热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥及制备方法和应用

本发明涉及骨缺损修复材料，具体地说涉及一种具有高强度、高孔隙率以及低反应温度的骨水泥复合材料。

背景技术：

1、骨缺损指的是因先天或后天原因造成的，骨的结构的完整性被破坏的情况。造成骨缺损的原因有多种，包括急性骨缺失，骨感染后的清创，以及放疗或骨肿瘤切除后骨不连或骨失去血供。近年来组织工程学等医学各方面都较以往有了进步，但骨缺损仍是一种难以处理的疾患，其截肢率仍然很高。

2、骨组织工程技术是近年来高速发展的一种生物技术，旨在制备出一种生物功能材料，达到在体内整合和降解以治疗患病或受损的生物功能组织的目的。在众多的骨修复材料中，骨水泥因其具有生物相容性好，可直接注射等优点，是一种理想的人工骨修复材料。其中，磷酸镁骨水泥(mpc，由氧化镁颗粒、磷酸盐粉末和水混合水化反应而成的骨水泥)因具有强度高、降解速率快、骨黏附性能好以及能刺激成骨细胞分化等独特优势，被认为是最有前景的骨缺损修复材料之一。然而，磷酸镁骨水泥的水化反应过程是经典的酸碱反应，所以会产生大量的热量，容易对患者产生二次伤害；其次，磷酸镁骨水泥缺乏合适细胞长入的孔隙结构，且孔隙率较低，影响骨组织的修复功能。为此，研究人员通过增大氧化镁颗粒尺寸、降低磷酸镁骨水泥水化反应速率，使反应热量缓慢释放，达到降低水化温度的目的。这些方法虽然有效地降低了磷酸镁骨水泥的水化温度，却难以兼顾磷酸镁骨水泥的孔隙结构和力学性能。公布日为2014年3月26日，公布号为cn103668940a的专利文献中公开了一种表面改性纤维增强复合骨水泥及其制备方法和应用，虽然其中的表面改性高分子纤维可以明显提高骨水泥的抗压强度。但是仍无法解决磷酸镁骨水泥的反应温度高的问题。因此，要实现对磷酸镁骨水泥反应温度的调控，必须另辟蹊径。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥及其制备方法。该骨水泥复合材料包括不同长径比的形状记忆聚合物纤维，编程后可以在在骨水泥固化过程中收缩，通过调节复合材料中纤维的直径与长度，最终获得具备不同凝固温度、孔隙率和孔隙结构的磷酸镁复合骨水泥；与此同时，磷酸镁复合骨水泥不仅具备合适细胞生长的孔隙率和孔隙结构、低凝固温度，还具备更高的力学性能，达到即增加骨水泥的力学性能，又增加了骨水泥的孔隙率，还能调节骨水泥的凝固温度的目的，从而提供一种全新的骨缺损修复材料。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥，该复合骨水泥包含热响应形状记忆纤维、氧化镁和磷酸二氢钾，三者之间的重量比为(100～140)：100：(5～11)；所述热响应形状记忆纤维采用形状记忆聚合物经过静电纺丝制备而成，所述热响应形状记忆纤维的直径为500nm～3μm，长度为500μm～6mm；所述复合骨水泥采用一步法制备，所述复合骨水泥的压缩强度为70～120mpa，孔隙率为15～40％，凝固温度为40～55℃。

3、进一步讲，本发明所述的复合骨水泥，其中：

4、所述热响应形状记忆纤维的重量百分比优选为3.3％～3.8％。

5、所述热响应形状记忆纤维的直径优选为500nm，长度优选为3mm。

6、所述形状记忆聚合物是聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚氨酯和聚对二氧环已酮中的任一种。优选的是聚己内酯。

7、同时，本发明中还提出了上述热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥的制备方法，包括以下步骤：

8、1)制备纺丝纤维平均直径为500nm～3μm的静电纺丝膜：将形状记忆聚合物和交联剂混合后，按照重量体积比为10～20g/100ml将混合物溶于溶剂中，搅拌至完全溶解，获得聚合物均相溶液；采用静电纺丝技术，获得纺丝纤维平均直径为500nm～3μm的静电纺丝膜，并-80℃下避光保存；

9、2)制备长度为500μm～6mm的热响应形状记忆纤维：将步骤2)获得的静电纺丝膜与水混合，采用冰冻粉碎方法，获得长度为500μm～6mm的纤维即为热响应形状记忆纤维；

10、3)骨水泥浆料的制备：所述的骨水泥浆料包括重量体积比为3g/ml的固相混合物和液相；其中，所述固相混合物的制备是：按照重量比为(100～140)：100：(5～11)称取氧化镁、磷酸二氢钾和热响应形状记忆纤维，混合均匀，即为所得；所述液相为去离子水。

11、进一步讲，本发明所述制备方法中，步骤1)的具体内容是：按照重量比为50：1：1称取形状记忆聚合物、二甲苯酮和三烯丙基异氰脲酸酯，混合均匀后得到混合物a，按照重量体积比为10～20g/100ml将混合物a溶于溶剂中，搅拌3h，获得聚合物均相；采用静电纺丝技术，获得平均直径为500nm～3μm的纺丝纤维，静电纺丝工艺条件是，溶液的流速为0.4ml/min，纺丝电压为10kv，纺丝距离为15cm，环境湿度为10％。

12、步骤1)中，所述溶剂由体积比为7:3的二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺的混合构成。

13、步骤2)中，所述冰冻粉碎方法的工艺条件是：静电纺丝膜与水混合，于-80℃冻成冰块后，使用粉碎机将冰块粉碎，粉碎的次数为反复3～6次。

14、将本发明所述制备方法制备所得的复合骨水泥用于骨缺损修复，应用过程是：按照重量体积比为3g/ml将所述固相混合物与去离子水混合，于超声环境下10～30℃搅拌40～60s，获得骨水泥浆料，即刻将所述骨水泥浆料填入注射器，注入膜具，在37℃，湿度90％下固化72h。

15、将所述固相混合物与去离子水混合后的30分钟内，所述氧化镁和磷酸二氢钾之间的反应释放热量，与此同时，所述热响应形状记忆纤维吸热，使得凝固温度为40～55℃；所述热响应形状记忆纤维吸热后收缩，在所述复合骨水泥内部形成孔隙，孔隙率为15～40％。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)拉伸“编程”之后的热响应形状记忆纤维回复至初始形状(收缩)需要吸热，磷酸镁骨水泥的水化反应过程需要放热，两者结合可以是实现对热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥使用时的温度调控。

18、(2)由于热响应形状记忆纤维在热刺激下可以收缩，因此会在热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥内部形成孔隙，从而提高热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥的孔隙率。

19、(3)在基体中引入纤维材料可以增强基体力学性能，本发明制备得到的热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥比磷酸镁骨水泥具有压缩强度高的优势。

20、(4)本发明制备得到的热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥具有合适的孔隙结构及孔隙率，与磷酸镁骨水泥相比，其具有更好的生物相容性。

技术特征：

1.一种热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥，其特征在于，该复合骨水泥包含热响应形状记忆纤维、氧化镁和磷酸二氢钾，三者之间的重量比为(100～140)：100：(5～11)；所述热响应形状记忆纤维采用形状记忆聚合物经过静电纺丝制备而成，所述热响应形状记忆纤维的直径为500nm～3μm，长度为500μm～6mm；所述复合骨水泥采用一步法制备，所述复合骨水泥的压缩强度为70～120mpa，孔隙率为15～40％，凝固温度为40～55℃。

2.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述热响应形状记忆纤维的重量百分比为3.3％～3.8％。

3.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述热响应形状记忆纤维的直径为500nm，长度为3mm。

4.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述形状记忆聚合物是聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚氨酯和聚对二氧环已酮中的任一种。

5.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述形状记忆聚合物是聚己内酯。

6.一种热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)的具体内容如下：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述溶剂由体积比为7:3的二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺的混合构成。

9.一种热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥的应用，其特征在于，将根据权利要求6-8任一所述的制备方法制备所得的如权利要求1至4任一所述的复合骨水泥用于骨缺损修复，应用过程是：按照重量体积比为3g/ml将所述固相混合物与去离子水混合，于超声环境下10～30℃搅拌40～60s，获得骨水泥浆料，即刻将骨水泥浆料填入注射器，注入膜具，在37℃，湿度90％下固化72h。

10.根据权利要求9所述的热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥的应用，其特征在于，将所述固相混合物与去离子水混合后，所述氧化镁和磷酸二氢钾之间的反应释放热量，与此同时，所述热响应形状记忆纤维吸热，使得凝固温度为40～55℃；所述热响应形状记忆纤维吸热后收缩，在所述复合骨水泥内部形成孔隙，孔隙率为15～40％。

技术总结
本发明公开了一种具有合适水化反应温度、可控孔隙结构和力学性能的热响应形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥及其制备方法；首先，采用静电纺丝技术制备形状记忆纤维，将纺丝纤维进行拉伸“编程”获得临时形状之后，采用冰冻粉碎的方法将纤维制备成直径为500nm～3μm，长度为500μm～6mm的单根纤维，再通过调控形状记忆纤维/磷酸镁复合骨水泥中形状记忆纤维的比例，利用MPC反应温度过高的缺陷及热响应形状记忆高分子微米纤维形状回复过程中需要吸热的特点，驱动纤维发生热响应形状记忆回复(收缩)，不仅实现对磷酸镁骨水泥水化温度的精准调控，还可以因纤维收缩产生骨修复必需的孔隙，并通过纤维增强提高MPC的力学性能。

技术研发人员：张全超,汪会文,杨俊,罗红林,万怡灶
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31