一種人工關節(jié)軟骨材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種人工關節(jié)軟骨材料，涉及水凝膠軟材料化學修飾領域，是用氧化石墨烯和羥基磷灰石修飾聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠，并采用自由基聚合反應制備得到的PAM-ALG-GO-HA復合水凝膠。其制備是：在預先均勻分散的GO溶液中逐漸加入針狀納米HA顆粒形成混合水溶液，并加入丙烯酰胺單體、ALG單體以及合成PAM-ALG水凝膠的相關反應劑，采用自由基聚合反應制備PAM-ALG-GO-HA復合水凝膠。本發(fā)明充分利用GO納米片本身的二維結構和表面具有的官能團及HA優(yōu)異的生物活性對PAM-ALG水凝膠進行化學修飾，有效地提高了PAM-ALG水凝膠的力學性能和生物活性，擴大了PAM-ALG水凝膠的應用范圍，具有明確的科學意義和巨大的應用價值。
【專利說明】一種人工關節(jié)軟骨材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水凝膠軟材料化學修飾方法，尤其涉及一種新型人工關節(jié)軟骨材料PAM-ALG-G0-HA的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著仿生學與新材料領域的交叉發(fā)展，仿生人體結構制備性能優(yōu)異的新材料研究日益受到重視。人體膝關節(jié)表面覆蓋的一層2~7mm厚的光滑、有彈性的組織-關節(jié)軟骨，能承受人一生中周而復始的各種高負荷的壓力與沖擊，自然壽命可高達70~80年之久，并可以使關節(jié)自由活動，同時可以吸收人體活動時振動所產生的能量，起到緩沖和保護關節(jié)的作用。而目前人工膝關節(jié)置換材料的“金標準”是鈷基合金和超高分子量聚乙烯，這種標準僅用硬的超高分子量聚乙烯作為假體關節(jié)接觸面間的材料，一方面不能有效地分散關節(jié)在運動中產生的應力，會造成植入假體松動和脫位；另一方面，長期臨床觀察顯示，超高分子量聚乙烯材料在長期服役過程中會和周圍金屬合金摩擦從而產生磨屑，最終人工關節(jié)的晚期磨損會非常嚴重。這些失效現象與當前人工關節(jié)設計沒有仿生人體關節(jié)的天然結構，沒有設計關節(jié)軟骨等缺陷有很大的關系，所以制備新型人工關節(jié)軟骨材料顯得尤為必要和緊迫。
[0003]PAM-ALG新型水凝膠材料以其自身類似于天然軟骨的顯微孔狀結構、高的吸水性和彈性、良好的生物相容性和一定的自我修復功能等特性有望在人工軟骨、人工肌肉以及柔性機器人制造等領域獲得應用。但是據測算，在人的日常走路運動中，膝關節(jié)處軟骨承載的應力是人體體重的1.2~7.2倍，髖關節(jié)處軟骨承載的應力是人體體重的2.5~5.8倍。在承受如此高的應力下，這種軟材料作為人工關節(jié)軟骨置換材料，其力學性能還不能滿足在人體正常運動活動中對關節(jié)軟骨承受高應力的要求。其次，這種軟材料作為人工肌肉等其他人工軟組織置換材料，盡管本身具有強的生物相容性但是因其生物活性差，不能與周圍組織整合。所以，有必要根據其具體的應用環(huán)境對PAM-ALG水凝膠作進一步的改進。

【發(fā)明內容】

[0004]針對上述現有技術，本發(fā)明提供一種人工關節(jié)軟骨材料及其制備方法，采用氧化石墨烯和羥基磷灰石對聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠進行化學修飾，充分發(fā)揮水凝膠類似于天然關節(jié)軟骨的特點，用具有優(yōu)異力學性能的GO納米片和良好生物活性的HA對PAM-ALG水凝膠進行化學修飾，有效地提高了 PAM-ALG水凝膠的力學性能和生物活性。
[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明一種人工關節(jié)軟骨材料，其特征在于，用氧化石墨烯和羥基磷灰石修飾聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠，并采用自由基聚合反應制備得到的聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠。
[0006]本發(fā)明一種人工關節(jié)軟骨材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007]配制氧化石墨烯納米片水溶液，超聲處理，使氧化石墨烯納米片溶液溫度保持在10-50°C范圍；[0008]將顆粒度為IO-1OOOnm的針狀納米羥基磷灰石顆粒均勻分散于氧化石墨烯納米片水溶液中，混合過程中，水溶液溫度范圍控制在10-80°C，均勻混合后，得到羥基磷灰石和氧化石墨烯穩(wěn)定的混合水溶液；
[0009]在無氧保護環(huán)境下，在上述混合水溶液中依次加入自由基聚合反應合成聚丙烯酰胺和海藻酸鈉水凝膠的原材料，經過20-90min，在30~70°C溫度下通過自由基聚合反應，從而得到聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠。
[0010]進一步講，本發(fā)明中，聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠中丙烯酰胺單體:海藻酸鈉單體:氧化石墨烯:羥基磷灰石的質量比為500:(40-70):(1-5):(5-35)。
[0011]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明充分利用氧化石墨烯(GO)納米片本身的二維結構和表面具有的官能團及羥基磷灰石(HA)優(yōu)異的生物活性對聚丙烯酰胺-海藻酸鈉(PAM-ALG)水凝膠進行化學修飾，有效地提高了 PAM-ALG水凝膠的力學性能和生物活性，擴大了 PAM-ALG水凝膠的應用范圍，具有明確的科學意義和巨大的應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實施例1中PAM-ALG水凝膠及PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠(c和d)的顯微形貌圖；其中a和b為PAM-ALG水凝膠的顯微形貌圖，c和d為PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的顯微形 貌圖；
[0014]圖2 是本發(fā)明實施例1 中 GO，HA, PAM-ALG 水凝膠，PAM-ALG-HA 及 PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的紅外光譜圖；
[0015]圖3是本發(fā)明實施例1中PAM-ALG水凝膠及PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的壓縮試驗應力-應變圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明一種人工關節(jié)軟骨材料，是用氧化石墨烯和羥基磷灰石修飾聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠，并采用自由基聚合反應制備得到的聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠，其中，丙烯酰胺單體:海藻酸鈉單體:氧化石墨烯:羥基磷灰石的質量比為500:(40-70):(1-5): (5-35)。根據GO 二維結構具有巨大比表面積為水凝膠的合成提供了很多接枝點的特點，利用GO上的羧基官能團與水凝膠中的氨基官能團發(fā)生脫水縮合反應，實現GO與水凝膠的交聯反應提高其力學性能。并在水凝膠中引入HA復合修飾進一步提高水凝膠的生物活性。
[0017]本發(fā)明一種人工關節(jié)軟骨材料的制備方法，包括以下步驟:
[0018]配制氧化石墨烯納米片水溶液，
[0019]將顆粒度為IO-1OOOnm的針狀納米羥基磷灰石顆粒均勻分散于氧化石墨烯納米片水溶液中，得到羥基磷灰石和氧化石墨烯穩(wěn)定的混合水溶液；
[0020]在無氧保護環(huán)境下，在上述混合水溶液中依次加入自由基聚合反應合成聚丙烯酰胺和海藻酸鈉水凝膠的原材料，經過20-90min，在30~70°C溫度下通過自由基聚合反應，從而得到聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠。[0021]所述無氧保護環(huán)境采用的無氧保護性氣體以與膠體溶液無反應為準，可選擇氮氣、氬氣等常用保護性氣體；依次加入合成PAM和ALG水凝膠的原材料，包括:單體1:丙烯酰胺；引發(fā)劑:過硫酸銨；共價鍵交聯劑:甲叉雙丙烯酰胺；催化劑:N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺；離子鍵交聯劑:無水氯化鈣；單體2:海藻酸鈉；脫水劑:碳化二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺。其中，丙烯酰胺在無氧保護環(huán)境下，引發(fā)劑過硫酸銨產生初級自由基引發(fā)丙烯酰胺和共價交聯劑發(fā)生交聯反應。與此同時，海藻酸鈉ALG和二價陽離子Ca2+會形成離子交聯反應。當兩種單體同時存在時，PAM鏈構成的網格還會與ALG鏈構成的網格發(fā)生脫水縮合反應形成共價鍵交聯而緊密地結合在一起。同時，一方面由于GO本身具有二維結構，即縱向厚度為幾個到幾十個納米之間而橫向長度為納米級到微米級之間，這種巨大的比表面積為水凝膠的合成提供了很多的接枝點。另一方面，GO上羧基官能團與PAM上的氨基官能團發(fā)生脫水縮合反應，增加PAM-ALG水凝膠的網格交聯度從而進一步增強復合水凝膠的力學性能。
[0022]以下通具體實施例講述本發(fā)明的具體制備過程。本發(fā)明提供實施例是為了準確理解，絕不是限制本發(fā)明。本領域的技術人員在本發(fā)明啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種替換、變化和修改等，均屬于本發(fā)明保護范圍。
[0023]實施例1:
[0024]I)將Hmnmers法制備的氧化石墨烯GO納米片水溶液充分超聲I小時。
[0025]2)在上述濃度為2mg/ml的15ml GO納米片水溶液中機械共混5%的HA，并超聲振蕩30min，保證HA均勻分散于GO納米片水溶液中。
[0026]3)在上述GO和HA混合溶液中，在高純氮氣的保護環(huán)境下，依次加入自由基聚合反應合成PAM-ALG水凝膠的原材料，，即單體1:丙烯酰胺5g ;引發(fā)劑:過硫酸銨0.015g ；共價鍵交聯劑:甲叉雙丙烯?！ぐ?.0031g ;催化劑:N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺16 μ L ;離子鍵交聯劑:無水氯化韓0.0661g ;單體2:海藻酸鈉0.5g ;脫水劑:碳化二亞胺0.04g和N-羥基琥珀酰亞胺0.02g。經過60min，在50°C溫度下通過自由基聚合反應，制備得到PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠。
[0027]如圖1所示水凝膠及PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的顯微形貌圖。從圖1 (a)和(b)中可以發(fā)現，水凝膠的顯微形貌呈現血管狀的三維多孔網狀結構，孔徑在幾個微米左右。這種結構與天然人體關節(jié)軟骨的顯微形貌相似，多孔的網格使得組織間液在其相互貫通的孔洞之間自由流動，這樣就會分散外界運動對關節(jié)產生的壓力，這種顯微結構對于關節(jié)軟骨的潤滑、減震和膨脹功能至關重要。PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的顯微形貌(圖1c和圖1d)所示，通過向PAM-ALG水凝膠中引入無機增強相GO和HA，水凝膠硬化，在PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠被冷凍干燥的過程中，硬的水凝膠網格阻止了 HA晶體的生長，因此在圖1c中能夠清晰地看到有一層柳絮狀的薄層緊密地依附在高分子水凝膠基體的網格邊緣。綜上所述，水凝膠及PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的顯微形貌呈現出顯微多孔網格狀，且網格分布較均勻。
[0028]圖2為GO，HA，水凝膠，PAM-ALG-HA及PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的紅外光譜圖。從圖上可以發(fā)現，GO和HA分別如圖標識相應的特征峰位，其中在水凝膠的紅外光譜譜圖中1263.1OcnT1峰位對應仲胺鍵中的C-N鍵的伸縮振動峰，這表明水凝膠中的兩種單體網格PAM和ALG以化學鍵的形式結合。在PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠的紅外光譜圖中1418.59CHT1峰位對應酰胺鍵中C-N鍵的伸縮振動峰，這表明GO和水凝膠網格中的單體PAM產生了化學交聯反應。
[0029]圖3為PAM-ALG復合GO和HA前后水凝膠的壓縮試驗應力-應變圖。從圖上可以看出，添加GO和HA后，曲線的斜率即壓縮彈性模量大大升高，所以復合水凝膠具有更強的力學性能。
[0030]實施例2:
[0031]I)將Brodie法制備的氧化石墨烯GO納米片水溶液充分超聲1.5小時。
[0032]2)在上述濃度為0.5mg/ml的20ml GO納米片水溶液中機械共混3%的HA，并超聲振蕩40min，保證HA均勻分散于GO納米片水溶液中。
[0033]3)在上述GO和HA混合溶液中，在高純氬氣的保護環(huán)境下，依次加入自由基聚合反應合成PAM-ALG水凝膠的原材料，，即單體1:丙烯酰胺；引發(fā)劑:過硫酸銨0.015g ;共價鍵交聯劑:甲叉雙丙烯酰胺0.003Ig ;催化劑:N, N，N，，N，，-四甲基二乙酰胺16 μ L ;離子鍵交聯劑:無水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉0.6g ;脫水劑:碳化二亞胺0.04g和N-羥基琥珀酰亞胺0.02g。經過40min，在60°C溫度下通過自由基聚合反應，制備得到PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠。
[0034]實施例3:
[0035]I)將Staudenmaier法制備的氧化石墨烯GO納米片水溶液充分超聲2小時。
[0036]2)在上述濃度為2mg/ml的25ml GO納米片水溶液中機械共混5%的HA，并超聲振蕩30min，保證HA均勻分散于GO納米片水溶液中。
[0037]3)在上述GO和HA混合溶液中，在高純氮氣的保護環(huán)境下，依次加入自由基聚合反應合成PAM-ALG水凝膠的原材料，，即單體1:丙烯酰胺；引發(fā)劑:過硫酸銨0.015g ;共價鍵交聯劑:甲叉雙丙烯酰胺0.003Ig ;催化劑:N, N，N，，N，，-四甲基二乙酰胺16 μ L ;離子鍵交聯劑:無水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉0.5g ;脫水劑:碳化二亞胺0.04g和N-羥基琥珀酰亞胺0.02g。經過80min，在40°C溫度下通過自由基聚合反應，制備得到PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠。
[0038]實施例4:
[0039]I)將Hmnmers法制備的氧化石墨烯GO納米片水溶液充分超聲I時。
[0040]2)在上述濃度為2mg/ml的15ml GO納米片水溶液中機械共混7%的HA，并超聲振蕩40min，保證HA均勻分散于GO納米片水溶液中。
[0041]3)在上述GO和HA混合溶液中，在高純氬氣的保護環(huán)境下，依次加入自由基聚合反應合成PAM-ALG水凝膠的原材料，，即單體1:丙烯酰胺；引發(fā)劑:過硫酸銨0.015g ;共價鍵交聯劑:甲叉雙丙烯酰胺0.0031g;催化劑:N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺16 μ L ;離子鍵交聯劑:無水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉0.6g ;脫水劑:碳化二亞胺0.04g和N-羥基琥珀酰亞胺0.02g。經過60min，在50°C溫度下通過自由基聚合反應，制備得到PAM-ALG-G0-HA復合水凝膠。
[0042]盡管上面結合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
【權利要求】
1.一種人工關節(jié)軟骨材料，其特征在于，用氧化石墨烯和羥基磷灰石修飾聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠，并采用自由基聚合反應制備得到的聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠。
2.如權利要求1所述一種人工關節(jié)軟骨材料，其特征在于:聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠中丙烯酰胺單體:海藻酸鈉單體:氧化石墨烯:羥基磷灰石的質量比為 500:(40-70):(1-5):(5-35)。
3.如權利要求1所述一種人工關節(jié)軟骨材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 配制氧化石墨烯納米片水溶液，超聲處理，使氧化石墨烯納米片溶液溫度保持在10-50°C范圍； 將顆粒度為IO-1OOOnm的針狀納米羥基磷灰石顆粒均勻分散于氧化石墨烯納米片水溶液中，混合過程中，水溶液溫度范圍控制在10-80°C，均勻混合后，得到羥基磷灰石和氧化石墨烯穩(wěn)定的混合水溶液； 在無氧保護環(huán)境下，在上述混合水溶液中依次加入自由基聚合反應合成聚丙烯酰胺和海藻酸鈉水凝膠的原材料，經過20-90min,在30~70°C溫度下通過自由基聚合反應，從而得到聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠。
4.如權利要求3中所述一種人工關節(jié)軟骨材料的制備方法，其特征在于:聚丙烯酰胺-海藻酸鈉-氧化石墨烯-羥基磷灰石復合水凝膠中丙烯酰胺單體:海藻酸鈉單體:氧化石墨烯:羥基磷灰石 的質量比為500:(40-70):(1-5): (5-35)。
【文檔編號】C08F251/00GK103845757SQ201310694865
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】魏強, 吝德智, 張善勇 申請人:天津大學