CN115678233B - 一种增韧型可吸收复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及生物医用材料领域，具体公开了一种增韧型可吸收复合材料及其制备方法。所述增韧型可吸收的复合材料包括羟基磷灰石纤维5‑30%，高分子材料70‑95%，其中高分子材料为聚乳酸或聚乙醇酸。所述羟基磷灰石纤维的制备包括电纺溶液配制；混合物料制备：向所述电纺溶液中加入5~25wt%的纳米羟基磷灰石，室温下充分搅拌均匀；在电压为20‑40kv，流速为2.5‑15ml/h的条件下进行静电纺丝，制得羟基磷灰石纤维。所得复合材料具有较高的韧性和冲击强度，且具有良好生物相容性和可降解性能，复合材料的断裂伸长率在8.64%以上，冲击强度在4.63 kJ/m²以上。

Description

一种增韧型可吸收复合材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及生物医用材料领域，更具体涉及一种增韧型可吸收复合材料及其制备方法。

背景技术

随着现代化学科多领域的融合，可吸收材料为临床医学方案的实施提供了更多可能，尤其在骨科领域。可吸收材料具有良好的生物特性与安全性，为骨科内固定植入、骨组织工程骨架以及药物缓释等带来了诸多助益，不仅省去了二次手术带来的痛苦，而且有利于药物释控自动化治疗。

可吸收高分子材料如聚乳酸或聚乙醇酸，其生物动力学强度低于金属类的内固定物。因此，可吸收高分子材料的维持时间较短，所以对于早期需要运动锻炼的骨折、愈合速度较慢的骨折不建议使用可吸收材料所制的内固定物。

羟基磷灰石作为脊椎动物骨骼和牙齿中的主要无机成分，因其良好的生物活性、生物相容性、骨诱导性和骨传导性，在载药、蛋白分离、骨缺损和组织工程修复等领域具有广泛应用。但是由羟基磷灰石制得的材料具有脆性大、韧性差等缺点，所以，极大地限制了羟基磷灰石在临床应用上的价值。

据相关报道，有专家学者将高分子材料与羟基磷灰石进行结合，制得可吸收材料，能够延长高分子材料的维持时间。但是，在制备过程中，羟基磷灰石产生团聚问题较为严重，且所得可吸收材料的韧性依然较低。

发明内容

为了提高可吸收材料的韧性，本申请提供了一种增韧型可吸收复合材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供了一种增韧型可吸收复合材料，按照重量百分数计，包括羟基磷灰石纤维5-30%，高分子材料70-95%；

其中所述羟基磷灰石纤维通过以下步骤制得：

（1）溶液配制：将聚己内酯与聚乙二醇进行混合，然后加入有机溶剂进行搅拌，制得电纺溶液；

（2）混合物料制备：向所述电纺溶液中加入5~25wt%的纳米羟基磷灰石，室温下充分搅拌均匀，制得混合物料；

（3）静电纺丝：取所述混合物料在电压为20-40kv，流速为2.5-15ml/h的条件下进行静电纺丝，制得羟基磷灰石纤维；

其中高分子材料为聚乳酸或聚乙醇酸。

在本申请中，将羟基磷灰石制备成羟基磷灰石纤维，再与高分子材料进行混合，制得复合材料。在混合过程中有效地避免羟基磷灰石产生团聚问题，且所得复合材料具有韧性高，可降解等优点，断裂伸长率在8.64%以上，冲击强度在4.63kJ/m²以上。

在一个实施方案中，所述羟基磷灰石纤维为5-20%，所述高分子材料为80-95%；

优选地，所述羟基磷灰石纤维为10%，所述高分子材料为90%。

通过控制羟基磷灰石纤维和高分子材料的比例，能够改变复合材料的韧性和冲击强度。当羟基磷灰石纤维的比例在5-10%范围时，随着羟基磷灰石纤维的比例逐渐增加，所得复合材料的韧性和冲击强度逐渐增加；但是，当羟基磷灰石纤维的比例大于10%时，随着羟基磷灰石纤维的比例继续增加，所得复合材料的韧性和冲击强度不但未能得到提高，反而呈现下降趋势。

而羟基磷灰石纤维通过溶液配制、混合物料制备和静电纺丝制备获得，在聚己内酯与聚乙二醇的共同作用下，将羟基磷灰石制备成韧性较好的羟基磷灰石纤维。最后将羟基磷灰石纤维与高分子材料相互配合，制得复合材料，复合材料具有较高的韧性和冲击强度。

在一个实施方案中，所述聚己内酯与所述聚乙二醇按照重量比为（1.5-3.5）:1。

在一个实施方案中，所述聚己内酯与所述聚乙二醇按照重量比为（2-3.5）:1。

优选地，所述聚己内酯与所述聚乙二醇按照重量比为2:1。

在一个实施方案中，聚己内酯的分子量Mn为68000~80000。

在一个实施方案中，聚乙二醇的分子量Mn为5000~7000。

在本申请中，聚己内酯与聚乙二醇影响着羟基磷灰石纤维的形貌和均匀性，聚己内酯与聚乙二醇按照重量比为（1.5-3.5）:1进行混合，能够获得较为均匀的纳米羟基磷灰石纤维，进而保证羟基磷灰石纤维与高分子材料配合后的断裂伸长率和冲击强度。

在一个实施方案中，所述电纺溶液中加入10~25wt%的纳米羟基磷灰石。

优选地，所述电纺溶液中加入10wt%的纳米羟基磷灰石。

本申请在制备羟基磷灰石纤维过程中，纳米羟基磷灰石的用量主要改变的是羟基磷灰石纤维的粗糙度和直径大小。纳米羟基磷灰石的加入量在5-25wt%范围时，获得直径较为均匀且光滑的羟基磷灰石纤维。

当纳米羟基磷灰石的加入量小于5wt%时，无法形成羟基磷灰石纤维；当纳米羟基磷灰石的加入量大于25wt%时，形成羟基磷灰石纤维过程中，产生团聚问题，导致了复合材料韧性和冲击强度的降低。

在一个实施方案中，所述电压为30-40kv。

在一个实施方案中，所述流速为2.5-10ml/h。

优选地，所述流速为2.5-5ml/h。

在本申请中，静电纺丝中的电压和流速影响着羟基磷灰石纤维的成型性和均匀性。当电压低于20kv，流速低于2.5ml/h时，羟基磷灰石纤维中存在串珠状纤维或微球，随着电压和流速继续的降低，导致串珠状纤维或微球数量的激增，影响着羟基磷灰石纤维的形态和性能，进而降低了复合材料的韧性和冲击强度。当电压大于40kv，流速大于15ml/h时，羟基磷灰石纤维的成型性较差，不易形成均匀的羟基磷灰石纤维。

在一个实施方案中，所述羟基磷灰石纤维的直径为10nm-1μm，长度为10μm以上。

第二方面，本申请提供一种增韧型可吸收复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将所述羟基磷灰石纤维置于氯仿中，超声分散，制得分散溶液；

（2）再向所述分散溶液中加入所述高分子材料，使所述高分子材料完全溶解，制得原料液；

（3）最后将所述原料液加入模具中，蒸除氯仿，制得增韧型可吸收的复合材料。

在本申请中，将羟基磷灰石纤维分散在氯仿中，在超声的作用下，提高羟基磷灰石纤维的分散性，制得分散溶液；

其中超声的条件：超声功率为800-1000W，频率为40-50KHz，避光，25℃下超声5h以上；

再向分散溶液中加入高分子材料，其中高分子材料为具有降解性能的聚乳酸或聚乙醇酸，使高分子材料完全溶解在分散溶液中，制得原料液；

最后将原料液加入模具中，在100Pa以下的真空环境，温度85℃的条件下，蒸除24h，去除氯仿，使得羟基磷灰石纤维均匀地分散在高分子材料中，制得复合材料。

本申请制得的复合材料具有较高的韧性，能够进行降解，将所得复合材料用于制作高力学强度的可降解多孔支架材料、骨钉、骨板以及手术缝合线等。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请采用高分子材料和自制的羟基磷灰石纤维进行混合，其中羟基磷灰石纤维为5-30%，高分子材料为70-95%，所得复合材料具有较高的韧性和冲击强度，其断裂伸长率在8.64%以上，冲击强度在4.63kJ/m²以上；

2、本申请优选采用羟基磷灰石纤维为5-20%，高分子材料为80-95%，所得复合材料的断裂伸长率在8.99%以上，冲击强度在4.86kJ/m²以上；

3、本申请羟基磷灰石纤维的制备包括电纺溶液的配制，混合物料的制备和静电纺丝。在混合物料制备中，向电纺溶液中加入5~25wt%的纳米羟基磷灰石，将所得羟基磷灰石纤维用于复合材料的制备，获得复合材料的断裂伸长率在9.35%以上，冲击强度在5.13kJ/m²以上；

4、本申请复合材料的制备方法，操作简单，安全性高且易于实现批量化生产。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。

原料

本申请所述原料如无特殊说明，均可通过市售获得。

羟基磷灰石纤维的制备

制备例1

羟基磷灰石纤维通过以下步骤制得：

（1）溶液配制：将4kg的聚己内酯与2kg的聚乙二醇（重量比为2:1）进行混合，然后加入12kg的二氯甲烷进行搅拌，制得电纺溶液；

其中聚己内酯的分子量Mn为68000；

其中聚乙二醇的分子量Mn为5000；

（2）混合物料制备：向所述电纺溶液中加入10wt%的纳米羟基磷灰石，室温下充分搅拌均匀，制得混合物料；

（3）静电纺丝：取所述混合物料在电压为30kv，流速为5ml/h的条件下进行静电纺丝，制得羟基磷灰石纤维；

所述羟基磷灰石纤维的直径为500nm，长度为10-50μm以上。

制备例2-5，对比制备例1-2

制备例2-5，对比制备例1-2与制备例1的不同之处如表1所示。

表1 制备例2-5，对比制备例1-2与制备例1的不同参数

实施例

实施例1

增韧型可吸收的复合材料的制备，包括以下步骤：

（1）将所述10g的羟基磷灰石纤维置于100mL的氯仿中，超声分散，制得分散溶液；

其中超声的条件：超声功率为800W，频率为40KHz，避光，25℃下超声5h；

其中羟基磷灰石纤维通过制备例1制得；

（2）再向所述分散溶液中加入90g的高分子材料，使所述高分子材料完全溶解，制得原料液；

高分子材料为聚乳酸，重均分子量450000，分子量分布为2.1±0.5，特性黏度2.5dL/g；

（3）最后将所述原料液加入模具中，在100Pa的真空环境中，温度为85℃下蒸除24h，去除氯仿，制得复合材料。

实施例2-8，对比例1-4

实施例2-8，对比例1-3与实施例1的区别如表2所示。

表2 实施例2-8，对比例1-3与实施例1的区别参数

对比例4

对比例4与实施例1的区别在于，对比例4采用以下方法制备羟基磷灰石纤维；

(1) 配制浓度为的 0.05mmolL^-1硝酸溶液，并向其加入硝酸钙钙盐和磷酸铵并溶解，配制成钙离子浓度和磷酸根离子浓度均为 45mmolL^-1的溶液，固定钙磷摩尔浓度比为1:1；

(2) 随后加入 pH 调节剂乙酰胺，继续搅拌使其溶解，乙酰胺的完全溶解后的浓度为 0.5molL^-1；

(3) 然后加入表面活性剂十二烷基硫酸钠，并搅拌数分钟使其混合均匀，表面活性剂的浓度为 10mmolL^-1；

(4) 将溶液倒入高压釜内，使溶液占高压釜总体积的 70%- 80%，随后密闭容器。在140℃温度下反应6h，然后自然冷却12h 以上至室温；

(5)将高压釜内的溶液装入离心管中，采用 1000r/min 的速度离心 5min，滤去上清液后加入去离子水洗涤，随后再离心，反复4次，留取沉淀；

最后将沉淀在 60℃的烘箱中烘干，制备得到纳米级的 HA 纤维直径为 200nm，平均长度约200μm。

性能检测试验

将上述由实施例1-8和对比例1-4制得的增韧型可吸收的复合材料进行韧性测试和冲击测试。

其中韧性测试参照标准GB/T1040-2018《塑料拉伸性能的测定》进行检测，利用断裂伸长率表示韧性的好坏；

其中冲击测试参照标准GB/T 1043-2008《塑料 简支梁冲击性能的测定》进行检测，利用冲击强度进行表示，具体检测结果如表3所示。

经检测，复合材料由高分子材料聚乳酸（重均分子量450000，分子量分布为2.1±0.5，特性黏度2.5dL/g）制得，其断裂伸长率为7.67%，冲击强度为3.55 kJ/m²。

表3 检测结果

结合实施例1-8和对比例1-4并结合表3可以看出，本申请实施例1-8通过羟基磷灰石纤维和高分子材料的相互配合，并采用自制的羟基磷灰石纤维；所得复合材料具有较高的韧性和冲击强度，且可进行降解，其中复合材料的断裂伸长率在8.64%以上，冲击强度在4.63 kJ/m²以上。

结合实施例1，6-8和对比例3并结合表3可以看出，随着羟基磷灰石纤维和高分子材料用量的变化，所得复合材料也随之变化。当羟基磷灰石纤维为5-30%，高分子材料为70-95%时，所得复合材料的断裂伸长率在8.64%以上，冲击强度在4.83 kJ/m²以上。

结合实施例1-3和对比例1并结合表3可以看出，在复合材料的制备过程中，本申请采用自制的羟基磷灰石纤维。羟基磷灰石纤维在制备时羟基磷灰石的加入为5-25 wt %，所得复合材料的断裂伸长率在9.35%以上，冲击强度在5.13 kJ/m²以上。

结合实施例1，4-5和对比例2并结合表3可以看出，在制备羟基磷灰石纤维时，电压和流速影响着其性能和结构，进而影响复合材料的性能。当电压为20-40kv，流速为2.5-15ml/h的条件下制备羟基磷灰石纤维，所得复合材料的断裂伸长率在9.75%以上，冲击强度在4.63 kJ/m²以上。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的技术人员而言，在不脱离本申请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 (8)

1.一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，按照重量百分数计，包括羟基磷灰石纤维5-30%，高分子材料70-95%；

其中所述羟基磷灰石纤维通过以下步骤制得：

（1）溶液配制：将聚己内酯与聚乙二醇进行混合，所述聚己内酯与所述聚乙二醇按照重量比为（1.5-3.5）:1，然后加入有机溶剂进行搅拌，制得电纺溶液；

（2）混合物料制备：向所述电纺溶液中加入5~25wt%的纳米羟基磷灰石，室温下充分搅拌均匀，制得混合物料；

（3）静电纺丝：取所述混合物料在电压为20-40kv，流速为2.5-15ml/h的条件下进行静电纺丝，制得羟基磷灰石纤维；

其中高分子材料为聚乳酸或聚乙醇酸。

2.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述羟基磷灰石纤维为5-20wt%，所述高分子材料为80-95wt%。

3.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述电纺溶液中加入10~25wt%的纳米羟基磷灰石。

4.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述电压为30-40kv。

5.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述流速为2.5-10ml/h。

6.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述流速为2.5-5ml/h。

7.根据权利要求1所述一种增韧型可吸收复合材料，其特征在于，所述羟基磷灰石纤维的直径为10nm-1μm，长度为10μm以上。

8.一种如权利要求1-7任一项所述增韧型可吸收复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将所述羟基磷灰石纤维置于氯仿中，超声分散，制得分散溶液；

（2）再向所述分散溶液中加入所述高分子材料，使所述高分子材料完全溶解，制得原料液；

（3）最后将所述原料液加入模具中，蒸除氯仿，制得增韧型可吸收复合材料。