甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料及其制备与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料领域，特别涉及一种甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯 三元复合材料及其制备与应用。
【背景技术】
[0002] 在众多的人类疾病中，骨创伤或缺损已成为世界性多发病和常见病，骨组织修复 材料的市场需求量非常巨大。目前临床使用的骨组织修复材料有非降解材料和降解性材 料，其中，非降解性材料在骨组织修复过程中无法降解吸收，需要二次手术取出，且采用金 属基骨科内固定材料还会造成应力屏蔽，影响骨组织的愈合以及损伤周边骨组织，因此，近 年来可降解性骨修复材料备受瞩目。
[0003] 生物降解聚酯（如聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯等)具有良好的生物相容性、可降 解吸收性、较好的初始力学强度、易于成型加工等优点，是少数被美国食品和药物管理局 (Food and Drug Administration，FDA)批准可用于生物医药材料产品制造的可降解性高 分子材料，已在临床上作为非承重骨的修复。然而，多年来的临床应用结果表明，生物降解 聚酯骨修复材料仍然存在一些不足：（1)材料的力学强度和韧性不够，难以作为承重骨的修 复；（2)材料的降解速率难以调控；（3)降解产物的弱酸性易导致非感染性炎症反应；（4)缺 乏骨诱导性，促骨组织愈合能力有限；（5)X射线不显影，难以实现活体检测。
[0004] 近年来，通过将生物相容性良好的有机或无机纳米填料引入生物降解聚酯基体， 可以有效弥补生物降解聚酯材料存在的不足，更好地满足临床骨组织修复对材料性能的要 求。晶须是指具有较大长径比的细小的纤维状单晶体，由于其原子结构排列高度有序，结构 完整难以容纳大晶体中常见的缺陷，故其机械强度近似等于原子间价键力的理论强度。相 比于颗粒填料，晶须具有更为优异的物理化学性质和优异的力学性能，是一类极为理想的 新型聚合物基体的补强增韧材料。
[0005] 甲壳素(CHN)晶须是一种天然高分子多糖晶须，显弱碱性，具有纳米尺寸，其纵向 模量和横向模量分别高达150和15GPa。甲壳素晶须的制备方法简单，原料来源广泛，作为一 类天然多糖晶须，甲壳素晶须具有优异的生物相容性和促进细胞生长的生物功能。甲壳素 晶须具有明显的成骨活性，可显著促进骨组织的愈合。
[0006] 氧化镁(MgO)晶须是一种无机晶须，具有优异的拉伸强度（980MPa)和弹性模量 (310. lGPa)，作为一种碱性无机氧化物，它在人体生理环境下能够显著增加体液的碱性;另 外，镁是存在于人体内最丰富的阳离子之一，参与人体重要的新陈代谢活动;近年来的研究 还表明镁离子具有促进骨组织愈合的生物学功能性。中国公开文本CN103319866A中，采用 氧化镁晶须作为生物降解聚酯的增强增韧填料，并通过对氧化镁晶须进行表面接枝丙交酯 或聚丙交酯，改善了晶须与生物降解聚酯基体的界面相容性和晶须的分散性，有效提高了 生物降解聚酯材料的力学性能和成骨活性等;然而，单一使用氧化镁晶须对生物降解聚酯 的力学强度尤其是韧性的提高以及降解速率的调控有限，对氧化镁晶须表面进行化学接枝 改性的方法也较繁琐，并且，往往需要较高的反应温度和有机溶剂的使用。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种甲壳素晶 须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料。本发明中采用一定质量比例的甲壳素晶须和氧化 镁晶须作为生物降解聚酯的填料，对生物降解聚酯材料力学性能的提高不仅远比常用的颗 粒状填料有效，也显著优于采用单一的氧化镁晶须填料;而且，甲壳素晶须和氧化镁晶须还 可以协同作用调控生物降解聚酯的降解速率以及赋予生物降解聚酯材料成骨活性，大大促 进骨组织的愈合与生长。
[0008] 本发明另一目的在于提供上述甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料 的制备方法。
[0009] 本发明再一目的在于提供上述甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料 在作为骨修复材料的应用。
[0010] 本发明的目的通过下述方案实现：
[0011] -种甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料，所述复合材料含有质量百 分含量为0.1~20%的甲壳素晶须、0.1~20%的氧化镁晶须和60~99.8%的生物降解聚 酯。
[0012] 优选的，所述的甲壳素晶须为表面聚多巴胺改性的甲壳素晶须，表面聚多巴胺的 质量百分含量为0.5%~50%。
[0013] 所述的表面聚多巴胺改性的甲壳素晶须的制备方法如下:将甲壳素晶须均匀分散 在多巴胺溶液中，室温下搅拌0.5~48h后，离心分离，取下层固体产物，醇洗、干燥得所述的 聚多巴胺改性甲壳素晶须。
[0014] 在上述的表面聚多巴胺改性的甲壳素晶须的制备方法中，所述的多巴胺与甲壳素 晶须的质量比为0.005:0.995~0.6:0.4;所述的多巴胺溶液是指将多巴胺溶于pH为8.5的 三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液中形成的浓度为0.1~6g/L的多巴胺溶液;所述的甲壳 素晶须通过本领域常规的酸解法制备得到。
[0015] 优选的，所述的氧化镁晶须为表面聚多巴胺改性的氧化镁晶须，表面聚多巴胺的 质量百分含量为0.5%~50%。
[0016] 所述的表面聚多巴胺改性的氧化镁晶须的制备方法如下:将氧化镁晶须均匀分散 在多巴胺溶液中，室温下搅拌0.5~48h后，离心分离，取下层固体产物，醇洗、干燥得所述的 聚多巴胺改性氧化镁晶须。
[0017] 在上述的表面聚多巴胺改性的氧化镁晶须的制备方法中，所述的多巴胺与氧化镁 晶须的质量比为0.005:0.995~0.6:0.4;所述的多巴胺溶液是指将多巴胺溶于pH为8.5的 三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液中形成的浓度为0.1~6g/L的多巴胺溶液;所述的氧化 镁晶须可通过本领域常规的液相法、气相法或固相法制备得到。
[0018]优选的，所述的甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料中甲壳素晶须和 氧化镁晶须的质量比为〇. 05:0.95~0.95:0.05。
[0019]所述的甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料，其中，甲壳素晶须的直 径为〇.5nm~Ιμπι，长度为50nm~20μηι，长径比为20~280;氧化镁晶须的直径为lnm~2μηι，长 度为50nm~30μπι，长径比为15~200〇
[0020] 所述的生物降解聚酯可为聚(L-丙交酯）、聚(D，L-丙交酯）、聚乙交酯、聚（丙交酯-CO-乙交酯)二元共聚物或聚（ε-己内酯）。
[0021] 上述甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料的制备方法，所述制备方法 为溶液共混法、熔融共混法、静电纺丝法或3D打印成型技术。
[0022] 优选的，所述的溶液共混法的步骤为:将生物降解聚酯溶解于有机溶剂中，形成溶 液;然后将甲壳素晶须和氧化镁晶须分散在上述溶液中，经过超声分散、浇注、挥发溶剂和 干燥后，得到所述的甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料。
[0023]所述的有机溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、Ν，Ν_二甲基甲酰胺和六 氟异丙醇中的一种或两种；
[0024]所述的溶液的质量体积浓度为0.05~0.15g/mL。
[0025] 优选的，所述的熔融共混法的步骤为:将甲壳素晶须、氧化镁晶须和生物降解聚酯 微粒均匀混合，投入精密注射机注射成型或双螺杆挤出机挤出成型，得到所述的甲壳素晶 须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料。
[0026] 优选的，所述的静电纺丝法的步骤为:将生物降解聚酯溶解于有机溶剂中，形成溶 液;然后将甲壳素晶须和氧化镁晶须分散在上述溶液中，经过超声分散、经静电纺丝机纺丝 得到所述的甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料。
[0027]所述的有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、N，N_二甲基甲酰胺、六氟 异丙醇中的至少一种或两种。
[0028]所述的溶液的质量体积浓度为0.03~0.15g/mL。
[0029] 优选的，所述的3D打印成型技术的步骤为:将甲壳素晶须、氧化镁晶须和生物降解 聚酯微粒均匀混合，挤出拉丝，投入3D打印机打印成型，得到所述的甲壳素晶须/氧化镁晶 须/生物降解聚酯复合材料。
[0030] 所述甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯复合材料在生物医用领域中的应用。
[0031] 优选的，所述甲壳素晶须/氧化镁晶须/生物降解聚酯三元复合材料在作为骨组织 修复材料中的应用。
[0032] 相对于现有技术，本发明具有如下的优点及有益效果：
[0033] (1)本发明采用甲壳素晶须和氧化镁晶须作为生物降解聚酯基体的复合填料，通 过调整甲壳素晶须和氧化镁晶须的质量比，可以获得明显优于单一采用氧化镁晶须或甲壳 素晶须对生物降解聚酯基体的增强增韧效果；另一方面，甲壳素晶须为一种天然高分子多 糖晶须，氧化镁晶须为一种无机晶须，生物降解聚酯则为一类合成高分子，三元复合材料巧 妙地结合了天然高分子材料、合成高分子材料和无机材料三者的优点，因此，本发明制得的 三元复合材料具有优异的综合性能。
[0034] (2)本发明采用甲壳素晶须和氧化镁晶须作为生物降解聚酯基体的复合填