CN116350844A - 一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用，属于外科手术植入用骨缺损修复材料技术领域。本发明将铁电高分子聚合物超声分散于溶剂中，得到聚合物分散液；将聚合物分散液流延成膜并干燥，得到内部多孔结构的高分子膜；对内部多孔结构的高分子膜顺次进行退火和极化处理，即得到表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料。本发明在传统带电修复植入材料的基础上进行了改进，在模拟了骨缺损区域仿生电学微环境的同时，因材料可为外加超声所响应，且可通过调节超声波条件使其与材料共振频率相适应，提高能量转化效率，解决了传统带电修复材料植入后表面电势衰减不可控，骨缺损修复效果不佳的问题。

Description

一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及外科手术植入用骨缺损修复材料技术领域，尤其涉及一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用。
背景技术
通过外科手术植入人工修复材料是目前临床上治疗骨缺损常用的手段。有研究报道间充质干细胞的成骨向分化、成软骨向分化、成神经向分化均受磁电场调控，通过磁电场对钙离子分布与释放的导向、促进作用，促进干细胞成骨向分化，表明磁电场在细胞及组织生理中起着重要的作用。越来越多的研究证实磁场或电场刺激可增强新骨形成，加速骨折愈合，促进骨骼的生长和发育，部分研究结果已经应用于临床。
现有的带电修复材料植入后，随着时间推移，表面电势会逐渐衰减，从而导致远期修复效果不佳。同时，材料表面电势不可调控，外加电场的强度和范围难以精准调控，导致压电响应不足，无法与各组织缺损部位生理微电环境适配。
因此，如何制备一种可为超声波响应的，表面电势可控的内部多孔压电植入膜材料，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用，以解决现有人工修复材料植入后，表面电势衰减且不可量化，远期修复效果不佳的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铁电高分子聚合物超声分散于溶剂中，得到聚合物分散液；
2)将聚合物分散液流延成膜并干燥，得到内部多孔结构的高分子膜；
3)对内部多孔结构的高分子膜顺次进行退火和极化处理，即得到表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料；
所述，铁电高分子聚合物包含聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物。
进一步的，所述铁电高分子聚合物与溶剂的质量比为1.0～3.0：6～15，所述溶剂包含丙酮、甲醇、乙醚和水中的一种或几种。
进一步的，所述分散在搅拌下进行，搅拌的转速为600～700r/min，搅拌的时间为2～5h。
进一步的，所述内部多孔结构的高分子膜的厚度为50～70μm。
进一步的，所述退火的温度为0～120℃，退火的时间为0.5～1.5h。
进一步的，所述极化处理的参数为：极化电压为12～20kV、极化距离为15～25mm、极化温度为20～30℃、极化时间为20～40min。
进一步的，所述铁电高分子聚合物在表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料中的质量比为10～30wt％。
本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料。
本发明还提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料在制备骨修复材料中的应用。
本发明的有益效果：
和传统压电P(VDF-TrFE)薄膜相比，本发明的区别在于所制备的带电修复膜材料内部为近似均匀分布的多孔气泡结构，且通过测得该内部多孔的带点修复膜的共振频率，选取与之相对应的超声波频率，可控地调节内部多孔的带点修复膜材料的表面电势大小，进而使其更加匹配骨缺损再生区域的电学微环境，促进成骨效果。
除此之外本发明还具有以下优点：
(1)本发明制得的膜材料，可通过调节外加超声的频率、功率等加载条件，影响其感生的压电响应强度，从而调节生物膜的表面电势大小。
(2)本发明采用铁电高分子聚合物为主要成分，形成的薄膜材料柔性良好，利于临床操作。
(3)本发明所制作得到的内部多孔带电修复膜材料植入骨缺损区域具有良好的骨缺损修复效果。
(4)本发明所提供的制备方法操作简单、产率较高，具备实现工业化生产并大量应用于临床的条件。
(5)三维有限元仿真分析结果证实本发明所制得的内部多孔带电修复膜材料，能通过调控外加超声的条件，实现高效电能转化。
附图说明
图1为实施例1所述表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的实物照片；
图2为实施例1所述表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的表面形貌扫描电镜图；
图3为实施例1所述表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料在超声激励下的输出电压情况示意图；
图4为实施例1所述表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料作用大鼠骨髓间充质干细胞24小时后粘附和铺展情况的激光共聚焦显微镜照片；
图5为实施例1所述表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料修复大鼠颅骨缺损实验中实验组与内部无孔修复材料对照组的Micro-CT照片；
图6为实施例1的显示内部多孔的带电修复膜材料的三维有限元仿真分析结果图；
图7为显示内部无孔的P(VDF-TrFE)膜材料三维的有限元仿真分析结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铁电高分子聚合物超声分散于溶剂中，得到聚合物分散液；
2)将聚合物分散液流延成膜并干燥，得到内部多孔结构的高分子膜；
3)对内部多孔结构的高分子膜顺次进行退火和极化处理，即得到表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料；
所述，铁电高分子聚合物包含聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物。
在本发明中，所述铁电高分子聚合物与溶剂的质量比为1.0～3.0：6～15，优选为1.5～2.5：7～12，进一步优选为1.6～2.0：8～10；所述溶剂包含丙酮、甲醇、乙醚和水中的一种或几种，优选为丙酮和水的混合溶剂。
在本发明中，所述分散在搅拌下进行，搅拌的转速为600～700r/min，优选为650r/min；搅拌的时间为2～5h，优选为3～4h。
在本发明中，所述内部多孔结构的高分子膜的厚度为50～70μm，优选为55～65μm，进一步优选为60μm。
在本发明中，所述退火的温度为0～120℃，优选为50～120℃，进一步优选为内110～120℃；退火的时间为0.5～1.5h，优选为1h。
在本发明中，所述极化处理的参数为：极化电压为12～20kV、极化距离为15～25mm、极化温度为20～30℃、极化时间为20～40min。极化电压优选为15～18kV，进一步优选为16～17kV；极化距离优选为18～22mm，进一步优选为20mm；极化温度优选为22～28℃，进一步优选为25℃；极化时间优选为25～35min，进一步优选为30min。
在本发明中，所述铁电高分子聚合物在表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料中的质量比为10～30wt％，优选为12～25wt％，进一步优选为16～20wt％。
本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料。
本发明还提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料在制备骨修复材料中的应用。
在本发明中，针对现有人工修复材料植入后，表面电势衰减且不可量化，远期修复效果不佳等技术问题，本发明提供的内部多孔压电植入膜材料能被安全、无毒无害的超声波激活产生压电响应，同时通过调节外载超声的频率、功率等条件可实现量化调控植入材料的表面电势。
本发明采用安全、无毒无害的超声波外加激发装置，使其应用于临床安全可靠，同时，本发明所制备的表面电势可控的内部多孔带电生物修复膜材料内部为近似均匀分布的气泡结构，当外载超声波入射后，在材料内部孔壁处会发生多次反射，引起更多的机械振动，有利于提高超声波机械能转化为电能的转化率。本发明进一步测得了所发明的表面电势可控的内部多孔带电生物修复膜材料的共振频率，并获得了使材料发生共振状态的对应超声波加载条件，进而能够实现超声波机械能高效转化为电能。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取1.6g聚合物P(VDF-TrFE)，加入到8g有机溶剂丙酮和1g超纯水中，置于磁力搅拌器上搅拌3h，使聚合物均匀的溶解、分散在溶剂中，得到聚合物溶液；
(2)将步骤(1)所得的混合液，于流延机中流延，将通过流延所得薄膜置于常温下干燥，得到一种内部多孔结构的高分子膜，膜厚度为70μm；
(3)将步骤(2)所得高分子膜经过退火处理，退火条件为：退火温度为120℃，退火时间为1h；
(4)将步骤(3)处理后的高分子膜进行极化处理，极化参数为：极化电压为20kV，极化距离为20mm，极化温度为25℃，极化时间为30min，得到一种表面电势可控的内部多孔带电生物修复膜材料，其主要成分为聚合物P(VDF-TrFE)，含量为16wt％，为薄膜状材料，厚度为70μm。
实施例2
称取2.0g聚合物P(VDF-TrFE)，加入到10g有机溶剂甲醇和1g超纯水中，置于磁力搅拌器上搅拌3h，使聚合物均匀的溶解、分散在溶剂中，得到聚合物溶液；
(2)将步骤(1)所得的混合液，于流延机中流延，将通过流延所得薄膜置于常温下干燥，得到一种内部多孔结构的高分子膜，膜厚度为65μm；
(3)将步骤(2)所得高分子膜经过退火处理，退火条件为：退火温度为110℃，退火时间为1h；
(4)将步骤(3)处理后的高分子膜进行极化处理，极化参数为：极化电压为15kV，极化距离为25mm，极化温度为25℃，极化时间为30min，得到一种表面电势可控的内部多孔带电生物修复膜材料，其主要成分为聚合物P(VDF-TrFE)，含量为20wt％，为薄膜状材料，厚度为65μm。
实施例3
同实施例1，区别在于，极化参数为：极化电压为12kV，极化距离为22mm，极化温度为30℃，极化时间为40min。
实施例4
同实施例1，区别在于，退火温度为90℃。
对本发明实施例1所得表面电势可控的内部多孔带电生物修复膜材料进行性能测试，其中图1为实物照片，可以看出该内部多孔带电生物修复膜材料质地柔软，易操作；
图2为表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的表面形貌扫描电镜图，从图中可以看出该内部多孔带电修复膜材料内部孔隙分布较均匀，孔径平均大小约为12μm；
图3为表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料在超声激励下的输出电压情况示意图，从图中可以看出内部多孔的带电修复膜材料在超声激励下产生的输出电压值明显高于内部无孔的带电修复膜材料；
将步骤(4)所得膜材料经钴60灭菌后，在其上面接种密度为5×104的大鼠骨髓间充质干细胞，培养24小时后固定细胞、进行细胞核及细胞骨架染色，利用激光共聚焦显微镜观察。测试结果见图4，从图中可以看出大鼠骨髓间充质干细胞在该材料上黏附及铺展情况较佳；
将步骤(4)所得膜材料经钴60灭菌后，剪成直径为7mm的圆形膜片，覆盖于直径为5mm的大鼠颅骨缺损处，缺损覆盖内部无孔的高分子聚合物(P(VDF-TrFE))膜材料作为对照组，术后4周处死动物，分离膜材料后进行micro-CT扫描观察，测试结果见图5，从图中可以看出内部多孔的带电修复膜材料促进大鼠颅骨缺损修复效果明显强于内部无孔的高分子聚合物(P(VDF-TrFE))膜材料。
图6为三维有限元仿真分析结果，显示内部多孔的带电修复膜材料，在与材料共振频率相匹配的外加超声激励下，1/4周期时，材料内部的电势分布云图。由右侧标尺可知该内部多孔的带电修复膜材料在超声激励下，材料一端输出电压最高值约为1.31V。
图7为三维有限元仿真分析结果，显示内部无孔的P(VDF-TrFE)膜材料，在与图6相同的外加超声激励下，1/4周期时，材料内部的电势分布云图。由右侧标尺可知该内部无孔的P(VDF-TrFE)膜材料在超声激励下，材料一端输出电压最高值约为0.398V。
由以上实施例可知，本发明提供了一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料及其制备方法和应用。本发明在传统带电修复植入材料的基础上进行了改进，在模拟了骨缺损区域仿生电学微环境的同时，因材料可为外加超声所响应，且可通过调节超声波条件使其与材料共振频率相适应，提高能量转化效率，解决了传统带电修复材料植入后表面电势衰减不可控，骨缺损修复效果不佳的问题。且该内部多孔的带电修复膜材料在骨组织缺损中表现出良好的修复效果，能够有效促进骨再生，并且该植入材料可以通过二次手术的方式完整取出，避免了材料残留的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将铁电高分子聚合物分散于溶剂中，得到聚合物分散液；
2)将聚合物分散液流延成膜并干燥，得到内部多孔结构的高分子膜；
3)对内部多孔结构的高分子膜顺次进行退火和极化处理，即得到表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料；
所述，铁电高分子聚合物包含聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁电高分子聚合物与溶剂的质量比为1.0～3.0：6～15，所述溶剂包含丙酮、甲醇、乙醚和水中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述分散在搅拌下进行，搅拌的转速为600～700r/min，搅拌的时间为2～5h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述内部多孔结构的高分子膜的厚度为50～70μm。
5.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为0～120℃，退火的时间为0.5～1.5h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述极化处理的参数为：极化电压为12～20kV、极化距离为15～25mm、极化温度为20～30℃、极化时间为20～40min。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述铁电高分子聚合物在表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料中的质量比为10～30wt％。
8.权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备的表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料。
9.权利要求8所述的表面电势可控的内部多孔带电修复膜材料在制备骨修复材料中的应用。
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