一种聚酯/荧光稀土MOF纳米复合骨修复材料的制备方法与流程

本发明涉及一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料的制备方法，具体涉及一种以生物可降解聚酯为基体，稀土mof纳米材料为增强剂和示踪剂，制备同时具有自增强和荧光效果的骨修复复合材料。本发明属于生物医用复合材料领域。

背景技术：

应用可降解聚合物材料作为骨修复和骨骼重建等方面已经得到了明显疗效，其临床应用研究也在不断增加，但是可降解聚合物材料在降解后期力学支撑强度不足，材料体内降解过程无法进行实施跟踪等一直是限制其临床应用的主要问题，而生物可降解复合材料有望解决上述问题。

对于共聚物来说可以通过改变组分调配改变整个材料的诸如机械性能、降解效率等性能而引起更多的关注。其中，聚乳酸-三亚甲基碳酸酯-乙交酯（plla-tmc-ga）三元共聚物作为生物医用材料应用的潜力近来已有报道，在此三元共聚物中，聚乳酸（plla）组分提供机械强度保障，少量的聚乙交酯（pga）可以加快共聚物的降解速率，同时，弹性体聚三亚甲基碳酸酯（ptmc）组分的引入可以改善共聚物的韧性，又由于其降解产物为中性，可以同时降低炎症风险。因此，在可降解合成高分子材料供骨修复支架材料领域中，相比于纯聚乳酸的韧性较差，聚己内酯降解时间慢等问题，plla-tmc-ga（plga）三元共聚物可以通过灵活的分子结构设计得到具有满足骨修复支架不同力学性能和降解速率等要求的特点。但是人体中皮质骨的杨氏模量在15-20gpa之间，抗压强度在100-200mpa之间，松质骨的杨氏模量在0.1-2gpa之间，抗压强度在2-20mpa之间，作为理想的骨修复材料应该与人体自体骨的机械强度相匹配。因此，pltg三元共聚物应用于骨组织工程仍需要在力学性能等方面加以改进。

近年来，纳米稀土金属有机框架（mof）材料的合成及其在生物医学，特别是在肿瘤诊断和治疗方面的应用研究引起了科学家们广泛的关注。mof以其多孔性著名，目前已被广泛应用于多个领域，如非线性光学、气体吸附、催化和化学传感等。为了拓展mof的应用范围，越来越多的新型mof复合材料被开发出来。金属离子与高分子极性基团之间具有极强的相互作用，该相互作用为高分子的性能改善提供了机会，成为共混改性高分子的热点。而稀土金属离子能够与羟基、羧基、氨基等发生配位作用，该项性质为稀土离子改性聚乳酸类高分子提供了理论基础。mof材料本身含有的稀土离子能够与羧基发生配位作用，而其有机配体与聚乳酸材料又具有一定的相容性，因此，稀土mof/聚乳酸复合材料在其力学性能提升方面具有潜在的应用价值。又由于稀土mof具有独特的光学性质，因此可用于生物成像如荧光成像，而稀土发光具有荧光穿透力强的特点，可以用来定量和直观的检测植入材料的体内降解过程而不需要手术。

因此，本发明尝试解决可降解材料后期力学支撑不足，降解行为无法体外观测等挑战，以可降解聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）无规共聚物为基体，以稀土-乳酸mof为荧光剂，制备同时具有自增强效果以及可体外观测植入物降解过程的骨修复材料。

技术实现要素：

针对现有可降解体内植入材料无法在体外进行实时监测，本发明在于提供一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料的制备方法，一种以对苯二甲酸和乳酸为有机配体，以发光稀土离子为金属单元，构建一种光致发光mof纳米材料的制备方法。该方法在于利用稀土mof的多孔性以及荧光性特点，将其作为增强剂和荧光剂加入到需要提升力学性能的聚酯基体中，不仅使可降解聚合物满足骨修复材料的要求，并且可以直接在体外观察植入体内骨修复材料的降解过程。

本发明采用如下技术方案：一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料的制备方法，以对苯二甲酸和乳酸为有机配体，以发光稀土离子为金属单元，构建一种光致发光mof纳米材料的制备方法，主要包括以下步骤：

1）稀土金属铕有机框架（eu-mof）纳米颗粒的制备

将对苯二甲酸（h2ipa）和铕盐溶于二甲基甲酰胺（dmf）与水的混合溶液中，所述的h2ipa和铕盐的摩尔比为1/10~1/1，加入微量的聚乙烯吡咯烷酮（pvp，k30）作为表面活性剂，100℃油浴搅拌5~30min，过滤后，室温下真空干燥，得到eu-mof纳米颗粒产物；

2）eu-mof纳米颗粒的表面改性

将干燥好的eu-mof纳米颗粒以及乳酸（hl）加入到乙醇溶液中，所述的eu-mof纳米颗粒与hl的摩尔比是1/1~2/1，搅拌下回流反应6~48h，抽滤，用乙醇反复洗涤得到固体样品粉末，65℃下真空干燥，产物记为eu-hl-mof；

3）可降解聚酯/稀土mof复合材料的制备

首先将三元共聚物聚酯溶解在ch2cl2溶剂中，得到聚酯共聚物溶液；其次，将添加量为1-20wt%的表面改性过后的eu-mof纳米颗粒加入到聚酯共聚物溶液中，通过磁力搅拌和超声处理将其混合均匀后转移至石英盒中自然挥发干燥，最后于常温下真空干燥至恒重，即得到可降解聚酯/稀土mof复合材料。

其中，铕盐为硝酸铕，也可以是：硝酸铽、硝酸镱、硝酸铥等具有荧光特性的稀土硝酸盐中的一种。

本发明中，所述的dmf与水的混合溶液的体积比为1/4。

本发明中所述的三元共聚物聚酯的浓度为5~20w/v%。

进一步的，所述的三元共聚物聚酯为聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物。

本发明中，所述的聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物中，三种单体的摩尔比丙交酯/乙交酯/三亚甲基碳酸酯为98/1/1~80/10/10。

本发明的优点在于：

本发明将传能效果优异的对苯二甲酸作为mof的有机配体，将发光性能优异穿透性好的稀土离子作为mof的金属配体，进一步加入乳酸改性使其作为稀土元素的第二配体，不仅增加了传能作用，提高稀土元素发光效率和稳定性，且提高了mof纳米颗粒的生物相容性。本发明制备的新型发光mof纳米颗粒作为增强剂、荧光剂以及相容剂通过溶液共混的方法加入到聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）无规共聚物基体中，不仅起到实时监控植入材料在体内的降解行为的作用，同时可增加聚合物的力学性能，拓展可降解聚酯在骨修复材料领域的应用。

通过该方法得到的可降解复合骨修复材料，体内发光性能优异，组织穿透性强，便于体外直接观察材料体内降解行为，力学强度较纯三元共聚物得到较大提升，可应用于性能指标要求较高的承重骨部位的骨修复材料使用。该发明制备工艺简单，可操作性强，稀土mof加入量少，易加工成型，所得复合材料能满足临床应用的需求。

附图说明

图1为实施例1所制备的eu-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图；

图2为实施例1所制备的修饰过后的eu-hl-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图；

图3为实施例1所制备的mof纳米颗粒的xrd图；

图4为实施例1所制备的eu-hl-mof的激发和发射荧光光谱图；

图5为实施例1所制备的纯三元共聚物（pltg）和添加5%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料（pltg/5%mof）的应力应变曲线；

图6为实施例2所制备的修饰过后的tb-hl-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图；

图7为实施例2所制备的tb-hl-mof的激发和发射荧光光谱图；

图8为实施例3所制备的纯三元共聚物（pltg）和添加2%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料（pltg/2%mof）的应力应变曲线；

图9为实施例4所制备的纯三元共聚物（pltg）和添加10%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料（pltg/10%mof）的应力应变曲线。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。

实施例1

一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料的制备方法，其特征在于，以对苯二甲酸和乳酸为有机配体，以发光稀土离子为金属单元，构建一种光致发光mof纳米材料的制备方法，按以下步骤：

1）稀土金属铕有机框架（eu-mof）纳米颗粒的制备

将0.17gh2ipa和0.45geu(no3)3·6h2o溶于6ml二甲基甲酰胺（dmf）与24ml水的混合溶液中，加入0.6g的聚乙烯吡咯烷酮-k30（pvp，k30）作为表面活性剂，反应物在100℃温度下，油浴搅拌加热10min，过滤后室温下真空干燥，得到eu-mof纳米颗粒产物。图1为eu-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图，由图可见，eu-mof纳米颗粒为均匀球体，其平均粒径为40nm。

2）eu-mof纳米颗粒的表面改性

将1g干燥好的eu-mof纳米颗粒以及0.09g乳酸（hl）加入到乙醇溶液中，搅拌回流反应12h，抽滤，用乙醇反复洗涤得到固体样品粉末，65℃下真空干燥，产物记为eu-hl-mof。图2为改性过后的eu-hl-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图，由图可见，经乳酸配位后得eu-hl-mof纳米颗粒依然保持均匀球体的形貌，其平均粒径为50nm。

图3为eu-mof纳米颗粒和改性过后的eu-hl-mof纳米颗粒的xrd图。由图可见，两种mof的xrd图均呈现较尖锐的衍射峰，证明其结晶度均比较高，eu-hl-mof纳米颗粒的衍射峰强度较eu-mof纳米颗粒稍低，说明乳酸的引入造成了mof纳米颗粒的结晶度下降。

图4为eu-hl-mof的激发和发射荧光光谱图。由图可见，材料展示了稀土铕离子的红光特征发射峰，说明该纳米材料具有红光成像功能。

3）可降解聚酯/稀土mof复合材料的制备

将10g聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物（90/5/5）溶解在100mlch2cl2溶剂中，将表面改性过后的0.5g稀土mof纳米颗粒加入到聚酯共聚物溶液中，通过磁力搅拌和超声处理将其混合均匀后转移至石英盒中自然挥发干燥，最后于常温下真空干燥至恒重，即得到可降解聚酯/稀土mof复合材料。

图5为纯三元共聚物（pltg）和添加5%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料（pltg/5%mof）的应力应变曲线，由图可见，在添加5%含量的该新型无机纳米颗粒以后，复合材料的力学性能较纯pltg共聚物明显增加，其拉伸强度，杨氏模量与断裂伸长率分别为38.9mpa，1.62mpa和275.1%，较纯pltg分别提高了41.5%，34.2%和37.6%。

实施例2

一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料，按以下步骤制备：

首先，将0.17gh2ipa和0.44gtb(no3)3·6h2o溶于6ml二甲基甲酰胺（dmf）与24ml水的混合溶液中，加入0.6g的聚乙烯吡咯烷酮-k30（pvp，k30）作为表面活性剂。反应物在100℃温度下，油浴搅拌加热10min，过滤后室温下真空干燥，得到产物eu-mof纳米颗粒。

其次，将1g干燥好的tb-mof纳米颗粒以及0.09g乳酸（hl）加入到乙醇溶液中，搅拌回流反应12h，抽滤，用乙醇反复洗涤得到固体样品粉末，65˚c下真空干燥，产物记为tb-hl-mof。

最后，将10g聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物（90/5/5）溶解在100mlch2cl2溶剂中。将表面改性过后的0.5g稀土mof纳米颗粒加入到聚酯共聚物溶液中，通过磁力搅拌和超声处理将其混合均匀后转移至石英盒中自然挥发干燥，于常温下真空干燥至恒重，即得到可降解聚酯/稀土mof复合材料。

图6为tb-hl-mof纳米颗粒的透射电子显微镜图。由图可见，tb-mof纳米颗粒为均匀球体，其平均粒径为50nm。

图7为tb-hl-mof的激发和发射荧光光谱图。由图可见，材料展示了稀土铽离子的绿光特征发射峰，说明该纳米材料具有绿光成像功能。

实施例3

一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料，按以下步骤制备：

首先，将0.17gh2ipa和0.45geu(no3)3·6h2o溶于6ml二甲基甲酰胺（dmf）与24ml水的混合溶液中，加入0.6g的聚乙烯吡咯烷酮-k30（pvp，k30）作为表面活性剂。反应物在100℃温度下，油浴搅拌加热10min，过滤后室温下真空干燥，得到产物eu-mof纳米颗粒。

其次，将1g干燥好的eu-mof纳米颗粒以及0.09g乳酸（hl）加入到乙醇溶液中，搅拌回流反应12h，抽滤，用乙醇反复洗涤得到固体样品粉末，65˚c下真空干燥，产物记为eu-hl-mof。

最后，将10g聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物（90/5/5）溶解在100mlch2cl2溶剂中。将表面改性过后的0.2g稀土mof纳米颗粒加入到聚酯共聚物溶液中，通过磁力搅拌和超声处理将其混合均匀后转移至石英盒中自然挥发干燥，最后于常温下真空干燥至恒重，即得到可降解聚酯/稀土mof复合材料。

图8为纯三元共聚物pltg和添加2%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料的应力应变曲线。由图可见，在添加2%含量的该新型无机纳米颗粒以后，复合材料的力学性能较纯聚酯共聚物有所增加，其拉伸强度，杨氏模量与断裂伸长率分别为33.9mpa，1.46mpa和245.1%，较纯pltg分别提高了23.3%，33.1%和22.6%。

实施例4

一种聚酯/荧光稀土mof纳米复合骨修复材料，按以下步骤制备：

首先，将0.17gh2ipa和0.45geu(no3)3·6h2o溶于6ml二甲基甲酰胺（dmf）与24ml水的混合溶液中，加入0.6g的聚乙烯吡咯烷酮-k30（pvp，k30）作为表面活性剂。反应物在100℃温度下，油浴搅拌加热10min，过滤后室温下真空干燥，得到产物eu-mof纳米颗粒。

其次，将1g干燥好的eu-mof纳米颗粒以及0.09g乳酸（hl）加入到乙醇溶液中，搅拌回流反应12h，抽滤，用乙醇反复洗涤得到固体样品粉末，65˚c下真空干燥，产物记为eu-hl-mof。

最后，将10g聚（乳酸-乙交酯-三亚甲基碳酸酯）三元共聚物（90/5/5）溶解在100mlch2cl2溶剂中。将表面改性过后的1g稀土mof纳米颗粒加入到聚酯共聚物溶液中，通过磁力搅拌和超声处理将其混合均匀后转移至石英盒中自然挥发干燥，最后于常温下真空干燥至恒重，即得到可降解聚酯/稀土mof复合材料。

图9为实施例4所制备的纯三元共聚物（pltg）和添加10%含量的eu-hl-mof纳米颗粒的复合材料（pltg/10%mof）的应力应变曲线。由图可见，在添加10%含量的该新型无机纳米颗粒以后，复合材料的力学性能较纯聚酯共聚物有所增加，其拉伸强度，杨氏模量与断裂伸长率分别为34.9mpa，1.64mpa和209.1%，较纯pltg分别提高了26.9%，34.3%和4.6%。