（生物医学工程专业论文）羟基磷灰石聚乳酸复合生物材料的制备及性能研究.pdf

a b s t r a c t p o l yl a c t i d ei sa ni m p o r t a n tb i o d e g r a d a b l ep o l y m e r , a n dh y d r o x y a p a t i t ei st h e b a s i c c o m p o n e n t o fh u m a nb o n e s t h eh a p l a c o m p o s i t e s a r e t y p i c a l r e p r e s e n t a t i v e s o f i n o r g a n i c o r g a n i cc o m p o s i t eb i o m a t e r i a l s t h e y h a v e g o o d b i o c o m p a t i b i l i t ya n di m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f b o n er e p a i r s n o w a d a y s ，t h e r ea r em a n ym e t h o d st op r e p a r ep l a h ac o m p o s i t e s ，s u c ha s m e l t i n gb l e n dm e t h o d ，a q u ad i s p e r s i o nm e t h o da n di n s u i tp o l y m e r i z a t i o nm e t h o d t h o s em e t h o d sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，b u ta p p l i c a t i o n sa r el i m i t e db e c a u s eo ft h e l o wm o l e c u l a rw e i g h to fp l aa f t e rm e l tp r o c e s s ，t h ei n t e r f u s i o no fo r g a n i ci m p u r i t y , n o n u n i f o r m i t yd i s p e r s eo fh a i np l am a t r i xa n dd i f f i c u l t yo fb a t c hp r o d u c t i o n i n o r d e rt og e to v e rt h e s ed i s a d v a n t a g e s ，w eu s e do r i g i n a lm e t h o d s o l u t i o na d s o r p t i o n t e c h n i q u et op r e p a r eh a p l ac o m p o s i t eb i o m a t e r i a l s t h em e t h o dh a sm a n y a d v a n t a g e sa n dt h eh a p l ac o m p o s i t e sp r e p a r e db ys o l u t i o n a d s o r p t i o nt e c h n i q u e h a v eg o o dm e c h a n i c a ls t r e n g t h w h e nt h ec o n t e n to fh aw a s1 0 ，t h et e n s i l e s f f e n g t hr e a c h e d4 3 m p a ，t h eb e n d i n gs t r e n g t hc o m eu p t o1 2 8 0 m p a ，a n dt h eb e n d i n g m o d u l u sc o m et o2 6 g p a t h eh ap a r t i c l e sd i s p e r s e du n i f o r m l yi nt h ep l am a t r i x a st ot h ec o m p o s i t e s t h ei n t e r f a c ea d h e s i o nb e t w e e ne n h a n c e dm a t e r i a l sa n d p o l y m e rm a t r i xi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep e r f o r m a n c e i nt h es t u d y , h y d r o x y a p a t i t e p a r t i c l e sw e r em o d i f i e dr e s p e c t i v e l yb y7 - m e t h a c r y l o x y p o p y lt r i m e t h o x y s i l a n e ，p o l y v i n y la l c o h o la n dp o l ya c r y l i ca c i d t h r o u g ht h et e s t so fc o n t a c ta n g l ea n df t - i ro f h ap a r t i c l e s ，i ti n d i c a t e dt h a tt h en e ws i - o - pb a n da p p e a r e dw h i c hw a sf o r m e db y i n t e r a c t i o no ft h es i l i c o r m t em o l e c u l ea n dh y d r o x y a p a t i t e - o hg r o u p s t h em o d i f i e d h a p a r t i c l e sw e r eu r t h y d r o p h i l i c p v ar e a c t e do nt h eh ab yr i g h to fm a s sh y d r o g e n b o n d i n ga n dt h ec h e l a t i o nw a sf o r m e db e t w e e np a a a n dc a l c i u mi o no nt h es u r f a c e o fh a t h es e ma n dm e c h a n i c a ls t r e n g t ht e s t sp r o v e dt h a tt h et e n s i l ea n db e n d i n g s t r e n g t h si n c r e a s e dr e m a r k a b l y a n dt h eh ap a r t i c l e sw e r ep a c k e db yt h ep l am a t r i x t i g h t l y i nv i t r o1 2w e e k s d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t so fc o m p o s i t e s ，t h ea l t e r a t i o no fp h v a l u e sa n dt h ew e i g h t so fc o m p o s i t e sc h a n g e di n d i s t i n e t i v e l yc o m p a r e dw i t hp u r e p l am a t e r i a l t h ee x i s t e n to fh a p a r t i c l e sc o u l dn e u t r a l i z et h ea c i dp r o d u e e di n 血e i l p r o c e s so fp l ad e g r a d a t i o na n da v o i da x e n i ci n f l a m m a t i o n k e yw o r d ：h y d r o x y a p a t i t e ；p o l yl a c t i d e ；s o l u t i o n a d s o r p t i o nt e c h n i q u e c o m p o s i t em a t e r i a l ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ； i i i 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章前言 传统的骨折内固定材料一般由不锈钢、钛及其合金制成。由于皮质骨骼的 刚性与金属的刚性相差悬殊，导致高刚性的金属内固定装置阻碍骨折部位周围 骨痂的快速形成，破坏骨骼愈合过程中应该承受的正常应力环境，易引起骨质疏 松和骨萎缩，而且金属内固定材料植入体内后需要进行二次手术取出，取出后 仍需一定时间的后愈合阶段，即使使用中阶刚性的金属内固定装置，也存在相同 的问题。因此，有着优异性能的可吸收高分子内固定材料逐渐成为骨固定装置 的理想材料。与传统金属骨内固定材料相比1 1 1 ，其有着良好的生物相容性，术后 无需二次手术取出，骨缺损愈合后材料在体内自然降解吸收，而且还有着应力 屏蔽小、不存在因金属腐蚀产生的组织反应、不干扰c t 或核磁成像等优点。 可吸收聚合物包括脂肪聚酯、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚酸酐等【2 】。其中聚乳 酸因具备良好的生物相容性、生物降解性、无毒，在医学上用作医用免拆线的 外科手术缝合线、骨修复材料、药物控制释放材料、人工骨、人造皮肤、眼科 植入材料等。 1 2 聚乳酸的性质 聚乳酸( p o l yl a c t i d e ，p l a ) 黼n 种合成方法；一种是乳酸直接缩合法：另 一种是先由乳酸合成丙交酯，再在催化剂作用下的开环聚合法f 3 1 。前者生产工艺 简单，是降低p l a 成本的重要途径，但该缩聚反应进行到一定程度时体系会出 现平衡奁，园此很难得到高分子量的p l a 。目前制备高分子量的p l a 一般采用 后一种方法。作为合成单体的乳酸是手性分子，以两种立体异构形式存如图1 - 1 。 0 h ，c u i o h 。5 。 0 h h o o c - 、i 。h 图1 1 乳酸分子的两种立体异构形式 f i g 1 - 1 t w ok i n d so f i s o m e ro f l a c t i ca c i d 武汉理工大学硕士学位论文 。拶二憩，c h v ； c - 一o c h ；e 拶二戈如 l 丙交酯d 丙交酯 m e s o 一丙交酯 l r _ j d ，l 丙交酯 图1 24 种不同旋光性丙交酯 f i g 1 2 f o u r k i n d s o f o p t i c a la c t i v i t y o f l a c t i d e 四种丙交酯都可以单独聚合，也可以共聚。其中聚右旋乳酸( p d l a ) 和聚左 旋乳酸( p l l a ) 是两种有规立构聚合物，具有光学活性，聚合物链排列比较规整， 有较高的结晶度和机械强度，适合用于需要高机械强度和韧性的地方，如缝合 线、肘钉和矫形器件等。聚外消旋乳酸( p d l l a ) 无光学活性，呈非晶态，适用于 作药物载体或骨折内固定器，m e s o p l a 属内消旋，它是丙交酯中最易水解、最 难结晶的一种，很难提纯和保存。并且机械强度最低，内消旋丙交酯经常不是 目标产物，而是不希望得到的副产品h j 。 一般p l l a 比p d l l a 易达到高分子量，力学强度较高，而较多应用于骨内 固定材料，但其缓慢降解后易出现并发症，在生物相容性方面比p d l l a 差垆。 因此，我们制备了超高分子量的p d l l a 作为骨折内固定材料。本论文所使用的 自制p d l l a 重均分子量达到4 9 2 万。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 聚乳酸类复合材料 单纯的聚乳酸材料脆性大，骨结合能力较低，不具有骨传导性。在临床使用 中，修复骨缺损的速度很慢，尤其是对于较大的骨质缺损，仅用聚合物难以达 到完全骨修复，而且只有中等的初始机械强度，不能作为承力部位的骨折内固 定材料。其早期生物降解速度较快，以至于无法保证满足在新的骨组织生长出 来之前力学性能要求，中期的降解速度又太慢，使得在新的骨组织生长出来之 后仍有残余物留在体内导致并发症。因此，为了满足治疗的需要，将聚乳酸与 其它材料复合获取不同的功能已成为目前的研究热点1 6 j 。 1 3 1 聚乳酸自身纤维增强的复合材料 使用聚乳酸纤维作为增强材料，由于与基体属于同一种物质，因此有着较 好的相容性。当前研究最多的为自增强聚乳酸( s r p l a ) 、自增强聚乙醇酸 ( s r p g a ) 等。t o m a a l a 等 7 】制备的s r p g a p l a 具有较高的初始强度，其剪切强 度为2 5 0 m p a ，弯曲强度为2 6 0 3 6 0 m p a ，弯曲模量为1 2 g p a 。m a n n i e n 等研究的 纤维化增强的s r - p l l a 初始抗张强度为4 0 0 5 0 0 m p a ，剪切强度达2 0 0 m p a 。 然而s r - p l a 、s r - p g a 存在着只能从单一方向增强材料强度、强度的丧失 较快以及部分患者会出现并发症，并且没有骨传导性的缺点。 1 3 2 碳纤维增强聚乳酸复合材料 碳在细胞环境中是化学惰性的。碳纤维植入人体后，不致癌，不过敏，不 引起炎症及毒性反应，具有良好的生物相容性。所以，碳纤维以其高强度和优 良的生物相容性成为良好的p l a 增强材料，目前国内开展了对c p l a 骨折内固 定物的研究。 周福刚等f 8 1 对碳纤维增强聚乳酸( c p l a ) 复合材料的力学性能进行了评价。 重点研究了纤维体积分数( v f ) 和硝酸表面处理对c p l a 复合材料力学性能的影 响规律。研究表明，随着v f 的增加，复合材料的弯曲强度、弯曲模量、冲击强 度和剪切强度均先增加，达峰值后又减小。当v f 为1 0 时，复合材料的弯曲强 度为p l a 基体的3 3 倍。弯曲模量为基体的2 8 倍；当v f 为2 5 时，弯曲强度增 加到p l a 基体的5 倍，弹性模量增加到5 0 倍。进一步研究发现硝酸处理c 纤 武汉理上人学硕士学位论文 维表面后，c p l a 复合材料的弯曲强度、平面剪切强度及层间剪切强度都有不 同程度的提高，且处理时间越长，性能越好。 王玉林等1 9 对c p l a 复合材料的体外降解特性进行了研究。考察了该复合 材料在降解过程中吸水率、质量损失和宏观力学性能的变化，并与纯p l a 进行 了对比。结果表明，与p l a 相比，c p l a 复合材料的吸水率增加，质量损失下 降，弯曲强度和剪切强度的下降速率减小。在体外降解过程中，c p l a 复合材 料的界面发生降解，界面弱化是造成复合材料力学性能下降的主要因素。并且 该复合材料也不具有骨传导性。 1 3 3o 一磷酸三钙聚乳酸复合材料 p 磷酸三钙( d t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ， 3 - t c p ) 具有良好的溶解性、生物相容性和 骨诱导能力，植入人体后，降解下来的钙、磷能进入活体循环系统，形成新生 骨【l o l 。因此以1 3 - t c p 作为增强材料增强p l a 也是近年骨修复材料的研究热点。 邹俊等 1 l j 通过溶液分散法将p l a 与超细1 3 - t c p 复合制得的螺钉弯曲强度为 9 5 110 m p a ，弯曲模量2 7 3 3 g p a ，近似松质骨。 n i e m e l a l l 2 1 研究了加入p - t c p 对p l a 材料降解性的影响。将重量比为1 ：4 的 j - t c p 与p l a 通过双螺旋机挤出成型，然后将所得试样与纯p l a 分别放入 3 7 c 的磷酸盐缓冲溶液中，对比观察1 0 4 周。结果显示1 3 - t c p p l a 复合材料降 解速度明显低于纯p l a 材料，这可能是由于1 3 - t c p 的降解产物呈弱碱性，中和 了p l a 降解的酸性产物，从而抑制了酸催化降解。 l i 等【13 】研究了p d l l a p t c p 复合物在骨折内固定术方面的优点，发现以乳 酸为基础的材料植入人体后安全性高，并且具有由水解作用传导的降解性。他 们研究了该复合材料的机械强度、降解性和复合物的生物反应。将b t c p 按3 0 6 0 w t 加p d l l a 中，每次增加5 w t ，用热压法制成材料后，其机械强度随着 j - t c p 的增加而增加，含5 0 w t 1 3 t c p 的复合物表现出更好的机械强度，弹性模 量为3 0 4 0 g p a ，与正常皮质骨的弹性模量相同。同时，复合物比纯p d l l a 降 解也要慢一些，有利于自身骨的形成。 除了作为骨折内固定材料有着广泛的应用，1 3 - t c p p l a 做多孔支架材料也有 不错的性能。孙蕊【1 4 j 等以相分离法制备1 3 - t c p 和p l a 多孔复合支架，并对支架 的孔隙率、降解性和力学性能进行了研究。发现将1 3 - t c p 引入多孔支架体系， 虽然会造成支架孔隙率和贯通性的下降，但是可以很好改善支架的力学性能。 4 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 - t c p p l a 支架在降解前l o 周都能保持较高的模量，抗压模量都可达到2 0 m p a 以上，抗压强度在1 2 m p a 2 4 m p a 。b 。t c p p l a 支架的特性粘度下降要远远小 于纯p l a 支架。 汤顺清等l i 纠用p - t c p p l a 叠层复合支架修复青山羊胫骨段缺损。实验发现 叠层复合支架既有着韧性好、降解速度可控、易于制成高孔隙度支架材料的优 点，又发挥了i ) - t c p 生物相容性好，具有骨引导作用的长处，同时改善了支架 材料周围的p h 值，基本消除了无菌性炎症，表现出了较强的成骨能力。植入材 料随着新生骨长成逐步降解，强度逐步下降，至新生骨基本长成时，复合支架 材料已被降解吸收完全，说明降解吸收速度和新生骨生成速度相匹配。 1 3 4 碳酸钙聚乳酸复合材料 普通的碳酸钙由于不具有生物活性，降解性差，应用受到限制，而具有生 物活性的天然碳酸钙材料如珍珠层、珊瑚，通过与聚乳酸复合，可以制得理想 的骨替代材料。 珍珠层的主要成分是文石型碳酸钙，占9 3 左右，并含有纤维蛋白、蛋白 多糖等大分子物质。由于珍珠层来源于海洋生物，其理化性质和生物学特性与 人体骨组织非常接近，具有良好的生物相容性、可降解性、骨传导性和成骨特 性 1 “。l o p e z 等将珍珠层与成骨细胞在体外复合培养，观察到成骨细胞向珍珠层 周围趋化，吸附在珍珠层的边缘，分泌细胞外基质并出现矿化结节，说明珍珠 层的有机成分中含有细胞识别信号，利于细胞粘附、增殖和分化。 将珍珠层与聚乳酸复合，可以充分利用珍珠层所含的生物信息促进其与细 胞的相互作用，得到性能更优异的材料。 为了研究珍珠层聚乳酸复合材料生物相容性，唐焕章等【l7 使用珍珠层聚乳 酸人工骨进行体外兔成骨细胞培养实验，通过与脱钙骨，聚乳酸人工骨对照比 较，发现随培养时间的延长，细胞在珍珠层聚乳酸人工骨表面不断增殖，与材 料表面及孔隙中附着、生长良好，存在接触抑制现象；珍珠层聚乳酸人工骨的 炎症反应明显比脱钙骨聚乳酸轻。珍珠层聚乳酸复合材料有着良好的生物相容 性。 珍珠层，聚乳酸复合材料在降解过程中，由于珍珠层微量溶解后形成的高钙 离子层及局部微碱环境，对细胞有亲和作用及促增殖效应。吴一民等【l8 】将珍珠 层，聚乳酸人工骨与人成骨细胞体外复合培养，一月后，细胞通过伪足贴附于人 武汉理r 【大学硕士学位论文 工骨表面。透射电镜下成骨细胞形态正常，胞浆内有丰富的粗面内质网和线粒 体，并可观察到细胞之间形成的连接，附着在珍珠层复合人工骨的成骨细胞增 殖指数增高。 刘金标等i l9 j 制备的多孔珍珠层僳乳酸复合材料，力学性能满足骨替代材料 的要求。将珍珠层、聚乳酸和氯化钠( 作为致孔剂) 按1 ：1 ：2 的质量比进行 复合，在模具内加热到5 5 “5 ，然后对材料加压1 0 m p a 以上，压紧并重新塑 型。材料冷却后取出，溶质萃取致孔，制各的人工骨孔隙率为4 7 6 5 ，孔径为 2 1 8 8 3 1 a m ，压缩强度1 6 1 0 m p a ，弯曲强度6 0 1 8 m p a 。 珊瑚的9 9 是碳酸钙，其化学成分和形态非常类似无机骨，它的微孔道结 构有利于缺损骨组织的长入替代，在骨缺损修复中起到传导作用。但由于单纯 珊瑚较脆，降解较快，不能承受过大的力量，通过与聚乳酸的复合是改善性能 的重要途径。 戴毅敏等【2 0 j s f l 备了珊瑚，聚乳酸植骨材料并进行了体内外降解实验，发现虽 然复合材料与纯珊瑚的体外降解吸收率无显著差异，但体内降解速度明显比纯 珊瑚慢。而复合材料的抗压强度在植入前后都明显高于纯珊瑚材料。 在珊瑚聚乳酸材料中加入基因重组人骨形成蛋白一2 能够迸一步提高复合材 料的性能。陈新梅等【2 1 】比较了加入基因重组人骨形成蛋白2 的珊瑚聚乳酸复合 骨与单纯珊瑚聚乳酸人工骨修复兔颅骨缺损情况。发现基因重组人骨形成蛋白 2 珊瑚p l a 复合骨在植入缺损部位后，不仅植入体周边有骨组织长入，而且在 整个植入体内均有新骨形成，即出现多中心成骨。复合骨在同一时间点的成骨 量明显多于对照组，随对问推移，成骨量递增。在植入前，两材料间的抗压强 度无明显差异；在植入后，两植入体的抗压强度则差异显著，复合骨明显高于 同期的对照组。 1 3 5 羟基磷灰石聚乳酸复合材料 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 具有良好的生物活性和骨传导性，但其机械 性能不佳，易脆，对负荷承载性差。不能完全适宜于骨组织工程的要求。通过 与聚乳酸复合，可以提高材料韧性，满足骨替换植入材料的机械强度要求，而 且聚乳酸的酸性降解产物可被h a 降解的碱性产物中和，同时h a 的骨诱导性可提 供良好的骨细胞粘附生长环境，符合骨组织工程的生物学要求1 2 “。 早期的研究工作是将低分子量的半流体p l a 和颗粒状的h a 一起通过加热 武汉理工大学硕士学位论文 加压制成复合材料。该复合体具有很好的可塑性，在5 0 6 06 c 时会变软，恢复到 室温后又会变成原来的固体状态，这种材料可以作为口腔修复材料。 v e r h e y e n 等1 2 3 将h a 等离子喷涂在p l l a 表面，厚度达5 0 岣，促进了聚乳 酸与骨组织的早期结合。研究证明，h a 作为一道疏水屏障，延缓了聚乳酸的降 解；同时h a 被组织内细胞吞噬，体液溶解，形成许多不规则孔穴，促进了材料 与组织的结合。 f u r u k a w a 等( 2 4 1 将h a p l l a 复合材料置于缓冲液和骨组织中进行了生物降解 性研究，发现该复合材料的分子量在8 周后降低到初始分子量的4 5 ，5 2 周后降 到初始分子量的约1 0 ，弯曲强度在前2 5 周在2 0 0 m p a 以上，前5 2 周维持在 1 5 0 m p a 以上，材料表面的h a 颗粒被溶解，留下空洞，整个降解过程中组织未发 生炎症反应。 与普通的羟基磷灰石颗粒比较，羟基磷灰石纤维( h y d r o x y a p a t i t ef i b e r , h a f ) 结构细微，强度和模量高，制备的复合材料能够发展定向结构，又不产生各项 异性，可减少材料缺陷形成，并有效传递应力，吸收冲击能量阻止裂纹发展， 有着独特的力学性能。k a s u g a 等t 2 5 1 使用4 0 1 5 0 h m 长度，2 1 0 9 m 直径的h a f 增强聚乳酸。实验发现即使只是少量的纤维就可以显著提高拉伸模量，当纤维 含量为2 0 6 0 w t 时，拉伸模量可以达到5 1 0 g p a ，而此时弯曲强度几乎没有 减小。不过当h a f 含量再增大时，最大拉伸强度会减小，样品呈现脆性断裂。 使用纳米级的h a 颗粒复合p l a 是复合材料研究发展的一个方向，纳米级 的h a 粒子比普通h a 粒子具有更好的理化性能，如溶解度更高，表面活性更大， 生物活性更好及具有抗癌作用等。但纳米h a 难以在p l a 基质中良好的分散， 易形成二次附聚，所以提高纳米h a 粒子分散均匀性是增强复合材料性能的关 键。 1 4 论文的研究目的及意义 如上所述，h a 作为功能材料与p l a 的复合，有着优异的力学及生物学性 能2 6 1 ：对高分子基体起增强增韧的作用；中和p l a 降解过程中产生的小分 子酸性物质，减少甚至避免植入体周围组织炎症的发生；为骨愈合或修复过 程提供优质钙、磷来源；改善材料的骨结合能力；h a 不透射x 射线，简化 手术控制和术后诊断难度。本文首先研究合成超高分子量p l a ，并通过水热法 武汉理工大学硕士学位论文 制备羟基磷灰石。 目前制备h a p l a 的方法主要有熔融共混法，溶剂挥发法，原位聚合法， 但这些方法容易混入其它化学杂质，复合不均匀，复合后p l a 的分子量不高， 无法批量生产等，限制了材料应用。为了克服以上缺点，本论文采用液相吸附 复合法制备致密型h a p l a 复合材料，并进行力学性能测试，分析复合材料中 h a 含量对性能的影响。通过体外降解实验，比较了h a p l a 与纯p l a 材料的 降解性差别。 有研究表明【2 ”，h a p l a 复合材料在生理环境中的强度损失首先发生于羟基 磷灰石与聚乳酸材料两相界面，这是因为作为无机粉体的羟基磷灰石与聚乳酸 有机聚合物表面性质相差较大，界面结合力较弱。而且脆弱的结合面导致复合 材料的强度难以提高，应用受到一定限制。因此使用合适的改性剂处理h a 颗粒 的表面，使得其与p l a 基体有着良好的结合，是提高复合材料的力学性能的关 键。 本论文选用y 一甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、聚乙烯醇、聚丙烯酸等对 h a 颗粒进行了改性，通过接触角、f t - i r ，s e m 等测试，对两者之间的相互作 用进行分析，探讨偶联剂对羟基磷灰石表面改性的机理。制备改性后的复合材 料，测试力学强度并评价改性效果。 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章液相吸附法制备羟基磷灰石聚乳酸复合材料 本章首先合成了聚乳酸和羟基磷灰石两种原料，然后研究了全新的致密型 羟基磷灰石聚乳酸复合生物材料的制备方法液相吸附复合法，并对此方法 制得的复合材料进行了力学性能评价。 2 1 聚乳酸的合成 2 1 1 实验试剂 试剂： d ，l 乳酸 氧化锌 丙酮 乙酸乙酯 辛酸亚锡 三氯甲烷 2 1 2 聚乳酸合成方法 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 上海太平洋化学集团公司 天滓市博迪化工有限公司 天津化学试剂有限公司 上海化学试剂有限公司 美国s i g m a 化学公司 上海恒利精细化工有限公司 2 1 2 1 丙交酯的制备 将5 0 0 m l 约9 0 的d ，l 乳酸和3 2 9 氧化锌粉置于装有磁力搅拌器的三颈烧 瓶中，搅拌，缓慢升温至1 2 0 ，开始有水蒸出。继续升温至1 6 0 ，压力维持 在1 0 1 0 0 m m h g 之间4 6 h ，不断有水蒸出。减压至o 1 o 2 m m h g ，温度控 制在2 5 0 2 7 0 。c 之间，除第一馏分外，主要馏分为浅黄色粗丙交酯，重约2 5 0 9 。 粗丙交酯用提纯过的乙酸乙酯反复重结晶，直至得到白色晶体，真空干燥 4 8 h 备用。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 2 2 聚乳酸的合成 将提纯过的丙交酯装入安培瓶中，加入一定比例的辛酸亚锡z 氯甲烷溶液， 摇晃并振荡，使丙交酯与溶液混合均匀。将安培瓶接到真空系统中进行抽真空 操作，随着压力逐渐减小，溶剂开始挥发，继续抽真空约3 小时，使溶剂三氯 甲烷挥发尽，然后在高真空度下( o 0 3 0 0 5 m m h g ) 用酒精喷灯密封安培瓶。将封 管后的安培瓶放入硅油浴中，在1 4 0 c 的条件下聚合4 8 小时，得到安培瓶封装 的p d l l a 。将安培瓶放入2 0 的环境下冷冻，然后取出并将玻璃外壳打碎，即 得到透明坚硬的棒状p d l l a 材料。 2 1 2 3 聚乳酸分子量的测定 p d l l a 的相对分子质量用美国w y a t t 公司生产的三角度激光散射仪 ( m i - m i d a w n m a l l a g p c s y s t e m ) 测定重均相对分子质量( m w ) 。 2 1 3 ，j 、结 通过乳酸反应得到的高纯度丙交酯，在浓度为0 0 3 辛酸亚锡引发剂引发下 进行开环聚合反应，控制反应温度为1 4 0 c ，真空度为o 0 5 m m h g ，聚合4 8 h ， 得到重均分子量为4 9 2 万的p d l l a 。 2 2 羟基磷灰石的合成 虽然目前h a 的合成有很多种方法，但存在制备方法复杂和产率低等问题。 本实验根据各种制备h a 技术的优缺点，结合自己实验的情况，研究利用水热法、 气流粉碎法和分级筛分等技术，制备出平均粒径为2 8 0 r i m 的h a 微粉，该制备 技术方法简单，适于工业化生产。 2 2 1 实验试剂及仪器 试剂： c a h p 0 4 c a c 0 1 仪器： 分析纯 分析纯 天津市博迪化工有限公司 天津市博迪化工有限公司 武汉理上人学硕士学 ! ：) = 论文 n i c o l e t6 0 s x b 红外光谱仪 d m a x i a 型x 射线衍射仪 气流粉碎机 2 2 2h a 的制备工艺 美国尼高力公司 日本理学电机株式会社 上海机械三厂 按c a p = i 6 7 的配比，用电子天平准确称量c a i - i p 0 4 和c a c 0 3 ，用蒸馏水混 合湿法球磨2 h 后，倒入大烧杯，设置反应的温度为8 0 1 0 0 。c ，加蒸馏水用磁 力搅拌器不断搅拌，反应时间为8 h 。反应装置如图2 1 所示，化学反应方程式 如下： 6 c a h p 0 4 2 h 2 0 + 4 c a c 0 3 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2l + 4 c 0 2f + 1 4 h 2 0 反应完全后经陈化，用去离子水反复清洗，使其p h 在7 5 左右，脱水、干 燥，在1 1 4 0 煅烧4 h ，保温2 h ，自然冷却。 1 烧杯2 可调电热器3 磁力搅拌器4 铁架台 图2 - 1 反应装置示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po f t h ep r e p a r a t i o no f h a 2 2 3 气流粉碎及分级处理 气流粉碎机是根据物料的自磨原理【2 8 1 ，在高速气流作用下，物料通过本身 颗粒之间的撞击，气流对物料的剪切作用以及物料与其它部件的冲击而使物料 粉碎。因粉碎腔内细度不同的颗粒在作回转运动的气流中持有不同的离心力， 故能同时进行分级：粗粒因受较大的离心力和较小的空气阻力，而处于粉碎腔 的周边，不断被粉碎；细粒则自然移向粉碎腔中部，经倒锥形卸料管出料。将 武汉理工大学硕士学位论文 细料用无水乙醇逐级漂洗后，烘干即可。 将合成料粗磨、气流粉碎和分级筛分，获得平均粒径为2 8 0 n m 的h a 微粉 2 2 4 羟基磷灰石的表征 2 2 4 1 红外光谱分析 4 0 0 03 5 0 0 3 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 01 0 5 0 0 0 w a v e n u m b e r s ( c m - ” 图2 - 2 试样的红外光谱图 f i g 2 2 f t - 1 rs p e c t r ao fh ap a r t i c l e s 图2 - 2 是h a 试样的红外光谱图。h a 有两个阴离子基团，t i pp 0 4 孓四面体 阴离子基团和o h 基团。图中p 0 4 3 + 的吸收谱线5 7 1 、6 0 2 、9 6 3 、1 0 5 0 和1 0 8 9 c m l 都出现了，o h 。基团的谱线则出现在6 3 1 、3 5 7 0 c m l 处，证明所制备的晶体是h a 晶体【2 9 】。 2 2 4 2x r d 分析 图2 3 是h a 试样的x 射线衍射图谱，d 值如图中显示。 阳 柏 仲 o 8cgec_【_ 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 试样的x r d 分析图谱 f i g 2 - 3 x r ds p e c t r ao f h ap a r t i c l e s 试样x r d 图谱的d 值与j c p d s 编制p d f 羟基磷灰石( 9 4 3 2 ) t 拘d 值吻合口0 1 。 据此可以进一步确定试样为h a 。 2 3 4 3h a 粒径和粒度分布 利用纳米粒度及z e t a 电位分析仪对h a 微粉粒径进行分析。根据实验统计加权 因子，所谓加权因予是指下式中的f ( - - - - 7 1 胚。即此种微粒在微粒总数中占的 分数，例如，数均直径是以数量加权的：光均直径是以光强加权的。 a ：数均直径( i n )i n = 掣= 髓d 2 m b ：面均直径( ds ) ds = ( z f , d , 9 v 2 c ：体均直径( d v ) d v = ( 蜀口；1 3 d ：光均直径( df ) df = ( 弱d 0 驷 其中：n i 代表直径，为口i 的微粒的数目。 对于单分散体系而言：d n = ds = d v = d f 。在本实验中，笔者采用光强加权、 体积加权和数量加权来测定微粒的粒径和粒度分布。图2 - 4 是h a 微粉粒径分布 曲线，表2 - 1 是h a 微粉粒径数据分布。从表中可知三种测试方法的平均粒径分 别为2 8 0 9 r i m 、2 8 2 6 n m 和2 8 0 6 r i m ，它们相差不大，h a 大致的粒径分布在 2 6 4 5 2 9 2 4 n m 之间，与图2 - 4 粒径分布曲线是相吻合的。可知h a 的粒径均 一，平均值在2 8 0 r t m 左右。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1h a 的粒径和粒度分布 t a b 2 - 1 d i s t r i b u t i n go fs i z ea n dg r a n u l a r i t y 图2 - 4 h a 的粒径分布曲线 f i g 2 4 d i s t r i b u t i n gc u r v eo f h a p a r t i c l e ss i z e 2 2 5 小结 i h l t y 采用水热合成法制备羟基磷灰石，控制原料的c a p 为1 6 7 ，在温度为8 0 - - 1 0 0 。c 、p h 值为7 5 条件下反应。采用气流粉碎法和分级筛分等多种技术处理 h a 颗粒，并使用x r d ，f t - i r 等手段对其进行了表征。结果表明，所得h a 颗 粒纯度较高，粒径均一，平均粒径为2 8 0 n m 。并且此方法操作简单、方便，不 需要复杂的设备，比较适合批量生产。 2 3 羟基磷灰石聚乳酸常用制备方法 h 卿l a 复合材料制备工艺多种多样，不同的制备方法将影响材料的力学性 能及生物学性能。以下将介绍几种目前常用的制备方法。 2 3 1 熔融共混法 熔融共混法比较简便，直接将h a 颗粒加入p l a 中，在高于p l a 玻璃化温度 的条件下共混，凭借机械作用力将h a 微粒复台进p l a 基体中。其优点在于合成 1 4 阴圈蠹 武汉理工大学硕+ 学位论文 过程中可以控制粒子的形态、尺寸，其难点是粒子的分散问题，易形成团聚， 同时在混炼中会引入气泡，影响材料的力学性能【3 ”。因此，控制粒子微区相尺 寸及尺寸分布是其成败的关键。s h i k i n a m i 等 3 2 j 用熔融共混法对微米级的h a 颗粒 与聚乳酸进行复合，所得的复合材料弯曲模量为1 2 g p a ，弯曲强度为2 7 0 m p a ， 抗冲击强度为1 6 6 k j m 2 ，优于松质骨，但所制备的复合材料存在h a 粒子分散不 均匀的情况。 2 3 2 溶剂挥发法 溶剂挥发法使用较为普遍，先将p l a 溶解在有机溶剂中，然后加入h a 微 粒，经超声振荡使h a 粒子均匀分散在p l a 溶液中。除去溶剂，而后在定温 度和真空度下干燥，得到复合体系并进行后加工【3 3 】。i g n j a t o v i c 等3 钔用溶剂挥发 法将高纯度高结晶的h a 颗粒与分子量高达4 0 万的p l a 复合，制得试样的抗压 强度达9 3 2 m p a ，弹性模量为2 4 3 g p a ，孔隙率低至o 4 。 2 。3 ，3 原位聚合法 原位聚合法是在丙交酯开环聚合前混入h a 颗粒，然后在一定温度和高真空 状态下由引发剂引发聚合制得。制备的复合材料中的羟基磷灰石在聚乳酸基体 中分散均匀，界面结合良好，但是这种方法对聚合单体和聚合反应条件有严格 要求，若控制不好，聚合不完全，单体会游离出来，影响材料的生物相容性和 力学性能( 3 5 1 。 全大萍等3 6 】采用原位聚合法，将羟基磷灰石与丙交酯按一定比例混合，在辛 酸亚锡引发下开环聚合得到h a p l a 复合材料。当p l a 分子量在2 0 万左右， h a 含量为3 0 时，复合材料的弯曲强度达9 0 m p a ，弯曲模量为6 9 g p a ，剪切 强度为7 2 m p a 。但由于此种方法获得的p l a 分子量难以提高，使应用受到限制。 2 。4 主要试剂与仪器 主要试剂： 无水乙醇 分析纯 p d l l a 上海振兴化工一厂 自制 武汉理工大学硕士学位论文 h a 主要仪器： s t a4 4 9 c 型热分析仪 k s 。1 2 0 d 超声波清洗仪 j s m 5 6 0 0 l ，v 电子显微镜 i n s t r o n l 3 4 1 电液伺服材料试验机 h l 2 0 0 型混炼机 2 k f 0 3 0 型真空干燥箱 2 5 液相吸附制备方法 自制 德国n e t z s c h 公司 天津实验器材厂 日本电子株式会社 英国i n s t r o n 有限公司 吉林大学科教仪器厂 重庆银河实验仪器有限公司 将p l a 棒状物通过机械加工，制成宽0 5 m m ，厚0 1 m m 的超薄片。配置h a 的乙醇溶液，并超声振荡，使h a 微粒均匀悬浮于乙醇中。将p l a 超薄片浸入 h a 的乙醇悬浮液中并搅拌，然后取出条状物。由于吸附作用，h a 微粒附着于 p l a 超薄片上。将条状复合物置于干燥箱中8 0 真空干燥，之后放入双螺杆混 炼仪中在1 5 0 下混炼复合，得到块状h a p l a 复合材料，最后模压挤出制得所 需形状的h 胛l a 复合材料。通过调节不同浓度的h a 乙醇悬浮液可得到不同 h a 质量含量的复合材料。本实验分别制得了h a 的重量分数为5 、1 0 、1 5 、 2 0 的复合材料。但由于吸附法的局限性，难以制得更高含量的h a p l a 复合材 料。工艺流程如图2 - 5 所示。 e 图2 5 液相吸附制备方法流程图 f i 9 2 5p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fs o l u t i o n a d s o r p t i o nt e c h n i q u e 1 6 日 扫 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 复合材料的性能表征 2 6 1s e m 形貌分析 使用日本电子株式会社j s m 5 6 0 0 l v 型号扫描电镜观察h a 质量含量为1 0 的复合材料断面形貌，了解h a 在p l a 中的分散情况。 2 6 2 热分析实验 使用n e t z s c hs t a4 4 9 c 型热分析仪测量复合材料的玻璃化转变温度、分 解温度以及相应的焓变。采用氮气保护方式，升温速度为1 0 k m i n ，升温范围为 3 0 到5 0 0 。 2 6 3 力学性能测试 2 63 1 拉伸强度 根据g b l 0 4 0 7 9 制得试样如图2 - 6 所示。用i n s 台o n l 3 4 1 材料试验机对纯 p l a 、h a ( 5 w t ) p l a 、h a ( 10 w t ) p l a 、h a ( i5 w t ) p l a 、r a ( 2 0 w t ) p l a 复合材料进行拉伸强度测试。每种材料取5 个样品测试，计算平均值。 将试样编号、划线和测量试样的工作段任意三处的宽度和厚度，取算术平 均值。夹持试样，使试样的中心线与上下夹具的对准中心线一致。 加载速度为1 0 m m m i n ，连续加载直至试样破坏为止。室温：2 5 。c ，湿度： 7 5 。 a = 3 士o 0 5 ( m m ) ，b = 6 ( m m ) ，h = 3 c m m ) 图2 - 6 拉伸试验试