專利名稱：液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)/有機(jī)生物復(fù)合材料制備技術(shù)，特別是一種利用 羥基磷灰石液晶在外力場(chǎng)作用下的高流動(dòng)性和易取向性，制備性能 各向異性的骨修復(fù)替代材料技術(shù)。
(二)
背景技術(shù)：
人體的骨骼和牙齒是由納米羥基磷灰石針晶(n-HA)有序排列于 膠原纖維而組成的天然復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。近年來(lái)，以 仿生生物結(jié)構(gòu)及功能為目標(biāo)，圍繞納米羥基磷灰石與聚合物復(fù)合骨修 復(fù)材料的研究己經(jīng)成為熱點(diǎn)。
綜觀國(guó)內(nèi)外研究，所開發(fā)的復(fù)合材料各具特色，但也都存在一定 的問(wèn)題。如早期開發(fā)的高分子量聚乙烯/HA復(fù)合材料，由于HA顆粒 與聚合物分子間沒(méi)有化學(xué)鍵合，HA的加入量較低，不僅力學(xué)性能不理 想，而且也缺乏生物活性；將分子自組裝技術(shù)與模擬生物礦化相結(jié)合， 合成的多級(jí)微結(jié)構(gòu)仿生的膠原/ n-HA復(fù)合納米人工骨，由于膠原基體 的強(qiáng)度較低，使復(fù)合材料不能用于人體承重骨的替代。因此， 一些強(qiáng) 度高、塑性好，能與HA表面形成鍵合，并具有一定極性和親水性的高 分子聚合物被用作聚合物/ n-HA復(fù)合生物活性材料的增韌體。如多聚 糖、聚乳酸、聚e己內(nèi)脂、聚二甲基硅氧垸及聚酰胺(PA66)等，可與 n-HA因化學(xué)鍵合、氫鍵連接和電荷吸引而緊密結(jié)合，復(fù)合材料綜合力 學(xué)性能優(yōu)異、骨引導(dǎo)性顯著、生物活性和相容性良好。然而，由于這 類聚合物沒(méi)有膠原纖維那樣的弓i導(dǎo)礦化作用，目前的方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn) n-HA在聚合物中的取向和均勻分布，這也成為制約生物復(fù)合材料臨床 應(yīng)用的瓶頸之一。上述復(fù)合材料只是對(duì)骨組織的成分仿生，它們的力 學(xué)性能指標(biāo)分別為抗壓強(qiáng)度70 170MPa，抗拉強(qiáng)度50 80MPa，抗拉 彈性模量7 10Gpa，均為各向同性。而自然骨中的n-HA晶體是沿膠 原纖維長(zhǎng)度方向排列的，人體承重骨軸向的抗壓強(qiáng)度為120 170MPa， 抗拉強(qiáng)度為120 150MPa，彈性模量17 20GPa。
顯然，如何使n-HA晶體在聚合物中取向排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨組織纖巧 微觀結(jié)構(gòu)的真正模擬，是人體承重骨修復(fù)材料能否達(dá)到臨床使用要求
的關(guān)鍵。而使n-HA均勻、取向分布的n-HA/聚合物仿生骨修復(fù)材料的 制備方法和所制備的材料國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異 性骨替代材料及其制備方法，得到n-HA在聚合物基體中均勻存在、 呈取向分布，是- -種性能各向異性的用于人體承重骨替代的生物復(fù)合 材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案 一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性 骨替代材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟
(1) 將具有一定極性和親水性的高分子聚合物溶入有機(jī)溶劑；
(2) 按設(shè)計(jì)比例取適量n-HA液晶，在50-8(rC溫度下，與聚 合物溶液攪拌共混2-5h，在攪拌力場(chǎng)作用下，使液晶n-HA顆粒在 聚合物中均勻取向排列；
(3) 加熱共混溶液至120-18(TC，使有機(jī)液體揮發(fā)，混溶液濃
縮；
(4) 采用急冷法，將混溶濃縮物在-5。C -l(TC超低溫度下冷凍 3-5h，固定n-HA在聚合物中的有序排列；
(5) 在大氣條件下使殘留的有機(jī)溶劑緩慢熔化，然后在恒溫 箱中30-6(TC下干燥24h;
(6) 用常規(guī)熱壓成型機(jī)壓制干燥多孔塊體，得到n-HA/聚合物 復(fù)合材料。
上述所說(shuō)的步驟(1)中的高分子聚合物取聚乳酸、聚二甲基硅
氧垸及聚酰胺等。
上述所說(shuō)的步驟(1)中的有機(jī)溶劑為乙酸或環(huán)己垸等。 上述所說(shuō)的步驟(2)中的攪拌力場(chǎng)可為電子攪拌力場(chǎng)或超聲振
蕩力場(chǎng)；
上述所說(shuō)的步驟(6)中所說(shuō)的熱壓成型溫度為260-30(TC，時(shí) 間為20-30min。
一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材料，其特征 在于羥基磷灰石為直徑15-20nm長(zhǎng)200-300nm棒狀液晶顆粒，沿一定 方向均勻分布在聚合物基體中，使沿n-HA取向排列方向的力學(xué)性能 指標(biāo)大大優(yōu)化，即從成分、結(jié)構(gòu)、性能上實(shí)現(xiàn)對(duì)自然骨的仿生。
本發(fā)明的工作原理為由于制備羥基磷灰石液晶時(shí)，必須對(duì)其表
面進(jìn)行改性，即在HA顆粒表面包覆接枝了酰胺鍵-NH、 C二0基團(tuán)的聚 合物。當(dāng)羥基磷灰石液晶與聚合物共混時(shí)，表面接枝的極性酰胺基 團(tuán)使液晶n-HA顆粒具有親水性，可與同樣具有酰胺鍵的聚合物基體 之間產(chǎn)生良好的混溶性。同時(shí)液晶的高流動(dòng)特性，保證了在攪拌外 力作用下實(shí)現(xiàn)液晶n-HA顆粒在聚合物中的良好分散和取向分布(非 液晶n-HA顆粒在相同攪拌力場(chǎng)作用下是不可能取向的)。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于由此制備的材料具有各向異性，優(yōu)勢(shì)在于 沿顆粒排列方向的拉伸和彎曲強(qiáng)度及彈性膜量明顯提高，而材料整體 的斷裂韌性不會(huì)降低，實(shí)現(xiàn)從組成到性能，特別是微觀結(jié)構(gòu)的仿生與 優(yōu)化，滿足臨床對(duì)人體承重骨修復(fù)材料的使用要求。且制備的復(fù)合材 料的性能指標(biāo)達(dá)到(1)沿n-HA排列方向的壓縮強(qiáng)度:150-200MPa; 彎曲強(qiáng)度250-300 MPa;拉伸強(qiáng)度150-200 MPa;彈性模量15-20Gpa。 (2)在模擬體液中浸泡不同時(shí)期(最長(zhǎng)50周)，各力學(xué)性能指標(biāo)下 降不超過(guò)10-20%。 (3)材料的細(xì)胞毒性等級(jí)為0級(jí)，細(xì)胞增殖率與 純HA相當(dāng)。
(四)


附圖1為本發(fā)明所涉液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替 代材料及其制備方法中羥基磷灰石棒狀液晶顆粒在聚合物基體中排 列結(jié)構(gòu)示意圖。
其中l(wèi)為聚合物基體，2為羥基磷灰石棒狀液晶顆粒。
(五)
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1: 一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材 料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟
(1 )將聚酰胺(PA66)溶入有機(jī)溶劑環(huán)己垸中
(2) 按設(shè)計(jì)比例取適量n-HA液晶，在5(TC溫度F，與PA66 溶液攪拌共混3h，在攪拌力場(chǎng)作用下，使液晶n-HA顆粒在PA66 中均勻取向排列；
(3) 加熱共混溶液至14(TC，使有機(jī)液體揮發(fā)，混溶液濃縮；
(4) 將混溶濃縮物放入-10。C快速冷凍5h，固定n-HA在聚合物 中的有序排列；
(5) 在大氣條件下使殘留的有機(jī)溶劑冰釋，然后在恒溫箱中
40°C卩干燥24h;
(6)采用熱壓成型機(jī)，在28(TC熱壓得到n-HA/ PA66復(fù)合材料。
一種以羥基磷灰石液晶與聚酰胺(PA66)為原料，采用共混、濃縮、 冷凍、干燥、熱壓成型技術(shù)制備的n-HA/PA66生物復(fù)合材料，其特 征在于羥基磷灰石為直徑15-20nm長(zhǎng)200-300腦棒狀液晶顆粒2，沿 一定萬(wàn)向均勻分布在PA66聚合物基體1中(見附圖)，使沿n--HA取 向排列方向的力學(xué)性能指標(biāo)大大優(yōu)化，即從成分、結(jié)構(gòu)、性能上實(shí) 現(xiàn)對(duì)自然骨的仿生。
實(shí)施例2:-—種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材 料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟
(1) 將聚亞安酯(PU)溶入有機(jī)溶劑乙酸中；
(2) 按設(shè)計(jì)比例取適量n-HA液晶，在6(TC溫度下，與PU溶 液攪拌共混3h，在攪拌力場(chǎng)作用下，使液晶n-HA顆粒在PA66中均 勻取向排列；
(3) 加熱共混溶液至160°C，使有機(jī)液體揮發(fā)，混溶液濃縮；
(4) 將混溶濃縮物放入-l(TC快速冷凍5h，固定n-HA在聚合物 中的有序排列；
(5) 在大氣條件下使殘留的有機(jī)溶劑冰釋，然后在恒溫箱中 4(TC下干燥24h;
(6) 采用熱壓成型機(jī)，在28(TC熱壓得到n-HA/PU復(fù)合材料。 一種以羥基磷灰石液晶與聚亞安酯(PU)為原料，采用共混、濃
縮、冷凍、干燥、熱壓成型技術(shù)制備的n-HA/PU生物復(fù)合材料，其 特征在于羥基磷灰石為直徑15-20nm長(zhǎng)200-300nm棒狀液晶顆粒2， 沿- 定方向均勻分布在PU聚合物基體1中(見附圖)，使沿n-HA取 向排列方向的力學(xué)性能指標(biāo)大大優(yōu)化，即從成分、結(jié)構(gòu)、性能上實(shí) 現(xiàn)對(duì)自然骨的仿生。
權(quán)利要求
1、一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟(1)將具有一定極性和親水性的高分子聚合物溶入有機(jī)溶劑；(2)按設(shè)計(jì)比例取適量n-HA液晶，在50-80℃溫度下，與聚合物溶液攪拌共混2-5h，在攪拌力場(chǎng)作用下，使液晶n-HA顆粒在聚合物中均勻取向排列；(3)加熱共混溶液至120-180℃，使有機(jī)液體揮發(fā)，混溶液濃縮；(4)采用急冷法，將混溶濃縮物在-5℃～-10℃超低溫度下冷凍3-5h，固定n-HA在聚合物中的有序排列；(5)在大氣條件下使殘留的有機(jī)溶劑緩慢熔化，然后在恒溫箱中30-60℃下干燥24h；(6)用常規(guī)熱壓成型機(jī)壓制干燥多孔塊體，得到n-HA/聚合物復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向 異性骨替代材料的制備方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(1)中的高分 子聚合物取聚乳酸、聚二甲基硅氧烷及聚酰胺等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種液晶羥基磷灰石凍合物復(fù)合各向 異性骨替代材料的制備方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(1)中的有機(jī) 溶劑為乙酸或環(huán)己烷等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向 異性骨替代材料的制備方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(2)中的攪拌 力場(chǎng)可為電子攪拌力場(chǎng)或超聲振蕩力場(chǎng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向 異性骨替代材料的制備方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(6)中所說(shuō)的 熱壓成型溫度為260-300。C，時(shí)間為20-30min。
6、 一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材料，其特 征在于羥基磷灰石為直徑15-20nm長(zhǎng)200-300nm棒狀液晶顆粒，沿---定方向均勻分布在聚合物基體中，使沿n-HA取向排列方向的力學(xué)性 能指標(biāo)大大優(yōu)化，即從成分、結(jié)構(gòu)、性能上實(shí)現(xiàn)對(duì)自然骨的仿生。
全文摘要
一種液晶羥基磷灰石/聚合物復(fù)合各向異性骨替代材料及其制備方法，包括以下步驟(1)將具有極性和親水性的高分子聚合物溶入有機(jī)溶劑；(2)與適量n-HA液晶攪拌共混，使液晶n-HA顆粒在聚合物中均勻取向排列；(3)加熱共混液使有機(jī)液體揮發(fā)；(4)將混溶濃縮物在超低溫度下冷凍，固定n-HA在聚合物中的有序排列；(5)干燥24h；(6)熱壓成型，得到n-HA/聚合物生物復(fù)合材料。所說(shuō)的n-HA為直徑15-20nm長(zhǎng)200-300nm棒狀液晶顆粒，并沿一定方向均勻分布在聚合物基體中，使沿n-HA排列方向的力學(xué)性能大大優(yōu)化，即從成分、結(jié)構(gòu)、性能上實(shí)現(xiàn)對(duì)自然骨的仿生，滿足臨床對(duì)人體承重骨替代材料的使用要求。
文檔編號(hào)A61L27/46GK101199869SQ200610130349
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者劉德寶, 沈榮臻, 臣 由, 陳民芳 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)