CN114984328B

CN114984328B - 一种复合骨修复材料及其制备方法

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Publication number: CN114984328B
Application number: CN202210746255.7A
Authority: CN
Inventors: 杜晶晶
Original assignee: Hainan University
Current assignee: Hainan University
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: CN114984328A

Abstract

本发明公开了一种复合骨修复材料及其制备方法，有机组分采用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，无机组分包括羟基磷灰石和白磷钙石，将所述有机组分和无机组分原位复合得到骨修复材料，本发明选用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯合成聚氨酯，并进一步复合羟基磷灰石和白磷钙石制备具有三维孔隙结构的骨修复材料，所述骨修复材料的孔隙率可达75％，抗压强度可达到15MPa，回弹率80％左右，提高了可再生资源利用率、降低成本；且本发明选取的原材料均考虑到其生物活性及生物相容性，达到了理想的生物响应，获得了良好的成骨效果。

Description

一种复合骨修复材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，具体为一种复合骨修复材料及其制备方法。

背景技术

天然骨组织是人体最坚硬的结缔组织，天然骨通过非常复杂的方式巧妙的将有机骨基质与无机骨盐紧密的结合起来。在所有磷酸钙中羟基磷灰石在人体骨骼中含量最丰富。因其良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，羟基磷灰石已广泛应用于骨修复材料。但羟基磷灰石的脆性限制了其在承重部位的应用。为了弥补力学性能不佳的缺陷，通常将羟基磷灰石与聚合物相复合制备人工骨修复材料。

现有技术中的骨修复材料均注重孔隙率和力学强度两方面的性能参数，并未关注其回弹性能，比如专利号为CN106620870A，专利名称为均相自发泡法制备抗菌多孔复合骨修复支架的方法，所述方法首先制备nHA/DCPD/PU复合材料，然后在大于75℃温度条件下使DCPD释放结晶水与聚氨酯预聚体中的异氰酸根反应生成CO₂；在氮气保护下,取15g甘油改性的蓖麻油加入三颈瓶中，70℃油浴加热并机械搅拌0.5h，加入6.5gDCPD固体粉末、65gnHA粉末；逐渐滴加15gIPDI，得到复合材料预聚物；然后加入0.05mL催化剂，反应约0.5h，再加入0.5mL扩链剂，继续反应2h，在90℃熟化发泡24h，洗涤、烘干得到抗菌多孔复合骨修复支架，其所述制备方法制备的骨修复材料在孔隙率及力学强度性能较好。

专利号为CN104368041A，专利名称为具有取向通道结构的复合骨修复支架的制备方法该制备方法公开了将粘稠状的磷酸钙-聚氨酯复合材料制成厚度0.02～3mm，优选厚度为1～2mm的膜后，将具有与所需通道径相适应直径的金属丝间隔排布于其表面并卷曲成柱块状实体后，于90～120℃(最大允许范围75～150℃，优选90～120℃)条件下熟化1～48小时，优选熟化2～12小时使其固化，然后在含有电解质成分的电解液中以其中各取向排列的金属丝为阳极、以惰性电极为阴极的电解方式除去金属丝,得到所述的具有取向通道结构的复合骨修复支架，其孔隙率良好。

然而，人体骨骼不仅仅对孔隙率、力学强度两方面性能有要求，在人体不同部位的骨骼还会对回弹性能有所要求，但现有的骨材料的制备均没有关注此方向的问题。

发明内容

因此，为了同时提高现有技术中的骨修复材料的孔隙率、力学性能、回弹性能三方面性能，制备更接近人体骨的骨修复材料，本发明提出了一种复合骨修复材料及其制备方法。

一方面，本发明提供一种复合骨修复材料，

所述复合骨修复材料为：有机组分采用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，无机组分包括羟基磷灰石和白磷钙石，将所述有机组分和无机组分原位复合得到骨修复材料。

所述复合骨修复材料的设计思路是基于组分、结构及功能三方面模拟骨组织，双向调控构建兼具骨诱导活性和骨传导活性的新型骨修复体。

本发明的骨修复材料的无机组分选取羟基磷灰石和白磷钙石是由于在所有磷酸钙中，羟基磷灰石是构成人体骨骼的主要无机组分，因具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导活性，羟基磷灰石已广泛应用于骨修复材料。而白磷钙石是以镁离子为第二阳离子的磷酸钙衍生物，在人体骨骼中含量仅次于羟基磷灰石，白磷钙石的离子释放速度快、蛋白质吸附能力强、在酸性环境下稳定性好，具有较好的骨诱导活性。

进一步的，本发明所述白磷钙石采用氢氧化钙与氢氧化镁反应，反应后将磷酸滴加到溶液中，沉化、离心、洗涤、冷冻干燥即得到白磷钙石粉末；所述羟基磷灰石以硝酸钙和磷酸三钠为原料通过化学沉淀法制得。

因此，为了更接近人体骨的成分，本发明研究团队首先固定蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的比例为1:1，制备有机成分聚氨酯后，无机组分选择单用白磷钙石，且分别以0％，5％，15％，25％，35％，45％，55％，65％的百分含量进行了实验研究，结果发现，在无机组分的白磷钙石为65％时，其制得的复合骨修复材料的性能最优，其孔隙率能够达到66±2％，抗压强度达到5.2MPa，回弹率达到88％，相对其他百分含量来说性能是较好的。

在进行了单用一种无机组分进行制备骨材料之后，更进一步的，本发明团队研发人员通过固定蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为1:1，无机组分的整体比例为65％，在无机组分中加入逐渐加入羟基磷灰石来观察其所制得的骨材料的性能，分别进行了羟基磷灰石和白磷钙石的不同质量比的平行实验，结果发现在羟基磷灰石和白磷钙石的质量比在3:1时，其制得的骨修复材料的孔隙率能够达到77±4％，抗压强度达到15MPa，回弹率达到89％，这相对于现有技术的骨材料都是性能较优的。

其次，在有机组分的选取上，由于聚氨酯是一种由软硬段构成的嵌段聚合物，可以通过选择不同的软硬段嵌段和调节软硬段间的比例，对聚氨酯进行设计，从而得到具有不同化学结构、机械性能及热性能的聚合物以适应不同的应用要求，因此，为了能够合成性能好的骨材料，本发明采用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，所述蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为1:1。

本发明的另一方面，

还提供一种复合骨修复材料的制备方法，包括反应段和发泡段，所述反应段和发泡段为连续反应；

反应段：依次向反应器中加入反应原料：羟基磷灰石、白磷钙石、蓖麻油，混合均匀后加入异佛尔酮二异氰酸酯、催化剂、扩链剂；所述反应段在油浴、搅拌中进行。

发泡段：向反应段中加入发泡剂，搅拌均匀后出料并放入烘箱中制备复合骨修复材料。

进一步的所述催化剂为辛酸亚锡，所述扩链剂为1,4-丁二醇，所述发泡剂为水；在用量方面，催化剂的使用量为反应原料质量的0.1％-0.3％，扩链剂为反应原料质量的2％-3％，水为反应原料质量的0.5％-1％；所述反应原料质量为羟基磷灰石、白磷钙石、蓖麻油、异佛尔酮二异氰酸酯、催化剂、扩链剂的质量和。

进一步的，所述反应段温度选择为60-80℃，优选为70℃，反应时间为3-6h。

进一步的，由于白磷钙石影响，发泡温度不宜过高，发泡温度太高快速发泡都会坍塌，影响孔隙结构，因此，发泡段温度选择为60-80℃，发泡时间选择为12-24h。

有益效果

本发明选用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯合成聚氨酯，并进一步复合羟基磷灰石和白磷钙石制备具有三维孔隙结构的骨修复材料，其孔隙率可达75％，抗压强度可达到15MPa，回弹率80％左右，提高了可再生资源利用率、降低成本，且本发明选取的原材料均考虑到其生物活性及生物相容性，达到了理想的生物响应，获得了良好的成骨效果。

附图说明

图1为实施例3.3所制得的骨修复材料的宏观照片；

图2为HA/WH/PU复合支架扫描电镜图片，其中

图2A、图2B为实施例3.2的骨修复材料扫描电镜图片；

图2C、图2D为实施例3.3的骨修复材料扫描电镜图片；

图3中A1为实施例3.3的骨修复材料样品原高度测量照片，A2为4次循环压缩结束的瞬时高度测量照片，A3为循环压缩结束恢复1h后高度测量照片；

图4为实施例4.2制得的骨修复材料的宏观照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

图1所示为骨修复材料的图片，本实施例介绍一种骨修复材料的制备方法，具体为有机组分采用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，无机组分包括羟基磷灰石和白磷钙石，将所述有机组分和无机组分原位复合得到骨修复材料。

具体的说，无机组分中的白磷钙石采用氢氧化钙与氢氧化镁反应，其中阴阳离子比为1:1，阳离子中钙镁比为37:13，机械搅拌，反应水浴温度为80℃，充分反应1h后将稀释的磷酸以12.5ml/min的速率滴加到溶液中。待磷酸溶液滴加结束后停止搅拌，在80℃水浴中沉化6h后，离心、洗涤2～3次，置于冷冻干燥机中48h以上，得到白磷钙石粉末。

无机组分中的羟基磷灰石是以硝酸钙和磷酸三钠为原料、化学沉淀法制得；羟基磷灰石和白磷钙石的比例为3:1。

有机组分以蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯比例为1:1制得。

骨修复材料的制备过程为：整体反应在70℃油浴中进行，打开电动搅拌机并保持一定转速。依次加入羟基磷灰石19.5g、白磷钙石6.5g和蓖麻油20g，搅拌均匀后，逐滴加入异佛尔酮二异氰酸酯20g。滴加完毕后充分搅拌十分钟滴加催化剂辛酸亚锡0.1mL。持续搅拌反应约四小时后加入2.5ml扩链剂1,4-丁二醇，约一小时后加入0.8ml水作为发泡剂，充分搅拌1-2min后出料。出料后将样品放置于60℃烘箱发泡24h，制得骨修复材料。

实施例2

本实施例的骨修复材料的制备过程如同实施例1，在不添加羟基磷灰石组分的情况下，固定蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的比例为1:1，通过改变无机组分白磷钙石的百分比，对比制备的复合骨修复材料的抗压强度，孔隙率，回弹率，具体反应结果见表1。

表1

由表1可以看出，随着无机组分白磷钙石含量的增加，制得的骨修复材料的抗压强度先逐渐下降然后逐渐上升，说明白磷钙石含量在一定程度上影响着骨材料的抗压强度，在达到65％的比例时，所制备的骨修复材料的孔隙率能够达到66±2％，抗压强度达到5.2MPa，回弹率达到最高的88％。

实施例3

本实施例过程如同实施例1，固定蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的比例为1:1，采用不同成分的无机组分，对比制备的复合骨修复材料的抗压强度，孔隙率，回弹率，具体情况见表2。

表2

由表2可以看出，在使用羟基磷灰石和白磷钙石混合时，随着羟基磷灰石的含量增加，在3:1时，所制备的复合骨修复材料的性能最优，孔隙率能够达到74±4％，抗压强度能够达到15MPa，回弹率能够提升到89％。

实施例4

本实施例过程如同实施例1，固定无机组分的含量为65％，采用不同比例的蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，对比制备的复合骨修复材料的抗压强度，孔隙率，回弹率，具体情况见表3。

表3

由表3及图4可以看出，在蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的比例为1:1时，能够形成较好的骨材料，而在蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的比例为1:0.5、1:0.8以及1:1.5时，就不能够形成理想的空隙结构，其孔隙率、抗压强度以及回弹率也无法测出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种复合骨修复材料，其特征在于，有机组分采用蓖麻油与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成聚氨酯，无机组分包括羟基磷灰石和白磷钙石，将所述有机组分和无机组分原位复合得到骨修复材料；所述无机组分含量为15-65％，所述蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为1:1。

2.根据权利要求1所述的复合骨修复材料，其特征在于，所述无机组分含量为65％。

3.根据权利要求1所述的复合骨修复材料，其特征在于，所述羟基磷灰石和白磷钙石的质量比为1：3，或1：1，或3：1。

4.根据权利要求1所述的复合骨修复材料，其特征在于，所述白磷钙石采用氢氧化钙与氢氧化镁反应，反应后加入磷酸，经沉化、离心、洗涤、冷冻干燥即得到白磷钙石粉末。

5.根据权利要求1所述的复合骨修复材料，其特征在于，所述羟基磷灰石以硝酸钙和磷酸三钠为原料通过化学沉淀法制得。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的复合骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括连续的反应段和发泡段：

反应段：向反应器中依次加入反应原料：羟基磷灰石、白磷钙石、蓖麻油，混合均匀后加入异佛尔酮二异氰酸酯、催化剂、扩链剂；所述反应段在油浴、搅拌中进行；

发泡段：向反应段中加入发泡剂后放入烘箱中发泡，制备复合骨修复材料。

7.根据权利要求6所述的复合骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂为辛酸亚锡，所述扩链剂为1,4-丁二醇，所述发泡剂为水；催化剂为反应原料质量的0.1％-0.3％，扩链剂为反应原料质量的2％-3％，水为反应原料质量的0.5％-1％。

8.根据权利要求6所述的复合骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述反应段温度为60-80℃，反应时间为3-6h。

9.根据权利要求6所述的复合骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述发泡段温度为60-80℃，发泡时间为12-24h。