CN1895685A - 纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料及其制备方法。所说该复合生物医用材料由纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分混合物的硫化处理产物，其中纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分的重量比例为2∶8～7∶3。制备方法是将适用于硅橡胶的硅烷偶联剂溶解于由水－醇溶液中并调节pH为3.5～5.5，以此溶液在搅拌下与纳米羟基磷灰石成分浆料充分混合进行表面改性处理，处理后的固形物以去离子水清洗后与硅橡胶生胶成分以所说比例均匀混合后，于低于130℃的温度下干燥至含水量＜0.5wt％后，在硫化剂参与下加热进行硫化处理得到。复合材料中的羟基磷灰石在硅橡胶中分布均匀，包括力学等在内的综合性能得到明显提高。

Description

纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料 及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种由纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料及其制备方法。

背景技术

硅橡胶是一种理化性能稳定的惰性生物医用材料，作为植入体应用于临床已有几十年的时间，它在美容整形外科方面得到了大量的应用，如人工鼻梁、人工下颌、人工颅骨等。但硅橡胶植入人体后，它不能与自体组织结合，只能由纤维包膜包绕，植入体位置容易移动，严重者将导致植入手术失败。长期使用的实践也发现在少数病例中，硅橡胶植入人体后偶然也发生排异反应、感染等问题，因此还需对硅橡胶改性，进一步提高其生物性能并使其能与组织结合。

羟基磷灰石是人骨的主要无机成分，可以和组织有机地结合，具有优良的生物性能，但它脆性大、成型困难。将羟基磷灰石与硅橡胶复合，使复合材料既具有硅橡胶的韧性和容易成型的优点，又具备羟基磷灰石的生物活性，可以得到一种综合性能优良的生物医用材料。

牟善松等在“硅橡胶/羟基磷灰石生物材料的制备及血液相容性”(《暨南大学学报(自然科学版)》2003，24(3)：89～92)中报道了硅橡胶/羟基磷灰石生物材料的制备及血液相容性，将羟基磷灰石粉末与硅橡胶进行机械混合，制备羟基磷灰石/硅橡胶复合材料，结果表明羟基磷灰石的加入有利于改善硅橡胶的血液相容性。沈绍勇等人在“羟基磷灰石硅胶复合材料修复兔下颌骨骨质缺损的实验研究”(《中华医学美容杂志》1996，2(4)：198～201)中报道了羟基磷灰石/硅橡胶复合材料修复兔下颌骨骨质缺损的实验研究，采用的是将羟基磷灰石粉末与硅橡胶复合制备的材料植入兔下颌骨缺损中。结果表明，羟基磷灰石/硅橡胶复合材料具有良好的生物相容性和骨组织亲和性并能与骨组织形成紧密的骨性结合，还具有弹性好、易操作等特点。但是，由于羟基磷灰石表面活性高，极容易团聚，将羟基磷灰石粉末和高分子采用机械共混方式复合很难形成羟基磷灰石分布均匀的复合材料，因此，限制了包括其力学性能和生物性能等在内的综合性能的提高。

发明内容

鉴于此，本发明首先的目的是提供一种能满意解决上述问题的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料，本发明进一步还将提供一种所说这种纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料的制备方法。

本发明的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料，是由纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分混合物的硫化处理产物，其中纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分的重量比例为2∶8～7∶3。

目前已有研究证明，人骨矿物质是一种纳米羟基磷灰石。因此从材料的仿生设计角度来看，本发明复合材料中的羟基磷灰石应选择具有纳米级的结构。

在上述的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料中，改变复合材料中的纳米羟基磷灰石成分含量比例，会对复合材料的生物活性和力学性能产生相应的影响。随着纳米羟基磷灰石成分比例的增加，复合材料的生物活性也增加，成骨反应更明显，材料的硬度也增加，如表1试验结果所示。因此，可以根据植入人体部位对材料力学性能的不同要求，在所说2∶8～7∶3的范围内选择相应比例含量羟基磷灰石的复合材料。

             表1纳米羟基磷灰石成分的含量对复合材料硬度的影响

羟基磷灰石含量(w％)	20％	30％	40％	50％	60％	70％
							硬度(邵尔A)	19	32	49	60	71	81

上述的复合生物医用材料并非是羟基磷灰石粉末和高分子成分的机械共混方式的产物，而是由纳米羟基磷灰石与硅橡胶均匀分布的复合产物，因而采用由表面改性处理后的纳米羟基磷灰石成分浆料与硅橡胶成分在液相条件下混合制备得到。

将适用于硅橡胶的硅烷偶联剂溶解于水-醇混合溶液中并调节pH为3.5～5.5，将此溶液在充分搅拌下与固体物重量含量为30％～40％的纳米羟基磷灰石成分浆料进行混合，对固形物用去离子水清洗后与硅橡胶生胶成分以2∶8～7∶3的重量比例于室温～50℃条件下充分均匀混合，之后于低于130℃的温度下干燥至含水量＜0.5wt％后，在硫化剂参与下加热进行硫化处理得到。

先将适用于硅橡胶的硅烷偶联剂充分溶解于水-醇混合溶液中，并调节pH为3.5～5.5。然后将此溶液在充分搅拌下与固体重量含量为30％～40％的纳米羟基磷灰石成分浆料进行混合。经过这样表面改性处理后的纳米羟基磷灰石成分即易与硅橡胶在液相条件下均匀混合。处理后的固形物用去离子水清洗后，与硅橡胶生胶成分以所说的2∶8～7∶3重量比例于室温～50℃的条件下充分均匀混合，之后于低于130℃的温度下干燥至含水量＜0.5wt％后，在硫化剂参与下加热进行硫化处理得到。此硫化处理可按相应的常规方式进行，其中对硫化剂及相应处理条件的选择，可以参照如幸松民等在“有机硅合成工艺及产品应用”(化学工业出版社，2000：561～570)等已有报道的方式进行，如，当样品厚度每增加3mm硫化时间增加5分钟，当样品厚度≤3mm时，硫化时间为10分钟。

以纳米羟基磷灰石成分浆料为原料，是制备和保证本发明所说的复合生物医用材料必须的。所说的纳米羟基磷灰石成分浆料原料，可以按照如李玉宝等在“纳米生物医药材料”(化学工业出版社，2004：30～34)、李玉宝在“生物医学材料”(化学工业出版社，2003：27～29)等目前已有文献中所报道的多种方法制备得到。

上述制备方法中所说的适用于硅橡胶的硅烷偶联剂以选择在硫化过程中能与乙烯基硅橡胶形成化学键的乙烯基类硅烷偶联剂为优选，如乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷等常用的乙烯基类硅烷偶联剂。此外，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷等硅烷偶联剂也可以使用。

试验显示，硅烷偶联剂的用量一般可以控制为纳米羟基磷灰石成分的1wt％～6wt％为佳，过量硅烷偶联剂的使用可能会对产品的力学性能带来不利影响。

以适用于硅橡胶的硅烷偶联剂对纳米羟基磷灰石成分进行表面改性处理时所用的水-醇溶液中的醇，可以使用能保证相应的硅烷偶联剂充分溶解的各种醇类。由于最终所用的醇、水等溶剂均需被除去，因此甚至可以使用如甲醇等醇类，但其中仍以使用常用的乙醇、异丙醇等醇类为最为方便、安全。所说水-醇混合溶液中的醇是帮助硅烷偶联剂溶解于水中的溶剂，因此混合溶液中醇的含量比例在能使相应的硅烷偶联剂充分溶解的前提下，使用过量的醇并没有更多的实际意义。试验显示，所说水-醇混合溶液中醇的含量在20wt％～30wt％时一般均可以使相应的硅烷偶联剂充分溶解。

硅烷偶联剂可以使纳米羟基磷灰石的表面改性，这是通过硅烷偶联剂的水解产物与羟基磷灰石成分表面的活性基团在充分搅拌的过程中进行反应而得到交联形成的一疏水有机硅烷膜层而实现的。该膜层外侧的疏水有机基团可与硅橡胶形成化学键，使纳米羟基磷灰石成分易与硅橡胶进行稳定的结合。酸性的条件可有利于硅烷偶联剂的水解。调节不同的酸度，也会影响硅烷偶联剂水解产物硅烷醇的稳定性。如，过高的酸性虽可加快水解速度，但同时会降低水解产物的稳定性。试验结果显示，较好的酸性水解条件范围是pH 3.5～5.5。用于调节pH值而作为硅烷偶联剂水解催化剂的酸，可以使用在医用材料制备中允许使用的各种酸，特别是具有较低毒性的酸，其中尤以使用对人体毒性最低的乙酸最好。

上述对纳米羟基磷灰石成分进行的表面改性处理，在一般的常温或稍加热的条件下，例如在45℃～55℃的加热和充分搅拌条件下，都可以顺利和满意地完成。

改性后的纳米羟基磷灰石浆料用去离子水清洗后，与硅橡胶生胶成分以所说的2∶8～7∶3的重量比例于室温～50℃条件下充分均匀混合，并于低于130℃的温度下干燥至含水量＜0.5wt％后，即可在硫化剂参与下加热进行硫化处理得到本发明所说的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。由于硫化处理过程需在无水条件下进行，故硫化处理前的混合物需先行脱除水分和所使用的溶剂。此处理一般可以通过将混合物在所说条件下的混炼和干燥完成，然后加入硫化剂，进行后续的硫化处理。

目前作为植入用的硅橡胶制品一般系由甲基乙烯基硅橡胶生胶经高温硫化处理后得到。本发明所说的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料，可以采用与这些产品的同样方式经硫化处理后得到。所用的硫化剂一般为乙烯基硅生胶专用的有机过氧化物硫化剂，如过氧化二叔丁基(DTPB)、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷(DPBMH)等。其中，DPBMH在常温下不挥发，且其分解产物挥发性大，有利于在硫化中除去分解产物，因此一般多选用2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷(DPBMH)作为硫化剂。硫化剂的选择主要应考虑其在硫化后的制品中应无毒性，且其分解产物易于去除。

硫化剂的用量与甲基乙烯基硅生胶中乙烯基的含量有关，并随乙烯基含量的增加而增加，当其中乙烯基含量为0.15(mol)％时，硫化剂用量一般可以为0.4～1.5份/100份硅橡胶生胶成分，例如当使用DPBMH硫化剂时，其用量一般可为0.6～1.5份/100硅橡胶生胶成分，使用DTPB硫化剂时，其用量一般可为0.4～0.8份/100硅橡胶生胶成分。

所说的硫化处理按照一般方式，一段硫化时可以在5Mpa和170℃条件下进行，二段硫化可以在200℃的条件下进行。例如，在进行一段硫化处理时，对厚度≤3mm的薄型制品，一般可在5MPa、170℃下硫化10分钟；对厚度每增加3mm的制品，其硫化时间可延长5分钟；二段硫化的处理，可在200℃下，硫化时间≥4小时。经硫化处理后，即得到本发明所说的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

由于本发明提出的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料，是由纳米级的羟基磷灰石成分与硅橡胶形成的纳米复合生物医用材料，并非是由羟基磷灰石粉末与硅橡胶的机械混合产物，因此具有均匀混合分布的特点，综合性能更加优良。

以下通过由附图和具体实施例对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的扫描电镜照片，其中羟基磷灰石的含量为30wt％。

图2是对照的羟基磷灰石粉末与硅橡胶机械混合而成的羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的扫描电镜照片，羟基磷灰石的含量也为30wt％。

图3是本发明的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的透射电镜照片。

具体实施方式

实施例1

(1)纳米羟基磷灰石浆料的制备：按前述已有文献报道的方式，由硝酸钙与磷酸氢二铵于70℃反应，用氨水调pH值为10～12，得到羟基磷灰石初始沉积物后，用去离子水充分清洗。将该初始沉积物在140℃、0.3MPa下水热处理2小时后离心去除部分水，得到固形物重量为30％的纳米羟基磷灰石成分浆料。

(2)以羟基磷灰石重量2％的乙烯基三乙氧基硅烷60g作为硅烷偶联剂，加入已用乙酸调节pH值为4.5、乙醇含量(重量)20％的2kg乙醇-水溶液中，配制成对纳米羟基磷灰石成分进行表面改性处理用的处理液。

(3)对纳米羟基磷灰石成分进行表面改性处理：将上述的处理液加入纳米羟基磷灰石成分为3kg的浆料10kg中，于45℃～55℃持续搅拌30分钟。将偶联处理后的纳米羟基磷灰石成分浆料用去离子水清洗2～5次。

(4)将上述清洗过的纳米羟基磷灰石浆料与甲基乙烯基硅生胶成分12kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为2∶8)，在通用炼胶机中于温度为50℃混炼30分钟，然后将混炼胶在烘箱中于100℃温度条件下加热3小时，蒸发除去其中的水分和残余的有机溶剂，使其含水量＜0.5wt％。

(5)硫化处理：将上述的混炼胶冷却后，加入硫化剂2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷120g(混炼混合物中所用生胶重量的1％)混炼15分钟。将混炼胶加入制备2mm厚标准试样的模具中，在通用硫化机中在5Mpa和170℃条件下进行一段硫化15分钟，然后在烘箱中于200℃进行二段硫化4小时，以除去硫化剂的分解产物并使硅橡胶性能稳定，得到本发明的相应纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

实施例2

操作方式和条件同实施例1。

取纳米羟基磷灰石成分为4.5kg的浆料(固形物重量含量为40％)，以羟基磷灰石成分重量1％的乙烯基三乙氧基硅烷为硅烷偶联剂，在用乙酸调节至pH值3.5、乙醇含量(重量)30％的6.7kg水-乙醇溶液中，于45℃进行表面改性处理。表面改性处理后的浆料以去离子水洗涤，与甲基乙烯基硅生胶成分10.5kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为3∶7)在炼胶机中于室温下混炼后，混炼胶在烘箱中于120℃温度条件下加热1小时。以混炼胶中生胶重量的0.6％的比例加入硫化剂2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷63g进行硫化处理，得到纳米羟基磷灰石与硅橡胶重量比为3∶7的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

实施例3

操作方式和条件同实施例1。

取纳米羟基磷灰石成分为6kg的浆料20kg，以羟基磷灰石重量4wt％的乙烯基三乙氧基硅烷240g为硅烷偶联剂，加入已用乙酸调节pH值为5.5的4kg乙醇-水溶液中，于55℃下搅拌进行表面改性处理。将改性处理的浆料以去离子水洗涤后，与甲基乙烯基硅生胶成分9kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为4∶6)在炼胶机中混炼后，以混炼胶中生胶重量的1.5％的比例加入2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷硫化剂135g，进行硫化处理。得到纳米羟基磷灰石与硅橡胶重量比为4∶6的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

实施例4

操作方式和条件同实施例1。

取纳米羟基磷灰石成分为7.5kg的浆料25kg，以羟基磷灰石重量6wt％的乙烯基三乙氧基硅烷450g为硅烷偶联剂，加入5kg已用乙酸调节pH值为3.5～5.5的乙醇-水溶液中(乙醇含量25wt％～30wt％)搅拌，进行表面改性处理。改性处理后的浆料以去离子水洗涤，再与甲基乙烯基硅生胶成分7.5kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为5∶5)在炼胶机中混炼后，按混炼胶中生胶重量的0.4％比例加入过氧化二叔丁基硫化剂30g进行硫化处理。得到纳米羟基磷灰石与硅橡胶重量比为5∶5的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

实施例5

操作方式和条件同实施例1。

取纳米羟基磷灰石成分为9kg的浆料30kg，用乙烯基三甲氧基硅烷180g作为硅烷偶联剂，加入6kg已用乙酸调节pH值为3.5～5.5的乙醇-水溶液(或异丙醇-水溶液)中(醇含量25wt％～30wt％)搅拌，进行表面改性处理。改性处理后的浆料以去离子水洗涤后，与甲基乙烯基硅生胶成分6kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为6∶4)在炼胶机中混炼后，加入为混炼胶中生胶重量0.8％的过氧化二叔丁基硫化剂48g进行硫化处理，即得到纳米羟基磷灰石与硅橡胶重量比为6∶4的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

实施例6

操作方式和条件同实施例1。

取纳米羟基磷灰石成分为10.5kg的浆料35kg，用乙烯基三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷210g作为硅烷偶联剂，加入7kg已用乙酸调节pH值为3.5～5.5的乙醇-水溶液(或异丙醇-水溶液)中(醇含量25wt％～30wt％)搅拌，进行表面改性处理。改性处理后的浆料以去离子水洗涤后，与甲基乙烯基硅生胶成分4.5kg(纳米羟基磷灰石与甲基乙烯基硅生胶的重量比为7∶3)在炼胶机中混炼后，以混炼胶中生胶重量的1％的比例加入2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷硫化剂45g进行硫化处理。硫化处理后即得到纳米羟基磷灰石与硅橡胶重量比为6∶4的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料。

上述纳米羟基磷灰石重量含量分别为20％、30％、40％、50％、60％和70％的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料可具有如表1所示的相应不同硬度，以适应不同植入部位对材料硬度的要求。

图1所示的是以本发明上述方法制备得到的羟基磷灰石含量为30wt％的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的扫描电镜照片。照片清楚显示，纳米羟基磷灰石成分在硅橡胶中的分布均匀，结合紧密，界面模糊，未见团聚现象。

图2所示的是作为对照的由羟基磷灰石粉末与硅橡胶以机械混合而成的羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的扫描电镜照片，羟基磷灰石的重量含量同为30wt％。照片中清楚显示，材料中的羟基磷灰石成分在硅橡胶中分布不均匀，团聚明显，微粒与基质之间的界面清晰。

图3显示的是在本发明的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的透射电镜照片中，羟基磷灰石晶体以纳米尺度的棒状分布于复合材料中。

以纳米羟基磷灰石含量为60wt％的本发明羟基磷灰石/硅橡胶复合材料进行的力学性能试验表明，其抗压强度和屈服强度分别为2.23MPa和0.41Mpa。而羟基磷灰石同为60wt％的由羟基磷灰石粉末与硅橡胶的复合材料的抗压强度和屈服强度则分别为1.65MPa和0.31Mpa。本发明的纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合材料的力学性能得到了明显提高。

Claims (10)

1.纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料，其特征是由纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分混合物的硫化处理产物，其中纳米羟基磷灰石成分与硅橡胶成分的重量比例为2∶8～7∶3。

2.制备权利要求1所说纳米羟基磷灰石/硅橡胶复合生物医用材料的方法，其特征是将适用于硅橡胶的硅烷偶联剂充分溶解于水-醇混合溶液中并调节pH为3.5～5.5，将此溶液在充分搅拌下与固体物重量含量为30％～40％的纳米羟基磷灰石成分浆料进行混合，对固形物用去离子水清洗后与硅橡胶生胶成分以2∶8～7∶3的重量比例于室温～50℃的条件下充分均匀混合，之后于低于130℃的温度下干燥至含水量＜0.5wt％后，在硫化剂参与下加热进行硫化处理得到。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说的适用于硅橡胶的硅烷偶联剂为乙烯基类硅烷偶联剂。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所说的硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说的硅烷偶联剂的用量为纳米羟基磷灰石成分的1wt％～6wt％。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说的水-醇混合溶液为醇含量20wt％～30wt％的水-乙醇溶液。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征是所说的水-醇混合溶液中的醇含量为20wt％～30wt％。

8.如权利要求2所述的制备方法，其特征是在所说的表面改性处理时用乙酸调节pH值。

9.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说的对纳米羟基磷灰石成分进行表面改性处理的充分搅拌在45℃～55℃温度下进行。

10.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说硫化处理时所用的硫化剂为包括过氧化二叔丁基或2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷在内的乙烯基硅生胶硫化专用有机过氧化物，以乙烯基含量为0.15(mol)％计的硫化剂用量为0.4～1.5份/100份硅橡胶生胶成分。

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