羥基磷灰石-聚酰胺-聚乙烯三元復(fù)合仿生材料研究.pdf

1、模仿骨組織的無機(jī)和有機(jī)復(fù)合構(gòu)造而發(fā)展起來的納米磷灰石復(fù)合材料因其仿生性而成為生物醫(yī)用材料的研究熱點(diǎn)。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)生物材料在組織的形成過程中并非一直處于被動(dòng)地位，材料的表面組成、微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)細(xì)胞的黏附、伸展、遷移、增殖、定向分化、基質(zhì)分泌以及組織形成等一系列生物活動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生重要影響。并且生物體系從結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)到功能都是一個(gè)不可分割的整體，作為與活性細(xì)胞組織接觸并引發(fā)相互界面作用的生物材料，應(yīng)從宏觀和微觀出發(fā)進(jìn)行多層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。至今

2、相關(guān)的研究報(bào)道還非常少。 從骨的顯微結(jié)構(gòu)分析得知，骨組織是一種具有親、疏水微區(qū)分相結(jié)構(gòu)的納米磷灰石／膠原復(fù)合材料，組成膠原微纖維的原膠原以精細(xì)的方式，同軸排列形成微纖維，構(gòu)成膠原的非極性區(qū)和極性區(qū)以64 nm～70 nm間隔存在微區(qū)分相結(jié)構(gòu)。因此，本論文將材料學(xué)與生物學(xué)有機(jī)地結(jié)合，模仿骨組織的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)材料進(jìn)行多層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用聚酰胺（Polyamide，PA）和聚乙烯（Polyethylene，PE）的高分子合金技術(shù)和納

3、米無機(jī)粒子的充填技術(shù)，制備出一種微觀仿生、宏觀功能完善的新型納米復(fù)合仿生材料——羥基磷灰石／聚酰胺／聚乙烯復(fù)合材料（Hydroxyapatite，polyamide and polyethylene composite，HA-PAE）。這種復(fù)合仿生材料既具有良好的力學(xué)性能，能滿足骨修復(fù)的良好支撐和應(yīng)力傳遞，加工方便；又從微觀上模仿骨組織的親、疏水微區(qū)分相結(jié)構(gòu)，利于骨組織細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)；納米羥基磷灰石（Hydroxyapaitte，HA

4、）晶體均勻分布于復(fù)合材料基體中，為組織再生修復(fù)提供良好的生物活性，以此實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀層次上骨修復(fù)材料的構(gòu)建。 在復(fù)合仿生材料體系中，均勻分散的相結(jié)構(gòu)是材料擁有穩(wěn)定性能的保證。因此，本論文重點(diǎn)探討了獲得均勻分散相結(jié)構(gòu)的工藝途徑。根據(jù)共混理論對(duì)羥基磷灰石／聚酰胺／聚乙烯三元材料的復(fù)合工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)筑材料的仿生微相結(jié)構(gòu)模型，制定出合理的工藝方案和配方，在保持增強(qiáng)材料和基體材料本身優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過制備工藝使各相組分性能因互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)

5、而呈現(xiàn)良好的綜合性能，最終得到高性能、生物相容性好的新型納米復(fù)合仿生材料。 首先，用熔融法制備了不同組分含量的HA-PAE復(fù)合仿生材料，研究了HA、PA和PE三組元間的不同配比對(duì)復(fù)合材料的相分離程度和相區(qū)尺寸、制品的力學(xué)特性、吸水性的影響，探討了相界面作用與材料性能的關(guān)系，為進(jìn)一步的材料改性研究提供科學(xué)依據(jù)。 研究表明，PE的加入形成了復(fù)合材料親、疏水的微相分離結(jié)構(gòu)：均勻球狀分布的PE彈性體增韌作用有助于復(fù)合材料取得較好的

6、綜合力學(xué)性能，但不能有效阻隔水分子的滲入，吸水率較高，表征材料表面親、疏水特性的接觸角較??；網(wǎng)狀分布的PE因與PA基不相容造成的界面空隙導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能降低，但對(duì)水的阻隔性好，使復(fù)合材料的吸水率降低，接觸角增大。HA含量的增加有助于復(fù)合材料增強(qiáng)增韌性能的實(shí)現(xiàn)，但過高的HA含量使HA.納米團(tuán)聚粒子在機(jī)械共混條件下不易充分分散，造成力學(xué)性能的下降。HA通過與PA極性酰胺鍵的鍵合，減少PA與水分子的作用，也一定程度上減小了復(fù)合材料的吸水率

7、。雖然HA的含量對(duì)復(fù)合材料微相結(jié)構(gòu)影響不大，卻通過改變材料表面極性基團(tuán)的含量引起接觸角變化，從而影響材料表面的親、疏水性能。 HA與PA相間存在著相互作用，但兩者與PE都較難結(jié)合。復(fù)合后聚合物基的晶粒細(xì)化、結(jié)晶度減小。納米HA粒子的進(jìn)入部分破壞了PA結(jié)晶分子的鏈間氫鍵，引起PA結(jié)晶度的減?。籔A和HA相的存在也大大干擾了PE摺疊鏈層晶的形成過程，使其結(jié)晶度大幅減小。HA納米粒子的加入起異相成核劑作用，促進(jìn)了PA晶核的大量、快速形

8、成，導(dǎo)致微晶化；PA和PE熔融和結(jié)晶溫度的差異，使降溫時(shí)液態(tài)PE的存在干擾了PA晶核的形成，延緩了PA的結(jié)晶進(jìn)程，造成HA-PAE（40／48／12）復(fù)合材料中PA的ICP指數(shù)比HA-PAE（40／60／0）復(fù)合材料的更大，相應(yīng)晶胞體積稍大，結(jié)晶度也較高。 其次，在固定組分配比條件下添加不同量的兩種增容劑，以改善HA-PAE復(fù)合仿生材料體系不相容相間的界面相容性，通過制備宏觀均相、微觀或亞微觀多相結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，使材料獲得優(yōu)良的

9、物理機(jī)械性能。對(duì)比考察了不同增容劑——馬來酸酐接枝聚乙烯（Maleic anhydride grafted polyethylene, gPE）和離聚物（Ethylene／methacrylic acid ionomer-sodium ionomer, ION）分別對(duì)復(fù)合體系界面和性能的影響，研究?jī)煞N增容劑在新復(fù)合材料體系中的增容效果。 研究表明，增容劑的加入有利于復(fù)合材料形成界面層，增加界面間的粘結(jié)力，改善不相容相PA與PE、

10、HA與PE的相容性，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)和均勻的微觀結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，降低吸水性。增容劑的添加有一個(gè)較佳含量比范圍，該含量范圍的復(fù)合材料能取得較好的綜合力學(xué)性能。增容劑對(duì)吸水性能的改善造成了接觸角的增大，并且吸水率的輕微波動(dòng)引起了接觸角較大范圍的變化。gPE和ION對(duì)復(fù)合材料的增容效率不同，ION增容劑對(duì)復(fù)合體系性能的貢獻(xiàn)優(yōu)于gPE增容劑。較少的：ION添加就能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料更好的性能提升，并使PE相的分布更均勻。引起性能差異的

11、原因在于gPE和ION對(duì)復(fù)合體系增容的機(jī)理不同。gPE通過馬來酸酐中的羧酸根與PA鏈上的酰胺基或氨基發(fā)生氫鍵或酰胺化反應(yīng)，與HA發(fā)生氫鍵絡(luò)合反應(yīng)。但羧酸基團(tuán)更豐富的ION增容劑除了上述的化學(xué)鍵合外，離子—離子作用、離子—偶極作用也會(huì)與酰胺基團(tuán)形成強(qiáng)烈的化學(xué)結(jié)合，因此ION的增容效率更好。 增容劑的加入促進(jìn)了PA相結(jié)晶速率的加快和PE相結(jié)晶速率的減慢。gPE的加入一定程度上促進(jìn)了成核作用的發(fā)生，導(dǎo)致復(fù)合材料中PA和PE結(jié)晶度的下降

12、，PA相結(jié)晶溫度和熔融溫度上升，PE相結(jié)晶溫度和熔融溫度下降。復(fù)合材料的結(jié)晶行為受到ION復(fù)雜化學(xué)鍵合的影響，最終表現(xiàn)為PA相結(jié)晶度的增加，PE相結(jié)晶度的減小，PA相結(jié)晶溫度和熔融溫度上升相對(duì)較小，PE相結(jié)晶溫度和熔融溫度下降相對(duì)較大。 第三，在“酯—醇—水”三元溶液體系中通過分子復(fù)合法制備與骨膠原微相尺寸更接近的微觀相分離HA-PAE復(fù)合仿生材料，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料更好的性能設(shè)計(jì)，并與熔融共混法制備的HA-PAE改性復(fù)合材料性能進(jìn)

13、行了對(duì)比研究。 研究表明，溶液法制備的改性HA-PAE復(fù)合材料為納米復(fù)合仿生材料，復(fù)合材料各組分間相容性更好，具有比熔融法制備的同類改性復(fù)合材料更優(yōu)的微觀結(jié)構(gòu)和性能。溶液法制備的HA-PAE/gPE（40/42/18/2，RH-PAEg）復(fù)合材料中，PE相以1μm粒徑的圓球均勻分布，還形成了部分互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了材料力學(xué)性能的提高。互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使RH－PAEg復(fù)合材料的耐沖擊性能得到大幅提高，還有效地阻隔了水分子的滲入

14、，吸水率低。同時(shí)也因此導(dǎo)致復(fù)合材料的接觸角增大，表面由親水性變成了疏水性。溶液法制備的HA-PAE/ION（40/42/18/1，RH－PAEI）復(fù)合材料中，PE相以0.3-0.5μm的胞狀結(jié)構(gòu)分布于聚合物基中，相界面模糊，均勻的微觀結(jié)構(gòu)賦予復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能。RH-PAEI復(fù)合材料吸水率較低，有利于復(fù)合材料加工性能的提高；材料的表面接觸角與皮質(zhì)骨的接觸角相近，有利于骨細(xì)胞的粘附。RH-PAEI復(fù)合仿生材料的制備實(shí)現(xiàn)了本論文構(gòu)建親、

15、疏水微觀相分離，宏觀性能好的骨修復(fù)用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)目的。 研究發(fā)現(xiàn)，酯—醇—水三元溶液體系與ION離聚物可以共同構(gòu)筑一個(gè)微反應(yīng)器系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)不同極性高聚合物的共溶復(fù)合。利用該微反應(yīng)器系統(tǒng)，在復(fù)合過程中形成了一種新型的接枝聚合物——離聚物接枝聚酰胺（PA-g-I）。作為一種熱力學(xué)穩(wěn)定的新型接枝聚合物，PA-g-I的生成增進(jìn)了RH-PAEI復(fù)合材料中各相間界面層的形成，相間相容性得到大大改善，復(fù)合仿生材料的綜合性能得到顯著提高。酯

16、—醇—水三元溶液與離聚物共同構(gòu)筑的微反應(yīng)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)分子組裝和分子復(fù)合材料的制備提供了新的思路。 最后，對(duì)本文設(shè)計(jì)制備的HA-PAE納米復(fù)合仿生材料進(jìn)行了相關(guān)生物學(xué)評(píng)價(jià)，通過成骨細(xì)胞在材料表面的黏附增殖情況考察細(xì)胞對(duì)HA-PAE及其改性材料RH-PAEg和RH-PAEI材料的親和性和生長(zhǎng)狀態(tài)，通過骨植入實(shí)驗(yàn)考察材料在骨組織內(nèi)的生物相容性和成骨性能。實(shí)驗(yàn)初步地證實(shí)了論文設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，即材料表面的親、疏水性是干擾細(xì)胞黏附生長(zhǎng)的因素之一

17、，并通過材料微觀相結(jié)構(gòu)的改變促進(jìn)了細(xì)胞的黏附生長(zhǎng)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)成骨細(xì)胞而言，微觀結(jié)構(gòu)類似于骨膠原的親水性RH-PAEI表面比疏水的RH-PAEg表面有更好的親和性，有利于引導(dǎo)骨細(xì)胞的黏附，促進(jìn)細(xì)胞的伸展、遷移、增殖和分化。植入實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RH-PAEI復(fù)合材料無毒、無刺激性，與動(dòng)物骨組織間有良好的組織相容性，具有良好的骨傳導(dǎo)性，能與受體骨實(shí)現(xiàn)骨性愈合。因此，本論文設(shè)計(jì)制備的納米R(shí)H-PAEI復(fù)合仿生材料是一種新型的有一定智能的生物