专利名称：聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料及其制备方法
技术领域：
本发明属高分子材料技术领域和生物医学工程技术领域，具体涉及一种聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料及其制备方法。
背景技术：
在整形外科手术中骨修复与再生是一普遍而复杂的临床问题，全球每年有数百万人由于外伤而患有骨科类疾病，且许多人由于缺乏理想的替代材料而死亡。目前的植骨材料主要有自体骨、同种异体骨、经特殊处理的异种骨和人骨合成骨材料。但是自体骨来源有限且需进行二次手术，移植后并发症可达8％，而且可能引起其他健康问题。寻求理想的骨组织替代材料是解决骨科类疾病的关键，因此构建与天然骨结构类似的人工合成材料已成为人们关注的焦点。
生物体内天然羟基磷灰石以纳米晶体的形式存在。羟基磷灰石是自然骨的结晶部分，它无毒、无致畸和致癌等副作用，具有良好的生物相容性和骨传导性，能够与骨直接形成键性结合，诱导细胞生长和分裂，产生骨基质胶原，形成骨组织。羟基磷灰石的生物特性和其颗粒大小密切相关，根据“纳米效应”理论，单位质量的纳米级粒子的表面积明显大于微米级粒子，使得处于粒子表面的原子数目明显增加，提高了粒子的活性，十分有利于组织的结合，因而纳米级羟基磷灰石具有独特的生物活性。但是HA的质地太脆，制成的材料容易碎裂，机械性能不佳，没有足够的强度和疲劳承受力。
为了制备较为理想的骨组织工程替代材料，近年来，研究人员研制了许多与天然骨结构类似的纳米羟基磷灰石复合材料。聚乳酸因具有良好的生物相容性、可降解性和比较适中的机械性能，将聚乳酸同纳米羟基磷灰石采用合适的制备方法得到骨组织工程支架材料，既能提高聚乳酸的力学性能和引导成骨特性，又能对纳米羟基磷灰石的生物降解具有控制作用，保证骨组织恢复速度与材料降解速度一致。因此，聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合多孔支架材料已被很多国内外学者采用。
但是这些复合材料都还有不足之处，如聚乳酸材料本身的化学结构简单；而纳米羟基磷灰石在聚乳酸中分散不均匀。因此，制备与天然骨结构类似的骨组织工程支架材料，提高其力学性能和生物学相容性，改善和控制羟基磷灰石在支架中分分散状况是骨组织工程的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种力学性能优异、生物相容性好，具有相互连通的孔径、降解速率同骨组织生长相匹配的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石支架材料及其制备方法。
本发明提出的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料，是聚乳酸类聚合物与改性的纳米羟基磷灰石(NHA)按照重量比为100∶1-100∶30的复合物，其中，纳米羟基碳灰石的含量可以小于1，甚至为0。其孔径尺寸范围在100μm～450μm，内部为相互连通且较为规整的大孔结构，孔隙率为78～98％。
本发明中，所述聚乳酸类聚合物可以是聚L-乳酸(PLLA)、聚D，L-乳酸(PDLLA)或聚L-乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)。
本发明提出的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料，其中的纳米羟基磷灰石为经过表面接枝聚乳酸类聚合物的改性羟基磷灰石，因此该纳米羟基磷灰石和聚乳酸类聚合物具有良好的相容性，能均匀分散在聚乳酸类聚合物的基体中。
本发明提出的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料的制备，首先合成聚乳酸类聚合物和纳米羟基磷灰石，并在纳米羟基磷灰石表面接枝聚乳酸类聚合物，然后采用热致相分离法制备聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架，具体制备步骤如下1、聚乳酸类聚合物的制备将L-丙交酯和乙交酯按照摩尔比50∶50～90∶10在120～160℃下真空熔融开环聚合4-10小时，制备得聚L-乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，重均分子量为100,000到200,000；将L-丙交酯和D，L-丙交酯在上述同样条件下，制备得聚乳酸材料聚L-乳酸(PLLA)和聚D，L-乳酸(PDLLA)，重均分子量为100,000～300,000；将L-丙交酯和聚乙二醇(PEG)在120～160℃下，真空熔融聚合4～10h，得聚乳酸材料PLA-PEG，PEG的数均分子量为2000-10000，L-丙交酯和PEG的摩尔比为1∶4～4∶1，PLA-PEG的分子量为50,000到100,000。
2、纳米羟基磷灰石的合成首先按照Ca/P＝1.67称量硝酸钙和磷酸氢二铵，然后配制成水溶液，控制温度为室温、反应体系的pH值为10～11，使之发生化学反应，产生胶体HA沉淀物，在反应结束后加入重量浓度为0.01～0.1％的PEG水溶液作为表面活性剂，室温陈化10～20h，反复抽虑、洗涤，然后干燥，得到纳米羟基磷灰石，反应方程式如下
3、纳米羟基磷灰石的改性将L-丙交酯，或者L-丙交酯与乙交酯按照摩尔比为50∶50～90∶10的混合物，在二甲苯溶剂中、纳米羟基磷灰石存在的环境中溶液聚合，聚酯链段接枝到纳米羟基磷灰石的表面，以改善其与聚乳酸的界面相容性，并使HA和聚乳酸类聚合物之间产生较强的界面粘结力，以利于HA在聚合物溶液中的分散，从而有利于HA在聚合物支架中的分散，提高多孔支架的力学性能。具体步骤如下(1)按照质量比1∶0.5～1∶2称量纳米羟基磷灰石和L-丙交酯或者L-丙交酯与乙交酯的混合物，L-丙交酯与乙交酯混合物中，前者与后者的摩尔比为50∶50-90∶10；将L-丙交酯或者L-丙交酯与乙交酯的混合物在40～55℃下溶解在二甲苯溶液中，得到溶液A；将纳米羟基磷灰石在回流冷凝搅拌通氮气的装置中分散在二甲苯溶液中，得到悬浮液B。
(2)将溶液A滴加到悬浮液B中，100～130℃下反应8～24h。
(3)将反应产物用氯仿溶解洗涤数遍，沉淀，烘干，得改性的纳米羟基磷灰石。
4、热致相分离法制备聚乳酸基/纳米羟基磷灰石多孔支架热致相分离法制备聚乳酸基/纳米羟基磷灰石多孔支架的流程如附图4所示。采用的溶剂为二氧六环和水的混合溶剂，其中二氧六环和水的体积比为87/13。其具体实施步骤如下(1)按照质量比100∶1～100∶30称取聚乳酸类聚合物(如PLLA，PDLLA或者PLGA)和改性的纳米羟基磷灰石，然后按照聚乳酸类聚合物重量浓度为5～10％来配制聚合物的二氧六环-水溶液。
(2)将配制的聚合物二氧六环-水溶液、纳米羟基磷灰石和PLA-PEG共聚物或者NaCl加入到试管中，加热至45～50℃，使聚合物溶解并超声分散，使纳米羟基磷灰石在聚合物溶液中分散均匀。
(3)将分散均匀的聚合物溶液倒入模具中，放在-20℃～30℃下粗化10min～3h，粗化后，在-100℃～-10℃下冷冻10min～1h，然后放在冷冻干燥机中-50℃下干燥48h～96h。再在20℃～40℃下退火1h～10h，以提高支架强度，从而得到力学性能较好的聚合物/纳米羟基磷灰石多孔支架。
(4)对上述含有NaCl的聚合物/纳米羟基磷灰石支架用去离子水洗盐后，再进行退火处理，目的在于除去聚合物支架中的致孔剂。
步骤4(3)中，初化可分两种情况进行(1)初化分两步进行，先在5℃～30℃下初化10min～1h，然在-20℃～5℃下初化10min～2h，(2)初化一步进行，在-20℃～30℃下初化10min～3h。
1.纳米羟基磷灰石的XRD图。
2.纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜(TEM)图。
3.改性前后纳米羟基磷灰石的红外光谱图。
4.热致相分离法制备支架流程图。
5. PLGA/HA多孔支架的TEM图。其中a为PLGA/HA(PLGA∶HA＝100∶5)溶液在5℃初化1h，0℃初化2h的支架的SEM图，b为为PLGA/HA(PLGA∶HA＝100∶5)溶液在5℃初化1h，0℃初化1h的支架的SEM图。
具体实施例方式
实施例1、首先按照Ca/P＝1.67称取硝酸钙和磷酸氢二铵并各自配制成水溶液，将磷酸氢二铵的水溶液滴加到硝酸钙的水溶液中，控制温度在室温下和反应体系的pH＝10～11，使之发生化学反应，产生胶体HA沉淀物，在反应结束后加入重量浓度为0.1％的PEG2000水溶液作为表面活性剂。通过室温陈化10～20h，反复抽虑、洗涤，然后干燥得到纳米羟基磷灰石。将制备的纳米羟基磷灰石的二甲苯溶液中放入通有冷凝、回流、氮气保护、搅拌下的装置中，然后向其中滴加丙交酯的二甲苯溶液，丙交酯和纳米羟基磷灰石的质量比为1∶1，120℃下反应16h，反应结束后用氯仿反复洗涤反应产物，干燥得改性的纳米羟基磷灰石。丙交酯和乙交酯按照摩尔比75∶25在辛酸亚锡为催化剂140℃下反应10h得到分子量为120,000的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)。将上述PLGA和改性的纳米羟基磷灰石以重量比100∶5称量，NaCl为PLGA重量的1％，将其溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，在-10℃下初化2h然后固化10min，冷冻干燥72h，在去离子水中浸泡3天，30℃退火6h，得到PLGA(75/25)/HA复合多孔组织工程支架。
实施例2、纳米羟基磷灰石的合成及改性同实施例1。丙交酯和乙交酯按照摩尔比85∶15在辛酸亚锡为催化剂140℃下反应10h得到分子量为130,000的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)。将上述PLGA和改性的纳米羟基磷灰石以重量比100∶5称量，NaCl为PLGA重量的1％，将其溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，在-10℃下初化2h然后固化10min，冷冻干燥72h，30℃退火6h得到PLGA(85/15)/HA复合多孔组织工程支架。
实施例3、纳米羟基磷灰石的合成及改性和PLGA(75/25)的合成同实施例1。将上述PLGA(75/25)和改性的纳米羟基磷灰石以重量比100∶5称量，将其溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，采用分步初化的方法，使其先在5℃下粗化1h，然后在0℃下粗化2h，固化30min，冷冻干燥72h，30℃退火6h，得到PLGA/HA复合多孔支架工程支架，其SEM图风图5(a)。
实施例4、纳米羟基磷灰石的合成及改性和PLGA(75/25)的合成同实施例1。将上述PLGA(75/25)和改性的纳米羟基磷灰石以重量比100∶5称量，将其溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，采用分步初化的方法，使其先在5℃下粗化1h，然后在0℃下粗化1h，固化30min，冷冻干燥72h，30℃退火6h，得到PLGA/HA复合多孔支架工程支架，其SEM图见图5(b)。
实施例5、纳米羟基磷灰石的合成及改性和PLGA(75/25)的合成同实施例1。将上述PLGA和改性的纳米羟基磷灰石以重量比100∶5称量，PLA-PEG(分子量40,000)为PLGA重量的1％，将其溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，在-10℃下初化2h然后固化10min，冷冻干燥72h，30℃退火6h得到PLGA(85/15)/HA复合多孔组织工程支架。
实施例6、PLGA(75/25)的合成同实例1。将PLGA(75/25)溶解在体积比为87/13的二氧六环-水溶液体系中，PLGA的浓度为9％，采用分步初化，先在10℃下粗化20min，然后在5℃下粗化10min，固化10min，冷冻干燥72h，30℃退火6h得到PLGA(85/15)/HA复合多孔组织工程支架。
权利要求
1.一种聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料，其特征在于是聚乳酸类聚合物与改性的纳米羟基磷灰石按照重量比为100∶1-100∶30的复合物，其孔径尺寸为100μm～450μm，内部为相互连通且较为规整的大孔结构，孔隙率为78～98％。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料，其特征在于所述聚乳酸类聚合物为聚L-乳酸、聚D，L-乳酸或聚L-乳酸-羟基乙酸共聚物。
3.一种如权利要求1所述的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料的制备方法，其特征在于首先合成聚乳酸类聚合物和纳米羟基磷灰石，并在纳米羟基磷灰石表面接枝聚乳酸类聚合物，然后采用热致相分离法制备聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架，具体制备步骤如下(1)聚乳酸类聚合物的制备将L-丙交酯和乙交酯按照摩尔比50∶50～90∶10在120～160℃下真空熔融开环聚合4-10小时，制备得聚L-乳酸-羟基乙酸共聚物，重均分子量为100,000到200,000；将L-丙交酯和D，L-丙交酯在上述同样条件下制备得聚乳酸材料聚L-乳酸和聚D，L-乳酸，重均分子量为100,000～300,000；将L-丙交酯和聚乙二醇在120～160℃下，真空熔融聚合4～10小时，制得聚乳酸材料聚L-丙交酯-聚乙二醇，聚乙二醇的数均分子量为2000-10000，L-丙交酯和聚乙二醇的摩尔比为1∶4～4∶1，聚L-丙交酯-聚乙二醇的分子量为50,000到100,000。(2)纳米羟基磷灰石的合成按照Ca/P＝1.67称量硝酸钙和磷酸氢二铵，配制成水溶液，控制温度为室温、反应体系的pH值为10～11，使之发生化学反应，产生胶体HA沉淀物，在反应结束后加入重量浓度为0.01～0.1％的聚乙二醇水溶液作为表面活性剂，室温陈化10～20h，反复抽虑、洗涤，然后干燥，得到纳米羟基磷灰石；(3)纳米羟基磷灰石的改性①按照质量比1∶0.5～1∶2称量纳米羟基磷灰石和L-丙交酯或者L-丙交酯与乙交酯的混合物，L-丙交酯与乙交酯混合物中，前者与后者的摩尔比为50∶50-90∶10；将L-丙交酯或者L-丙交酯与乙交酯的混合物在40～55℃下溶解在二甲苯溶液中，得到溶液A；将纳米羟基磷灰石在回流冷凝搅拌通氮气的装置中分散在二甲苯溶液中，得到悬浮液B；②将溶液A滴加到悬浮液B中，100～130℃下反应8～24h；③将反应产物用氯仿溶解洗涤数遍，沉淀，烘干，得改性的纳米羟基磷灰石；(4)热致相分离法制备聚乳酸基/纳米羟基磷灰石多孔支架采用的溶剂为二氧六环和水的混合溶剂，其中二氧六环和水的体积比为87/13，①按照质量比100∶1～100∶30称取步骤(1)制备的聚乳酸类聚合物和步骤(3)制备的改性纳米羟基磷灰石，按照聚乳酸类聚合物重量浓度为5～10％来配制聚合物的二氧六环-水溶液。②将配制的聚合物二氧六环-水溶液、纳米羟基磷灰石和聚L-丙交酯-聚乙二醇共聚物或者NaCl加入到试管中，加热至45～50℃，使聚合物溶解并超声分散，使纳米羟基磷灰石在聚合物溶液中分散均匀；③将分散均匀的聚合物溶液倒入模具中，放在-20℃～30℃下粗化10min～3h，然后在-100℃～-10℃下冷冻10min～1h，再放在冷冻干燥机中-50℃下干燥48h～96h；在20℃～40℃下退火1h～10h，得到聚合物/纳米羟基磷灰石多孔支架；④对上述含有NaCl的聚合物/纳米羟基磷灰石支架用去离子水洗盐后，再进行退火处理，除去聚合物支架中的致孔剂。
4.根据权利要求3所述的聚乳酸基/纳米羟基磷灰石复合支架材料的制备方法，其特征在于步骤(4)-③中初化分两种情形(1)初化分两步进行，先在5℃～30℃下初化10min～1h，然在-20℃～5℃下初化10min～2h；(2)初化一步进行，在-20℃～30℃下初化10min～3h。
全文摘要
本发明公开一种聚乳酸基/纳米羟基磷灰石多孔组织工程支架材料及其制备方法。该材料为聚乳酸类聚合物如聚L－乳酸(PLLA)、聚D，L－乳酸(PDLLA)、聚L乳酸－羟基乙酸共聚物(PLGA)和一种改性的纳米羟基磷灰石(NHA)的复合物。聚乳酸类聚合物通过丙交酯(LA)或者丙交酯和乙交酯(GA)按照摩尔比50∶50～90∶10熔融开环聚合而成；改性的纳米羟基磷灰石通过在其表面接枝聚乳酸类聚合物，改善其与聚乳酸类聚合物的相容性。运用改进的热致相分离技术制备聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合多孔支架，其孔径在100～450μm，孔隙率78～98％。
文档编号A61L27/46GK1939543SQ200610116039
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者任杰, 黄艳霞, 陈楚, 任天斌 申请人:同济大学