CN1994480A - 多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法，将类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料与发泡剂5－苯基四唑均匀混合后，在高于发泡剂分解温度的条件下，经注塑过程发泡成型为多孔坯料，所说的类骨磷灰石的粒径为纳米～微米级，发泡剂与多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的重量比例为0.2～1.5∶100。将得到的多孔型坯料的致密表层去除或部分保留，可以分别制成为各方多孔或各方非均一形式的多孔成型材料，以满足不同的使用需要。

Description

多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种医用多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法。

背景技术

医用多孔材料由于所具有的独特的三维多孔结构有利于成骨细胞粘附、分化和生长，促进骨的长入，加强植入体与骨之间的连接，实现良好的骨性结合，并有利于水分和营养物质在植入体内的传输和代谢废物的排除，促进骨组织再生和重建，加快痊愈过程，因此已成为近年来的研究热点。理想的多孔材料应有较高的孔隙率且孔隙分布均匀，孔径范围100～800微米，平均孔径为200～350微米，孔隙间相互连通，大孔壁上兼有小孔，具有良好的机械强度和良好生物学功能。目前所使用的多孔材料中有多孔陶瓷、多孔金属、多孔高分子材料和多孔复合材料等。由于多孔复合材料能具有单一组分所没有的优异性能，因而受到越来越广泛的关注。

类骨磷灰石由于其优异的生物活性和骨传导性而被广泛用于临床硬组织的修复和替代。它能与人骨形成牢固的骨性结合。但其固有的缺点是脆性大，由其与具有良好韧性的医用聚酰胺高分子成分复合得到类骨磷灰石/聚酰胺复合材料，因同时兼有类骨磷灰石和聚酰胺的各自的优点，即既有良好的生物学性能，又有良好的机械强度和韧性及可加工性，已有诸多研究报道。

对多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备，中国专利03135261.8报道了一种离子沥滤法。其在成型过程中没有塑化过程，类骨磷灰石/聚酰胺复合材料和无机盐传热困难，且复合材料同如氯化钠等无机盐受热后的收缩率不一致，导致难以成型，易产生夹生现象，材料的表层被氧化，不能制备大尺寸的多孔材料，大量无机盐也无法彻底清除，造成复合材料性能改变，安全性降低。即使成型后，其多孔材料经水溶液浸泡除盐时容易崩塌。该法采用无机盐作为制孔剂，所得到的多孔材料的孔隙受无机盐颗粒粒径的限制，难于获得较大的孔隙以及高的孔隙率(大于70％)，而且力学性能较差。例如在孔隙率约为40％时，抗压强度仅为8MPa。此外，该方法的制备时间较长，浸泡时间长达数天，不利于大规模生产。

中国专利03135262.6报道了一种注塑制备方法，采用三肼基三嗪或者偶氮二羧酸钡作为发泡剂。由于三肼基三嗪在生产过程中分解后产生有害气体氨气，而且分解温度偏高(大于275℃)，不利于发泡，其部分分解产物如毒性大的三聚氰胺残留在复合材料中也难以除去。而且分解产物三聚氰胺容易和聚酰胺发生作用，在高温下使聚酰胺降解变色，制备的复合材料及制品孔隙率不高，力学性能下降。采用偶氮二羧酸钡作为发泡剂时，残留物为羧酸钡或碳酸钡，也具有可造成细胞死亡或动物死亡的很强毒性，从而影响所得多孔材料的生物安全性。此外，由于这些上述注塑法中采用的发泡剂的温度与材料的加工温度不匹配，也难以实现对制品质量的良好控制。例如，发泡剂三肼基三嗪的因分解温度过高，会延迟发泡，且发泡剂分解不完全，发气量不稳定，从而影响多孔结构。而偶氮二羧酸钡发泡剂的分解温度则过低，因发泡剂提前分解而难以加工出质量稳定的泡沫材料。

发明内容

针对上述情况，本发明将在此基础上提供一种新的以注塑方式制备多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的方法，使其能制备出具有较好力学强度和可加工性，以及优异的多孔结构的部分或全部多孔的多孔材料。

本发明多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法，是将类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料与发泡剂5-苯基四唑均匀混合后，在高于发泡剂分解温度的条件下，经注塑过程发泡成型为多孔坯料，发泡剂与多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的重量比例为0.2～1.5∶100。所说的类骨磷灰石的粒径为纳米～微米级。所说的医用聚酰胺可以为包括聚酰胺66，聚酰胺6，聚酰胺10，聚酰胺11，聚酰胺12，聚酰胺610，聚酰胺612，聚酰胺1010，聚酰胺1212在内的医用聚酰胺成分中的至少一种。所说的类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料，可以参照如专利号为200310111033.5、专利申请号为200510022326.5或其它相关文献的方法得到。

例如，一般情况下，在注射温度为230℃～275℃，模具温度为60℃～120℃，注射速度为60％～90％，注射压力为40～100MPa的条件下，上述的注塑发泡成型过程均可以顺利并满意地完成。将注射成型的制品，经超声波等方式清洗，烘干后即得到相应的多孔材料制品。

为有利于上述类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料与发泡剂5-苯基四唑的均匀混合，可以采用的优选方式是，将所说的发泡剂用沸点≤100℃的其良溶剂，如特别推荐使用的常用的无水乙醇或丙酮等低沸点无毒或低毒溶剂溶解后，再与类骨磷灰石/聚酰胺复合材料均匀混合，然后在高于所用溶剂沸点并低于发泡剂分解温度的条件下除去混合材料中的溶剂，例如采用所说的无水乙醇或丙酮等溶剂时，可在80℃～120℃烘干(如可在真空烘箱中进行)，之后再进行所说的注塑成型。

自然骨的无机质主要是由纳米羟基类骨磷灰石组成，但由于存在各种离子对羟基类骨磷灰石结构中的磷和钙的取代，因此其钙、磷原子摩尔比并不等于化学计量的类骨磷灰石的钙、磷原子摩尔比1.67。人体不同部位硬组织的类骨磷灰石钙、磷原子摩尔比也不相同，而且，入骨的钙、磷原子摩尔比在不同年龄段也是变化的。因此基于仿生的概念，本发明所述的类骨磷灰石的钙、磷原子摩尔比设计在1.3～2.0的范围内为理想。

上述所用类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料中的多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料中类骨磷灰石的质量百分数可以为10～70wt％。

经本发明的上述注塑发泡成型过程，所得到的多孔坯料多有一致密的表层。根据不同的使用需要，可以将该多孔坯料的致密表层去除，成为一种各方多孔的成型材料使用，也可以是保留部分所说的注塑成型得到的多孔坯料的致密表层，成为各方非均一的多孔成型材料使用。

试验显示，以本发明上述方法制备得到的多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料制品的孔隙孔径范围为5～1000微米，平均孔径在150～500微米之间，孔隙率为15～90％，孔隙分布均匀，在大孔壁上可兼有小孔，抗压强度为0.1～70MPa。

在本发明的上述制备方法中，采用的5-苯基四唑发泡剂的分解温度为200～240℃，与类骨磷灰石/聚酰胺复合材料本身的熔融加工温度(230～275℃)相匹配，因而分解完全，用量少，发气量大。实验结果显示，改变发泡剂与复合材料的比例，和/或注塑时的注射温度、注射速度、模具温度，以及单模加料量等，可以实现对所制备多孔材料的孔隙率、平均孔径以及力学性能的有效控制，能获得适合需要的多孔结构的多孔材料。例如，注射温度过低，可增加熔体的黏度，使气泡减少且气泡的体积增长慢，但温度过高则易发生喷射现象。又如，注射速度的高低可影响制品气孔的大小和分布的均匀性。此外，模具的温度可对制品的表面光洁度、致密表层的厚度和生产周期等产生影响。例如，当发泡剂的使用量为0.25wt％，单模加料量为28g，注射温度为272％，注射速度为90％以及模具温度为80℃时，可获得孔隙率约为40％，平均孔径约200微米，抗压强度为33MPa的多孔类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料(类骨磷灰石为40wt％)的较致密多孔材料，抗压强度可达70MPa。这种简单有效的控制是实现规模化生产的必要条件。

本发明所用的发泡剂5-苯基四唑分解后产生的是氮气、二氧化碳和水三种气体成分及小于5ppm的苯甲酸钙，无毒、无腐蚀、不燃烧、对制品的成型及物理、化学性能无影响，且在复合材料中具有良好可分散性，有利于保证多孔材料的生物相容性及生物安全性，材料中残留的小于5ppm的苯甲酸钙所具有的防腐作用，还能使多孔材料或制品具有更长的保存期。

本发明采用5-苯基四唑作为发泡剂，并通过在注塑过程中完成发泡成型而制备得到多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料，有效地解决了夹生、氧化、发泡剂残留的缺点，缩短了生产时间，而且提高了多孔材料的孔隙率、力学性能，尤其是不影响多孔材料的安全性，也已于控制孔隙的结构，且可以获得部分或者全部为多孔形式的多孔材料。以下结合附图及实施例的具体实施方式，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。各实施例中的类骨磷灰石/聚酰胺复合材料，均可参照专利号为200310111033.5或申请号为200510022326.5的方法制备得到。

附图说明

图1是孔隙率为78％的本发明复合材料微观结构的SEM照片。

图2是本发明的一种块状复合材料制品的照片。

图3是本发明的一种复合材料表面形貌的照片。

具体实施方式

实施例1

将5-苯基四唑发泡剂10g溶解于2000ml无水乙醇中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料上(类骨磷灰石质量含量为40％)，于真空烘箱中80℃烘干，然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³，注塑机为宁波双马B160/120C型。注塑的参数为：模具温度110～120℃，注射温度260～275℃，注射速度90％，注射压力70MPa。改变单模加料量，分别为10、12g、14g、17g、20g、24g、28g、34g。制得的初坯除去致密表层即得到多孔材料，孔隙率分别约为89％、83％、78％、73％、68％、64％、58％、53％、43％，平均孔径约为220～480微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟，即可使用。与其孔隙率对应的抗压强度如表1所示。其中孔隙率为78％的多孔复合材料微观结构的扫描电子显微镜照片如图1所示。

实施例2

将5-苯基四唑发泡剂5g、10g、20g、30g，分别溶解于5000ml无水乙醇中，过滤，将2kg类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料(类骨磷灰石质量含量为40％)加入溶液中，充分混合，挥发除去无水乙醇，在于真空烘箱中80℃10小时。然后注塑成型。模具型腔为40×30×30mm³，注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑参数为：模具温度120℃，注射温度260～275℃，注射速度90％，注射压力80MPa，单模加料量为18g。制得的初坯除去致密表层即得到多孔材料，孔隙率约为68％，平均孔径分别约为220微米、230微米、300微米、360微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟，即可使用。

表1  不同孔隙率材料的力学性能

总孔隙率(％)	抗压强度(MPa)	标准偏差	压缩模量(GPa)	标准偏差
					83.1778.9773.3868.4964.0058.8353.9543.71	1.833.335.067.6211.7915.4918.6133.15	0.270.130.720.330.51.11.779.81	0.180.230.420.520.810.981.181.83	0.040.040.070.110.130.260.130.32*

^*部分多孔部分致密材料力学性能：50-70MPa

实施例3

将5-苯基四唑发泡剂30g溶解于3000ml丙酮中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg纳米类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料上(类骨磷灰石质量含量为30％)，于真空烘箱中80℃烘干。然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³，注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑参数为：模具温度110～120℃，注射温度260～275℃，注射速度90％，注射压力70MPa，单模加料量为12g。制得的初坯除去致密层即得到多孔材料，孔隙率约为90％，平均孔径约为500微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟，即可使用。

实施例4

将5-苯基四唑发泡剂10g溶解于2000ml无水乙醇中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg类骨磷灰石/聚酰胺6复合材料上(类骨磷灰石质量含量为40％)，于真空烘箱中80℃烘干，然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³，注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑工艺参数为：模具温度80℃，注射温度230～255℃，注射速度90％，注射压力70MPa，单模加料量为17g。制得的初坯除去致密层即得到多孔材料，孔隙率约为70％，平均孔径约为370微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟，即可使用。该块状多孔复合材料如图2所示，其表面形貌的照片如图3所示。

实施例5

将5-苯基四唑发泡剂10g溶解于2000ml无水乙醇中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg纳米类骨磷灰石/聚酰胺12复合材料上(类骨磷灰石质量含量为65％)，于真空烘箱中80℃烘干。然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³，注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑参数为：模具温度80℃，注射温度240～255℃，注射速度90％，注射压力70MPa，单模加料量为13g、17g、20g。制得的初坯除去致密层即得到多孔材料，孔隙率分别为86％、80％、69％，平均孔径约为270～330微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟。

实施例6

将5-苯基四唑发泡剂30g溶解于5000ml丙酮中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料上(类骨磷灰石质量含量为40％)，真空烘箱中80℃烘干。然后注塑制孔。模具型腔为中空圆柱型，外径28mm，内径8mm，长度130mm。注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑参数为：模具温度120℃，注射温度260～275℃，注射速度90％，注射压力70MPa，单模加料量为55g。将制得的圆筒状初坯的外表层致密层除去，即得到内表面致密而外表面多孔的圆筒状多孔材料。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟。

实施例7

将5-苯基四唑发泡剂5g溶解于2000ml无水乙醇中，过滤，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料上(类骨磷灰石质量含量为40％)，真空烘箱中80℃烘干。然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³。注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑参数为：模具温度120℃，注射温度260～275℃，注射速度90％，注射压力70MPa，单模加料量30g。制得的初坯除去外表层致密层即得到内表面致密而外表面多孔的多孔材料，孔隙率约40％，平均孔径约为200微米。将所得的多孔材料在无水乙醇中超声清洗5次，每次清洗时间10分钟。

比较例1：

以三肼基三嗪作为发泡剂，无水乙醇作为溶解发泡剂的溶剂。按发泡剂∶复合材料＝0.5∶100(重量)进行配料。发泡剂溶解于无水乙醇中，过滤后，用喷雾器具将其均匀喷洒在2kg类骨磷灰石/聚酰胺66复合材料上(复合材料中类骨磷灰石质量百分数为40％)，于真空烘箱中80℃回收乙醇烘干。然后注塑制孔。模具型腔为40×30×30mm³。注塑机为宁波双马产B160/120C型。注塑工艺参数为：模具温度120℃，注射温度270～285℃，注射速度90％，注射压力70MPa。得到的多孔材料颜色变暗，气孔均匀性差。

本发明所制备的多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料，由于其中的类骨磷灰石是人骨的主要无机成份，因而可与人骨形成骨性结合，具有良好的生物学性能。同时，由于类骨磷灰石对聚酰胺的增强作用，它具有较好的力学性能。例如当多孔材料的孔隙率达到80％时，它的抗压强度仍大于1MPa，这使其可以作为一种良好的组织工程支架材料。而当这种材料被制成部份多孔部分致密的骨修复材料时或者孔隙率较低时，其力学性能可达到50～70MPa，可以用作为部份承力骨的修复材料。这种多孔材料还可以用于与生长因子复合以加速组织的生长，或者作为药物缓释载体及软骨修复材料的基底材料使用。

Claims (10)

1.多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的制备方法，其特征是将类骨磷灰石/医用聚酰胺复合材料与发泡剂5-苯基四唑均匀混合后，在高于发泡剂分解温度的条件下，经注塑过程发泡成型为多孔坯料，所说的类骨磷灰石的粒径为纳米～微米级，发泡剂与多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料的重量比例为0.2～1.5∶100。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所说的发泡剂用沸点≤100℃的其良溶剂溶解后与类骨磷灰石/聚酰胺复合材料均匀混合，在高于所用溶剂沸点并低于发泡剂分解温度的条件下除去混合材料中的溶剂后再进行所说的注塑成型。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所说溶解发泡剂的溶剂为无水乙醇或丙酮。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所说的类骨磷灰石中的钙∶磷摩尔比为1.3～2.0∶1。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所说的医用聚酰胺为包括聚酰胺66，聚酰胺6，聚酰胺10，聚酰胺11，聚酰胺12，聚酰胺610，聚酰胺612，聚酰胺1010，聚酰胺1212在内的医用聚酰胺成分中的至少一种。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所说的多孔类骨磷灰石/聚酰胺复合材料中类骨磷灰石的质量百分数可以为10～70wt％。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所说注塑成型时的注射温度为230℃～275℃，模具温度为60℃～120℃，注射速度为60％～90％，注射压力为40～100MPa。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所得的多孔材料或制品孔隙孔径为5～1000微米，平均孔径在150～500微米之间，孔隙率为15～90％，抗压强度为0.1～70MPa。

9.如权利要求1至8之一所述的制备方法，其特征是将所说的注塑成型得到的多孔坯料的致密表层去除，成为各面多孔的成型材料。

10.如权利要求1至8之一所述的制备方法，其特征是保留部分所说的注塑成型得到的多孔坯料的致密表层，成为各面非均一形式的多孔成型材料。

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