羥基磷灰石-聚酰胺-聚乙烯三元復合仿生材料研究.pdf

1、模仿骨組織的無機和有機復合構造而發(fā)展起來的納米磷灰石復合材料因其仿生性而成為生物醫(yī)用材料的研究熱點。隨著研究的深入，發(fā)現生物材料在組織的形成過程中并非一直處于被動地位，材料的表面組成、微觀結構等對細胞的黏附、伸展、遷移、增殖、定向分化、基質分泌以及組織形成等一系列生物活動均會產生重要影響。并且生物體系從結構、生長到功能都是一個不可分割的整體，作為與活性細胞組織接觸并引發(fā)相互界面作用的生物材料，應從宏觀和微觀出發(fā)進行多層次的結構設計。至今

2、相關的研究報道還非常少。 從骨的顯微結構分析得知，骨組織是一種具有親、疏水微區(qū)分相結構的納米磷灰石／膠原復合材料，組成膠原微纖維的原膠原以精細的方式，同軸排列形成微纖維，構成膠原的非極性區(qū)和極性區(qū)以64 nm～70 nm間隔存在微區(qū)分相結構。因此，本論文將材料學與生物學有機地結合，模仿骨組織的微觀結構，對材料進行多層次的結構設計，利用聚酰胺（Polyamide，PA）和聚乙烯（Polyethylene，PE）的高分子合金技術和納

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

4、）晶體均勻分布于復合材料基體中，為組織再生修復提供良好的生物活性，以此實現從宏觀到微觀層次上骨修復材料的構建。 在復合仿生材料體系中，均勻分散的相結構是材料擁有穩(wěn)定性能的保證。因此，本論文重點探討了獲得均勻分散相結構的工藝途徑。根據共混理論對羥基磷灰石／聚酰胺／聚乙烯三元材料的復合工藝進行設計，構筑材料的仿生微相結構模型，制定出合理的工藝方案和配方，在保持增強材料和基體材料本身優(yōu)點的基礎上，通過制備工藝使各相組分性能因互補和關聯

5、而呈現良好的綜合性能，最終得到高性能、生物相容性好的新型納米復合仿生材料。 首先，用熔融法制備了不同組分含量的HA-PAE復合仿生材料，研究了HA、PA和PE三組元間的不同配比對復合材料的相分離程度和相區(qū)尺寸、制品的力學特性、吸水性的影響，探討了相界面作用與材料性能的關系，為進一步的材料改性研究提供科學依據。 研究表明，PE的加入形成了復合材料親、疏水的微相分離結構：均勻球狀分布的PE彈性體增韌作用有助于復合材料取得較好的

6、綜合力學性能，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小；網狀分布的PE因與PA基不相容造成的界面空隙導致復合材料力學性能降低，但對水的阻隔性好，使復合材料的吸水率降低，接觸角增大。HA含量的增加有助于復合材料增強增韌性能的實現，但過高的HA含量使HA.納米團聚粒子在機械共混條件下不易充分分散，造成力學性能的下降。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合材料的吸水率

7、。雖然HA的含量對復合材料微相結構影響不大，卻通過改變材料表面極性基團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都較難結合。復合后聚合物基的晶粒細化、結晶度減小。納米HA粒子的進入部分破壞了PA結晶分子的鏈間氫鍵，引起PA結晶度的減?。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，使其結晶度大幅減小。HA納米粒子的加入起異相成核劑作用，促進了PA晶核的大量、快速形

8、成，導致微晶化；PA和PE熔融和結晶溫度的差異，使降溫時液態(tài)PE的存在干擾了PA晶核的形成，延緩了PA的結晶進程，造成HA-PAE（40／48／12）復合材料中PA的ICP指數比HA-PAE（40／60／0）復合材料的更大，相應晶胞體積稍大，結晶度也較高。 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構的復合材料，使材料獲得優(yōu)良的

9、物理機械性能。對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）分別對復合體系界面和性能的影響，研究兩種增容劑在新復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合材料形成界面層，增加界面間的粘結力，改善不相容相PA與PE、

10、HA與PE的相容性，形成穩(wěn)定的復合結構和均勻的微觀結構，提高復合材料的力學性能，降低吸水性。增容劑的添加有一個較佳含量比范圍，該含量范圍的復合材料能取得較好的綜合力學性能。增容劑對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引起了接觸角較大范圍的變化。gPE和ION對復合材料的增容效率不同，ION增容劑對復合體系性能的貢獻優(yōu)于gPE增容劑。較少的：ION添加就能實現復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對復合體系增容的機理不同。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，與HA發(fā)生氫鍵絡合反應。但羧酸基團更豐富的ION增容劑除了上述的化學鍵合外，離子—離子作用、離子—偶極作用也會與酰胺基團形成強烈的化學結合，因此ION的增容效率更好。 增容劑的加入促進了PA相結晶速率的加快和PE相結晶速率的減慢。gPE的加入一定程度上促進了成核作用的發(fā)生，導致復合材料中PA和PE結晶度的下降

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

13、行了對比研究。 研究表明，溶液法制備的改性HA-PAE復合材料為納米復合仿生材料，復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合材料更優(yōu)的微觀結構和性能。溶液法制備的HA-PAE/gPE（40/42/18/2，RH-PAEg）復合材料中，PE相以1μm粒徑的圓球均勻分布，還形成了部分互穿網絡結構，促進了材料力學性能的提高。互穿網絡結構的形成，使RH－PAEg復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。同時也因此導致復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）復合材料中，PE相以0.3-0.5μm的胞狀結構分布于聚合物基中，相界面模糊，均勻的微觀結構賦予復合材料優(yōu)異的力學性能。RH-PAEI復合材料吸水率較低，有利于復合材料加工性能的提高；材料的表面接觸角與皮質骨的接觸角相近，有利于骨細胞的粘附。RH-PAEI復合仿生材料的制備實現了本論文構建親、

15、疏水微觀相分離，宏觀性能好的骨修復用復合材料的設計目的。 研究發(fā)現，酯—醇—水三元溶液體系與ION離聚物可以共同構筑一個微反應器系統(tǒng)，用于實現不同極性高聚合物的共溶復合。利用該微反應器系統(tǒng)，在復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）。作為一種熱力學穩(wěn)定的新型接枝聚合物，PA-g-I的生成增進了RH-PAEI復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筑的微反應系統(tǒng)為實現分子組裝和分子復合材料的制備提供了新的思路。 最后，對本文設計制備的HA-PAE納米復合仿生材料進行了相關生物學評價，通過成骨細胞在材料表面的黏附增殖情況考察細胞對HA-PAE及其改性材料RH-PAEg和RH-PAEI材料的親和性和生長狀態(tài)，通過骨植入實驗考察材料在骨組織內的生物相容性和成骨性能。實驗初步地證實了論文設計的出發(fā)點，即材料表面的親、疏水性是干擾細胞黏附生長的因素之一

17、，并通過材料微觀相結構的改變促進了細胞的黏附生長。細胞實驗表明，對成骨細胞而言，微觀結構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，有利于引導骨細胞的黏附，促進細胞的伸展、遷移、增殖和分化。植入實驗結果表明，RH-PAEI復合材料無毒、無刺激性，與動物骨組織間有良好的組織相容性，具有良好的骨傳導性，能與受體骨實現骨性愈合。因此，本論文設計制備的納米RH-PAEI復合仿生材料是一種新型的有一定智能的生物