专利名称：含有磷灰石的多元生物医用复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的一种可在外科医疗手术中用于替代和修复硬组织缺损的含有磷灰石的多元生物医用复合材料及其制备方法。
背景技术：
由于纳米磷灰石的自身结构和特有的生物活性，人们已有将纳米磷灰石和其他材料复合而得到多种形式的生物医用复合材料。目前对这些方面的研究主要集中在以下几个方面将纳米磷灰石与天然高分子的复合；将纳米磷灰石和合成高分子的复合；将纳米磷灰石和金属合金的复合；将纳米磷灰石和无机物的复合；将纳米磷灰石和药物的复合。
对于含有纳米磷灰石的三种或更多种组分的多元形式复合材料的研究刚刚起步，目前已有报导的主要有磷灰石/高分子材料成分/药物复合材料、磷灰石/高分子材料成分/无机物复合材料、磷灰石/高分子材料成分/金属基复合材料、磷灰石/高分子材料成分/红骨髓细胞等。
通过以纳米磷灰石晶体与两种或更多种高分子聚合物成分以共混方式组成的多元形式生物活性复合材料，以提高复合材料的生物活性，增进复合材料的耐热性、耐稳定性和加工性能等性能，综合利用不同材料的各自优势，性能互补，开发出适应市场需要的高性能的临床医用材料，即是现今国际生物医用材料研究的前沿和重点方向，目前国内外也鲜见有报导。
发明内容
针对上述情况，本发明将提供一种可在外科医疗手术中用于替代和修复硬组织缺损的含有磷灰石的多元组成形式的生物医用复合材料，及其制备方法。
本发明所说的含有磷灰石(nano-apatite，n-AP)的多元生物医用复合材料，是由以熔融方式共混的纳米磷灰石、医用聚酰胺类成分(Polyamide，PA)或聚酰胺类生物降解聚合物、和至少一种其它医用高分子材料成分组成，其中纳米磷灰石占复合材料总重量的5％～60％，其余为的高分子材料成分，且其中聚酰胺类成分/聚乙烯类成分的重量比为99/1～1/99。
在上述复合材料中采用纳米磷灰石晶体，可以充分发挥其小尺寸效应，使其在高分子基质中含量尽可能高，且分布均匀，进而提高整个复合体的生物活性。通过使聚酰胺与聚乙烯等高分子材料的共混，可以有利于克服单纯聚乙烯等高分子材料因缺乏极性而难以与磷灰石形成好的界面键合的问题，同时还能解决单纯使用聚酰胺类成分易出现的吸水性大、耐热性差、制品尺寸稳定性和加工性能差等方面的缺点。聚乙烯等许多常用的高分子材料常具有优良的耐低温性和化学稳定性，冲击强度高，成型加工性好，并且价格低廉；聚酰胺大分子链中的酰胺基-HN-C＝O极性键单元则可以保证其与纳米磷灰石晶体形成化学性界面键合，易于形成氢键，化学强度高、坚韧、耐磨。因而，将纳米磷灰石与两种甚至更多种高分子材料共混后的复合材料，有助于保证材料在具有优异生物相容性的前提下，降低复合材料的加工温度和难度，提高制品的稳定性。
为使复合材料中所含有的磷灰石成分能与人自然骨中所含的磷灰石成分尽量接近，以保证复合材料能有尽可能好的生物活性，上述材料中所说的纳米磷灰石的优选方式，是采用粒径为(5～30)×(20～95)nm的晶体材料，和/或使纳米磷灰石中的钙/磷摩尔比为1.50～1.67/1。
在上述的复合材料中，高分子材料成分之一的医用聚酰胺类成分，一般情况下可以选择如聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺612、聚酰胺11、聚酰胺1212或聚酰胺46等聚酰胺类成分中的任何一种，也可以选用如聚谷氨酸、聚谷氨酸/聚谷氨酸乙酯共聚物、聚谷氨酸/聚亮氨酸共聚物、聚-甲基谷氨酸酯/聚β-苄-L-天冬酸酯共聚物、聚羟烷基-L-谷氨酰胺、胶原、明胶等聚酰胺类生物降解聚合物中的任何一种。
所说的其它医用高分子材料成分可以包括有聚烯烃类成分。如高压低密度聚乙烯(HP-LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯/醋酸乙烯或乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(EVA)等聚乙烯类成分。其中，乙烯/醋酸乙烯(酯)共聚物的性能与其分子量及醋酸乙烯含量有关随分子量增加，共聚物的玻璃化温度和机械强度均升高。在分子量相同时，则醋酸乙烯比例越大，材料的溶解性、柔软性、弹性和透明性越大；相反，材料中醋酸乙烯含量下降，则其性质向聚乙烯性质转化。还可以有取向聚丙烯、常规聚丙烯等聚丙烯类成分，其加入可有效提高材料的抗冲击能力；聚丙烯酸和聚丙烯酸钠、交联聚丙烯酸钠、丙烯酸树脂等丙烯酸类均聚物和共聚物成分，其交联树脂吸水后有很高的凝胶强度和弹性，即使施加一定压力，水分也不被挤出，特别适合于制作弹性假体。
芳香聚酯类，如聚对苯二甲酸乙二醇酯。其可具有优良的机械性能和耐磨性，拉伸强度和弯曲强度较大，但热机械性能与抗冲击性能相对稍差。
聚碳酸酯。其不易受潮变形，并具有很高的冲击强度和拉伸强度和保持相当大的坚硬度等特点。
高温聚硅氧烷，如聚烃基硅氧烷橡胶。其具有理想的耐温性、耐氧化、疏水性、柔软性、透过性、耐臭氧、耐辐射能力以及抗老化等性质。
聚四氟乙烯，其具有最优的耐磨性能。
除上述各种非降解型的医用高分子材料成分外，还可以采用可生物降解型的高分子材料成分。这些成分可以包括有脂肪族聚酯。如聚乳酸、乳酸/羟基乙酸共聚物、聚ε-己内酯/聚D，L-乳酸、聚D(-)-3-羟丁酸酯、PHB/聚羟戊酸酯等；纤维素，如热塑性纤维素衍生物中的二醋酸纤维素等。其抗张强度约为23MPa，抗张模量高约130MPa，成膜性能良好。
聚乙烯醇等。
上述的可生物降解型的高分子材料成分材料成分的溶解或崩析速度，可由其分子量、结晶度以及极性与非极性成分的比例来控制。一般情况下，分子量和结晶度较高、非极性成分较多的高分子材料成分生物降解速度相对较慢。在上述的各种医用高分子材料成分中，还可以通过调节生物降解高分子材料成分和非生物降解高分子材料成分的比例来控制材料的溶蚀速度。其中可生物降解型的高分子材料成分材料植入人体后，虽然其单独材料的力学性能可能会随其生物降解而逐渐衰减，但其同时也在逐渐为新生的组织所替代。通过改变植入材料的成分配比，调控使植入材料的降解速度与新生组织的生长速度相互适应和一致，植入部位的力学性能不但不会因植入材料的变化而影响生理机能，并且还可因组织的长入而能具有更好的生物活性和力学性能。
在上述所说的多元生物医用复合材料中，除纳米磷灰石和医用聚酰胺类成分或聚酰胺类生物降解聚合物两类成分外，使用两种以上所说的该其它医用高分子类材料成分时，其比例可以根据所用材料的特性和/或所需得到的复合材料的性能需要而确定和/或调整。但如果在所说的该其它医用高分子类材料成分中包含有至少一种非极性类的成分时，宜再加入增加与聚酰胺具有相容性的相容剂，并可使相容剂/包括聚酰胺在内的全部有机材料成分的重量比控制在1/99～30/70范围内。可以作为相容剂使用的材料，一般可以选用如马来酸酐接枝聚乙烯、(苯乙烯/乙烯/丁二烯)嵌段共聚物等含酸酐类极性基团的接枝或嵌段的共聚物。这些成分的共同特点是，既有长的非极性链又带有极性基团的高分子聚合物作为相容剂。如果所使用的均为极性类的高分子聚合物成分，或包含有极性类的高分子聚合物成分，则无需加入相容剂。
虽然，对本发明上述含有磷灰石的多元生物医用复合材料中的组分种类数量并无需作特别的限定，但试验结果显示，成分数量过多易导致材料的微观分散性难以控制，并易造成材料性能不稳定，采用原则以不超过四种原料为好，即除纳米磷灰石和医用聚酰胺类成分或聚酰胺类生物降解聚合物两类成分外，所说的其它医用高分子材料成分以使用1-2种为佳。
本发明上述含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，可以通过目前已有报导和使用的双螺杆混炼挤出机制备得到。其制备过程可以为将粒径为粒径为(5～30)×(20～95)nm或其软团聚物形式(其粒径一般可为38～180微米，即相当于过80～400目筛的粉粒)的干燥纳米磷灰石粉末与干燥的聚酰胺类成分和至少包括有聚乙烯类成分在内的其它高分子类成分按所说的比例量混合后，自加料口加入长径比为25～36∶1的双螺杆混炼挤出机中，在由加料口至口模段按依次设置为150℃～220℃、170℃～250℃、210℃～265℃、210℃～280℃、230℃～280℃和190～270℃的温度区段和，主机螺杆转速为90～260转/分钟，加料螺杆转速为10～30转/分钟条件下熔融共混处理5～90分钟后挤出，产物冷却后切粒，得到所说的多元生物医用复合材料的粒料。所说对产物的冷却方式，可以采用如风冷、水冷或混合冷却等目前常用的方法。切粒时对切粒机的转速并无特殊要求，可按常规方式一般控制在4～20转/分钟的范围内即可。试验显示，其中对所说原料纳米磷灰石粉末的干燥温度，一般可控制为100℃～150℃，包括聚酰胺类成分和聚乙烯类成分在内的高分子类成分则于80℃～130℃条件下进行真空干燥是较为适宜的。
以选用聚酰胺/聚乙烯两种高分子材料与纳米磷灰石制备三元组分的复合材料为例，由于聚酰胺的熔融温度比聚乙烯高，因此对上述制备过程中的熔融共混反应温度的控制，可以根据聚酰胺/聚乙烯的不同用量比例进行调整，即熔融共混温度的设定，可以随聚酰胺含量的增加而增大，但建议以不超过280℃为宜，因试验结构显示，聚酰胺类成分对热敏感性高，温度过高易使材料焦化而导致共混复合失败。
由于磷灰石成分是无机型固体粉料，因此随磷灰石成分在复合材料中含量的增高，物料的流动性能变差，因此在上述的熔融共混过程中，挤出机的主机螺杆转速也可以根据复合材料中磷灰石粉料含量的高低而进行调整。磷灰石成分在复合材料中的含量高，加快螺杆的转速可提供足够的动力推动物料向前运行。
熔融共混后的挤出产物冷却后即可以常规方式由切粒机加工成小粒料。试验显示，对熔融共混挤出后的产物以经水槽冷却后切粒的效果为好。切粒加工成粒料时，切粒机的转速可以根据复合材料中聚乙烯等类似成分的含量高低进行调整。由于聚乙烯或类似成分的含量增高，材料的拉伸牵引性能也相应提高，因此需加快切粒机的转速才有利于得到均匀的小粒料，否则易切出较大的棒状料。试验结果显示，一般情况下将切粒机的转速控制在4～20转/分钟范围内是适宜的。
在本发明的上述复合材料中，纳米磷灰石的重量比可以为复合材料总重量的5％～60％，以满足和适应对多种医疗目的或使用的不同需要。如上述，由于纳米磷灰石流动性较差，为提高不同类型成分原料各相间的混合均匀性，特别是提高纳米磷灰石的混合均匀性，在制备具有较高含量比例的纳米磷灰石共混复合材料(例如含量达40％～60％时)，在上述的制备过程中，对其中的纳米磷灰石原料可以采取分段式的投料方法与其它成分进行混合，即可以将其总量的1/3～1/2与聚酰胺类成分和聚乙烯类成分混合后，经主喂料机加入双螺杆混炼挤出机，其余量的纳米磷灰石原料由侧向加料机加入。试验显示，采用分段式投加磷灰石成分，可以得到更为满意的高比例磷灰石复合材料。在制备具有较低含量比例的纳米磷灰石的复合材料时(例如含量在5％～40％时)，虽不排除也可采用分段投料的方式加入，但将全部量的纳米磷灰石均由主喂料机添加，同样也可以取得均匀共混的满意效果。
在上述的制备方法中，为提高不同类型成分原料各相间的混合均匀性，还可以采用的一种方式，是对经过一次熔融共混处理后的挤出产物再以同样的方式重复进行一次甚至更多次的融熔共混处理。试验显示，采用此种方式处理时，后一次的熔融共混处理时间以不超过前一次处理时间的2/3为好。
采用其它类型的医用聚酰胺类成分或聚酰胺类生物降解聚合物和/或其它医用高分子材料成分时，对制备时的相应条件选择和调整，可根据所用原料成分的特性，参照上述的原则和方法进行。
对所得到的复合材料粒料，除根据需要可以采用如注塑机注塑成型等常规方式，进一步加工成所需要的成型制品，也可将挤出粒料再粉碎和充分混合后，再通过等静压等常规注模方式成型。
以下再结合附图及相应的实施例，对本发明的上述内容进一步的详细说明。但不应就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的修改，均包括在本发明的范围内。
图1是用本发明方法制备的不同比例形式的n-AP/PA66/HDPE复合材料的吸水率随HDPE含量变化的曲线图。
图2是用本发明方法制备的不同比例n-AP/PA66/HDPE复合材料冲击断面的SEM照片(×1,200倍)。
图3是用本发明方法制备的n-AP/PA66/HDPE复合材料冲击断面的高倍数SEM照片(×10,000倍)。
图4是对组成本发明复合材料的原料及复合材料进行的XRD对比分析图谱，其中(a)为原料n-AP的150℃烘干粉；(b)为原料PA66；(c)为原料HDPE；(d)为n-AP/PA66/HDPE复合材料。
图5是对组成本发明复合材料的原料及复合材料进行的IR对比分析图谱，其中(a)为原料n-AP的150℃烘干粉；(b)为PA66；(c)为HDPE；(d)为n-AP/PA66/HDPE复合材料；(e)为对该复合材料的甲酸抽提余物。
图6是本发明方法制备的添加马来酸酐接枝聚乙烯相容剂的复合材料n-AP/PA66/HDPE/PE-g-MAH(38.2/40/17.2/4.6)的红外IR图谱。
图7是本发明方法制备的n-AP/PA66/不同其他高分子组分多元复合材料的冲击强度曲线图。
图8是本发明方法制备的n-AP/PA66/聚碳酸酯多元复合材料的冲击强度曲线图。
图9是本发明方法制备的n-AP/PA6/不同的其它高分子组分多元复合材料溶于模拟体液(SBF)溶液中的溶解变化曲线。
具体实施例方式
实施例1纳米磷灰石浆料采用文献Li Yubao，J.de Wijn，C.P.A.T.Klein，S.v.d.Meer andK.de Groot，Preparation and Characterization of Nanograde Osteoapatite-like RodCrystals，J.Mater.Sci.Mater.in Med.，5(1994)252-255的湿法合成和水热处理方式制备得到(含水率66％)。将纳米磷灰石(n-AP)浆料在100℃烘干后，磨细，过200目筛。聚酰胺66(PA66)、高密度聚乙烯(HDPE)在90℃真空干燥。按重量比例为n-AP/PA66/HDPE＝40/30/30将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融共混挤出。设定的融熔温度区依次为180℃，225℃，250℃，255℃，255℃和250℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟。挤出产物经水槽冷却后，以转速为12转/分钟的切粒机进行造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(40/30/30)复合材料粒料产物。产物于100℃干燥后用日本日精树脂公司PS40E5ASE精密注射机制成力学性能测试标准试样。
实施例2纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量比为n-AP/PA66/HDPE＝40/36/24将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定融熔温度区依次为；190℃，230℃，255℃，260℃，260℃和255℃；主螺杆转速140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟；切粒机转速为11转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(40/36/24)复合材料粒料。
实施例3纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为210℃，235℃，260℃，265℃，265℃和260℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(40/42/18)复合材料粒料。
实施例4纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝40/48/12将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为215℃，240℃，265℃，270℃，270℃和265℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟；切粒机转速为9转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(40/48/12)复合材料粒料。
实施例5纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝40/54/6将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为220℃，245℃，265℃，275℃，275℃和265℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟；切粒机转速为8转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(40/54/6)复合材料粒料。
实施例6纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝50/35/15称取各物料，取纳米磷灰石粉料的1/2与另两种高分子材料成分加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出，剩余1/2纳米磷灰石由侧向喂料机加入。设定的融熔温度区依次为220℃，240℃，265℃，270℃，265℃和260℃；主螺杆转速为190转/分钟，加料螺杆转速为18转/分钟；切粒机转速为6转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(50/35/15)复合材料粒料。
实施例7纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝20/56/24将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为200℃，235℃，260℃，260℃，260℃和255℃；主螺杆转速为100转/分钟，加料螺杆转速为8转/分钟；切粒机转速为12转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE(20/56/24)复合材料粒料。
实施例8纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA6/HDPE＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为180℃，190℃，205℃，225℃，225℃和220℃；主螺杆的转速为100转/分钟，加料螺杆转速为10转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA6/HDPE(40/42/18)复合材料粒料。
实施例9纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA11/HDPE＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为150℃，165℃，175℃，185℃，185℃和180℃；主螺杆的转速为80转/分钟，加料螺杆转速为8转/分钟；切粒机转速为12转/分钟，造粒，制得n-AP/PA11/HDPE(40/42/18)复合材料粒料。
实施例10纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HP-LDPE＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定融熔温度区依次为200℃，225℃，250℃，260℃，260℃和255℃；主螺杆的转速为110转/分钟，加料螺杆转速为10转/分钟；切粒机转速为12转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HP-LDPE(40/42/18)复合材料粒料。
实施例11纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/LLDPE＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定融熔温度区依次为205℃，230℃，255℃，260℃，265℃和260℃；主螺杆的转速为120转/分钟，加料螺杆转速为12转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/LLDPE(40/42/18)复合材料粒料。
实施例12纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/HDPE＝40/42/18将三种物料，以及相容剂马来酸酐接枝聚乙烯按(PE-g-MAH)/(PA66+HDPE)＝8/100的比例量共同加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为215℃，240℃，265℃，270℃，270℃和265℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为14转/分钟；切粒机转速为9转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/HDPE/PE-g-MAH(38.2/40/17.2/4.6)复合材料粒料。
实施例13纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/PP＝40/42/18将三种物料以及相容剂马来酸酐接枝聚乙烯按(PE-g-MAH)/(PA66+PP)＝12/100共同加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为205℃，235℃，245℃，250℃，250℃和245℃；主螺杆转速为120转/分钟，加料螺杆转速为11转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/PP/PE-g-MAH(37.3/39.2/16.8/6.7)复合材料粒料。
实施例14纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/聚对苯二甲酸乙二醇酯＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为165℃，180℃，215℃，220℃，230℃和230℃；主螺杆转速为100转/分钟，加料螺杆转速为11转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/聚对苯二甲酸乙二醇酯(40/42/18)复合材料粒料。
实施例15纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/聚碳酸酯＝40/42/18将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定融熔温度区依次为175℃，190℃，225℃，240℃，240℃和235℃；主螺杆转速为110转/分钟，加料螺杆转速为12转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/聚碳酸酯(40/42/18)复合材料粒料。
实施例16纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/聚碳酸酯＝40/30/30将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定融熔温度区依次为；175℃，190℃，225℃，240℃，240℃和235℃；主螺杆转速为110转/分钟，加料螺杆转速为12转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/聚碳酸酯(40/30/30)复合材料粒料。
实施例17纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA66/聚碳酸酯＝40/5/55将三种物料加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出。设定的融熔温度区依次为175℃，190℃，225℃，240℃，240℃和235℃；主螺杆转速为110转/分钟，加料螺杆转速为12转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA66/聚碳酸酯(40/5/55)复合材料粒料。
实施例18纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA6/聚乳酸＝50/10/40称取各物料，取纳米磷灰石粉料的2/3与另两种高分子材料成分加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出，剩余1/3纳米磷灰石由侧向喂料机加入。设定的融熔温度区依次为200℃，210℃，220℃，220℃，215℃和210℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为13转/分钟；切粒机转速为7转/分钟，造粒，制得n-AP/PA6/聚乳酸(50/10/40)复合材料粒料。
实施例19纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA6/二醋酸纤维素＝50/10/40称取各物料，取纳米磷灰石粉料的2/3与另两种高分子材料成分加入混料机混匀，再加入TSE-30A双螺杆混炼挤出机熔融挤出，剩余的1/3纳米磷灰石由侧向喂料机加入。设定的融熔温度区依次为220℃，240℃，265℃，270℃，265℃和260℃；主螺杆转速为140转/分钟，加料螺杆转速为12转/分钟；切粒机转速为8转/分钟，造粒，制得n-AP/PA6/二醋酸纤维素(50/10/40)复合材料粒料。
实施例20纳米磷灰石浆料及其余操作方法和条件均同实施例1，按重量配比为n-AP/PA6/HDPE＝50/10/40称取各物料，取纳米磷灰石粉料的2/3与另两种高分子材料成分加入混料机混匀，再加入TSE-30A型双螺杆混炼挤出机熔融挤出，剩余1/3纳米磷灰石由侧向喂料机加入。设定的融熔温度区依次为150℃，170℃，180℃，190℃，190℃和180℃；主螺杆转速为120转/分钟，加料螺杆转速为13转/分钟；切粒机转速为10转/分钟，造粒，制得n-AP/PA6/HDPE(50/10/40)复合材料粒料。
用日本岛津(Shimadzu)AG-10TA型万能材料实验机和冲击试验机按照国家标准测试复合材料的力学性能，用日本X-630型扫描电子显微镜(SEM)对冲击试样断面进行断口形貌分析及观察，用Philips X射线衍射仪(XRD，Cu-K)对粉末样品进行结构测试和粒径分析，用Nicolet 170SX型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)对粉末的基团进行分析，按国标ISO 62-1999进行吸水性测试，用燃烧实验测试样品均匀度，用模拟体液(SBF)进行浸泡实验测试样品的溶解速度。
对上述试样的各项测试结果如下在同样采用由n-AP/PA66/HDPE组分形式的复合材料，且保持其中n-AP的含量为40％，对改变PA66与HDPE不同比例后的复合材料的力学性能进行的比较试验结果如表1所示。对复合材料吸水率影响的结果如图1所示。
表1 复合材料中PA66与HDPE比例的变化对力学性能的影响
由表1的结果可以看出，复合材料的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、弹性模量、冲击强度等方面的力学性能，均随PE比例加量的增加而相应减少，各项指标基本处于纯HDPE和纯PA66的中间值位置，其中表征韧性的冲击强度变化幅度与其他表征强度的指标的变化幅度不一致。
从图1中可以看出，复合材料中随HDPE含量的增加，吸水率呈下降趋势，表明了通过改变HDPE的比例，可以实现根据需要调整复合材料吸水性的目的。
在保持复合材料中的PA66/HDPE的重量比例不变的情况下，对复合材料中不同n-AP含量的变化对复合材料力学性能影响的试验结果如表2所示。
表2 复合材料中n-AP比例的变化对力学性能的影响n-AP/PA66/HDPE 50/35/15 40/42/18 20/56/24抗压强度(MPa) 51.59963.41457.503抗弯强度(MPa) 55.76062.50261.504抗拉强度(MPa) 21.66931.21037.533弹性模量(GPa) 5.13583.80552.3146冲击强度(KJ/m2) 7.73 12.43 27.62由表2的结果可以看出，复合材料的抗压强度和抗弯强度在n-AP的比例量为40％时最大，其后随n-AP比例量的增大，其抗拉强度和冲击强度反而相应减少，而弹性模量则是随n-AP比例量的增加在相应增大。
在保持各类型组分的比例两固定的情况下，对采用不同种类PA成分后的复合材料的力学性能比较试验结果如表3所示。
表3的结果显示，在使用不同PA成分所得到的复合材料力学性能中，使用PA66
表3不同PA成分对复合材料力学性能的影响40/42/18 n-AP/PA66/HDPEn-AP/PA6/HDPEn-AP/PA11/HDPE抗压强度(MPa) 63.414 56.37851.463抗弯强度(MPa) 62.502 54.45147.389抗拉强度(MPa) 31.210 28.12224.546冲击强度(KJ/m2) 12.4315.75 17.98时的强度和弹性模量都相对较大；而使用PA6，尤其是使用PA11时，复合材料的冲击强度(韧性)则更为优良，加工温度低，加工流动性也更好。因而可以根据使用目的和用途进行适当选择。
对上述若干不同组成比例形式的n-AP/PA66/HDPE复合材料实例进行的燃烧测试结果如表4所示。
表4 n-AP/PA66/HDPE复合材料燃烧测试结果(T＝900℃)序号 n-AP/PA66/HDPEn-AP的平均含量离散系数(％)(％)实例1 40/30/3039.04 0.11实例2 40/36/2439.12 0.12实例3 40/42/1839.15 0.09实例4 40/48/1238.99 0.14实例5 40/54/6 39.13 0.10实例6 50/35/1548.78 0.15实例7 20/56/2419.64 0.13表4的结果显示，不同组成比例形式的复合材料均能得到较好的燃烧测试结果，损失的n-AP重量可能因其高表面活性残留在挤塑机的机械缝隙中。
不同组成比例的n-AP/PA66/HDPE复合材料冲击断面的SEM照片(×1,200倍)如图2所示。在图2的SEM照片中，白色透明部分为HDPE材料。图2(a)所示的，是当HDPE含量较少时的上述实施例5(n-AP/PA66/HDPE＝40/54/6)的状态，其中的HDPE是以小颗粒状态存在于复合材料中。图2(c)所示的，是当HDPE含量较多时的实施例1(n-AP/PA66/HDPE＝40/30/30)的状态，其中部分HDPE分散不均，聚成一团。而图2(b)所示的，则是在HDPE含量适中时的实施例3(n-AP/PA66/HDPE＝40/42/18)的状态，其中HDPE的分布较为均匀，断裂处呈穗状，为韧性断裂标志。
上述实施例3的n-AP/PA66/HDPE复合材料冲击断面的高倍数SEM照片(×10,000倍)如图3所示。图3的大倍数(×10,000倍)SEM照片表明，磷灰石以纳米颗粒状态分布在PA66基体中，尺寸在40～70nm左右；HDPE与PA66接界边缘处既有缝隙存在，又有较模糊的边界，表明两种不相容高分子材料成分在高温融熔共混后其分子链可能有一定程度的缠绕。
对组成本发明复合材料的原料及上述实施例3的复合材料进行对比分析的X-射线衍射图谱(XRD)如图4所示，其中(a)为原料n-AP的150℃烘干粉；(b)为原料PA66；(c)为原料HDPE；(d)为n-AP/PA66/HDPE(40/42/18)复合材料。由图4可以看出，n-AP与PA66、HDPE的主要衍射峰在复合材料中依然存在。利用谢乐公式由磷灰石的(002)和(300)特征峰半高宽分别计算得c＝50±10nm，a＝20±5nm，表明复合材料中磷灰石以纳米尺度存在，与SEM结果一致。
对组成复合材料的原料及上述实施例3的复合材料进行的IR对比分析图谱如图5所示，其中(a)为原料n-AP的150℃烘干粉；(b)为PA66；(c)为HDPE；(d)为n-AP/PA66/HDPE(40/42/18)复合材料；(e)为对该复合材料的甲酸抽提余物。由图5中的(d)表明，在复合材料中，PA66、HDPE和纳米磷灰石谱峰的特征峰无大的峰形变化，但移位明显-CH2-伸缩振动由PA66的2927cm-1和HDPE的2918cm-1移到了复合材料中的2920cm-1，-CH-伸缩振动由PA66的2855cm-1和HDPE的2850cm-1移到了复合材料中的2851cm-1，表明PA66和HDPE的相似亚甲基主链都受到了对方的吸引，引起结构变化，导致移位；PA66的极性键则大多向高波数方向位移。复合材料中出现了一个位于1437cm-1的新峰。
由图6还可以看出，其中1437cm-1新峰的峰高显著增强，表明加入相容剂明显改善了两种高分子材料成分间的相容性。
用甲酸将该复合材料在50℃～60℃下抽提后，对溶余物进行红外测试(图5(e))的结果表明，谱峰中不仅有HDPE的特征谱峰2919、2850、1642、1472、718(cm-1)外，还有的N-H伸缩振动(3305cm-1)和N-H变角振动(1539cm-1)存在，1637cm-1位的C＝O伸缩振动也比纯HDPE中增强，表明PA66与HDPE在高温融熔作用下，其相似的主链结构可能会发生缠绕而导致一些PA66链段进入HDPE晶格中，这些链段在甲酸强溶解作用下仍然保留在HDPE中，这也是SEM照片中PA66与HDPE部分边界模糊的原因。而1473cm-1处的新峰消失，表明该新峰可能为PA66与n-AP间形成的新键。
这些试验结果表明，在n-AP/PA66/HDPE组成形式的复合材料中，虽然n-AP因其极性过大不能进入非极性的HDPE结构中，但其极性和高表面活性却有利于在PA66中的纳米级均匀分布，从而在保证复合材料具有高生物活性的条件下对材料实现了增强；HDPE在复合材料中以增韧纤维的形式存在，与PA66间因主链的相似而部分缠绕。不同比例形式的复合材料因其组分和微观结构的改变而具有不同的力学性能、吸水性。总体而言，以重量比例为40/42/18形式的n-AP/PA66/HDPE复合材料，其各方面的综合性能较好。
试验结果显示，若采用其它类型的高分子材料成分作为原料，或使用更多种高分子材料成分，其比例则依不同高分子聚合物材料的性能和/或具体的用途而定。例如，采用高比例的超高分子量聚乙烯用于关节修复体的制备时，则超高分子量聚乙烯的含量增高对材料的适用更好，能具有更加理想的性能。在极性的聚酰胺和非极性高分子组分间添加相容剂可有效提高多元复合材料的力学性能，例如，改变复合材料中所说的该不同其它高分子成分组分后的抗冲击强度的变化情况如图7所示。其中，图中的A为聚对苯二甲酸乙二醇酯，B为高密度聚乙烯，C为聚丙烯+马来酸酐接枝聚乙烯，D为高密度聚乙烯+马来酸酐接枝聚乙烯，E为聚碳酸酯。图7的结果表明，随添加不同高分子材料韧性的增加，其抗冲击强度逐渐提高；添加了相容剂的复合材料冲击强度(D对应值)高于未添加的复合材料(B对应值)；但受原材料性质影响，添加了相容剂的复合材料冲击强度(D对应值)仍低于添加了强韧性的聚碳酸酯的冲击强度(E对应值)。
加大耐冲击强度更好的高分子组分的比例能大大增强材料的冲击韧性，如图8所示的是n-HA/PA66聚碳酸酯不同配合比形式复合材料的耐冲击性能试验结果，表明聚碳酸酯占优势成分时(40/5/55)比聚碳酸酯比例较少时(40/42/18)材料的抗冲击强度高得多。
大量的试验结果还显示，从加工过程及材料性能上看，在使用不同聚酰胺成分的系列复合材料中，加工温度随PA66、PA6至PA11依次降低，复合PA66的材料强度更好，而复合PA11的材料韧性更佳，复合PA6的材料各项性能居中。在使用不同聚乙烯成分的系列复合材料中，因HP-LDPE带有明显长支链结构，LLDPE则含有较多的短支链，HDPE通常含有少量短支链，故其复合材料的制备加工温度随HP-LDPE、LLDPE、HDPE依次升高。因此，可以通过调控材料组分的不同配比，达到调整所制备的复合材料的相关特性，以适应和满足不同使用目的的要求。
将材料用模拟体液(SBF)分别浸泡1，2，4周后，测试其损失重量，结果如图9所示。由图9可以看出，复合材料的降解率按高密度聚乙烯(HDPE)、醋酸纤维素和聚乳酸顺序依次增大，表明随不同降解程度高分子组分的添加可调节多元复合材料的降解速度以适应不同的临床要求。
本发明利用两种不同类型的高分子材料成分，即至少包括极性的聚酰胺类成分和其他热塑性高分子成分，与纳米磷灰石熔融共混复合后，成为新型的多元纳米生物医用材料，实现了纳米磷灰石的均匀分散，并产生无机相和有机相的键性结合。磷灰石纳米晶体对聚酰胺有增强作用，而使用具有优良加工性能的聚乙烯则提高了复合材料的韧性。使用不同类型、不同比例的热塑性高分子成分可达到或调节材料的力学性能，或调节材料的降解速率的目的。并且纳米磷灰石在复合材料中含量可以调控，以调整材料的弹性模量，断裂强度及断裂韧性，为实现增强增韧和赋予其良好生物相容性及生物活性目的而提供了一种新形式的含纳米磷灰石成分的多元共混复合物，以满足不同的医疗使用需求。
权利要求
1.含有磷灰石的多元生物医用复合材料，其特征是由以熔融方式共混的纳米磷灰石、医用聚酰胺类成分或聚酰胺类生物降解聚合物、和至少一种其它医用高分子材料成分组成，其中纳米磷灰石占复合材料总重量的5％～60％，其余为高分子材料成分，且其中的聚酰胺类成分/其它医用高分子材料成分的重量比为99/1～1/99。
2.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的纳米磷灰石是粒径为(5～30)×(20～95)nm的晶体材料。
3.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的纳米磷灰石中的钙/磷摩尔比为1.50～1.67/1。
4.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的医用聚酰胺类成分为聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺612、聚酰胺11、聚酰胺1212或聚酰胺46、聚谷氨酸、聚谷氨酸/聚谷氨酸乙酯共聚物、聚谷氨酸/聚亮氨酸共聚物、聚-甲基谷氨酸酯/聚β-苄-L-天冬酸酯共聚物、聚羟烷基-L-谷氨酰胺、胶原、明胶中的任何一种。
5.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的其它医用高分子材料成分为聚烯烃类、芳香聚酯类、聚碳酸酯、高温聚硅氧烷、聚四氟乙烯、脂肪族聚酯、纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。
6.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是在所说的其它医用高分子材料成分中有至少一种为非极性成分时，可再加入增加与聚酰胺具有相容性的相容剂，相容剂/包括聚酰胺在内的全部有机材料成分的重量比为1/99～30/70。
7.如权利要求6所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的相容剂为含酸酐类极性基团的接枝或嵌段的共聚物。
8.如权利要求7所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说含酸酐类极性基团的接枝或嵌段的共聚物相容剂是马来酸酐接枝聚乙烯，或是(苯乙烯/乙烯/丁二烯)嵌段共聚物。
9.如权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的聚烯烃类成分为聚乙烯或聚丙烯成分。
10.如权利要求9所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的聚乙烯成分为高压低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或高密度聚乙烯、乙烯/醋酸乙烯或乙烯/醋酸乙烯酯共聚物中的一种。
11.如权利要求9所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是所说的聚丙烯成分为常规聚丙烯或取向聚丙烯中的任何一种。
12.如权利要求1至11之一所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料，其特征是其中所含有的其它医用高分子材料成分为1-2种。
13.制备权利要求1所述的含有磷灰石成分的多元生物医用复合材料的方法，其特征是将粒径为粒径为(5～30)×(20～95)nm或由其所形成的软团聚物形式的干燥纳米磷灰石粉末与干燥的聚酰胺类成分和其它医用高分子材料成分按所说的比例量混合后，自加料口加入长径比为25～36∶1的双螺杆混炼挤出机中，在由加料口至口模段按依次设置为150℃～220℃、170℃～250℃、210℃～265℃、210℃～280℃、230℃～280℃和190～270℃的温度区段和，主机螺杆转速为90～260转/分钟，加料螺杆转速为10～30转/分钟条件下熔融共混处理5～90分钟后挤出，挤出产物冷却后切粒，得到所说的多元生物医用复合材料的粒料。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征是所说的原料纳米磷灰石的用量达到复合材料总重量的40％或更高时，可以采用将其用量的1/3～1/2与聚酰胺类成分和其它医用高分子成分混合后经主喂料机加入双螺杆混炼挤出机，其余的纳米磷灰石原料由侧向加料机加入的分段方式投料。
15.如权利要求13所述的制备方法，其特征是所说的原料纳米磷灰石粉末的干燥温度为100℃～150℃，包括聚酰胺类成分和聚乙烯类成分等高分子成分在内的高分子聚合物则于80℃～150℃条件下真空干燥。
16.如权利要求13至15之一所述的制备方法，其特征是经一次熔融共混处理后的挤出产物可以经同样方式再进行一次融熔共混处理，后一次熔融共混的处理时间不超过前一次处理时间的2/3。
全文摘要
含有磷灰石的多元生物医用复合材料，由以熔融方式共混的纳米磷灰石、医用聚酰胺类成分或聚酰胺类生物降解聚合物、和至少一种其它医用高分子材料成分组成，其中纳米磷灰石占复合材料总重量的5％～60％，其余为高分子材料成分，且其中的聚酰胺类成分/其它医用高分子材料成分的重量比为99/1～1/99。将按比例混合的各原料经双螺杆混炼挤出机进行熔融共混处理后得到。该材料可满足纳米磷灰石的含量在5～60％范围内按需调控，在组成、结构、力学性能等方面可通过调节不同比例，实现具有良好的韧性、弹性模量、断裂强度及断裂韧性的特点，以满足对生物医用材料多种不同目的和用途的需求。
文档编号A61L27/00GK1559624SQ20041002198
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月9日 优先权日2004年3月9日
发明者李玉宝, 左奕 申请人:四川大学