一種陶瓷增韌聚合物HA‑PDLLA‑PUU的製備方法及其產品與流程
2023-11-11 15:33:32 1
本發明屬於生物材料領域，涉及一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，還涉及含有陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的陶瓷。
背景技術：
羥基磷灰石(ha)是一種安全、無毒，具有良好生物相容性和骨傳導性的骨修復材料，但單純由ha加工的ha陶瓷存在脆性大、韌性低的缺點，導致其在承重骨修復中的應用受到限制。天然骨是由礦物相，如羥基磷灰石(ha)、磷酸鈣，和有機相如膠原組成的多孔複合材料，膠原作為生物大分子為天然骨提供韌性，而礦物相作為無機材料則為天然骨提供剛度和強度，二者共同賦予天然骨獨特的力學性能。受此啟發，大量研究試圖採用ha與有機聚合物材料複合形成無機-有機複合材料，以期在保持ha多孔支架強度和剛度的同時提高支架的韌性。ha與有機聚合物之間的界面結合力以及有機聚合物自身的力學性能是影響ha/聚合物複合支架力學性能的重要因素。為提高ha與聚合物之間的界面結合力，大量研究利用ha顆粒表面的反應性oh將有機聚合物化學固定在ha表面，形成有機聚合物接枝ha(ha-polymer)，如聚乙二醇接枝ha、聚丙烯酸酯接枝ha、聚己內酯接枝ha、聚乳酸接枝ha等。這類ha-polymer中的ha可充當聚合物與ha顆粒之間的橋梁，從而提高聚合物與ha之間的界面結合力。
在上述ha-polymer中，ha助引發丙交酯開環聚合形成的聚乳酸接枝ha(ha-pla)倍受關注，因為pla本身已是在臨床使用多年的骨固定和骨修復材料，同時也成功用作手術縫合線、藥物控釋材料等。但ha-pla中pla鏈段與ha陶瓷之間缺乏較強的非共價作用，如氫鍵作用，使得ha-pla與ha陶瓷的界面相容性只局限於ha-pla中ha的橋梁作用，導致複合支架的力學性能提高有限。因此，研發一種可與ha顆粒形成氫鍵作用的ha-polymer對於有效增強ha陶瓷的力學性能有重要意義。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，本發明的目的之而在於提供由上述方法製得的陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu；本發明的目的之三在於提供由陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu增強的ha多孔陶瓷；本發明的目的之四在於提供ha多孔陶瓷的製備方法。
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，包括如下步驟：先由羥基磷灰石引發丙交酯開環聚合形成聚乳酸大分子醇，然後加入脂肪族二異氰酸酯和擴鏈劑經兩步法擴鏈得陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu。
本發明中，所述聚乳酸大分子醇的製備步驟如下：將羥基磷灰石與丙交酯混合後，以辛酸亞錫為催化劑，在130-160℃、無氧條件下反應8-48小時。
本發明中，所述羥基磷灰石與丙交酯的摩爾比為1：5～1：200；優選的，所述羥基磷灰石與丙交酯摩爾數之比為1:10～1:100。更優化的，所述羥基磷灰石與丙交酯的摩爾數之比為1:10～1:50。
本發明中，所述擴鏈中，聚乳酸大分子醇、脂肪族二異氰酸酯和擴鏈劑的摩爾比為1.0:1.1～1.8:0.1～0.8。
本發明中，所述脂肪族二異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯或賴氨酸二異氰酸酯；所述擴鏈劑為小分子二醇或小分子二胺。
本發明中，所述兩步擴鏈具體為：在聚乳酸大分子醇中加入脂肪族二異氰酸酯在60℃～90℃下反應2h～8h，然後加入小分子二醇，在60℃～90℃下反應2h～24h；優選為，加入小分子二醇後在70℃～85℃反應5h～18h；更優選為，加入小分子二醇後在80℃～85℃反應10～15h；
或在聚乳酸大分子醇中加入脂肪族二異氰酸酯在60℃～90℃下反應2h～8h，然後加入小分子二胺，在15℃～50℃下反應2h～24h；優選為，加入小分子二胺後在25℃～40℃反應5h～18h，更優選為，加入小分子二胺後在40℃～50℃反應10～15h。
本發明中，所述小分子二醇為乙二醇、丙二醇、丁二醇或異山梨醇中的任一種，所述小分子二胺為乙二胺、丙二胺、丁二胺、己二胺或哌嗪中的任一種。
2.由所述的製備方法製得的陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu。
3.所述陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu在增強ha多孔陶瓷韌性中的應用。
4.利用所述陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu增強ha多孔陶瓷的方法，包括如下步驟：將所述陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu溶於二氯甲烷，配製成1-10wt.％的溶液，充分溶解，然後將燒結成型的ha多孔陶瓷浸泡於溶液中，在18～25℃下震蕩至少12小時，乾燥，得ha-pdlla-puu增強的ha多孔陶瓷；
所述ha多孔陶瓷由以下方法製備：將ha顆粒浸泡於蒸餾水中，攪拌下加入聚丙烯醯胺，攪拌至形成均勻的陶瓷泥漿，然後成型，冷凍乾燥後製成陶瓷前體，再燒結得ha多孔陶瓷。
進一步，所述ha多孔陶瓷由以下方法製備：將ha浸泡於蒸餾水中，然後在機械攪拌下，加入pam，待溶液呈半固體狀後保持攪拌1h，形成均勻的陶瓷泥漿，然後將陶瓷泥漿倒入24孔板中成型，置於-20℃冰箱冷凍過夜，最後冷凍乾燥48小時，即成陶瓷前體；然後將製得的陶瓷前體置於高溫燒結爐中，真空環境下以10℃/min的升溫速率加熱至1100℃，保溫4h後降至室溫(25℃)，得ha多孔陶瓷。
本發明的有益效果在於：本發明公開了陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法及製得的陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu，利用了ha-pdlla-puu中豐富的氨酯基和脲基可與ha多孔陶瓷形成氫鍵作用，因此可通過ha-pdlla-puu的橋梁作用提高聚合物與ha多孔的界面相容性，從而更有效地提高複合陶瓷的力學性能；與ha-pdlla相比，
ha-pdlla-puu具有更好的韌性和斷裂能，從而具有更好的韌性增強能力。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：
圖1為ha-pdlla-puu的1hnmr譜圖。
圖2為ha-pdlla的1hnmr譜圖。
圖3為pdlla、ha-pdlla和ha-pdlla-puu與燒結ha陶瓷複合後的sem圖。
圖4為ha-pdlla和ha-pdlla-puu與燒結ha多孔陶瓷複合的應力-應變曲線。
具體實施方式
下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
實施例1
方案一
一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，包括如下步驟：
(1)ha-pdlla合成：將乾燥的ha、丙交酯顆粒按比例1:150混合，在sn(oct)2催化下140℃、真空條件下反應24h，然後用二氯甲烷和正己烷共沉澱體系純化兩次，真空乾燥後得到ha表面接枝pdlla材料ha-pdlla；
(2)ha-pdlla-puu合成：將步驟(1)獲得的ha-pdlla充分溶解在無水甲苯中，按ha-pdlla：六亞甲二異氰酸酯：哌嗪摩爾比為1.0：1.8：0.8先加入六亞甲基二異氰酸酯，在70℃下反應5h，然後再加入哌嗪，在50℃下反應10h，反應完畢後，將溶液滴加入無水乙醇，收集產物，並用二氯甲烷/無水乙醇體系純化產物2次，得到ha-pdlla擴鏈後材料ha-pdlla-puu。
方案二
一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，包括如下步驟：
(1)ha-pdlla合成：將乾燥的ha、丙交酯顆粒按比例1:100混合，在sn(oct)2催化下150℃、真空條件下反應36h，然後用二氯甲烷和正己烷共沉澱體系純化兩次，真空乾燥後得到ha表面接枝pdlla材料ha-pdlla；
(2)ha-pdlla-puu合成：將步驟(1)獲得的ha-pdlla充分溶解在無水甲苯中，按ha-pdlla：六亞甲二異氰酸酯：哌嗪摩爾比為1.0：1.5：0.5先加入六亞甲基二異氰酸酯，在60℃下反應10h，然後再加入哌嗪，在30℃下反應24h，反應完畢後，將溶液滴加入無水乙醇，收集產物，並用二氯甲烷/無水乙醇體系純化產物2次，得到ha-pdlla擴鏈後材料ha-pdlla-puu。
方案三
一種陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu的製備方法，包括如下步驟：
(1)ha-pdlla合成：將乾燥的ha、丙交酯顆粒按比例1:50混合，在sn(oct)2催化下160℃、真空條件下反應12h，然後用二氯甲烷和正己烷共沉澱體系純化兩次，真空乾燥後得到ha表面接枝pdlla材料ha-pdlla；
(2)ha-pdlla-puu合成：將步驟(1)獲得的ha-pdlla充分溶解在無水甲苯中，按ha-pdlla：六亞甲二異氰酸酯：哌嗪摩爾比為1.0：1.2：0.2先加入六亞甲基二異氰酸酯，在90℃下反應2h，然後再加入哌嗪，在50℃下反應2h，反應完畢後，將溶液滴加入無水乙醇，收集產物，並用二氯甲烷/無水乙醇體系純化產物2次，得到ha-pdlla擴鏈後材料ha-pdlla-puu。
將獲得的產物進行1hnmr譜圖分析，結果如圖1和圖2所示。ha-pdlla在δ4.36ppm(圖1中a』)處與鏈端羥基相連的乳醯次甲基氫ch的吸收峰，經hdi和pp擴鏈後在ha-pdlla-puu中基本消失，表明ha-pdlla的末端oh已與hdi的反應。同時，ha-pdlla-puu在δ3.08-3.28ppm(圖2，a中c)、δ1.20-1.40ppm(圖2，a中d，e)處新增了兩組吸收峰，來自於hdi提供的兩個端亞甲基ch2的質子吸收峰；在δ3.31-3.44ppm(圖2，a中f)處新增了一個單峰，來自於哌嗪提供的四個亞甲基ch2的質子吸收峰。證明了ha-pdlla和ha-pdlla-puu的成功合成。
本發明中sn(oct)2羥基磷灰石引發丙交酯開環的條件在130-160℃、無氧條件下反應8-48小時均可；ha與丙交酯的摩爾比影響ha-pdlla的分子量，一般的羥基磷灰石與丙交酯的摩爾比為1：5～1：200；優選的，所述羥基磷灰石與丙交酯摩爾數之比為1:10～1:100。更優化的，所述羥基磷灰石與丙交酯的摩爾數之比為1:10～1:50。
本發明擴鏈中，聚乳酸大分子醇、脂肪族二異氰酸酯和擴鏈劑的摩爾比為1.0：1.1～1.8：0.1～0.8；脂肪族二異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯或賴氨酸二異氰酸酯；也可以為其他脂肪族二異氰酸酯；所述擴鏈劑為小分子二醇或小分子二胺；所述小分子二醇為乙二醇、丙二醇、丁二醇或異山梨醇中的任一種，所述小分子二胺為乙二胺、丙二胺、丁二胺、己二胺或哌嗪中的任一種。
本發明兩步擴鏈中，第一步是在聚乳酸大分子醇中加入脂肪族二異氰酸酯在60℃～90℃下反應2h～8h，優選為在70℃～85℃反應3h～5h。更優選為，在80℃～85℃反應3h～4h；第二步當加入小分子二醇的條件為在60℃～90℃下反應2h～24h；優選為，在70℃～85℃反應5h～18h；更優選為，在80℃～85℃反應10～15h；第二步加入小分子二胺的條件為在15℃～50℃下反應2h～24h；優選為，在25℃～40℃反應5h～18h，更優選為，在40℃～50℃反應10～15h。
實施例2
利用陶瓷增韌聚合物ha-pdlla-puu增強ha多孔陶瓷的方法，包括如下步驟：
將ha-pdlla-puu溶於二氯甲烷，配製成1-10wt.％的溶液，並置於磁力攪拌器上攪拌過夜使其充分溶解並分散均勻。然後，將燒結成型的ha多孔陶瓷浸泡於其中，放置於搖床，室溫下搖晃震蕩24小時後取出，乾燥48小時，即得ha-pdlla-puu增強的ha多孔陶瓷。
圖3為pdlla、ha-pdlla和ha-pdlla-puu與燒結ha陶瓷複合後的sem圖，結果表明，pdlla與ha多孔陶瓷複合後pdlla在支架表面形成了一層多孔狀的膜，並與ha多孔陶瓷之間存在明顯的分層現象。當ha-pdlla與ha多孔陶瓷複合時，ha-pdlla在陶瓷表面沒有形成連續的膜，而是滲透入多孔陶瓷的孔隙中，使得複合後的陶瓷依然保留較多的大孔和小孔；進一步放大觀察可發現，部分ha-pdlla與陶瓷之間具有很好的界面結合，但部分ha-pdlla仍與ha多孔陶瓷間存在明顯的分離。當ha多孔陶瓷與ha-pdlla-puu複合後，ha-pdlla-puu很好地滲透入陶瓷的孔隙中，基本沒有改變陶瓷原有的宏觀孔隙形貌；放大觀察陶瓷壁，可發現ha-pdlla-puu與陶瓷基體之間沒有明顯的界面，複合上去的ha-pdlla-puu在陶瓷的孔內形成了具有微納尺寸的小孔。上述sem結果表明，將pdlla接枝到ha表面後，ha的存在可以提高pdlla與ha陶瓷的界面相容性，而puu的進一步引入則可進一步提高聚合物與ha陶瓷的界面相容性；ha-pdlla-puu具有最好的ha多孔陶瓷界面相容性。
圖4是ha-pdlla和ha-pdlla-puu與ha多孔陶瓷複合的應力-應變曲線，結果表明ha多孔陶瓷的應力隨應變增加呈現明顯的鋸齒狀增加；當與ha-pdlla複合後，其壓縮強度明顯增加，且鋸齒狀的頻率下降；當與ha-pdlla-puu複合後，鋸齒狀基本消失，壓縮強度進一步增大，而且斷裂應變約為ha多孔陶瓷的2倍。
最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。