一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法，其解決了現(xiàn)有材料不具有生物相容性、壓電特性差的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明提供的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，由具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料和聚合物基體構(gòu)成，具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料均勻分散在所述聚合物基體中；具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的核體為陶瓷顆粒，陶瓷顆粒的表面包覆有有機(jī)物包覆層。本發(fā)明同時(shí)提供壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明可廣泛用于骨修復(fù)復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種外科手術(shù)用修復(fù)材料，特別涉及一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及 其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 植入修復(fù)是目前治療大范圍骨缺損的主要手段。人工骨修復(fù)材料由于來(lái)源廣泛、 性能可控及成本低，在骨修復(fù)材料中占有重要地位。然而，目前所用的人工骨修復(fù)材料仍然 以占位性替代修復(fù)為主，不能像活體組織一樣隨生理負(fù)荷、電磁作用或生化刺激而做出相 應(yīng)反應(yīng)，即不具備生物反應(yīng)性，臨床長(zhǎng)期效果差、返修率高，從而使人體硬組織缺損的永久 替代修復(fù)理念受到了極大的挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)具有仿生電磁效應(yīng)的生物反應(yīng)性材料成為目 前人體硬組織修復(fù)材料的主要發(fā)展趨勢(shì)。
[0003] 骨組織是天然的壓電體，壓電效應(yīng)源于骨的膠原成分，通過(guò)完成機(jī)械能和電能的 相互轉(zhuǎn)換，可維持骨的正常生理活動(dòng)和新陳代謝，有利于骨的塑形、改建和功能維持。骨骼 因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化可促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)和愈合，即著名的Wolff定律。機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生直接的 壓電生物學(xué)效應(yīng)是：帶負(fù)電面（負(fù)極化）促進(jìn)骨形成，帶正電面（正極化）促進(jìn)骨吸收。因 此，由于骨組織的天然壓電特性在骨重建以及修復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵作用，勢(shì)必將為人工骨修 復(fù)材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供了一種新的思路。
[0004] 壓電陶瓷是一種具有長(zhǎng)期儲(chǔ)存真實(shí)電荷和保持極化狀態(tài)的陶瓷材料，而且該類(lèi)陶 瓷受壓以后在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微電流。生物醫(yī)學(xué)使用的壓電陶瓷正是利用陶瓷受壓后的微電 流刺激成骨的發(fā)生。大量研究表明鈦酸鋇（BaTi0 3)、鈮酸鋰鈉鉀（LNK)等壓電陶瓷均具有 良好的生物相容性，能夠增強(qiáng)成骨細(xì)胞的活性，并可引導(dǎo)新生骨質(zhì)的定向沉積，而且在與骨 組織的壓電性能相匹配方面突顯其優(yōu)勢(shì)。然而，這些壓電陶瓷不具備柔韌性、不易加工成 型，臨床操作性差，極大地限制了其廣泛應(yīng)用。聚合物如聚酯類(lèi)（?1^^、？11^、？(^)、聚偏氟 乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF)、聚偏氟-三氟乙烯（P(VDF-TrFE))、聚甲基丙烯酸 甲酯（PMMA)、聚二甲基硅氧烷（PDMS)等因具備良好的柔韌性、可加工性以及生物相容性， 與壓電陶瓷復(fù)合將不僅可保持良好的壓電特性，而且使得材料具備一定的柔韌性和臨床可 操作性，成為當(dāng)前壓電材料研究的主流方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有材料不具有生物相容性、壓電特性差的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具 有生物相容性、壓電特性較好的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明提供的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，由具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料和聚合 物基體構(gòu)成，具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料均勻分散在所述聚合物基體中；具有核殼結(jié)構(gòu) 的陶瓷顆粒填料的核體為陶瓷顆粒，陶瓷顆粒的表面包覆有有機(jī)物包覆層。
[0007] 優(yōu)選地，聚合物基體的成分為聚偏氟乙烯、聚偏氟-三氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯 和聚酯類(lèi)材料中的一種或多種。
[0008] 優(yōu)選地，聚酯類(lèi)材料為左旋聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物和聚己內(nèi)酯中的一 種或多種。
[0009] 優(yōu)選地，陶瓷顆粒的成分為鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇和羥基磷灰石中的一種或多種；有機(jī) 物包覆層的成分為多巴胺。
[0010] 優(yōu)選地，壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料為薄膜材料,厚度為40 μ m?100 μ m ;陶瓷顆粒 的直徑為30nm?500nm，有機(jī)物包覆層的厚度為lnm?10nm。 toon] 優(yōu)選地，具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料占?jí)弘娀钚怨切迯?fù)復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)為 1 %?20%，其余為聚合物基體。
[0012] 本發(fā)明同時(shí)提供一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷 顆粒填料的制備過(guò)程采用水溶液法完成；聚合物基體與具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的復(fù) 合成膜過(guò)程通過(guò)溶液共混以及澆鑄法完成。
[0013] 優(yōu)選地，具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的制備過(guò)程包括多巴胺溶液配制、納米顆 粒在多巴胺溶液中的分散、超聲攪拌、離心洗滌步驟。
[0014] 優(yōu)選地，一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其包括如下步驟：
[0015] (1)配制濃度為0. 01?0. lmol/L的有機(jī)物水溶液，取陶瓷顆粒超聲振蕩分散在有 機(jī)物水溶液中，形成濃度范圍為0. 01?0. lg/mL的溶液，在40°C?80°C下攪拌6h?12h， 離心、洗滌3?5次，得到有機(jī)物包覆的具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料；
[0016] (2)稱(chēng)取具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料置于有機(jī)溶劑中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌 lh?3h，使得具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料在溶劑中形成質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)范圍為1. 5%? 30 %的穩(wěn)定懸浮液；
[0017] (3)稱(chēng)取聚合物，加入有機(jī)溶劑，攪拌3h?8h使其完全溶解，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為 13. 3 %的聚合物溶液；
[0018] (4)將步驟⑵中所得懸浮液加入步驟⑶所得聚合物溶液中，攪拌6h?12h，使 得具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料均勻分散在聚合物基體中，得到所含陶瓷顆粒體積含量范 圍為1?20vol%的混合液；
[0019] (5)取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于40°C? l〇〇°C溫度下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
[0020] 本發(fā)明的有益效果為：
[0021] (1)本發(fā)明通過(guò)在納米陶瓷顆粒表面包覆有機(jī)物多巴胺，使得陶瓷顆粒與聚合物 基體之間引入過(guò)渡粘結(jié)層，有效改善了陶瓷顆粒與聚合物之間的界面，減少了由界面相容 性差引發(fā)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了陶瓷顆粒在聚合物基體中的均勻分散，提高了復(fù)合材料的壓電性 能，并保持了復(fù)合材料的良好柔韌性。
[0022] (2)本發(fā)明所制得的支架材料與成骨相關(guān)細(xì)胞具有良好的親和性，可促進(jìn)成骨細(xì) 胞的粘附、增殖和分化；體內(nèi)植入后可見(jiàn)材料具有良好的組織相容性。
[0023] (3)本發(fā)明所采用的制備和加工方法簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，能用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0024] 本發(fā)明所提供的骨修復(fù)復(fù)合材料在宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)上均具有良好的性能，在 骨修復(fù)過(guò)程中，為成骨相關(guān)細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和分化提供更適宜的微環(huán)境；此外，該制備方 法可使得骨修復(fù)材料具有良好的生物反應(yīng)性，有助于進(jìn)一步改善骨修復(fù)效果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所述鈦酸鋇納米陶瓷顆粒的透射電子顯微鏡照片；
[0026] 圖2A和圖2B為本發(fā)明實(shí)施例1所述具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米陶瓷顆粒的XPS 圖譜，其中圖2A指鋇元素的峰強(qiáng)因多巴胺包覆后而減弱；圖2B指氮元素的峰強(qiáng)因多巴胺包 覆后而增強(qiáng)；
[0027] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所述復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0028] 圖4A和圖4B為本發(fā)明實(shí)施例1所述復(fù)合材料的壓電性能和P-E曲線圖，其中圖 4A指復(fù)合材料的逆壓電效應(yīng)圖，壓電常數(shù)d33大約為27pm/V ;圖4B指復(fù)合材料的磁滯回 線，剩余極化強(qiáng)度大約為4μ C/cm2 ;
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所述修復(fù)材料的體外成骨細(xì)胞培養(yǎng)2天的掃描電子顯微鏡 照片；
[0030] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所述修復(fù)材料的體內(nèi)修復(fù)骨缺損12周后的Micro-CT照片 (左側(cè)為對(duì)照組，右側(cè)為壓電活性復(fù)合膜材料組）。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明提供了一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法，下面結(jié)合附圖和具體 實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0032] 實(shí)施例1
[0033] (1)配制濃度為0· Olmol/L的多巴胺水溶液，稱(chēng)取0· 2g直徑為30nm的BaTi03納米 陶瓷顆粒超聲振蕩分散在20mL多巴胺水溶液中，在40°C水浴條件下攪拌12h，離心、洗滌5 次，得到多巴胺包覆層厚度為lnm的具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米陶瓷顆粒填料（記為ΒΝΡ@ Dopa)；
[0034] (2)稱(chēng)取0· 45g BNPODopa置于5mL有機(jī)溶劑DMF中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌2h， 使得BNPODopa在溶劑中形成穩(wěn)定懸浮液；
[0035] (3)稱(chēng)取2g聚合物P (VDF-TrFE)，加入15mL有機(jī)溶劑DMF，攪拌4h使其完全溶解；
[0036] (4)將步驟⑵中所得懸浮液加至步驟⑶的聚合物溶液中，攪拌10h使得ΒΝΡ@ Dopa均勻分散在聚合物基體中，得到混合液；
[0037] (5)取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于40°C溫度 下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
[0038] 通過(guò)以上步驟所得的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料含有鈦酸鋇納米陶瓷顆粒和聚合 物P (VDF-TrFE)，其為薄膜狀材料，膜厚為60 μ m，納米陶瓷顆粒在壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材 料中的體積含量為6vol %。
[0039] 實(shí)施例2
[0040] (1)配制濃度為0· 05mol/L的多巴胺水溶液，稱(chēng)取0· 6g直徑為100nm的BaTi03納 米陶瓷顆粒超聲振蕩分散在20mL多巴胺水溶液中，在60°C水浴條件下攪拌10h，離心、洗 滌3次，得到多巴胺包覆層厚度為4nm的具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米陶瓷顆粒填料（記為 BNPiDopa)；
[0041] (2)稱(chēng)取0· 075g BNPODopa置于5mL有機(jī)溶劑DMF中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌lh， 使得BNPODopa在溶劑中形成穩(wěn)定懸浮液；
[0042] (3)稱(chēng)取2g聚合物PVDF，加入15mL有機(jī)溶劑DMF，攪拌3h使其完全溶解；
[0043] (4)將步驟⑵中所得懸浮液加至步驟⑶的聚合物溶液中，攪拌6h使得ΒΝΡ@ Dopa均勻分散在聚合物基體中，得到混合液；
[0044] (5)取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于60°C溫度 下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
[0045] 通過(guò)以上步驟所得的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料含有鈦酸鋇納米陶瓷顆粒和聚合 物PVDF，其為薄膜狀材料，膜厚為40 μ m，納米陶瓷顆粒在壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料中的體 積含量為lvol%。
[0046] 實(shí)施例3
[0047] (1)配制濃度為0· 08mol/L的多巴胺水溶液，稱(chēng)取1. 2g直徑為200nm的BaTi03納 米陶瓷顆粒超聲振蕩分散在20mL多巴胺水溶液中，在80°C水浴條件下攪拌6h，離心、洗滌4 次，得到多巴胺包覆層厚度為6nm的具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米陶瓷顆粒填料（記為ΒΝΡ@ Dopa)；
[0048] (2)稱(chēng)取0· 9g BNPODopa置于5mL有機(jī)溶劑DMF中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌2h，使 得BNPODopa在溶劑中形成穩(wěn)定懸浮液；
[0049] (3)稱(chēng)取2g聚合物P (VDF-TrFE)，加入15mL有機(jī)溶劑DMF，攪拌6h使其完全溶解； [0050] (4)將步驟（2)中所得懸浮液加至步驟（3)的聚合物溶液中，攪拌10h使得ΒΝΡ@ Dopa均勻分散在聚合物基體中，得到混合液；
[0051] (5)取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于80°C溫度 下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
[0052] 通過(guò)以上步驟所得的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料含有鈦酸鋇納米陶瓷顆粒和聚合 物P (VDF-TrFE)，其為薄膜狀材料，膜厚為80 μ m，納米陶瓷顆粒在壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材 料中的體積含量為12V〇l%。
[0053] 實(shí)施例4
[0054] (1)配制濃度為0· lmol/L的多巴胺水溶液，稱(chēng)取2g直徑為500nm的BaTi03納米 陶瓷顆粒超聲振蕩分散在20mL多巴胺水溶液中，在60°C水浴條件下攪拌10h，離心、洗滌3 次，得到多巴胺包覆層厚度為l〇nm的具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米陶瓷顆粒填料（記為ΒΝΡ@ Dopa)；
[0055] (2)稱(chēng)取1. 5g BNPODopa置于5mL有機(jī)溶劑DMF中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌3h，使 得BNPODopa在溶劑中形成穩(wěn)定懸浮液；
[0056] (3)稱(chēng)取2g聚合物PVDF，加入15mL有機(jī)溶劑DMF，攪拌8h使其完全溶解；
[0057] (4)將步驟⑵中所得懸浮液加至步驟⑶的聚合物溶液中，攪拌ia使得ΒΝΡ@ Dopa均勻分散在聚合物基體中，得到混合液；
[0058] (5)取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于100°C溫度 下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
[0059] 通過(guò)以上步驟所得的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料含有鈦酸鋇納米陶瓷顆粒和聚合 物PVDF，其為薄膜狀材料，膜厚為100 μ m，納米陶瓷顆粒在壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料中的 體積含量為20vol%。
【權(quán)利要求】
1. 一種壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征是所述壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料由具有核殼 結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料和聚合物基體構(gòu)成，所述具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料均勻分散在所 述聚合物基體中；所述具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的核體為陶瓷顆粒，所述陶瓷顆粒的 表面包覆有有機(jī)物包覆層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述聚合物基體的 成分為聚偏氟乙烯、聚偏氟-三氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚酯類(lèi)材料中的一種或多種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述聚酯類(lèi)材料為 左旋聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物和聚己內(nèi)酯中的一種或多種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述陶瓷顆粒的成 分為鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇和羥基磷灰石中的一種或多種；所述有機(jī)物包覆層的成分為多巴胺。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述壓電活性骨修 復(fù)復(fù)合材料為薄膜材料，厚度為40 μ m?100 μ m ;所述陶瓷顆粒的直徑為30nm?500nm，所 述有機(jī)物包覆層的厚度為lnm?10nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述具有核殼結(jié)構(gòu) 的陶瓷顆粒填料占所述壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)為1%?20%，其余為聚合物 基體。
7. 如權(quán)利要求1?6任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于：所述具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的制備過(guò)程采用水溶液法完成；所述聚合 物基體與具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的復(fù)合成膜過(guò)程通過(guò)溶液共混以及澆鑄法完成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述具 有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料的制備過(guò)程包括多巴胺溶液配制、納米顆粒在多巴胺溶液中的 分散、超聲攪拌、離心洗滌步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下 步驟： (1) 配制濃度為0. 01?0. lmol/L的有機(jī)物水溶液，取陶瓷顆粒超聲振蕩分散在有機(jī) 物水溶液中，形成濃度范圍為0.01?〇. lg/mL的溶液，在40°C?80°C下攪拌6h?12h，離 心、洗滌3?5次，得到有機(jī)物包覆的具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料； (2) 稱(chēng)取具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料置于有機(jī)溶劑中，采用超聲振蕩結(jié)合攪拌lh? 3h，使得具有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料在溶劑中形成質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)范圍為1. 5%?30%的 穩(wěn)定懸浮液； (3) 稱(chēng)取聚合物，加入有機(jī)溶劑，攪拌3h?8h使其完全溶解，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為 13. 3 %的聚合物溶液； (4) 將步驟（2)中所得懸浮液加入步驟（3)所得聚合物溶液中，攪拌6h?12h，使得具 有核殼結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒填料均勻分散在聚合物基體中，得到所含陶瓷顆粒體積含量范圍為 1?20vol %的混合液； (5) 取步驟（4)所得混合液于澆鑄裝置中澆鑄成膜，將所得膜材料置于40°C?100°C溫 度下烘干，使溶劑完全揮發(fā)，得到壓電活性骨修復(fù)復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】A61L27/46GK104208754SQ201410482669
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】鄧旭亮, 張學(xué)慧, 林元華, 衛(wèi)彥, 沈洋 申請(qǐng)人:北京大學(xué)口腔醫(yī)院