專利名稱：一種聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，具體說，是 涉及一種利用靜電紡絲技術制備聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的方法，屬于納米 纖維材料制備技術領域。
背景技術：
聚乳酸(PLA)因具有許多非凡的性能，包括良好的機械性能、耐熱性、抗化學腐蝕 性，良好的透明性、成纖性和熱塑性等，特別是由于其具有良好的生物降解性和生物相容 性，因而可廣泛應用于生物醫學材料領域。然而，聚乳酸材料在人體應用時存在的最大問題 是其降解過程中會產生大量乳酸造成局部酸性環境，從而引發局部肌肉組織的炎癥反應。非晶磷酸鈣，作為利用濕化學法合成羥基磷灰石過程中存在的一種中間相，具有 優異的骨傳導性以及成骨細胞黏附性，并且生物降解速率較高，被廣泛的用于生物材料的 添加材料。在骨科，由于其類似于人類骨骼中天然的成分，而被用作骨骼材料的填充材料， 比如水泥骨，牙科充料等。由于其較好的溶解性能，在降解過程中可以在周圍形成一柔性的 含有Ca2+離子、PO43-離子區，該離子區可以中和聚乳酸帶來的酸性環境，延緩生物吸收的速 度，從而清除由酸性物質引起的炎癥反應。但磷酸鈣的質地太脆，制成的材料容易碎裂，機 械性能不佳，而聚乳酸的加入能夠改善材料的性能。將聚乳酸和磷酸鈣用合適的制備方法 制得骨組織工程材料，既能提高力學性能和誘導成骨特性，又能控制材料的生物降解速度。 因此，聚乳酸-磷酸鈣復合多孔支架已被多數學者采用。用于生物醫學工程領域的組織工程支架材料可以在三個層次上影響組織構建① 支架材料的組成結構，決定材料的基本物理機械性能；②支架孔隙的形態結構和大小，調節 細胞的遷移與生長；③支架材料的表面化學性質(如親水性和表面電荷)，調節與其相接觸 的細胞的黏附、伸展及基因表達過程。理想組織工程支架的構建要綜合以上各因素，使支架 材料在三維空間結構、表面的理化及生物學性質等方面模擬生物機體組織。因此，支架材料 的組成和支架孔隙的形態結構是組織工程支架材料的兩個重要因素。目前的組織工程支架 材料，要么生物相容性差、降解速率不合理，要么力學性能不高，還有的因為孔隙不貫通而 透氣性差或不利于細胞生長、營養供給和廢物排泄，而普通網狀材料孔徑太大，對細胞沒有 屏障作用，因而難以滿足臨床應用要求。納米纖維具有很多不同于常規尺寸物質的特殊性質，主要是因為其具有極大的比 表面積。相對于納米微粒材料而言，納米纖維更容易保持納米尺度形貌，且可直接用于工業 等實際用途。嚴格來講，納米纖維一般是指直徑小于IOOnm的纖維。通常，將直徑在幾百納 米以下的纖維稱為超細纖維，也具有特殊性能。靜電紡絲法制備的超細纖維多孔材料具有 高比表面積、高孔隙率等優異性能，在形態上可以較好地仿生細胞外基質，因而在生物醫學 包括組織工程支架、表面包覆、藥物緩釋等方面具有廣闊的應用前景。靜電紡絲技術是一種在高壓電場作用下形成超細纖維的聚合物加工技術。通過這 種技術可以方便地制備直徑在十幾納米至幾百納米的聚合物超細纖維。靜電紡絲過程中，
4采用靜止的接地接收裝置所得到的纖維一般會沉積成纖維氈，微觀形態類似于無紡布。靜 電紡絲材料的一個重要的應用方向是生物醫學領域。將具有良好生物相容性的材料通過電 紡加工成具有特殊超細纖維結構的組織工程支架是目前組織工程研究的一個熱點。相比其 他支架制備技術，電紡技術具有以下幾個特點(1)超細纖維可以模擬天然細胞外基質的 納米網狀結構。很多研究結果認為，支架的微結構對細胞的粘附和生長具有重要意義。(2) 制備的聚合物支架可以是多種聚合物的復合材料，可綜合利用不同材料的特性。(3)制備的 支架具有內部貫通性。但利用靜電紡絲技術制備聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料，至今未見有關 報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用靜電紡絲技術制備聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米 纖維材料的方法，以實現該類復合材料在生物醫學工程領域中的廣泛應用和規模化生產的 目的。為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下本發明提供的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，包括如下具體 步驟a)將水溶性鈣鹽和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合物(P12!3)加入去 離子水中，配制成混合水溶液A ；b)將水溶性磷酸鹽和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合物(P12!3)加入 去離子水中，配制成混合水溶液B ；C)調節混合水溶液B的PH值至堿性，然后將混合水溶液A滴加入其中進行沉淀反 應；d)滴畢，得到乳白色懸濁液，離心分離得乳白色沉淀，該沉淀即為非晶磷酸鈣納米 顆粒；e)將得到的非晶磷酸鈣納米顆粒加入氮-氮-二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶 劑中進行超聲分散；f)加入聚乳酸至步驟e)得到的分散體系中，攪拌使其完全溶解；g)進行靜電紡絲，即得聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料。所述水溶性鈣鹽推薦為氯化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種。所述混合水溶液A中水溶性鈣鹽的濃度推薦為0. 03 0. 05mol/L, P123的濃度 推薦為 0. 00006 0. 0001mol/L。所述水溶性磷酸鹽推薦為磷酸鈉、磷酸氫納、磷酸二氫納、磷酸鉀、磷酸氫鉀、磷酸 二氫鉀、磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸二氫銨中的任意一種。所述混合水溶液B中水溶性磷酸鹽的濃度推薦為0. 05 0. 08mol/L, P123的濃 度推薦為 0. 00006 0. 0001mol/L。步驟c)中推薦用氨水調節混合水溶液B的pH值至堿性。步驟c)中的pH值推薦為10 12。步驟c)中的沉淀反應時間推薦為1 30分鐘。
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所述氮-氮-二甲基甲酰胺和四氫呋喃的體積比推薦為(0. 1 10) 1。所述聚乳酸在分散體系中的濃度推薦為0. 004 0. 007mol/L。所述靜電紡絲使用的注射器規格推薦為5 20毫升，推注速率推薦為1 5毫升 /小時，直流電壓推薦為10 20千伏，接收距離推薦為10 20厘米，接收裝置推薦為鋁箔。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果1)本發明的制備方法具有工藝簡單、快速和成本低等優點，適合規模化生產。2)由本發明制備方法制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料，具有良好 的生物相容性，有一定的結合強度，并具有高比表面和內部貫通的多孔結構，能夠為細胞生 長、營養供給和廢物排泄提供便利，可實現該類復合材料在生物醫學工程領域中的廣泛應用。
圖1是實施例1制得的非晶磷酸鈣納米顆粒的X-射線粉末衍射譜圖。圖2是實施例1制得的非晶磷酸鈣納米顆粒的透射電子顯微鏡照片。圖3是實施例1制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的掃描電子顯微鏡 照片。圖4是實施例1制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的透射電子顯微鏡 照片。具體實施方法下面結合實施例對本發明做進一步詳細、完整地說明，但并不限制本發明的內容。實施例1本實施例制備聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的具體步驟是a)將0.0017mol CaCl2和3. 4 X 10_6mol聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚 合物(P123)溶解于40ml去離子水中，配制成混合水溶液A ；b)將 0. 0028mol Na2HPO4 · 12H20 和 3. 4X l(T6mol P123 溶解于 40ml 去離子水中， 配制成混合水溶液B;c)用氨水調節混合水溶液B的pH值為10 10. 5，然后用電子蠕動泵以10毫升/ 分鐘的速度將混合水溶液A滴加入其中進行沉淀反應，并用氨水調節整個反應過程中的pH 值為10 10. 5 ；d)滴畢，得到乳白色懸濁液，離心分離得乳白色磷酸鈣沉淀；e)將得到的磷酸鈣沉淀加入2ml氮-氮-二甲基甲酰胺和2ml四氫呋喃的混合溶 劑中，超聲分散使乳白色沉淀均勻分散在混合溶劑中；f)加入2. lX10_5mol聚乳酸至步驟e)得到的分散體系中，攪拌使其完全溶解；g)進行靜電紡絲將步驟f)得到的懸浮液加入到10毫升注射器中，在針頭處加 15千伏的電壓，以1毫升/小時的推注速率進行推注，利用鋁箔在距針頭15厘米處進行接 收，即得聚乳酸-非晶磷酸鈣復合材料。圖1是本實施例制得的乳白色磷酸鈣沉淀的X-射線粉末衍射譜圖，圖2是本實施 例制得的乳白色磷酸鈣沉淀的透射電子顯微鏡照片，綜合圖1和圖2可知制得的乳白色磷酸鈣沉淀為非晶磷酸鈣納米顆粒。圖3是本實施例制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合材料的掃描電子顯微鏡照片，圖 4是本實施例制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合材料的透射電子顯微鏡照片，綜合圖3和圖 4可知本實施例制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合材料為納米纖維，具有內部貫通的多孔結 構。實施例2本實施例與實施例1的不同之處僅在于a)將0.0012mol CaCl2和3. 4 X 10_6mol聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚 合物(P123)溶解于40ml去離子水中，配制成混合水溶液A ；b)將 0. 002mol Na2HPO4 · 12H20 和 3. 4X l(T6mol 溶解于 40ml 去離子水中，配制成 混合水溶液B ；其余內容均與實施例1中所述相同。實施例3本實施例與實施例1的不同之處僅在于a)將0. 002mol CaCl2和4X 10_6mol聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合 物(P123)溶解于40ml去離子水中，配制成混合水溶液A ；b)將 0. 0032mol Na2HPO4 · 12H20 和 4X l(T6mol P123 溶解于 40ml 去離子水中，配 制成混合水溶液B;其余內容均與實施例1中所述相同。實施例4本實施例與實施例1的不同之處僅在于c)用2mol/L的氫氧化鈉水溶液調節混合水溶液B的pH值為11. 5 12，然后用 電子蠕動泵以10毫升/分鐘的速度將混合水溶液A滴加入其中進行沉淀反應，并用2mol/ L的氫氧化鈉水溶液調節整個反應過程中的pH值為11. 5 12 ；其余內容均與實施例1中所述相同。實施例5本實施例與實施例1的不同之處僅在于f)加入1. 6X 10_5mol聚乳酸至步驟e)得到的分散體系中，攪拌使其完全溶解；其余內容均與實施例1中所述相同。實施例6本實施例與實施例1的不同之處僅在于f)加入2. 8X 10_5mol聚乳酸至步驟e)得到的分散體系中，攪拌使其完全溶解；其余內容均與實施例1中所述相同。實施例7本實施例與實施例1的不同之處僅在于g)進行靜電紡絲將步驟f)得到的懸浮液加入到20毫升注射器中，在針頭處加 20千伏的電壓，以5毫升/小時的推注速率進行推注，利用鋁箔在距針頭20厘米處進行接 收。其余內容均與實施例1中所述相同。
實施例8本實施例與實施例1的不同之處僅在于g)進行靜電紡絲將步驟f)得到的懸浮液加入到5毫升注射器中，在針頭處加10 千伏的電壓，以1毫升/小時的推注速率進行推注，利用鋁箔在距針頭10厘米處進行接收。其余內容均與實施例1中所述相同。實施例9本實施例與實施例1的不同之處僅在于利用旋轉的不銹鋼棒在距針頭15厘米處進行接收，得到產物是聚乳酸-非晶磷酸 鈣復合納米纖維形成的管狀材料。另外，實驗證明實施例1中的CaCl2可被硝酸鈣、醋酸鈣等任意一種水溶性鈣鹽 所等同替代；實施例1中的Na2HPO4 · 12H20可被磷酸鈉、磷酸氫納、磷酸鉀、磷酸氫鉀、磷酸 二氫鉀、磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸二氫銨等任意一種水溶性磷酸鹽所等同替代。
權利要求
1.一種聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征在于，包括如下具 體步驟a)將水溶性鈣鹽和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合物(P12!3)加入去離子 水中，配制成混合水溶液A ；b)將水溶性磷酸鹽和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合物(P12!3)加入去離 子水中，配制成混合水溶液B ；c)調節混合水溶液B的pH值至堿性，然后將混合水溶液A滴加入其中進行沉淀反應；d)滴畢，得到乳白色懸濁液，離心分離得乳白色沉淀，該沉淀即為非晶磷酸鈣納米顆粒；e)將得到的非晶磷酸鈣納米顆粒加入氮-氮-二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶劑 中，進行超聲分散；f)加入聚乳酸至步驟e)得到的分散體系中，攪拌使其完全溶解；g)使用步驟f)得到的聚合物溶液進行靜電紡絲，即得聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖 維材料。
2.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于所述水溶性鈣鹽為氯化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于混合水溶液A中的水溶性鈣鹽的濃度為0. 03 0. 05mol/L，P123的濃度為0. 00006 0.0001mol/L。
4.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于所述水溶性磷酸鹽為磷酸鈉、磷酸氫納、磷酸二氫納、磷酸鉀、磷酸氫鉀、磷酸二氫鉀、 磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸二氫銨中的任意一種。
5.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其 特征在于混合水溶液B中的水溶性磷酸鹽的濃度為0. 05 0. 08mol/L, P123的濃度為 0.00006 0. 0001mol/L。
6.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于步驟c)中用氨水調節混合水溶液B的pH值至堿性。
7.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于步驟c)中的pH值為10 12。
8.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于步驟c)中的沉淀反應時間為1 30分鐘。
9.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于所述氮-氮-二甲基甲酰胺和四氫呋喃的體積比為(0.1 10) 1。
10.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于所述聚乳酸在分散體系中的濃度為0. 004 0. 007mol/L。
11.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于靜電紡絲中使用的注射器規格為5 20毫升。
12.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于靜電紡絲中的注射器推注速率為1 5毫升/小時。
13.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于靜電紡絲中的直流電壓為10 20千伏。
14.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于靜電紡絲中的接收距離為10 20厘米。
15.根據權利要求1所述的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，其特征 在于靜電紡絲中的接收裝置為鋁箔。
全文摘要
本發明公開了一種聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料的制備方法，是首先以水溶性鈣鹽、水溶性磷酸鹽和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚合物(P123)為原料，配制水溶液A和水溶液B，然后在堿性條件下進行沉淀反應，制得非晶磷酸鈣納米顆粒；然后將非晶磷酸鈣納米顆粒分散在氮-氮-二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶劑中，再加入聚乳酸，攪拌使其完全溶解后，進行靜電紡絲即可。本發明的制備方法具有工藝簡單、快速和成本低等優點，適合規模化生產。且本發明所制得的聚乳酸-非晶磷酸鈣復合納米纖維材料，具有良好的生物相容性，具有高比表面和內部貫通的多孔結構，可實現該類復合材料在生物醫學工程領域中的廣泛應用。
文檔編號D01F1/10GK102102242SQ201010619418
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者朱英杰, 陳 峰, 馬釗 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所