一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法
2023-05-12 23:16:41
一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法
【專利摘要】一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，屬於生物複合材料【技術領域】。將生物活性物質的前驅體溶膠-凝膠液、聚丙烯腈、致孔劑以及有機溶劑在水浴加熱以及超聲的條件下混合均勻，經陳化後得到紡絲液；靜電紡絲工藝製得初生納米纖維膜；然後經過熱牽伸，分階段升溫的預氧化、碳化的工藝製備一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法。該材料的表面因存在生物活性納米粒子而具有生物相容性、生物活性和生物可降解性，因存在結構規整的納米級孔道而具有較高的比表面積，從而使材料的生物性能大大提高。因此本發明製備出的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料可進一步作為新型骨修復材料或者骨組織支架增強材料。
【專利說明】一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於生物複合材料【技術領域】，特別涉及一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，可作為具有生物活性、生物相容性和生物降解性的骨修復材料。
【背景技術】
[0002]近年來，碳納米纖維(CNF)因具有優異的機械性能、化學穩定性、血液相容性和生物學相容性及高的比表面積被廣泛用於骨修復材料或者骨組織支架增強材料領域。但是由於連續長度的碳納米纖維無法通過生物溶解、有氧生物氧化、吞噬或排洩等作用在人體內降解和排出，使其大範圍應用受到了很大限制。為了解決這一問題，人們通過引入具有生物活性的無機組分賦予了碳納米纖維在人體內的可降解性和崩解性，獲得了具有更好生物活性的雜化碳納米纖維材料。然而，隨著臨床醫學的迅速發展和生物組織重建工程的興起，對各種碳納米纖維的生物活性等性能提出了更高的要求，現有的雜化碳納米纖維存在比表面積有限、生物活性釋放速度低等問題，需要進一步改善。研究表明，製備多孔結構的碳納米纖維是進一步提高其生物活性與生物活性釋放速度的一個有效途徑。目前製備多孔碳納米纖維主要依靠水熱活化、酸鹼浸泡以及添加致孔劑等技術。其中，水熱活化法是利用二氧化碳、水蒸氣或者兩者的混合氣體在一定溫度下處理碳納米纖維，該方法獲得的孔以微孔為主，孔的結構不易控制；酸鹼浸泡法主要是以氫氧化物，如氫氧化鈉和氫氧化鉀，或酸，如磷酸、硝酸和硫酸為活化劑浸泡處理碳納米纖維，該方法制孔工藝複雜，成本較高，難實現工業化生產，而且以上兩種方法均會降低生物活性粒子的活性。文獻(Small, 2007，3 (I):91-95)提出以聚甲基丙烯酸甲酯為致孔劑，文獻(Journal ofPolymer Science:Part B:Polymer Physics, 2009，47:493 - 503)以聚乳酸為致孔劑，兩篇文獻中均採用共混紡絲法製備多孔碳納米纖維，但預氧化、碳化等熱處理階段都採用了一步升溫的工藝，碳納米纖維中所形成的多孔結構不規整且孔道尺寸可控性差，不能滿足骨修復應用對碳納米纖維高生物活性的應用要求。因此，急需開發一種製備工藝簡便、生產效率高、成本低、孔結構可控性好的方法來製備具有高生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服傳統的雜化碳納米纖維比表面積小、生物活性有限的缺點，通過添加致孔劑，利用分階段升溫的預氧化、碳化工藝不斷加大碳化深度和多層次穩定多孔結構，製備出一種比表面積大、結構可控及形貌規整的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料，該材料是具有生物活性、生物相容性、生物可降解性以及機械強度較高的複合材料，可作為新型的骨修復材料。
[0004]本發明的具體技術內容如下:
[0005]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，包括以下步驟:[0006]步驟1:四水合硝酸鈣為鈣源、磷酸三乙酯為磷源、正矽酸乙酯為矽源，取前兩種或三種原料混溶，製備生物活性物質的前驅體溶膠-凝膠液。
[0007]步驟I1:將聚丙烯腈和致孔劑共混溶於有機溶劑，40?80°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將生物活性物質的前驅體溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化3?6天製備出紡絲液。
[0008]步驟II1:紡絲液進行靜電紡絲，製備初生納米纖維膜。
[0009]步驟IV:將步驟III獲得的初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，然後懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝。
[0010]步驟V:將步驟IV獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，經分階段升溫、保溫以及降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0011]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，生物活性物質物質為生物活性玻璃、α-磷酸三鈣、β-磷酸三鈣、羥基磷灰石、磷酸二鈣、磷酸氫鈣中的一種或幾種，其在紡絲液中的質量百分比為5%?30%。
[0012]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟II的有機溶劑為氮氮二甲基甲醯胺、二甲基亞碸、二甲基乙醯胺、四氫呋喃中的一種。
[0013]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟II的致孔劑為聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚氧化乙烯、醋酸纖維素中的一種。
[0014]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，致孔劑和聚丙烯腈的質量比為1/4?2/1，優選為3/4或1/1，兩者的總質量與有機溶劑的質量比為1/8?1/12，優選為1/10。
[0015]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟II靜電紡絲的接收裝置為平板或輥筒中的一種，靜電電壓為15?25kV，優選為20kV，紡絲流速為0.2?0.6ml/h,優選為0.5ml/h,針頭與接收裝置間的距離為10?30cm,優選為20cm。
[0016]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟IV預氧化階段升溫程序為:從室溫以5°C /min升溫至80?120°C並保溫5?20min，優選為100°C和lOmin，以3°C /min升溫至120?170°C並保溫5?20min，優選為150°C和lOmin，以1°C /min升溫至200?300°C並保溫20?90min，優選為270或280°C和30min，氣體氣氛為空氣，第一階段保溫溫度與第二階段保溫溫度不同時為120°C。
[0017]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟V碳化階段升溫程序為:從室溫以5°C /min升溫至200?400°C並保溫5?20min，優選為300°C和lOmin，以3°C /min升溫至500?750°C並保溫5?20min，優選為700°C和lOmin，以1°C /min升溫至800?1500°C並保溫I?5h，優選為1000°C和3h，氣體氣氛為氮氣。
[0018]本發明提供的一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料及其製備方法，其特徵在於，其中，步驟V最終獲得的材料的碳納米纖維表面有納米級的生物活性粒子，並具有納米圓孔，或在纖維表面和內部呈現納米級的連續性軸向孔道。[0019]本發明的效果
[0020]本發明以聚合物為致孔劑，結合靜電紡絲、高溫燒結等方法製備了一種比表面積大、粗糙度高、孔結構可控及形貌規整的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。其中，多孔碳納米纖維具有更大的比表面積和粗糙度，能夠加快材料表面羥基磷灰石的形成，促進成骨細胞的貼附，從而加強骨組織與植入材料的界面結合。此外，本發明引入生物活性成分並通過分階段預氧化和碳化來調控多孔結構，所製備的多孔雜化碳納米纖維材料表面因存在生物活性納米粒子而具有更加優異的生物活性、生物相容性和生物可降解性等性能優點；因存在結構規整的納米級孔道而具有很大的比表面積，顯著加快了生物活性成分的釋放速度，從而使材料的生物性能大大提高。因此本發明製備出的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料具有潛在的醫用價值，進一步可以作為新型骨修復材料或者骨組織支架增強材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1致孔劑對材料微觀形貌的影響:(?, a2)無致孔劑(b」 b2)含致孔劑；
[0022]圖2多孔結構對材料表面羥基磷灰石形成的影響:(a)非多孔材料(b)多孔材料。
【具體實施方式】
[0023]通過以下實施例對本發明進行詳細說明，但本發明不限於以下具體實施例。
[0024]實施例1
[0025]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，正矽酸乙酯為矽源，將三者混溶製得生物活性玻璃溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為5%。將聚丙烯腈和聚乳酸按質量比為2/1的比例混溶於氮`氮二甲基甲醯胺，在70°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將生物活性玻璃溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化4天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0026]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至150°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至250°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至600°C保溫IOmin,然後以5°C /min升溫至1000°C,保溫時間為3h，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料，材料的微觀形貌如附圖Ub1, b2)所示。該材料在模擬體液中浸泡一天可形成大量羥基磷灰石，如附圖2 (b)證明該材料具有很好的生物活性和生物相容性。
[0027]實施例2
[0028]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得α -磷酸三鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為10%。將聚丙烯腈和聚乳酸按質量比為2/1的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在70°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將α-磷酸三鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化4天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0029]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至150°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至260°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至600°C保溫IOmin,然後以5°C /min升溫至900°C,保溫時間為4h，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0030]實施例3
[0031]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為8%。將聚丙烯腈和聚乳酸按質量比為2/1的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在70°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將β-磷酸三鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化5天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0032]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至150°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至260°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫lOmin，以3°C /min升溫至700°C保溫lOmin，然後以5°C /min升溫至900°C，保溫時間為lh，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0033]實施例4
[0034]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為15%。將聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按質量比為1/1的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在50°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化4天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0035]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至150°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至270°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至800°C保溫IOmin,然後以5°C /min升溫至1200°C,保溫時間為3h，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0036]實施例5
[0037]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為20%。將聚丙烯腈和醋酸纖維素按質量比為4/3的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在50°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將β-磷酸三鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化4天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0038]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至170°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至270°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫lOmin,以3°C /min升溫至600°C保溫lOmin,然後以5°C /min升溫至1200°C,保溫時間為2h，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0039]實施例6
[0040]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得磷酸氫鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為25%。將聚丙烯腈和醋酸纖維素按質量比為3/4的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在50°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將磷酸氫鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化5天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0041]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至170°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至270°C,保溫時間為60min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至600°C保溫IOmin,然後以5°C /min升溫至1200°C,保溫時間為lh，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0042]實施例7
[0043]以四水合硝酸鈣為鈣源，磷酸三乙酯為磷源，將兩者混溶製得β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液，其在紡絲液中的質量百分比為30%。將聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按質量比為3/4的比例混溶於氮氮二甲基甲醯胺，在50°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將β -磷酸三鈣溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化4天製備出紡絲液，並靜電紡絲製備初生納米纖維膜。
[0044]將初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，夾具下端施加恆定力，然後將其懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝，以5°C /min升溫至100°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至150°C保溫IOmin,然後以1°C /min升溫至280°C,保溫時間為80min。然後將獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，以5°C /min升溫至300°C保溫IOmin,以3°C /min升溫至800°C保溫IOmin,然後以5°C /min升溫至1300°C,保溫時間為lh，氣體氣氛為氮氣，降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
[0045]對比例I
[0046]配製紡絲液的過程中，不加致孔劑，只將聚丙烯腈溶於氮氮二甲基甲醯胺，其他步驟和工藝與實施例1相同，製備材料。結果發現在碳納米纖維的表面無納米級的孔出現，材料的比表面積較小，材料的微觀形貌如附圖1 (al，a2)所示。該材料在模擬體液中浸泡一天形成少量羥基磷灰石，如附圖2 (a)，證明材料的生物活性和生物相容性均嚴重降低。
[0047]對比例2
[0048]配製紡絲液的過程中，不添加生物活性溶膠-凝膠液，其他步驟和工藝與實施例1相同，製備材料。結果發現材料為多孔碳納米纖維，其表面無生物活性粒子。材料因失去生物活性粒子而導致生物活性、生物相容性和生物可降解性較差。
[0049]對比例3
[0050]以實施例1的步驟配製紡絲液，其中超聲陳化時間變為I天，然後靜電紡絲，其他步驟和工藝與實施例1相同，製備材料。結果發現在多孔碳納米纖維的表面無生物活性粒子生長，材料因失去生物活性粒子而導致生物活性、生物相容性和生物可降解性較差。[0051]對比例4
[0052]以實施例1的步驟和工藝配製紡絲液，然後進行靜電紡絲、預氧化，隨後其碳化工藝以5°C /min升溫至300°C保溫lOmin，以3°C /min升溫至600°C保溫3h製備獲得材料。由於碳化溫度較低，不足以促使多孔碳納米纖維內部的生物活性玻璃納米粒子遷移至表面，因此纖維表面觀察不到生物活性粒子，致使材料的生物相容性和生物可降解性大大降低。
[0053]上述實施例製備得到的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料的微觀形貌和實施例1相似，在碳納米纖維的表面有納米級的生物活性粒子，並呈現納米圓孔，或在纖維表面和內部呈現納米級的連續性孔道。
【權利要求】
1.一種具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:四水合硝酸鈣為鈣源、磷酸三乙酯為磷源、正矽酸乙酯為矽源，取前兩種或三種原料混溶，製備生物活性物質的前驅體溶膠-凝膠液； 步驟I1:將聚丙烯腈和致孔劑共混溶於有機溶劑，40?80°C水浴中超聲獲得均一穩定的溶液，然後將生物活性物質的前驅體溶膠-凝膠液加入到以上溶液，經超聲陳化3?6天製備出紡絲液； 步驟II1:紡絲液進行靜電紡絲，製備初生納米纖維膜； 步驟IV:將步驟III獲得的初生納米纖維膜剪裁至合適尺寸，以夾具固定兩端，然後懸掛於預氧化爐中進行熱牽伸與分階段升溫的預氧化工藝； 步驟V:將步驟IV獲得的納米纖維膜置於碳化爐中進行碳化，經分階段升溫、保溫以及降溫後得到具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料。
2.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟I中生物活性物質為生物活性玻璃、α-磷酸三鈣、磷酸三鈣、羥基磷灰石、磷酸二鈣、磷酸氫鈣中的一種或幾種，其在紡絲液中的質量百分比為5%?30%。
3.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟II的有機溶劑為氮氮二甲基甲醯胺、二甲基亞碸、二甲基乙醯胺、四氫呋喃中的一種。
4.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟II的致孔劑為聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚氧化乙烯、醋酸纖維素中的一種。
5.按照權利要求1的方法，其特徵在於，致孔劑和聚丙烯腈的質量比為1/4?2/1，兩者的總質量與有機溶劑的質量比為1/8?1/12。
6.按照權利要求5的方法，其特徵在於，致孔劑和聚丙烯腈的質量比為3/4或1/1，兩者的總質量與有機溶劑的質量比為1/10。
7.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟II靜電紡絲的接收裝置為平板或輥筒中的一種，靜電電壓為15?25kV，優選為20kV，紡絲流速為0.2?0.6ml/h，針頭與接收裝置間的距離為10?30cm。
8.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟IV預氧化階段升溫程序為:從室溫以50C /min升溫至80?120°C並保溫5?20min，然後以3°C /min升溫至120?170°C並保溫5?20min，再以以1°C /min升溫至200?300°C並保溫20?90min，氣體氣氛為空氣，第一階段保溫溫度與第二階段保溫溫度不同時為120°C。
9.按照權利要求1的方法，其特徵在於，步驟V碳化階段升溫程序為:從室溫以5°C/min升溫至200?400°C並保溫5?20min，然後以3°C /min升溫至500?750°C並保溫5?20min，再以以1°C /min升溫至800?1500°C並保溫I?5h，氣體氣氛為氮氣。
10.按照權利要求1-9的方法製備得到的具有生物活性的多孔雜化碳納米纖維材料，碳納米纖維表面有納米級的生物活性粒子，並具有納米圓孔，或在纖維表面和內部呈現納米級的連續性軸向孔道。
【文檔編號】A61L27/58GK103866424SQ201410127601
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】賈曉龍, 張翠華, 楊小平, 蔡晴, 唐天洪, 程丹 申請人:北京化工大學