利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物材料技术领域，特别涉及利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料及其制备方法。

背景技术：

梯度功能材料是指材料的组成、结构等构成要素在材料的某个方向上连续变化，从而使材料的性能也呈连续变化的一种非均质复合材料。对于无机颗粒填充的聚合物梯度体系来讲，梯度功能材料的制备方法主要分为两大类：第一类，以二者的均匀混合物溶液悬浮体系为初始体系，用颗粒与聚合物基体之间的密度、重量或差别在力场或磁场、或电场场推动下驱使颗粒在聚合中产生浓度梯度，例如离心沉降、重力沉降、或者磁场驱动等；第二类，采用层层铺叠技术结合其他加工手段形成梯度，例如等离子喷涂、气相沉积、多弧离子镀等。

对于分散在聚合物熔体中的纳米颗粒，利用第一类方法中的重力离心、或常规电泳技术是很难实现的。对于层层铺叠技术，例如激光烧结或等离子溅射，需要聚合物常规下为粉体，高温能融化且熔融之后又具有很高的热稳定性、不发生分解降解。对于聚合物体系，能满足这些物理性能的只有为数不多的几个品种。

天然骨骼是具有梯度结构的复合材料，外层是起支撑作用的密质骨，逐渐向髓腔过渡是孔径从几百微米到几毫米的松质骨。骨骼主要是由纳米级羟基磷灰石(hydroxyapatite，ha)和胶原纤维组成。骨骼中羟基磷灰尺寸为20nm左右，其含量从外层密质骨到内层松质骨是逐渐减少的。天然骨的这种梯度结构，使其在保持良好生物学活性的同时，具有优秀的生物力学性能。骨骼是身体的支架以及重要的组成部分，广泛分布于口腔、头颅、面部、躯干等各个部位。随着人们生活质量的提高和社会活动的增加，通过骨骼重塑改变外貌变得越来越流行。此外人们身体在活动及交通事故中骨骼也是最最容易受损的部分。骨受损后修复的主要方法是通过移植或而是植入新的替代材料。移植的方法替换受损骨骼其优点在于可以减少排异反应。但是这些骨骼来自于人体本身，骨源难以得到。大多是情况下采用新的植入材料，例如钛金属、陶瓷或聚合物复合材料。作为植入的骨替代材料，除了需要一定的机械性能，还必须满足生物相容性和与其连接部位的匹配性、生物活性。所谓的生物活性就是植入的材料能够诱导骨组织再建，使新生骨组织生长出来后，代替原来的填充材料。

因此，基于仿生的理念，此从仿生角度来看,发展制备具有类似骨组织微观形貌的梯度复合材料，在骨修复和重建具有非常重要的实际意义。

技术实现要素：

本发明提供一种利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料及其制备方法，解决了如何制备一种类似骨组织微观形貌的梯度复合材料的技术问题，达到了获得沿电场运动方向的梯度分布的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的技术效果。

第一方面，本发明提供一种利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法，所述制备方法包括：将具有生物相容性及可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)溶于有机溶剂中；将羟基磷灰石(ha)加入到所述有机溶液中；利用功率1000w的超声分散器分散30min，减压除去80％的溶剂；在-20℃温度下冷冻干燥4小时除去剩余的溶剂；将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,形成样品厚度为1mm-3mm的ha/pcl熔体；dc电场驱动所述ha/pcl熔体形成梯度结构。

优选的，所述dc电场驱动所述ha/pcl熔体形成梯度结构，具体包括：

将所述ha/pcl熔体的片材放入含有导电的玻璃板或导电的金属片的模具中；

将所述模具放入具有控温装置平板上；并施加的直流电压后，所述ha/pcl熔体在恒定温度下维持一段时间后降至常温后撤走电场，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

优选的，所述恒定温度高于pcl的熔点，低于pcl分解温度，且在60℃至200℃之间。

优选的，所述有机溶液为甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿及二氧六环中的一种或多种。

优选的，所述ha与所述pcl的质量比为1～30phr。

优选的，所述电场的强度范围为400v/mm～2000v/mm。

第二方面，本申请还提供一种利用上述制备方法制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料，所述纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料由以下材料组成：

羟基磷灰石(ha)；

具有生物相容性及可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)。

优选的，所述羟基磷灰石(ha)为20～200纳米颗粒大小。

优选的，所述可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)为热塑性分子材料。

优选的，所述羟基磷灰石(ha)填料在所述可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)的基体中呈梯度分布。

本申请至少具有如下有益效果：

(1)本申请提供的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料具有类似骨骼的梯度结构；

(2)本申请提供的pcl在ha/pcl中赋予材料较好的韧性和必要的力学强度。

(3)由于pcl具有生物相容性和降解性，且降解产物为无毒。材料在使用过程中，且随着时间的推移，当pcl逐渐降解后，留下空隙，与此同时ha诱导重建的新的骨组织代替这些空隙，完成骨骼的重建，这样当pcl在体内完全降解后，留下的空隙全部被ha诱导生长的骨骼组织代替，从而使新建立骨骼体系就会具有与天然骨骼系统相似的结构和功能。

(4)本申请提供的制备方法利用高压直流外电场对ha颗粒的电驱动作用，通过电泳运动来驱动带电填料随着电场运动，从而获得沿电场运动方向的梯度分布。此外，颗粒的电泳是在聚合物熔体中直接实现，无需额外的溶剂，加工过程环保，简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请较佳实施方式利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法的流程图；

图2为本申请较佳实施方式利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法的原理图；

图3为ha/pcl均质复合材料未加电场，ha含量为10phr的结构示意图；

图4为ha/pcl梯度复合材料在1000v/mm直流电压/120℃/1小时，ha含量为10phr时的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本申请提供一种利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法，图1为本申请较佳实施方式利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法的流程图，图2为本申请较佳实施方式利用高压电场诱导制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料的制备方法的原理图；请参阅图1和图2，所述制备方法包括：

步骤s110，将具有生物相容性及可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)溶于有机溶剂中；

其中，所述步骤s110中所述有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿及二氧六环中的一种或多种。

步骤s120，将羟基磷灰石(ha)加入到所述有机溶液中；

其中，所述ha与所述pcl的质量比为1～30phr，优选的，所述ha与所述pcl的质量比为10～15phr。

步骤s130，利用功率1000w的超声分散器分散30min，减压除去65％～90％的溶剂；

步骤s140，在-4℃～-20℃温度下冷冻干燥4小时除去剩余的溶剂；

步骤s150，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,形成样品厚度为1mm-3mm的ha/pcl熔体；

步骤s160，dc电场驱动所述ha/pcl熔体形成梯度结构。

其中，所述步骤s160中所述dc电场驱动所述ha/pcl熔体形成梯度结构，具体包括：

步骤s161，将所述ha/pcl熔体的片材放入含有导电的玻璃板或导电的金属片的模具中；

步骤s162，将所述模具放入具有控温装置平板上；并施加的直流电压后，所述ha/pcl熔体在恒定温度下维持一段时间后降至常温后撤走电场，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。其中，所述恒定温度高于pcl的熔点，低于pcl分解温度，且在60℃至200℃之间。优选的，所述恒定温度为80℃-180℃

所述电场为直流电场，电场强度为强度为100-2000v/mm，优选的电场强度为800-1800v/mm。请参阅图3和图4，对比加电场与未加电场的效果。

实施例1

s1，10gpcl在70℃溶于有机溶剂100ml甲苯中；

s2，将0.1gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，70℃减压除去80％的溶剂；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)。

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的800v直流电压后，样品在80℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例2

s1，10gpcl70℃溶于100ml二氧六环中；

s2，将0.5gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，70℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)。

s6，dc电场驱动下形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的800v直流电压后，样品在100℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例3：

s1，10gpcl溶于在60℃有机溶剂100ml四氢呋喃中；

s2，将1gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，70℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)；

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的1000v直流电压后，样品在120℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例4

s1，10gpcl在50℃溶于有机溶剂100ml乙酸乙酯中；

s2，将1.5gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，70℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)；

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的1400v直流电压后，样品在140℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例5

s1，10gpcl常温溶于有机溶剂100ml乙酸乙酯中；

s2，将2gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，70℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1m)；

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的1600v直流电压后，样品在160℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例6

s1，10gpcl常温溶于有机溶剂100ml氯仿中；

s2，将2.5gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，50℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)；

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的1800v直流电压后，样品在180℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

实施例7

s1，10gpcl溶于常温有机溶剂100ml二氯甲烷中；

s2，将3gha加入到溶液中；

s3，利用功率1000w的超声分散器分散30min，30℃减压除去大部分；

s4，剩余糊状物再在冷冻干燥箱中-4℃干燥4小时除去剩余的溶剂后；

s5，将ha/pcl混合物用粉碎机粉碎倒入磨具中，在150℃/10mpa下热压成型,样品厚度(1mm)；

s6，dc电场驱动ha/pcl熔体形成梯度结构；将热压好的片材放入厚度为1mm，底部为金属导电的片的模具中，模具放入具有可调温的加热台上。施加的1800v直流电压后，样品在180℃维持1小时，再将温度降至常温后撤走电场，冷却后取出样品，即可得到ha浓度沿厚度方向渐变的梯度功能材料。

第二方面，基于同样的发明构思，本申请还提供一种利用上述制备方法制备的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料，所述纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料由以下材料组成：羟基磷灰石(ha)；具有生物相容性及可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)。

其中，所述羟基磷灰石(ha)为20～200纳米颗粒大小。

所述可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)为热塑性分子材料。

所述羟基磷灰石(ha)填料在所述可降解聚合物基体聚己内酯(pcl)的基体中呈梯度分布。

本申请至少具有如下有益效果：

(1)本申请提供的纳米羟基磷灰石/聚己内酯梯度功能材料具有类似骨骼的梯度结构；

(2)本申请提供的pcl在ha/pcl中赋予材料较好的韧性和必要的力学强度。

(3)由于pcl具有生物相容性和降解性，且降解产物为无毒。材料在使用过程中，且随着时间的推移，当pcl逐渐降解后，留下空隙，与此同时ha诱导重建的新的骨组织代替这些空隙，完成骨骼的重建，这样当pcl在体内完全降解后，留下的空隙全部被ha诱导生长的骨骼组织代替，从而使新建立骨骼体系就会具有与天然骨骼系统相似的结构和功能。

(4)本申请提供的制备方法利用高压直流外电场对ha颗粒的电驱动作用，通过电泳运动来驱动带电填料随着电场运动，从而获得沿电场运动方向的梯度分布。此外，颗粒的电泳是在聚合物熔体中直接实现，无需额外的溶剂，加工过程环保，简单。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。