生物玻璃-聚醚醚酮复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.聚醚醚酮(peek)能够应用于运动医学、脊柱外科、颅骨修补等领域，但该材料的生物惰性不利于成骨细胞在其表面黏附与生长，因此无法与人体骨组织形成牢固有力的结合，进而限制其作为骨修复材料在生物医疗领域的应用。生物活性玻璃是一种具有良好生物活性与生物相容性的可降解生物材料，植入人体后能够释放诱导骨组织和血管生长的金属离子，如钙离子、硅离子等，其表面能够生成与骨组织成分类似的羟基磷灰石层，与周围的硬组织或者软组织形成牢固的化学键合，但生物玻璃机械强度较低，脆性大，尤其是抗弯性能不足，严重限制了它的使用范围。将具有生物活性的生物玻璃与力学性能优异的聚醚醚酮复合，能得到一种能够将二者优良性能相结合的新型材料。
3.cn103483768b公开了一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法。将生物玻璃粉末和聚醚醚酮粉末均匀混合，得混合粉末；将混合粉末加工成型。生物玻璃粉末的粒径为5～20μm，聚醚醚酮粉末的粒径为10～20μm。由于聚醚醚酮表面惰性以及两种材料物理性能的差异，在制备过程中两种材料结合不够紧密，共混复合材料在注塑成型过程中易出现材料分层现象。此外，生物玻璃粉末和聚醚醚酮粉末的粒径较小，容易吸水，在制备的过程中必须保证粉末以及加工环境充分干燥，才能避免粉末结团，制备效率较低。
4.cn110075362a公开了一种含有生物活性玻璃涂层的复合材料的制备方法。以甲氧基乙醇钙为钙的前驱体，以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯为硅的前驱体，制备生物活性玻璃溶胶。将基体材料浸入生物活性玻璃溶胶，然后取出、干燥、陈化，生物活性玻璃溶胶在基体材料表面形成涂层，即制备得到含有生物活性玻璃涂层的复合材料。该复合材料在植入或使用的过程中涂层容易脱落，使植入体无法达到应有的效果。此外，甲氧基乙醇钙稳定性差，需现制现用，且价格昂贵，因此该方法并不适用于后期生产放大。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法，该方法制备工艺较为简单，造格低廉，原料易得，所得到的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料具有较高的强度。进一步地，该方法所得到的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料具有良好的生物活性。
6.上述目的通过如下技术方案来实现。
7.一方面，本发明提供了一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)提供含有聚醚醚酮和正硅酸乙酯的第一混合物，含有乳酸盐的第二混合物；所述乳酸盐含有乳酸钙；
9.(2)在40～80℃下将第二混合物加入第一混合物中，形成含有聚醚醚酮的生物玻
璃溶胶；
10.(3)将含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶在20～38℃下陈化50～90h，然后在60～120℃下真空干燥1～3d，得到干燥后的溶胶；
11.(4)将干燥后的溶胶在150～320℃下烧结，得到生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。
12.根据本发明的制备方法，优选地，所述第一混合物中还包括磷酸三乙酯，所述乳酸盐还包括乳酸钠。
13.根据本发明的制备方法，优选地，所述第一混合物中还包括水、含有1-6个碳原子的脂肪族一元醇和乳酸，所述第二混合物中还包括水和乳酸。
14.根据本发明的制备方法，优选地，第一混合物中乳酸与正硅酸乙酯的体积质量比为2:(1.5～4.5)ml/g，第二混合物中乳酸与乳酸盐的体积质量比为1:(0.5～1.5)ml/g。
15.根据本发明的制备方法，优选地，第一混合物中，水和脂肪族一元醇的体积比为(2～2.8):1；第二混合物中，水和乳酸的体积比为(1.5～4.5):1。
16.根据本发明的制备方法，优选地，正硅酸乙酯与乳酸钙的质量比为(1～2):1，正硅酸乙酯与聚醚醚酮的质量比为1:(0.7～3)。
17.根据本发明的制备方法，优选地，第一混合物中，水和乳酸的体积比为(2～2.8):1。
18.根据本发明的制备方法，优选地，还包括如下步骤：
19.将水、脂肪族一元醇和乳酸混合，得到第一混合液；将第一混合液与聚醚醚酮混合，得到聚醚醚酮悬浮液；将正硅酸乙酯和聚醚醚酮悬浮液混合，得到第一混合物；
20.将水和乳酸在40～70℃下混合，得到第二混合液；在40～70℃下将乳酸盐与第二混合液混合，得到第二混合物。
21.另一方面，本发明提供了一种由上述制备方法得到的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。
22.根据本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料，优选地，在23℃时，所述生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的弹性模量≥5.5gpa，抗拉强度≥95mpa，抗弯强度≥105mpa。
23.本发明选择乳酸钙作为钙的前驱体、乳酸钠作为钠的前驱体，采用溶胶-凝胶法制备生物玻璃，并在生物玻璃溶胶-凝胶的过程中引入聚醚醚酮，配合适当的条件及参数，使得聚醚醚酮能够均匀地分散在生物玻璃凝胶中，获得了兼具较高强度与生物活性的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。
附图说明
24.图1为实施例1所得的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料经注塑加工后样条表面的扫描电镜图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
26.《生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法》
27.本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法包括如下步骤:
28.(1)提供第一混合物和第二混合物的步骤；(2)形成生物玻璃溶胶的步骤；(3)陈化和干燥的步骤；(4)烧结的步骤。
29.提供第一混合物和第二混合物的步骤
30.提供含有聚醚醚酮和正硅酸乙酯的第一混合物，含有乳酸盐的第二混合物。聚醚醚酮可以以粉末的形式使用。
31.第一混合物中，聚醚醚酮和正硅酸乙酯的质量比(0.7～3):1；优选为(1～2.4):1；更优选为(1.8～2.1):1。根据本发明的一个实施方式，聚醚醚酮和正硅酸乙酯的质量比为2:1。聚醚醚酮可以以粉末的形式使用。这样能够使复合材料兼具优异的强度和生物活性。
32.第一混合物中还包括水、含有1-6个碳原子的脂肪族一元醇和乳酸。优选地，单个脂肪族一元醇分子中含有1～3个碳原子。脂肪族一元醇的实例包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇。
33.第一混合物中，乳酸与正硅酸乙酯的体积质量比为2:(1.5～4.5)ml/g；优选为2:(2～4)ml/g；更优选为2:(2.5～3.5)。这样能够确保正硅酸乙酯的反应速度适当，使乳酸盐前驱体成功地引入生物玻璃中。
34.第一混合物中，水和脂肪族一元醇的体积比为(2～2.8):1；优选为(2.2～2.5):1；更优选为(2.3～2.4):1。这样有助于形成均一性好的第一混合物。
35.第一混合物中，水与乳酸的体积比为(2～2.8):1；优选为(2.2～2.5):1；更优选为(2.3～2.4):1。这样有助于形成均一性好的第一混合物。
36.第一混合物中，水和聚醚醚酮的体积质量比为120:(60～200)ml/g；优选为120:(75～150)ml/g；更优选为120:(140～160)ml/g。
37.第一混合物中，还可以包含有磷酸三乙酯。磷酸三乙酯与正硅酸乙酯的质量比可以为(5～15):75；优选为(8～12):75。
38.根据本发明的一个实施方式，第一混合物由水、乙醇、乳酸、聚醚醚酮、正硅酸乙酯和磷酸三乙酯组成。
39.在某些实施方式中，包括如下步骤：将水、脂肪族一元醇和乳酸混合，得到第一混合液；将第一混合液与聚醚醚酮混合，得到聚醚醚酮悬浮液；将正硅酸乙酯和聚醚醚酮悬浮液混合，得到第一混合物。在某些实施方式中，还包括：将含有正硅酸乙酯的聚醚醚酮悬浮液与磷酸三乙酯混合，从而得到第一混合物。
40.具体地，将水、脂肪族一元醇和乳酸在密封的容器中搅拌，得到第一混合液。搅拌温度可以为20～35℃；优选为25～30℃。搅拌时间可以为0.2～2h；优选为0.4～1h。
41.将聚醚醚酮和第一混合液在密封的容器中搅拌，得到聚醚醚酮悬浮液。搅拌温度可以为20～35℃；优选为25～30℃。搅拌时间可以为0.2～2h；优选为0.4～1h。
42.将正硅酸乙酯和聚醚醚酮悬浮液在密封的容器中搅拌。搅拌温度可以为20～35℃；优选为25～30℃。搅拌时间可以为1～5h；优选为2～3h。
43.将磷酸三乙酯和含有正硅酸乙酯的聚醚醚酮悬浮液在密封的容器中搅拌。搅拌温度可以为20～35℃；优选为25～30℃。搅拌时间可以为0.5～3h；优选为1～2h。
44.本发明的第二混合物中含有乳酸盐。乳酸盐可以为碱金属或碱土金属的乳酸盐。乳酸盐含有乳酸钙。在某些实施方式中，乳酸盐还含有乳酸钠。
45.第二混合物中，还含有水和乳酸。水和乳酸的体积比为(1.5～4.5):1；优选为(2～
4):1；更优选为(2.5～3.5):1。这样有助于生物玻璃的形成，且能够形成均一性好的第二混合物。
46.第二混合物中，乳酸与乳酸盐的体积质量比为1:(0.5～1.5)ml/g；优选为1:(0.7～1.3)ml/g；更优选为1:(1～1.1)ml/g。这样有助于生物玻璃的形成，且能够形成均一性好的第二混合物。
47.正硅酸乙酯与乳酸钙的质量比为(1～2):1；优选为(1.3～1.8):1；更优选为(1.5～1.7):1。这样有助于获得兼顾力学性能和生物活性的复合材料。
48.乳酸钙和乳酸钠的质量比为45.8:(28～42)；优选为45.8:(30～40)；更优选为45.8:(33～38)。这样有助于获得兼顾力学性能和生物活性的复合材料。
49.根据本发明的一个实施方式，第二混合物由水、乳酸、乳酸钙和乳酸钠组成。
50.具体地，将水和乳酸在40～70℃下混合，得到第二混合液；在40～70℃下将乳酸盐与第二混合液混合，得到第二混合物。
51.水和乳酸在密封的容器中混合。水和乳酸在搅拌的条件下混合。优选地，混合温度为45～60℃。混合时间可以为0.2～2h；优选为0.5～1h。
52.乳酸盐与第二混合液在密封的容器中混合。乳酸盐与第二混合液在搅拌的条件下混合。优选地，混合温度为45～60℃。根据本发明的一个实施方式，将乳酸钙与第二混合液搅拌0.5～1.5h，得到含乳酸钙混合液。将乳酸钠与含乳酸钙混合液搅拌0.5～1.5h，得到第二混合物。
53.形成生物玻璃溶胶的步骤
54.在t温度下，将第二混合物加入第一混合物中，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶。具体地，在t温度下，将第二混合物中加入第一混合物中，然后搅拌，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶。搅拌时间可以为1～2h。
55.根据本发明的一个实施方式，将搅拌中的第一混合物加热至t温度，然后向搅拌中的第一混合物中加入第二混合物，继续在t温度下搅拌1～2h，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶。t为40～80℃；优选为50～70℃；更优选为60～65℃。
56.搅拌装置可以为磁力搅拌器或机械搅拌器；优选为机械搅拌器。这样有助于快速形成聚醚醚酮均匀分布的生物玻璃溶胶。
57.陈化和干燥的步骤
58.将含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶陈化，然后真空干燥，得到干燥后的溶胶。
59.陈化温度为20～38℃；优选为25～35℃；更优选为25～30℃。陈化时间为50～90h；优选为60～80h；更优选为70～75h。这样有助于提高溶胶的均匀性，提高复合材料的强度。
60.干燥在真空条件下进行。真空是指绝对压力≤100pa。干燥温度为60～120℃；优选为80～110℃；更优选为95～100℃。干燥时间为1～3d；优选为2～3d。这样的干燥条件有助于提高复合材料的力学强度。
61.烧结的步骤
62.将干燥后的溶胶烧结，得到生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。
63.烧结温度为150～320℃；优选为200～300℃；更优选为250～300℃。这样有助于提高生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的力学强度和生物活性。
64.烧结保温时间可以为1～4h；优选为1.5～3h；更优选为2～2.5h。这样有助于提高
生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的力学强度和生物活性。
65.《生物玻璃-聚醚醚酮复合材料》
66.本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料由上述制备方法制备得到。
67.本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料在23℃时，弹性模量≥5.5gpa；优选地，弹性模量≥5.6gpa；更优选地，弹性模量≥6.0gpa。在某些实施方式中，弹性模量≤6.5gpa。在另一些实施方式中，弹性模量≤6.2gpa。
68.本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料在23℃时，抗拉强度≥95mpa；优选地，抗拉强度≥100mpa。在某些实施方式中，抗拉强度≤110mpa。在另一些实施方式中，抗拉强度≤103mpa。
69.本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料在23℃时，抗弯强度≥105mpa；优选地，抗弯强度≥108mpa；更优选地，抗弯强度≥110mpa。在某些实施方式中，抗弯强度≤115mpa。在另一些实施方式中，抗弯强度≤112mpa。
70.实施例1
71.将120ml蒸馏水加入容器中，依次加入50ml无水乙醇、50ml乳酸后，将容器密封，然后在25℃下搅拌0.5h，形成第一混合液。将150g聚醚醚酮粉末分次加入第一混合液中，然后将容器密封，在25℃下搅拌0.5h，形成聚醚醚酮悬浮液。将75g正硅酸乙酯加入至搅拌中的聚醚醚酮悬浮液中，在25℃和容器密封的状态下搅拌2.5h，得到含有正硅酸乙酯的聚醚醚酮悬浮液。将10.9g磷酸三乙酯加入搅拌中的含有正硅酸乙酯的聚醚醚酮悬浮液中，然后在25℃和容器密封的状态下搅拌1h，形成第一混合物。
72.依次向另一容器中加入228ml蒸馏水和76ml乳酸，然后将容器密封，在50℃下搅拌0.5h，形成第二混合液。将45.8g乳酸钙分次加入搅拌中的第二混合液中，在50℃和容器密封的状态下搅拌1h，得到含乳酸钙混合液。将35.6g乳酸钠加入至含乳酸钙混合液中，在50℃和容器密封的状态下搅拌1h，形成第二混合物。
73.将第一混合物在搅拌状态下加热至60℃，然后向搅拌中的第一混合物中匀速加入第二混合物，继续在60℃条件下搅拌2h，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶。
74.将含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶在25℃下陈化72h，然后在100℃下真空干燥2d，得到干燥后的溶胶。
75.将干燥后的溶胶在250℃下烧结保温2.5h，得到生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。
76.实施例2
77.除烧结温度为150℃外，其余同实施例1。
78.实施例3
79.除聚醚醚酮粉末的用量为180g外，其余同实施例1。
80.实施例4
81.除聚醚醚酮粉末的用量为45g外，其余同实施例1。
82.实施例5
83.除烧结保温时间为0.5h外，其余同实施例1。
84.实验例1
85.使用成骨诱导培养液培养接种在本发明的复合材料和纯聚醚醚酮材料表面的mg-63细胞7d和14d后，弃去原培养液，使用pbs清洗两次。使用1％triton x-100冰上裂解细胞，
收集裂解液，离心后取上清液。使用alp活性检测试剂盒检测上清液中总蛋白浓度。样品中的alp活性用相应的总蛋白含量进行标准化。mg-63细胞在材料表面的alp定量结果参见表1。
86.成骨诱导培养液的成分具体如下：10mmol/lβ-甘油磷酸钠、50μg/ml抗坏血酸磷酸盐、0.1μmol/l地塞米松和10％ fbs的α-mem培养液。
87.表1
[0088][0089]
从表中数据可得，相对于纯聚醚醚酮材料，实施例所得生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的alp活性更高，表面成骨活性提高。
[0090]
实验例2
[0091]
将生物玻璃-聚醚醚酮复合材料研磨成粉末状，经注塑成型后进行力学性能测试，测试样条尺寸按照标准规定制备。按照标准astm d638《standard test method for tensile properties of plastics》与astm d790《standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials》对23℃时材料的弹性模量、抗拉强度与抗弯强度进行测试，测试结果参见表2。
[0092]
表2
[0093][0094]
实验例3
[0095]
将聚醚醚酮粉末注塑成型，制得纯聚醚醚酮测试样条。采用接触角测试仪室温下测定纯聚醚醚酮与实施例1得到的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料测试样条的表面接触角，每组样品测试3个样本，每个样本测试3个位置，计算平均值，测试结果参见表3。
[0096]
表3
[0097]
序号接触角实施例145.52
°±
2.83
°
聚醚醚酮84.27
°±
1.56
°
[0098]
从表中数据可得，相对于纯聚醚醚酮材料，实施例1生物玻璃-聚醚醚酮复合材料表面接触角明显降低，说明亲水性提高，有利于细胞黏附。
[0099]
图1为实施例1的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料经注塑成型后得到的测试样条的扫描电镜图。由图1可知，本发明的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料表面具有孔状结构。
[0100]
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

技术特征：
1.一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)提供含有聚醚醚酮和正硅酸乙酯的第一混合物，含有乳酸盐的第二混合物；所述乳酸盐含有乳酸钙；(2)在40～80℃下将第二混合物加入第一混合物中，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶；(3)将含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶在20～38℃下陈化50～90h，然后在60～120℃下真空干燥1～3d，得到干燥后的溶胶；(4)将干燥后的溶胶在150～320℃下烧结，得到生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合物中还包括磷酸三乙酯，所述乳酸盐还含有乳酸钠。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合物中还包括水、含有1-6个碳原子的脂肪族一元醇和乳酸，所述第二混合物中还包括水和乳酸。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，第一混合物中乳酸与正硅酸乙酯的体积质量比为2:(1.5～4.5)ml/g，第二混合物中乳酸与乳酸盐的体积质量比为1:(0.5～1.5)ml/g。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：第一混合物中，水和脂肪族一元醇的体积比为(2～2.8):1；第二混合物中，水和乳酸的体积比为(1.5～4.5):1。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，正硅酸乙酯与乳酸钙的质量比为(1～2):1，正硅酸乙酯与聚醚醚酮的质量比为1:(0.7～3)。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，第一混合物中，水和乳酸的体积比为(2～2.8):1。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：将水、脂肪族一元醇和乳酸混合，得到第一混合液；将第一混合液与聚醚醚酮混合，得到聚醚醚酮悬浮液；将正硅酸乙酯和聚醚醚酮悬浮液混合，得到第一混合物；将水和乳酸在40～70℃下混合，得到第二混合液；在40～70℃下将乳酸盐与第二混合液混合，得到第二混合物。9.一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述生物玻璃-聚醚醚酮复合材料由权利要求1～8任一项所述的制备方法得到。10.根据权利要求9所述的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料，其特征在于，在23℃时，所述生物玻璃-聚醚醚酮复合材料的弹性模量≥5.5gpa，抗拉强度≥95mpa，抗弯强度≥105mpa。

技术总结
本发明公开了一种生物玻璃-聚醚醚酮复合材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：(1)提供含有聚醚醚酮和正硅酸乙酯的第一混合物，含有乳酸盐的第二混合物；所述乳酸盐含有乳酸钙；(2)在40～80℃下将第二混合物加入第一混合物中，形成含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶；(3)将含有聚醚醚酮的生物玻璃溶胶在20～38℃下陈化50～90h，然后在60～120℃下真空干燥1～3d，得到干燥后的溶胶；(4)将干燥后的溶胶在150～320℃下烧结，得到生物玻璃-聚醚醚酮复合材料。该制备方法所得到的生物玻璃-聚醚醚酮复合材料具有较高的强度。醚醚酮复合材料具有较高的强度。醚醚酮复合材料具有较高的强度。


技术研发人员：张晓金 周梦洁 周东升
受保护的技术使用者：成都美益博雅材料科技有限公司
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/15