.0dl/g。
上述混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法如下：
将上述三种材料加入到双螺杆挤出机中，熔融共混温度为180℃，螺杆转速为100rpm，制得可降解复合材料。
实施例2-18
实施例2-18分别提供一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，与实施例1的不同之处在于，聚乳酸-羟基乙酸共聚物的质量份数、纳米级的β-磷酸三钙和微米级的β-磷酸三钙的平均粒径以及质量份数不同，具体如表1所示。
表1 实施例1-18中可降解复合材料中各组分配比
Figure 329907DEST_PATH_IMAGE001
对比例
对比例1
一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，包括以下质量百分比的组分：聚乳酸-羟基乙酸共聚物70%、平均粒径5µm的β-磷酸三钙30%；其中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的乳酸与羟基乙醇酸摩尔比例为85%：15%，特性粘度3.0dl/g。
上述混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法如下：
将上述两种材料加入到双螺杆挤出机中，熔融共混温度为180℃，螺杆转速为100rpm，制得可降解复合材料。
对比例2
一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，包括以下质量百分比的组分：聚乳酸-羟基乙酸共聚物70%、平均粒径700nm的β-磷酸三钙30%；其中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的乳酸与羟基乙醇酸摩尔比例为85%：15%，特性粘度3.0dl/g。
上述混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法如下：
将上述两种材料加入到双螺杆挤出机中，熔融共混温度为180℃，螺杆转速为100rpm，制得可降解复合材料。
性能检测试验
可降解复合材料在注塑机上注塑成型为骨植入产品，骨植入产品为可吸收界面螺钉、可吸收锚钉或可吸收接骨板，以下采用实施例1-18和对比例1-2中的可降解复合材料制备的界面螺钉进行性能测试，复合材料拉伸强度测试按照GB 16421-1996 塑料拉伸性能小试样试验方法中方法测试，结果如表2所示。
表2 实施例1-18和对比例1-2中可降解复合材料性能测试结果
Figure 450309DEST_PATH_IMAGE002
熔融指数可以从侧面反应材料的流动性，熔融指数越小则流动性越差，熔融指数越大流动性越好。
可降解复合材料在注塑成界面螺钉时，在相同的注塑条件下，材料的熔融指数越大，流动性越好注塑压力越小，有利于加工成型。材料的流动越差注塑压力越大，不利于成型加工。
结合实施例1-4并结合表2可以看出，本申请制备的可降解复合材料中聚乳酸-羟基乙酸共聚物、纳米级β-磷酸三钙、微米级β-磷酸三钙的具体配比能够影响复合材料的拉伸强度和熔融指数以及注塑压力。
其中，实施例2在保持聚乳酸-羟基乙酸共聚物含量不变的情况下，增加微米级β-磷酸三钙的质量百分比，降低纳米级β-磷酸三钙的质量百分比，此时复合材料的拉伸强度有所降低，而复合材料的熔融指数升高，说明降低纳米级β-磷酸三钙的质量百分比会降低复合材料的粘度，降低注塑压力。
实施例3-4相较于实施例2，增加了聚乳酸-羟基乙酸共聚物质量百分数，降低了β-磷酸三钙的质量百分比，复合材料的拉伸强度都有一定程度的下降，但熔融指数有一定程度的增高，通过比较实施例2-4，发现聚乳酸-羟基乙酸共聚物质量百分数也不是越大越好，在聚乳酸-羟基乙酸共聚物的质量百分数为70%的基础上，复合材料具有较好的拉伸强度和熔融指数。
结合实施例4-12并结合表2可以看出，纳米级β-磷酸三钙和微米级β-磷酸三钙的平均粒径能够影响复合材料的拉伸强度和熔融指数以及注塑压力。在纳米级β-磷酸三钙的平均粒径在200-1000nm、微米级β-磷酸三钙的平均粒径在1-50µm时，通过大小粒径的粉体搭配使用，小粒径粉体可以填充大粒径粉体间隙达到较优的分散状态，从而在提升可降解复合材料的力学性能的同时，兼顾可降解复合材料的加工性能，使得复合材料具有优异的力学性能和加工性能，实施例10兼具有较优的力学性能和加工性能。
结合实施10和对比例1-2并结合表2可以看出，对比例1 中的β-磷酸三钙的平均粒径全部为5um，此时可降解复合材料的拉伸强度最小，熔融指数较高，注塑压力较小。而对比例2单独使用700nmβ-磷酸三钙，制备的可降解复合材料的拉伸强度最高，但由于纳米β-磷酸三钙材料的比表面大，使得复合材料的熔融指数最小，粘度最高，注塑压力最大。
在实施例10中，纳米级β-磷酸三钙的平均粒径为700nm、微米级β-磷酸三钙的平均粒径为5µm时，且纳米级和微米级β-磷酸三钙的质量比为2：8，与对比例1（单独的5µmβ-磷酸三钙）相比，实施例10的拉伸强度提高，熔融指数增大，注塑压力减小，加工性能得到改善。说明进一步增加小粒径粉体，更多的填充了大粒径粉体的间隙，材料受力时，载荷分散到大小粒径粉体上，增强了复合材料力学性能，同时小粒径粉体填充了部分大粒径粉体的间隙，改善了流动性。此时，实施例10中的复合材料的拉伸强度为48.1MPa、熔融指数为16.5g/10min、注塑压力为1558bar。
结合实施例10、13-18以及对比例1-2并结合表2可以看出，在复合材料中各组分含量以及纳米级和微米级β-磷酸三钙平均粒径不变的情况下，调整纳米级和微米级β-磷酸三钙之间的质量比，能够进一步复合材料的拉伸强度和熔融指数以及注塑压力。
其中，实施例13是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为3：7。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数增大，注塑压力减小，加工性能得到改善。相较于实施例10，实施例13进一步增加小粒径粉体，更多的填充了大粒径粉体的间隙，材料受力时，载荷分散到大小粒径粉体上，增强了复合材料力学性能，同时小粒径粉体填充了部分大粒径粉体的间隙，改善了流动性。
实施例14是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为4：6。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数增大，注塑压力减小，加工性能得到改善。此时、实施例14中复合材料的拉伸强度为52.9MPa、熔融指数为19.3g/10min、注塑压力为1269bar。相较于实施例13，实施例14进一步增加小粒径粉体的用量，小粒径粉体填充了绝大部分大粒径粉体的间隙，强度进一步提高，流动性能进一步改善。与实施例10和实施例13相比，小粒径更充分的填充了大粒径间的缝隙，流动性进一步提高。
实施例15是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为5：5。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数减小，注塑压力增大，加工性能得到变差。小粒径粉体的添加，增强了力学性能。但与实施例14相比，小粒径粉体有过量，除了填充大粒径粉体间的缝隙外，过量的部分使得比表面积增大，复合材料的流动性变差而不如实施例14。
实施例16是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为6：4。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数进一步减小，注塑压力增大，加工性能得到变差。小粒径粉体的添加，增强了力学性能。但与实施例14相比，除了填充大粒径粉体间的缝隙外，小粒径粉体过量更多，比表面积增大，复合材料的流动性变差。
实施例17是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为7：3。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数减小，注塑压力增大，加工性能得到变差。小粒径粉体的添加，增强了力学性能。但小粒径粉体严重过量，比表面积大为增加，熔融指数降低较多，复合材料的流动性变差。
实施例18是700nm和5um两种β-TCP的配合使用，质量比为8：2。与对比例1（单独的5umβ-TCP）相比，拉伸强度提高，熔融指数减小，注塑压力增大，加工性能得到更差。小粒径粉体的添加，增强了力学性能。但小粒径粉体严重过量，比表面积大为增加，熔融指数降低更多，复合材料的流动性变得更差。
综上，不同粒径尺寸粉体搭配可以改善使用单一尺寸粉体造成的力学性能和加工性能的局限，产生较优的力学性能和加工性能（如实施例14）。其原理是，小粒径纳米级粉体，虽然对增加力学性能有很大帮助，但是由于比表面积大，使得材料的流动性变差，成型加工性能不好。而大粒径微米级粉体，粉体间的缝隙使得其力学性能不如小粒径粉体，但由于比表面积小流动尚可。当不同尺寸粉体配合使用时，根据粉体堆积理论，小粒径粉体可以填充大粒径粉体间的缝隙，可以改善力学性能，同时由于缝隙被填充更多的生物活性材料，使得可降解高分子材料被释放，进而使得复合材料的流动性有所改善，加工性能变得更好。
因此，不同粒径尺寸的粉体配合使用，可以达到只使用单一粒径意想不到的效果。与单一微米尺寸粒子的可降解复合材料相比，混合尺寸的可降解复合材料的强度有明显提高，加工性能有明显改善，易于成型加工。与单一纳米尺寸粒子的可降解复合材料相比，混合尺寸的可降解复合材料强度相差不多，加工性能有明显改善，易于成型加工。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于，包括可降解高分子材料和生物活性材料，所述生物活性材料采用至少两种不同平均粒径的生物活性材料制成。
2.根据权利要求1所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述生物活性材料主要由纳米级和微米级两种平均粒径的生物活性材料配制而成。
3.根据权利要求1所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述生物活性材料的纳米级平均粒径范围为200-1000nm。
4.根据权利要求1所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述生物活性材料的微米级平均粒径范围为1-200µm。
5.根据权利要求2-4任一项所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述生物活性材料中纳米级与微米级的质量比为0.5-9:1-9.5。
6.根据权利要求2-4任一所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：以质量百分比计，所述可降解高分子材料为60-90%，纳米级生物活性材料5-20%，微米级生物活性材料5-35%。
7.根据权利要求1所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述可降解高分子材料选自聚乙醇酸、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯其中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料，其特征在于：所述生物活性材料选自β-磷酸三钙或羟基磷灰石。
9.权利要求1-8任一项所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将可降解高分子材料，不同平均粒径的生物活性材料进行熔融共混，熔融共混温度为160~250℃，转速为50~300rpm，制得混合粒径尺寸的可降解复合材料。
10.权利要求1-8任一项所述的混合粒径尺寸的可降解复合材料在骨植入产品中的应用。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1544524A (zh) * 2003-11-17 2004-11-10 中国科学院长春应用化学研究所 羟基磷灰石生物降解脂肪族聚酯复合材料的制备方法
CN102085397A (zh) * 2011-01-19 2011-06-08 浙江普洛家园生物医学材料有限公司 可吸收骨内植入材料及其制备方法
US20120107612A1 (en) * 2010-07-09 2012-05-03 Indian Institute Of Technology Kanpur Hydroxyapatite poly(etheretherketone) nanocomposites and method of manufacturing same
CN103028146A (zh) * 2011-09-29 2013-04-10 深圳兰度生物材料有限公司 增强型医用复合材料及其制备方法
WO2014058342A1 (ru) * 2012-10-10 2014-04-17 Общество с ограниченной ответственностью "СТАЛВЕК" Пористые микросферы на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани
CN104014003A (zh) * 2013-12-27 2014-09-03 中国科学院成都有机化学有限公司 用于引导骨组织再生的复合膜及其制备方法
CN110624136A (zh) * 2019-10-08 2019-12-31 威高集团有限公司 一种可降解医用复合材料及其制备方法和应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1544524A (zh) * 2003-11-17 2004-11-10 中国科学院长春应用化学研究所 羟基磷灰石生物降解脂肪族聚酯复合材料的制备方法
US20120107612A1 (en) * 2010-07-09 2012-05-03 Indian Institute Of Technology Kanpur Hydroxyapatite poly(etheretherketone) nanocomposites and method of manufacturing same
CN102085397A (zh) * 2011-01-19 2011-06-08 浙江普洛家园生物医学材料有限公司 可吸收骨内植入材料及其制备方法
CN103028146A (zh) * 2011-09-29 2013-04-10 深圳兰度生物材料有限公司 增强型医用复合材料及其制备方法
WO2014058342A1 (ru) * 2012-10-10 2014-04-17 Общество с ограниченной ответственностью "СТАЛВЕК" Пористые микросферы на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани
CN104014003A (zh) * 2013-12-27 2014-09-03 中国科学院成都有机化学有限公司 用于引导骨组织再生的复合膜及其制备方法
CN110624136A (zh) * 2019-10-08 2019-12-31 威高集团有限公司 一种可降解医用复合材料及其制备方法和应用

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