本发明属于生物医用复合材料技术领域，涉及一种纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的制备方法，特别是一种载银的纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的制备方法。本发明通过载银和加入羟基磷灰石来增强pa6的强度、抑菌性和生物相容性。
背景技术：
骨骼修复用生物医用材料主要包括金属材料、医用陶瓷材料和生物医用复合材料等几类。大多数金属材料的强度大，模量高于人骨。其中应用较广的钛及其合金不仅生物相容性好，而且质量轻，比重与人骨接近，弹性模量与其它医用金属相比更接近自然骨，但钛合金的成本较高。医用陶瓷材料虽然具有良好的稳定性和生物相容性，但是脆性大，只适应于非应力场合的骨修复。
而作为骨骼修复的良材料，在兼顾加工制备灵活性的同时，应具备好的稳定性、抑菌性、生物活性和力学性能。
相较而言，由于高分子材料的多功能性质，加之可对其进行改性和复合，使得生物医用复合材料具有很大的优势和发展潜力，受到科研人员的广泛关注。
羟基磷灰石是构成骨和牙的主要无机质，其分子中的ca2+可与含有羧基的氨基酸、蛋白质、有机酸等发生交换反应，因此具有良好的骨传导性能和生物活性，能与骨组织形成牢固的骨性结合，促进骨骼生长，是公认的性能良好的骨修复替代材料。然而，由于羟基磷灰石的上述性能，又容易在其上浓集细菌等物质，例如在牙科手术中，往往由于缺乏有效的抗菌能力而致使手术失败。另外，单一羟基磷灰石材料的抗弯强度和抗压强度低，也极大地限制了其作为人体骨骼替代物的应用范围和使用价值。因此，为了提高材料的力学性能及增强材料的抑菌性能，有需要在羟基磷灰石中引入其它物质，从而形成符合要求的复合材料。
pa6，俗称尼龙6，白色至淡黄色不透明固体，是硬度高、强度好、耐磨损的耐热型热塑性塑料。pa6是由己内酰胺聚合而成的高分子聚合物，其分子结构中含有与胶原蛋白结构相似的酰胺基团，生物相容性较好，可为细胞和生物组织提供友好界面。
羟基磷灰石/pa6复合材料由于其优异的力学性能、生物性能和良好的加工性，受到了科研人员的广泛关注。
现有比较环保的羟基磷灰石/pa6复合材料制备方法是将pa6以络合剂溶解后，利用溶剂沉淀法来制备复合材料。cn105031720a公开了一种纳米羟基磷灰石-聚酰胺医用复合材料及其制备方法，是以含聚乙二醇的乙醇溶液超声分散纳米羟基磷灰石粉末得到羟基磷灰石分散液，将高强度pa加入到含cacl2的无水乙醇溶液中，加热溶解后滴加乙醇水溶液得到聚酰胺溶液，再把羟基磷灰石分散液加入到聚酰胺溶液中，加水搅拌析出粉末，固液分离得到纳米羟基磷灰石-聚酰胺医用复合材料。采用氯化钙为络合剂溶解pa6，溶解速率慢，耗时长，效率低，而且过夜溶解的安全隐患大。
另一种比较常用的羟基磷灰石/pa6复合材料制备方法是采用挤出注塑法，但随着基体中羟基磷灰石含量的增多，该方法制备复合材料的流动性变差，因此只适用于制备填料含量少或者填料流动性好的复合材料。
徐丽华等在《复合材料学报》第29卷第2期(73-78)提供了一种以甲酸溶解pa6，将改性后的多壁碳纳米管加入其中，70℃蒸发至绝大部分甲酸挥发来制备多壁碳纳米管/pa6复合材料的方法。该方法中甲酸的强腐蚀性和毒性会对实验人员和环境造成一定的危害与污染。
同时，与植入骨修复替代材料相关的细菌性感染一直广泛存在。将骨修复材料植入骨缺损处，游离的细菌往往容易粘附于材料表面(特别是细菌浓度较高的骨髓炎中的骨缺损修复治疗)，并在材料上生长繁殖，而导致手术失败。目前常用的解决方法是向材料中加入抗生素，起到抗菌的作用。但是长期使用抗生素会导致细菌的耐药性，而且抗生素缓释能力较差，不能持久抗菌。
向材料中引入优异的广谱抗菌剂纳米银来破环微生物生长，是避免植入材料引发感染、为生物材料提供长期抗菌保护的有效手段。
鲁志强等在《粉末冶金材料科学与工程》第20卷第2期中采用液相化学还原法，以聚乙烯醇作分散剂，硼氢化钠作还原剂，硝酸银为前驱体，制备得到了粒径120nm左右的银粉。该化学还原法由于引入了还原剂、分散剂等，使得制备的纳米银杂质含量较高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的制备方法，以本发明方法制备的复合材料力学性能优良，具有一定的生物活性。
本发明所述的纳米羟基磷灰石/pa6复合材料是以pa6作为基体材料，添加纳米羟基磷灰石，热压成型制成的生物复合材料。本发明制备的复合材料中，纳米羟基磷灰石含量30～50wt%，其余为pa6。
本发明所述纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的制备方法是在聚乙二醇乙醇溶液中加入纳米羟基磷灰石分散得到羟基磷灰石分散液；将pa6原料溶解在fecl3乙醇溶液中，以乙醇水溶液析出得到pa6粉末；向纳米羟基磷灰石分散液中加入pa6粉末混合均匀，干燥得到复合材料粉末；将所述复合材料粉末热压成型，制成纳米羟基磷灰石/pa6复合材料。
本发明所述制备方法中，作为原料的纳米羟基磷灰石使用的是粒径30～80nm的羟基磷灰石。
进而，所述纳米羟基磷灰石可以采用下述方法制备得到：将0.3mol/l磷酸氢二铵溶液滴加入相同体积的0.5mol/l硝酸钙溶液中，控制溶液ph值在10～12，于45～55℃恒温搅拌反应3～4h，加入生成羟基磷灰石体积0.5～1倍的聚乙二醇，静置沉化24h，抽滤并水洗至中性，干燥研磨后，650～750℃焙烧3～6h，得到纳米羟基磷灰石。
优选地，本发明是将所述纳米羟基磷灰石分散在体积百分含量为20～40%的聚乙二醇乙醇溶液中。
其中，所使用的聚乙二醇的分子量应≤8000。
更优选地，本发明在每1ml聚乙二醇乙醇溶液中加入并分散有0.25～0.4g的纳米羟基磷灰石。
更近一步地，本发明将纳米羟基磷灰石粉末添加到聚乙二醇乙醇溶液中后，可以采用超声处理的手段使其在聚乙二醇乙醇溶液中快速分散均匀。
本发明所述制备方法中，作为另一原料的pa6应使用干燥的原料。具体地，本发明需要将使用的pa6预先在100～120℃下真空干燥不少于12h。
本发明采用fecl3乙醇溶液溶解pa6，是基于铁离子容易与pa6中本应与氨基形成氢键的羰基氧发生配位，以削弱pa6链段间的氢键作用，促使其溶解。相比其他络合剂，本发明方法的溶解速率和溶解性明显提高，避免了溶解时间过长带来的安全隐患。而且检测证明，采用本发明方法溶解后得到的pa6粉末，其官能团和结构并未发生明显变化，说明本发明溶解方法没有破坏pa6的原有结构。
进而，本发明所述用于溶解pa6的fecl3乙醇溶液中，优选fecl3与乙醇的摩尔比为1∶5～6。
更近一步地，本发明所述fecl3乙醇溶液的最佳使用量应满足所加入的pa6与fecl3乙醇溶液的质量比为1∶12.5～13.5。
更优选地，本发明将所述pa6加入到fecl3乙醇溶液中后，可以加热至65～75℃进行搅拌以促进溶解。
进而，本发明用于使pa6再次析出的乙醇水溶液优选体积配比为1∶1～3的乙醇水溶液。本发明控制将所述乙醇水溶液缓慢滴加入溶解有pa6的fecl3乙醇溶液中，以缓慢的析出pa6。
析出的pa6经离心分离后进行干燥，即可得到满足制备复合材料要求的pa6粉末。进而，所述离心速率优选3000～4000r/min，共离心9～12次，每次10～15min。
本发明具体是将所述复合材料粉末在190～230℃、5～10mpa下进行热压，以得到成型材料。
本发明提供了一种典型的热压成型过程：先将热压成型机预热到190～230℃，将加入复合材料粉末的模具放入热压成型机中合模预热25～30min后，在压力5～10mpa下热压10～15min，保持压力降温至常温，泄压取出成型材料。
优选的热压成型机是平板硫化机，当然，也可采用挤出机、注塑机等其他热压成型设备，在合适的条件下热压得到纳米羟基磷灰石/pa6复合材料。
进一步地，本发明还可以将所述复合材料粉末先置于银离子溶液中进行浸渍处理，并将浸渍的银离子还原成纳米银后，再热压成型制成银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料。所述复合材料中，纳米羟基磷灰石含量30～50wt%，纳米银含量0.1～0.65wt%，其余为pa6。
本发明优选采用硝酸银为银源，以硝酸银的水溶液等体积浸渍纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末。上述浸渍过程中，银离子与pa6中的氨基发生缔合，这种缔合作用能够有效帮助纳米银的分散均匀。
本发明优选采用等离子体辅助还原法来还原银离子得到纳米银。等离子设备在高压下可以使高能量的电子激发材料表面基团或水分子产生高能量自由基，利用自由基的强还原性将银离子还原。
具体地，所述等离子体辅助还原是将浸渍有银离子溶液的复合材料粉末干燥后，在惰性气体环境下，采用功率600～700w的等离子体设备将银离子还原处理1h。
采用本发明上述方法制备的银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料不仅具有强度高、模量大等骨修复材料所需的力学性能，而且具有一定的抑菌性和生物活性。作为一种性能优越的生物医用复合材料，可以应用于骨修复材料中。
本发明首先采用fecl3乙醇溶液来溶解pa6，既克服了氯化钙为络合剂溶解pa6耗时长，过夜溶解安全隐患大，效率低的缺点，也避免了采用甲酸等强腐蚀性和毒性溶剂对实验人员的危害和对环境的污染，更为重要的是所得pa6粉末与纳米羟基磷灰石共混，也使纳米羟基磷灰石的均匀分散行得到了明显提高，使复合材料具有了稳定的生物活性和生物相容性。
其次，本发明在复合材料中载入了纳米银。由于银的抗菌广谱性，持久性和不产生耐药性特性，作为一种常用的抗菌剂，能有效避免骨修复材料植入体内产生的感染问题，减轻病患痛苦。
同时，本发明采用硝酸银为银源，其中的银离子能与pa6中的氨基发生缔合作用，能在一定程度上促进银离子的分散，而采用等离子辅助还原设备还原硝酸银，耗时短，污染小，操作简单，环保高效。
最后，采用热压成型的方法制备成型复合材料，能够增加填料在pa6中的分散度和结合能力，实现几种物质的均匀混合，使其性能更加稳定。
附图说明
图1是pa6原料及pa6粉末的xrd比较图谱。
图2是pa6原料及pa6粉末的ft-ir比较图谱。
图3是pa6粉末、纳米羟基磷灰石及纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的ft-ir比较图谱。
图4是纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的的dsc图谱。
图5是热压成型的pa6原料、pa6粉末及纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的储能模量比较图。
图6是纳米羟基磷灰石/pa6与银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的xrd比较图谱。
图7是纳米羟基磷灰石/pa6与银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的ft-ir比较图谱。
图8是纳米羟基磷灰石/pa6与银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的uv-vis吸收光谱比较。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
在三口烧瓶中加入50ml无水乙醇，加热至65℃，加入23gfecl3，搅拌溶解。再加入5g预先在100℃真空干燥12h的pa6颗粒，待其完全溶解后，向三口烧瓶中缓慢滴加乙醇水溶液(v乙醇∶v水=1∶3)，直至pa6粉末完全析出。保持在该温度下继续搅拌3h，3500r/min转速下以乙醇水溶液离心洗涤十次，每次15min。抽滤出粉末，100℃下干燥12h，粉碎得到pa6粉末。
分别取pa6原料和本实施例制备的pa6粉末，加入模具中冷压成型。将平板硫化机下板预热至190±3℃、上板预热至220±3℃，将模具放入平板硫化机中预热25min后，升压到9～10mpa，保温保压10min，停止加热，保压冷却25min，取出得到pa6原料和pa6粉末的成型材料。
图1给出了本实施例使用的pa6原料以及用fecl3乙醇溶液制备的pa6粉末的xrd图谱，其中曲线1是pa6原料，曲线2是pa6粉末。
从图1中可以看出，两者分别在2θ=20.12°和23.79°处出现了pa6的α晶型特征吸收峰，在2θ=21.53°处出现了pa6的γ晶型特征吸收峰，pa6原料与粉末的特征吸收峰相对应，证明以fecl3乙醇溶液溶解制备的pa6粉末并未改变晶型结构。
图2给出了本实施例使用的pa6原料以及用fecl3乙醇溶液制备的pa6粉末的ft-ir图谱，其中曲线1是pa6原料，曲线2是pa6粉末。
可以看出，相比曲线1而言，曲线2也出现了pa6的特征吸收峰，1640cm-1处为羰基伸缩振动峰，3437cm-1处为氨基伸缩振动峰，2958cm-1处为亚甲基伸缩振动峰。对比曲线1和2，说明以fecl3乙醇溶液溶解制备的pa6粉末官能团没有受到破坏，且几乎没有新的官能团生成。
实施例2。
将3.4mlpeg400加入7ml乙醇中溶解均匀后，向溶液中加入3.4289g纳米羟基磷灰石，超声分散1h。向分散液中加入8g实施例1制备的pa6粉末，搅拌混合均匀，用乙醇水溶液洗涤，干燥，得到纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末。
取纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末，加入模具中冷压成型。将平板硫化机下板预热至190±3℃、上板预热至220±3℃，将模具放入平板硫化机中预热25min后，升压到9～10mpa，保温保压10min，停止加热，保压冷却25min，取出得到纳米羟基磷灰石/pa6复合成型材料。
图3给出了本实施例使用的原料pa6粉末、纳米羟基磷灰石，以及制备的纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末的ft-ir谱图，其中曲线1是纳米羟基磷灰石，曲线2是pa6粉末，曲线3是纳米羟基磷灰石/pa6复合材料。
从曲线3可以看出，曲线1中纳米羟基磷灰石1051cm-1的磷酸基伸缩振动吸收峰和3425cm-1的羟基伸缩振动峰在复合材料中仍然存在。同时，复合材料中1640cm-1的羰基伸缩振动峰、3305cm-1的氨基伸缩振动峰、2935cm-1的亚甲基伸缩振动峰与曲线2的pa6粉末相比未发生明显移动。这说明了复合材料中兼具羟基磷灰石和pa6的特征峰。
图4给出了本实施例使用的原料pa6粉末及制备的纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末的dsc结晶曲线谱图。其中曲线1是pa6粉末，曲线2是纳米羟基磷灰石/pa6复合材料。
一般而言，结晶度是材料力学性能的一个体现，结晶度越大，高分子链段排列越规整紧密，力学性能也就越好。
从图中可以看出，纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末的结晶温度高于原料pa6粉末的结晶温度，说明纳米羟基磷灰石的加入起到了异相成核的作用，能促进材料在较高温度下结晶。
进而，纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的结晶度xt可由下述公式计算得到。
其中：δhm*是聚合物完全结晶(100%)时的熔融热，δhm是复合材料在设备条件下测量求峰面积所得实际熔融热，θ是复合材料中纳米羟基磷灰石所占的质量百分比。
具体地，聚合物pa6的δhm*为188j/g，根据dsc曲线及软件计算所得，pa6粉末的熔融热为66.14j/g，纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的熔融热为51.59j/g，根据上述公式计算pa6粉末的结晶度为35.18%，复合材料的结晶度为39.20%。
图5则给出了不同材料的动态力学分析图谱。图中曲线1是原料pa6热压成型后的储能模量，曲线2是经fecl3乙醇溶液溶解的pa6粉末热压成型后的储能模量，曲线3是纳米羟基磷灰石/pa6复合材料热压成型后的储能模量。从图中可以看出，曲线3的储能模量最高，这是由于纳米羟基磷灰石自身的氢氧根可以与pa6链段中的氨基之间形成氢键，使纳米羟基磷灰石与pa6的界面作用力增强，从而有效进行应力分散与传递，将两者的性能有效结合，使复合材料的力学性能显著提高。
实施例3。
称取0.012g硝酸银，溶解在3ml水中配制成硝酸银溶液。称取3g实施例2制备的纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末，加入上述硝酸银溶液，使溶液刚好浸润纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末，进行等体积浸渍。
将浸渍后材料搅拌均匀，于真空干燥箱中避光干燥24h，放入等离子设备中，通入氩气，在功率600w条件下处理1h，使银离子还原为纳米银，干燥后得到银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末。
取一定量的银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料粉末加入模具中冷压成型。同时将平板硫化机下板预热到190±3℃，上板预热到220±3℃，将模具放入平板硫化机中预热；25min后，将压力升至9～10mpa，保温保压10min；停止加热，保压冷却25min，冷却完成后将成型材料取出。
图6给出了纳米羟基磷灰石/pa6和银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的xrd谱图。曲线1为纳米羟基磷灰石/pa6，曲线2为银/纳米羟基磷灰石/pa6。从图中可知，未加入纳米银时，pa6以α晶型(图中2θ=19.97°、23.98°)和γ晶型(图中2θ=21.40°)两种晶型存在，而加入硝酸银，并采用等离子设备处理后，pa6的晶型也发生了转变，变成性能更加稳定的α晶型(图中2θ=20.26°、23.97°)，同时出现了纳米银的特征吸收峰(图中2θ=38.16°)。这表明纳米银的加入可以使pa6的链段发生重排，变成更加稳定的α晶型。
图7为纳米羟基磷灰石/pa6与尚未还原处理的硝酸银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的ft-ir谱图。曲线1为纳米羟基磷灰石/pa6，曲线2为硝酸银/纳米羟基磷灰石/pa6。图中曲线2在3300cm-1处出现了氨基吸收峰。硝酸银/纳米羟基磷灰石/pa6中的银离子可以与-nh2和-nh发生缔合作用，这种缔合作用(配位共价键、氢键)会使峰形变宽，间接说明体系中有银的存在。
图8给出了纳米羟基磷灰石/pa6和银/纳米羟基磷灰石/pa6复合材料的uv-vis吸收光谱图，曲线1为纳米羟基磷灰石/pa6，曲线2为银/纳米羟基磷灰石/pa6。从曲线2可以看出，在403nm处出现了一个峰宽较窄、吸收波长较小的纳米银特征吸收峰。一般而言，吸收峰的出峰位置与粒径大小有关，且粒径范围相差越大，吸收峰的半高宽越宽。文献报道同等吸收波长下的纳米银粒径约为30～40nm。因此，曲线2中纳米银的特征吸收峰位置和峰形一定程度上说明了所制备纳米银的粒径分布较窄，且粒径较小。纳米银的粒径越小，表面能越高，抑菌性也越强。