专利名称：一种可生物降解的高机械强度有机/无机复合水凝胶制备方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可生物降解的高机械强度有机/无机复合水凝胶，其含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒，本发明还涉及该复合水凝胶的制备方法以及其用途，属于生物医用复合材料领域。
背景技术：
人工骨修复和替代材料主要包括三种:金属材料(包括钛基合金、钴基合金等医用金属材料)；高分子材料(包括聚乙烯、聚乳酸等)；陶瓷材料(包括氧化铝陶瓷、生物玻璃陶瓷、磷酸钙基生物陶瓷等) 。金属假体存在松动、断裂、组织相容性差、不可降解等问题。一些可降解聚合物作为骨修复材料又存在如下问题:缺乏良好的细胞亲和性和亲水性，机械强度低等缺点。如广为应用的聚乳酸(PLA)、聚谷氨酸(PGA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等支架是疏水性材料，这不利于种子细胞在材料上的均匀分布和营养物质、细胞代谢产物等的渗透。而生物陶瓷成型性能不理想，且存在强度低、脆性大、韧性差等，这些都限制了其临床应用。羟基磷灰石(HAP)因其化学成分和晶体结构与人体骨骼组织的主要无机矿物成分基本相同，引入人体后不会产生排异反应，故其作为骨修复替代材料在国内外的临床应用历史已有几十年。但传统的羟基磷灰石颗粒尺寸大，因而脆性较大、缺乏可塑性、体内降解缓慢、生物力学强度和抗疲劳破坏强度较低，难于被机体完全替代、利用，使其临床应用受到限制。由于兼具羟基磷灰石优良的生物性能和高分子材料良好的力学性能、加工性能，纳米羟基磷灰石复合生物材料已成为骨损伤修复重建材料的热点，大致分为纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料和纳米羟基磷灰石/人工高分子复合材料两类。水凝胶是一类能在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的人工高分子材料，具有类似于自然关节软骨的三维网络结构且含有大量的自由水，从而具有一系列特殊的力学性质和生物功能，如可承受较大的形变、生物相容性好、化学性能稳定及良好的可成型性，而且具有和软骨相似的含水量和摩擦系数，使水凝胶/纳米羟基磷灰石复合材料在关节软骨修复领域有着广阔的应用前景。Kokubo报道了在模拟体液(SBF法)中利用生物矿化方法向高分子薄膜、陶瓷、金属基底镀上一层HAP(J.Non-Cryst.Solids 1990，120，138-151)，但这种方法需要2-3月的时间，不适合实际应用。Taguchi发现利用交替浸泡法可在凝胶内部生成HAP (Chem.Lett.1998，27，711-712)，即通过硝酸钙溶液扩散进入含磷酸根的硅凝胶内部，制备了 HAP和磷酸八钙(J.Mater.Res.24，2154-2160)。李兰等人制备了一种用于硬组织修复的含水凝胶/纳米羟基磷灰石的复合支架(CN201010504838.6)。首先通过静电纺丝制备“小血管”的可降解三维支架材料，然后将α-环糊精和纳米羟基磷灰石的混合液注入三维支架材料中制备出该种复合材料，可用于骨缺损位置的修复。杜予民等人申请了 “一种含羟基磷灰石纳米粒的壳聚糖/聚乙烯醇凝胶及其制备方法和用途”的专利(CN200710053011.6)，提供了两种制备方法:一是直接添加法，二是原位生成法。其原位生成法是通过将溶有氯化钙的壳聚糖溶液与溶有无水磷酸钠的聚乙烯醇溶液在冰浴和不断搅拌下混匀并置于凝胶温度下制备得到的。该种凝胶可作为药物载体或可注射型医用材料以及用于细胞培养。浸泡法较之SBF法有了很大的提升，往往只需要几天的时间，但仍然较慢，并且这种方法往往影响凝胶内部HAP的生成，很难在大尺度的三维结构上得到复合凝胶。Watanabe 采取电泳的方法(Biomacromolecules 2007，8，2288-2293)，实现了 HAP在琼脂糖凝胶体系内的原 位生成。电泳法作为一种全新的矿化手段，大大提高了离子的扩散速率，而且具有高效、方便调节矿化速率和引入的矿物粒子组分含量等优点。Liu等人在上述基础上，进行了深入的研究，提出了该种方法下聚丙烯酰胺体系内HAP的生长机理(J.Am.Chem.Soc.2009，131,9937-9939)。Watanabe和Liu等人虽然发现和深化了电泳作为一种HAP的矿化方法，但所选取的是弹性差、力学性能不高的琼脂糖天然凝胶和传统的化学交联凝胶，且HAP在凝胶内部的均匀分散不易实现，因此难以满足实际需求。而且传统化学凝胶是在化学交联剂或引发剂的作用下，通过化学反应形成共价键连接而成，当凝胶成型后，残留的化学交联剂或引发剂具有一定的毒性，限制了其实际应用。为了提高传统化学凝胶的强度，人们开始制备高强度的水凝胶。常见的高强度凝胶有纳米复合水凝胶、双网络水凝胶、拓扑水凝胶、点击化学水凝胶、偶极子增强水凝胶、疏水缔合水凝胶以及大分子微球水凝胶等。在大分子微球凝胶的原理上，我们衍生制备了一种过氧化胶束(PMIC)凝胶(Soft Matter，2011，7，2943-2952)。这种凝胶是通过对胶束采取预辐照处理，使胶束接枝上过氧化基团，在高温下引发单体聚合形成的，具有优异的力学性能。但该方法还难以获得可实用的水凝胶体系。
发明内容
为了得到具有实用价值的骨修复材料，本发明人通过锐意研究发现:通过采用选自过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶或聚乙烯醇水凝胶中的水凝胶作为进行矿化的基体，采用电泳的方法在水凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒，在水凝胶基体中大尺度区域范围内的均匀矿化，得到含羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机-无机复合水凝胶材料，该复合材料的力学性能得到明显改善，由于不使用交联剂或引发剂从而对机体无毒，适用于骨修复材料，进而完成本发明。本发明的目的提供一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料，该复合材料采用 选自过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶、或聚乙烯醇水凝胶中的水凝胶作为进行矿化的基体，并采用电泳的方法在凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒，其中羟基磷灰石与作为进行矿化的基体的水凝胶中的聚合物的质量比为1: 5 1: 3之间。本发明的另一目的在于提供一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料的制备方法，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(I)制备过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶；(2)对过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理；(3)原位制备纳米羟基磷灰石；当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(I)制备过氧化线性 高分子链聚丙烯酰胺水凝胶；(2)对过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理；(3)原位制备纳米羟基磷灰石；当所述有机/无机复合水凝胶材料采用聚乙烯醇水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(I)制备聚乙烯醇凝胶；(2)原位制备纳米羟基磷灰石。与共混法相比，根据本发明的有机/无机复合水凝胶材料中，HAP的分布更加均匀，不会发生团聚现象。对根据本发明的有机/无机复合水凝胶材料的力学性能表征后发现，与纯凝胶相比，根据本发明的有机/无机复合水凝胶材料的初始弹性模量和断裂强度均有明显提高，力学性能明显改善。而且羟基磷灰石的引入不仅增强了凝胶的力学性能，同时还提高了材料的生物活性，使复合凝胶有利于钙磷沉积和成骨细胞黏附、扩展和增殖，很大程度上可提高材料的骨诱导活性和成骨能力，使其在关节软骨的修复及作为组织工程材料等领域具有应用价值。
图1示出了根据本发明方法制备有机-无机复合水凝胶材料的装置结构示意图；其中，1-磷酸氢二钠溶液；2-根据本发明的复合水凝胶材料；3-氯化钙溶液；
4-电源。图2示出了水凝胶和根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料的外观照片，其中a)为水凝胶，b)为根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料。图3示出了水凝胶和根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料的扫描电镜(SEM)照片，其中a)为水凝胶，b)为根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料。图4示出了根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料的拉伸曲线；其中，1表示氯化钙浓度为0.1M, 2表示氯化钙浓度为0.05M, 3表示氯化钙浓度为OM0图5示出了根据本发明的有机-无机复合水凝胶材料的压缩曲线；其中，I表示氯化I丐浓度为0.10M, 2表示氯化I丐浓度为0M。
具体实施例方式以下结合具体实施方式
对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚明确。在本文中，所用术语“水凝胶”或“凝胶”的意思相同，二者可互换使用。
一方面，本发明提供一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料，该复合材料采用选自过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶或聚乙烯醇水凝胶中的水凝胶作为进行矿化的基体，并采用电泳的方法在凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒，其中羟基磷灰石与作为进行矿化的基体的水凝胶中的聚合物的质量比为1:5 1:3之间。在根据本发明的有机/无机复合水凝胶材料中，作为进行矿化的基体，使用过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶或聚乙烯醇水凝胶。这些水凝胶具有高强度，适于作为矿化基体。在根据本发明的有机/无机复合水凝胶材料中，采用电泳的方法在凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒。 与共混法相比，利用电泳法生成羟基磷灰石颗粒，会使得羟基磷灰石颗粒在矿化基体中分布更加均匀，而且不会发生团聚现象。此外，通过电泳法生成羟基磷灰石颗粒，所得颗粒尺寸可以控制，通过不同的离子溶液浓度可以制备不同尺寸的羟基磷灰石颗粒。另一方面，本发明还提供上述含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料的制备方法，其中羟基磷灰石与作为进行矿化的基体的水凝胶中的聚合物的质量比为1: 5 1: 3之间，本发明的制备方法以如下所述的三种实施方式进行:根据第一种实施方式，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(I)制备过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶；(2)对过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理；(3)原位制备纳米羟基磷灰石；根据第二种实施方式，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(1)制备过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶；(2)对过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理；(3)原位制备纳米羟基磷灰石；根据第三种实施方式，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用聚乙烯醇水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤:(1)制备聚乙烯醇凝胶；(2)原位制备纳米羟基磷灰石。以下具体描述这三种实施方式。在本发明制备方法的第一种实施方式中，步骤(I)制备过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶包括以下子步骤:①配制聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物胶束水溶液，将其转移至玻璃容器中，所述容器可以是圆柱形的玻璃大试管，在通氧的条件下，通过预辐射法，例如采用60Co Y -射线辐照，得到过氧化的表面活性剂溶液，其中所述嵌段共聚物胶束水溶液的浓度优选为5 15g/L,还优选6 14g/L,甚至更优选8 12g/L,最优选10g/L,所述嵌段共聚物例如可以是EOltl6PO7ciEO106 ；②准备丙烯酰胺单体或水溶液，优选将其配制成3 10M，优选4 SM，更优选5 7M的溶液；③将过氧化的表面活性剂溶液和丙烯酰胺单体或丙烯酰胺单体溶液以1:1 5，优选1:1 2，更优选1:1 3的体积比混合均匀，转移至模具中，所述模具可以是玻璃板材料，放置于真空保干器内，将真空保干器抽真空后通入惰性气体，优选氮气；④把真空保干器放在40-60°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间优选为12 72小时，更优选24 48小时，还更优选36小时，即可得到水凝胶。在本发明制备方法的第一种实施方式中，步骤(2)对过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻- 解冻处理包括以下子步骤:①定向冷冻:将制备好的水凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，在盛有液氮的容器内匀速下降，在凝胶所有部分均被冻住以后停止下降，一般在10分钟左右；②在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻；③循环重复进行上述子步骤①和②，优选循环重复进行3 8次，更优选4 6次，最优5次。在本发明制备方法的第一种实施方式中，步骤(3)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤:①将制备好的水凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至期望的含水量，例如75wt%、80wt%、85wt%、或90wt%的含水量；②将溶胀好的水凝胶放置在两块玻璃板之间，并夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与水凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (例如优选0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与P043_和ΗΡ042_在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米
羟基磷灰石。图1示出了根据本发明方法制备有机-无机复合水凝胶材料的装置结构示意图。在上述子步骤②中，当电源接通后，在电压的作用下，Ca2+向负极迁移，P043_和ΗΡ042_向正极迁移，凝胶是它们通过的唯一通道，因此当Ca2+与P043_和ΗΡ042_在凝胶内部相遇时即发生反应，得到纳米羟基磷灰石。在本发明制备方法的第二种实施方式中，步骤(I)制备过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶包括以下子步骤:①配制聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液，将其转移至玻璃容器中，所述容器可以是圆柱形的玻璃大试管，在通氧的条件下，通过预辐射法，例如采用6tlCo- Y射线辐照，得到过氧化的线性高分子溶液，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液的质量比浓度优选为0.1 0.8%，更优选0.15 0.6%，还更优选0.2 0.4%，最优选0.25% ；②准备丙烯酰胺单体或水溶液，优选将其配制成3 10M，优选4 SM，更优选5 7M的水溶液；③将过氧化的线性高分子溶液和丙烯酰胺单体或丙烯酰胺单体溶液以1:1 5，优选1:1 3，更优选1:1 2的体积比混合均匀，转移至模具中，所述模具可以是玻璃板材料，放置于真空干燥器内，将真空干燥器抽真空后通入惰性气体，优选氮气；
④把真空干燥器放在40-60°C环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间优选为12 72小时，更优选24 48小时，还更优选36小时，即可得到水凝胶；在本发明制备方法的第二种实施方式中，步骤(2)对过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶进行循环 冷冻-解冻处理包括以下子步骤:①定向冷冻:将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，在盛有液氮的容器内匀速下降，在凝胶所有部分均被冻住以后停止下降，一般在10分钟左右；②在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻；③循环重复进行上述子步骤①和②，优选循环重复进行3 8次，更优选4 6次，最优5次。在本发明制备方法的第二种实施方式中，步骤(3)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤:①将制备好的水凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至期望的含水量，例如 75wt%、80wt%、85wt%、90wt% 的含水量；②将溶胀好的水凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (例如优选0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与PO43IP ΗΡ042_在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米HAP。在本发明制备方法的第三种实施方式中，步骤(I)制备聚乙烯醇凝胶包括以下子步骤:①配制聚乙烯醇水溶液，将该溶液注入容器内，所述容器包括在两块聚四氟乙烯板之间放置的硅胶框，再在聚四氟乙烯板外紧贴两块铁板，采用循环定向冷冻-解冻法制备水凝胶，例如循环4次，即得到水凝胶，其中聚乙烯醇水溶液质量比浓度优选为60 96 %，更优选70 95 %，还更优选85 93 %，最优选90 %。在本发明制备方法的第三种实施方式中，步骤(2)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤:①将制备好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (例如优选0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与P043_和ΗΡ042_在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米HAP。在根据本发明的制备方法中，无论在第一种、第二种还是第三种实施方案中，电泳仪所用电源为直流电源，优选为恒流20mA电源；所用的磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液的浓度优选为 0.1M, 0.06M, 0.15M, 0.09M。与现有技术相比，本发明具有如下优点:(I)本发明采用了通过预辐射法制备的高强度过氧化胶束聚丙烯酰胺凝胶及过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺凝胶，该凝胶与传统化学凝胶相比，不仅具有较高的强度和回复性能，而且以预辐射的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物(EOici6PO7ciEOltl6,Pluronic F127)或PVP为引发剂和交联剂避免了传统化学交联剂残存引起的毒性问题。
(2)本发明采用的制备方法得到的无机粒子的尺寸是可以控制的，不同含水量的凝胶、不同的离子溶液浓度制备的无机粒子尺寸是不同的，其大小范围在500nm-l μ m。(3)本发明还采用了循环定向冷冻-解冻法处理凝胶，通过处理后的凝胶微观结构有所变化，从而能在大尺度上使磷酸钙更加均匀的分布。(4)本发明采用的方法安全，简单有效，适用范围广。此外，羟基磷灰石具有较好的生物相容性，另外水凝胶也具有较好的生物功能，HAP的引入使复合凝胶有利于 钙磷沉积和成骨细胞黏附、扩展和增殖，很大程度上可提高材料的骨诱导活性和成骨能力，在关节软骨的修复及作为组织工程材料等领域具有潜在应用价值。因此，本发明又一方面提供了含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料的用途，作为骨修复材料，如用于关节软骨的修复，以及作为组织工程材料，其中，该复合材料采用选自过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶或聚乙烯醇水凝胶中的水凝胶作为进行矿化的基体，并采用电泳的方法在凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒，其中羟基磷灰石与作为进行矿化的基体的水凝胶中的聚合物的质量比为1: 5 1: 3之间。以下通过反理性的实施例来进一步描述本发明，但本发明并不限于这些实施方式。实施例1:(I)过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶的制备①配制浓度为10g/L的PF 127水溶液IOOmL,转移至150mL圆柱形玻璃大试管中，在室温和通氧的条件下，采用6tlCo Y-射线辐照8h，辐照剂量率为2.5kGy/h，得到过氧化的表面活性剂溶液；②配制7M丙烯酰胺单体溶液水溶液；③取过氧化的表面活性剂溶液50mL和单体溶液IOOmL混合均匀，取混合溶液12mL转移至玻璃板模具中，放置于真空保干器内，将该容器抽真空后通入氮气，循环3次；④把反应容器放在50°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间为36小时，得到水凝胶，外观照片和SEM照片分别如图2a和图3a所示。(2)过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶的循环冷冻-解冻处理将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，以1.5mm/min的速率在盛有液氮的容器内匀速下降，10分钟左右以后，凝胶所有部分均被冻住，停止下降。在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻。解冻以后再次定向冷冻，解冻，循环重复5次。(3)原位制各纳米羟某磷灰石将制备好的凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至含水量分别为75wt %，80wt %，85wt %，90wt % ;溶胀好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用磷酸氢二钠和氯化钙溶液浓度系列分别为0.1Μ，0.06M ;0.05Μ，0.03M。对于 75wt%、80wt%的含水量，接通电源 9 小时；对于 85wt%、90wt%的含水量，接通电源12小时，得到有机/无机复合水凝胶材。所得复合凝胶材料的外观照片和SEM照片分别如图2b和图3b所示。通过与图2a和图3a比较发现，过氧化 胶束纯凝胶是透明的，而复合凝胶材料则是白色的。所得复合凝胶材料的压缩曲线和拉伸曲线分别示于图4和5中。由图4和5可知，本发明复合凝胶材料的拉伸性能和压缩性能均比纯凝胶(0M时)高，且所用离子溶液磷酸氢二钠和氯化钙溶液浓度越高，力学性能提升越显著。另外，由图4可知，当含水量为90%，氯化钙浓度为0.1M时，本发明复合凝胶材料的断裂强度为0.13MPa。实施例2:(1)过氧化胶束丙烯酰胺水凝胶的制备①配制浓度为10g/L的PF 127水溶液IOOmL,转移至150mL圆柱形玻璃大试管中，在室温和通氧的条件下，采用6tlCo Y-射线辐照8h，辐照剂量率为2.5kGy/h，得到过氧化的表面活性剂溶液；②取过氧化的表面活性剂溶液50mL用于溶解丙烯酰胺单体，加入单体和水配制成150mL的6M丙烯酰胺的溶液，取溶液12mL转移至玻璃板模具中，放置于真空保干器内，将该容器抽真空后通入氮气，循环3次；③把反应容器放在50°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间为36小时，得到水凝胶。(2)过氧化胶束丙烯酰胺水凝胶的循环冷冻-解冻处理将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，以1.5mm/min速率在盛有液氮的容器内匀速下降，10分钟左右以后，凝胶所有部分均被冻住，停止下降。在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻。解冻以后再次定向冷冻，解冻，循环重复5次。(3)原位制各纳米羟某磷灰石将制备好的凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至含水量分别为85%,90% ;溶胀好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用的离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度系列为0.1M，0.06M。接通电源12小时)，得到有机/无机复合水凝胶材。力学性能表征结果表明，引入HAP以后对凝胶的力学性能有所提高，当含水量85%时，离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度为0.1M、0.06M时，所得凝胶复合材料的最大断裂强度为0.30MPa，最大压缩强度为23MPa。实施例3:(1)过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶的制备①配制浓度为10g/L的PF 127水溶液IOOmL,转移至150mL圆柱形玻璃大试管中，在室温和通氧的条件下，采用6tlCo Y-射线辐照8h，辐照剂量率为2.5kGy/h，得到过氧化的表面活性剂溶液；
②取过氧化的表面活性剂溶液30mL用于溶解丙烯酰胺单体，加入单体和水配制成150mL的5M丙烯酰胺的溶液，取混合溶液12mL转移至玻璃板模具中，放置于真空干燥器内，将该容器抽真空后通入氮气，循环3次；③把反应容器放在50°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间为36小时，得到水凝胶。(2)过氧化胶束 聚丙烯酰胺水凝胶的循环冷冻-解冻处理将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，以1.5mm/min的速率在盛有液氮的容器内匀速下降，10分钟左右，凝胶所有部分均被冻住，停止下降。在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻，解冻以后再次定向冷冻，循环5次。(3)原位制各纳米羟某磷灰石将制备好的凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至含水量分别为80wt%，85wt%，90wt% ;溶胀好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用的离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度系列为0.15M，0.09M。对于80wt%含水量，接通电源9小时；对于85wt%、90wt%含水量，接通电源12小时，得到有机/无机复合水凝胶材。力学性能表征结果表明，引入HAP以后对凝胶的力学性能有所提升。当含水量85%时，离子溶液浓度为0.15M、0.09M时，所得复合凝胶的最大断裂强度为0.24MPa，当含水量80%时，离子溶液浓度为0.15M、0.09M时，所得复合凝胶的最大压缩强度为22MPa。实施例4:(1)过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶的制备①配制浓度为10g/L的PF 127水溶液IOOmL,转移至150mL圆柱形玻璃大试管中，在室温和通氧的条件下，采用6tlCo Y-射线辐照8h，辐照剂量率为2.5kGy/h，得到过氧化的表面活性剂溶液；②取过氧化的表面活性剂溶液30mL用于溶解丙烯酰胺单体，加入单体和水配制成150mL的7M丙烯酰胺的溶液，取混合溶液12mL转移至玻璃板模具中，放置于真空干燥器内，将该容器抽真空后通入氮气，循环3次；③把反应容器放在50°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间为36小时，得到水凝胶。(2)过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶的循环冷冻-解冻处理将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，以1.5mm/min的速率在盛有液氮的容器内匀速下降，10分钟左右，凝胶所有部分均被冻住，停止下降。在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻，解冻以后再次定向冷冻，循环5次。(3)原位制各纳米羟某磷灰石将制备好的凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至含水量分别为75%,80%,85%,90% ;溶胀好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用的离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度系列为
0.ΙΜ,Ο.06Μ。对于75%，80wt%含水量，接通电源9小时；对于85wt%、90wt%含水量，接通电源12小时，得到有机/无机复合水凝胶材。力学性能表征结果表明，引入HAP以后对凝胶的力学性能有所提升。当含水量85%时，离子溶液浓度为0.ΙΜ,Ο.06Μ时，所得复合凝胶材料的最大断裂强度为0.50MPa，含水量75%时，离子溶液浓度为0.ΙΜ,Ο.06Μ时，所得复合凝胶材料的最大压缩强度为32MPa。实施例5:(1)聚乙烯醇水凝胶的制备配制质量比为90%的聚乙烯醇水溶液，将该溶液用注射器注入以下容器内，所述容器在两块聚四氟乙烯板之间放一个长方形的硅胶框，厚1mm，再在聚四氟乙烯板外紧贴两块铁板，采用循环定向冷冻-解冻法制备凝胶，循环4次，即得到凝胶。(2)原位制各纳米HAP将制备好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用的离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度系列为0.15M、
0.09M。接通电源4小时，得到有机/无机复合水凝胶材。经过扫描电镜观察，聚乙烯醇凝胶内部含有HAP无机粒子。实施例6:(1)过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶的制备①配制质量比为0.25%的PVP水溶液IOOmL,转移至150mL圆柱形玻璃大试管中，在室温和通氧的条件下，采用6tlCo Y-射线辐照4h，辐照剂量率为2.5kGy/h，得到过氧化的PVP溶液；②过氧化的PVP溶液30mL用于溶解丙烯酰胺单体，加入丙烯酰胺单体和水配制成150mL的5M丙烯酰胺的溶液，取混合溶液12mL转移至玻璃板模具中，放置于真空保干器内，将该容器抽真空后通入氮气，循环3次；③把反应容器放在50°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，反应时间为36小时，得到水凝胶。(2)过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶的循环冷冻-解冻处理将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，以1.5mm/min的速率在盛有液氮的容器内匀速下降，10分钟左右，凝胶所有部分均被冻住，停止下降。在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻，解冻以后再次定向冷冻，循环5次。(3)原位制各纳米HAP将制备好的凝胶用含有Tris-HCl (pH = 8.0)的氯化钙溶液溶胀至含水量分别为75wt %，80wt %，85wt %，90wt % ;溶胀好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持在电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路。电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并连接电源的负极，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl (0.4M，pH = 8.0)的氯化钙溶液并连接电源的正极，选用电流为恒流20mA。选用的离子溶液磷酸氢二钠溶液和氯化钙溶液浓度系列为0.15M，0.09M。对于75wt%，80wt%含水量，接通电源9小时；对于85wt%、90wt%含水量，接通电源12小时，得到有机/无机复合水凝胶材。力学性能表征 结果表明，引入HAP以后，所得复合凝胶材料的力学性能有所提高。当含水量80%时，离子溶液浓度为0.ΙΜ,Ο.06Μ时，所得复合凝胶材料的最大断裂强度为
0.30MPa。该方法还适用于琼脂糖凝胶，说明其适用范围广。以上实例仅为本发明的部分实例，在上述说明的基础上还可以做其他变化，无法一一列举，在此基础上做出的均等变化与修饰，皆属于本发明的范围之内。文中所述参考文献在此全文引入，以作参考。
权利要求
1.一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料，该复合材料采用选自过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶、或聚乙烯醇水凝胶中的水凝胶作为进行矿化的基体，并采用电泳的方法在凝胶内部原位生成纳米羟基磷灰石颗粒，其中羟基磷灰石与作为进行矿化的基体的水凝胶中的聚合物的质量比为1: 5 1: 3之间。
2.根据权利要求1所述的含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料，其中轻基磷灰石纳米颗粒的尺寸为500nm_l μ m。
3.一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料的制备方法，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤: (1)制备过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶； (2)对过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理； (3)原位制备纳米羟基磷灰石； 当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤: (1)制备过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶； (2)对过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理； (3)原位制备纳米羟基磷灰石； 当所述有机/无机复合水 凝胶材料采用聚乙烯醇水凝胶作为进行矿化的基体时，该方法包括以下步骤: (1)制备聚乙烯醇凝胶； (2)原位制备纳米羟基磷灰石。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时， 步骤(I)制备过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶包括以下子步骤: ①配制聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物胶束水溶液，将其转移至玻璃容器中，在通氧的条件下，通过预辐射法，例如采用6tlCo Y -射线辐照，得到过氧化的表面活性剂溶液； ②准备丙烯酰胺单体或水溶液； ③将过氧化的表面活性剂溶液和丙烯酰胺单体或丙烯酰胺单体溶液以1:1 5，优选1:1 2，更优选1:1 3的体积比混合均匀，转移至模具中，放置于真空保干器内，将真空保干器抽真空后通入惰性气体； ④把真空保干器放在40-60°C的环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，即可得到水凝胶； 步骤(2)对过氧化胶束聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理包括以下子步骤: ①定向冷冻:将制备好的水凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，在盛有液氮的容器内匀速下降，在凝胶所有部分均被冻住以后停止下降； ②在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻；③循环重复进行上述子步骤①和②，优选循环重复进行3 8次，更优选4 6次，最优5次； 步骤(3)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤: ①将制备好的水凝胶用含有Tris-HCl的氯化钙溶液溶胀至期望的含水量； ②将溶胀好的水凝胶放置在两块玻璃板之间，并夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与水凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与P043_和ΗΡ042_在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米羟基磷灰石。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤(I)中，在子步骤①中，所述共聚物胶束水溶液浓度为5 15g/L,优选6 14g/L,更优选8 12g/L,最优选10g/L,所述共聚物是EO106PO70EO106 ;和 / 或 在子步骤②中，丙烯酰胺单体水溶液浓度为3 10M，优选4 8M，更优选5 7M ; 和/或 在子步骤④中，单体聚合反应时间为12 72小时，优选24 48小时，更优选36小时。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶作为进行矿化的基体时， 步骤(I)制备过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶包括以下子步骤: ①配制聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液，将其转移至玻璃容器中，在通氧的条件下，通过预辐射法，例如采用6tlCo-Y射线辐照，得到过氧化的线性高分子溶液； ②准备丙烯酰胺单体或水溶液； ③将过氧化的线性高分子溶液和丙烯酰胺单体或丙烯酰胺单体溶液以1:1 5，优选1:1 3，更优选1:1 2的体积比混合均匀，转移至模具中，放置于真空干燥器内，将真空干燥器抽真空后通入惰性气体； ④把真空干燥器放在40-60°C环境中反应，过氧化物在加热条件下发生分解产生自由基，引发单体聚合，即可得到水凝胶； 步骤(2)对过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺水凝胶进行循环冷冻-解冻处理包括以下子步骤: ①定向冷冻:将制备好的凝胶夹在两块聚四氟乙烯板之间，然后在聚四氟乙烯板的外面贴上两块铁板，在盛有液氮的容器内匀速下降，在凝胶所有部分均被冻住以后停止下降； ②在定向冷冻完成后，将凝胶置于室温下解冻； ③循环重复进行上述子步骤①和②，优选循环重复进行3 8次，更优选4 6次，最优5次； 步骤(3)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤: ①将制备好的水凝胶用含有Tris-HCl的氯化钙溶液溶胀至期望的含水量； ②将溶胀好的水凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与PO/—和HPO42-在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米HAP。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，在步骤(I)中，在子步骤①中，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液的质量比浓度为0.1 0.8%，优选0.15 0.6%，更优选0.2 0.4%，最优选 0.25% ； 和/或 在子步骤②中，丙烯酰胺单体水溶液浓度为3 10M，优选4 8M，更优选5 7M ; 和/或 在子步骤④中，单体聚合反应时间为12 72小时，优选24 48小时，更优选36小时。
8.根据权利要求3的方法，其特征在于，当所述有机/无机复合水凝胶材料采用聚乙烯醇水凝胶作为进行矿化的基体时， 步骤(I)制备聚乙烯醇凝胶包括以下子步骤: ①配制聚乙烯醇水溶液，将该 溶液注入容器内，所述容器包括在两块聚四氟乙烯板之间放置的硅胶框，再在聚四氟乙烯板外紧贴两块铁板，采用循环定向冷冻-解冻法制备水凝胶，即得到水凝胶； 步骤(2)原位制备纳米羟基磷灰石包括以下子步骤: ①将制备好的凝胶放置在两块玻璃板之间，夹持于电泳仪上，电泳仪两极的溶液分别通过与凝胶接触形成通路，电泳仪上方的槽盛放磷酸氢二钠溶液并与电源负极相连，电泳仪下方的槽盛放含有Tris-HCl的氯化钙溶液并与电源正极相连，当电源接通后，Ca2+与PO43-和ΗΡ042_在凝胶内部相遇时发生反应，得到纳米羟基磷灰石。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在步骤(I)中，在子步骤①中，聚乙烯醇水溶液质量比浓度为60 96 %，优选70 95 %，更优选85 93 %，最优选90 %。
10.根据权利要求1或2所述的含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的有机/无机复合水凝胶材料作为骨修复材料的用途，如用于关节软骨的修复，以及作为组织工程材料。
全文摘要
本发明涉及一种含有羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒的复合凝胶及其制备方法和用途。该复合凝胶中无机成分为原位制备的HAP纳米颗粒，有机基体为预辐射法制备的过氧化胶束(pMIC)聚丙烯酰胺凝胶、过氧化线性高分子链聚丙烯酰胺凝胶或聚乙烯醇凝胶，复合凝胶中HAP与聚合物的质量比为1∶5～1∶3之间。本发明利用了循环冷冻一解冻法处理凝胶，然后用电泳法在凝胶内部原位生成HAP纳米颗粒。该方法使HAP较为均匀地分散在凝胶内部，且得到了空心球结构的HAP，不仅增强了材料的力学性能，同时提高了材料的生物活性，使其在关节软骨的修复及作为组织工程材料方面具有潜在的应用价值。
文档编号C08F220/56GK103087455SQ20111033209
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者李志勇, 贺昌城, 汪辉亮, 苏允兰, 王笃金 申请人:中国科学院化学研究所