一種改性聚乙烯醇水凝膠材料及專用模具、制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具備致密/多孔層狀仿生結構的改性聚乙烯醇水凝膠軟骨/骨修復材料及其制備方法，屬于生物醫用材料領域。
【背景技術】
[0002]聚乙稀醇(polyvinyl alcohol，簡稱PVA)是一類由聚醋酸乙稀醋部分或者完全水解而成的水溶性聚合物。聚乙烯醇水凝膠的化學組成和獨特的空間三維結構，使其具有獨特的物理和生物性能，如很好的溶脹性、高含水率、良好的粘彈性、柔軟以及良好的生物相容性等，使其和人體組織很接近，因此被廣泛應用在生物醫學材料領域，在傷口敷料、眼角接觸鏡、組織工程支架、人造皮膚、藥物緩釋、生物感應器、人工關節軟骨和半月板置換等方面得到了廣泛的應用。然而聚乙烯醇作為生物材料仍有一定缺點，如缺乏生物活性，細胞粘附性差，在特定應用領域無法達到所要求的機械強度、低摩擦性等，因而限制了聚乙烯醇應用范圍的進步擴展。
[0003]生物活性鈣磷粉體主要有磷酸三鈣、羥基磷灰石和生物活性玻璃等。生物活性玻璃是表面活性材料，具有良好的生物相容性和骨修復特性，能與人體骨或軟組織形成生理結合。生物活性玻璃一般含有CaO-S12-P2O5,部分含有MgO、K2O, Na20、Al2O3' B2O3' T12等，玻璃網絡由硅氧四面體或磷氧四面體構成。磷酸三鈣(Ca3(PO4)2, TCP)是眾多磷酸鹽中的一種生物陶瓷材料，具有優良的生物相容性、生物活性以及生物降解性，是一種非常理想，臨床應用前景十分誘人的人體硬組織缺損修復和替代材料。當磷酸鈣陶瓷材料被植入體內時，在生物環境下能發生不同程度的降解，被部分或者全部吸收。
[0004]工程塑料是一類具有高強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。當前應用在醫用材料的工程塑料有聚甲醛、尼龍、聚苯醚、聚醚醚酮等。尼龍(聚酰胺)是分子主鏈上含有重復酰胺基團一 [NHC0]—的熱塑性樹脂總稱，包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺。尼龍具有良好的力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和自潤滑性，且摩擦系數低，易于加工。聚醚醚酮(PEEK)是一種高強度的特種功能材料，半結晶熱塑性工程塑料。具有良好的耐蠕變性能，這種性能有利于材料在長時間內受壓力的情況下不會因此而發生非常明顯的形變。其高力學強度主要來源于其結晶度和晶體結構。并且聚醚醚酮具有比聚四氟乙烯更好的耐磨減摩性能。
[0005]現有技術如常規共混致孔劑法、模板法、氣體成孔法制備的材料存在孔洞結構不合適、孔洞連通率低、無機粉體的團聚現象及多層材料間界面問題等缺陷。
【發明內容】
[0006]本發明目的之一在于克服現有技術存在的孔洞結構不合適、孔洞連通率低及多層材料間界面問題等缺陷，提供一種具備致密/多孔層狀仿生結構的改性聚乙烯醇水凝膠軟骨/骨修復材料，同時提供該材料的制備方法。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案實現:
[0008]一種制備改性聚乙烯醇水凝膠材料的專用模具，所述模具的腔體內設有過濾網，過濾網將腔體分為上下腔體，下腔體的底部設有出氣口，上腔體內裝有可溶性的致孔劑，致孔劑上部預留有儲液空腔。
[0009]一種改性聚乙烯醇水凝膠材料的制備方法，包括如下步驟:
[0010](I)制備懸浮液I和II
[0011]懸浮液I的制備:對微納米級的生物活性鈣磷粉體進行超聲分散，然后加入聚乙烯醇溶液中，攪拌共混均勻并除去氣泡，制得懸浮液I ;
[0012]懸浮液II的制備:將工程塑料加入聚乙烯醇溶液中，攪拌共混均勻并除去氣泡，制得懸浮液II ；
[0013](2)將懸浮液I注入權利要求1的專用模具中，在模具出氣口處抽真空直到所有懸浮液I剛好浸過致孔劑；再加入懸浮液II，對模具加壓，制得目的材料前體I ;
[0014](3)將上述目的材料前體I在-80?-20°c條件下進行冷凍處理10?16小時，然后取出在室溫下解凍處理5?12小時，經冷凍-解凍循環5?11次，再利用γ射線輻射進一步成型，得到目的材料前體II ;
[0015](4)將目的材料前體II從模具中取出，在去離子水中進行多次的透析和洗滌，除去有機溶劑，即制得目的材料。
[0016]步驟(I)所述聚乙烯醇溶液的制備:將聚乙烯醇與80% DMSO或純去離子水混合，于98?110°C條件下攪拌3h?8h，制得質量濃度為10?20%的聚乙烯醇溶液；
[0017]步驟(I)所述超聲分散是:將微納米級的生物活性鈣磷粉體分散在80% DMSO溶液中，超聲處理使生物活性鈣磷粉體達到完全分散。
[0018]所述懸浮液II的制備:配制80% DMSO溶液，與聚乙烯醇、工程塑料以質量比為85:15:15的比例混合，110°C條件下攪拌3h，制得懸浮液II。
[0019]所述懸浮液I和II除去氣泡的方法:將懸浮液I和II分別在95?120°C條件下靜置3?5h，隨后抽真空，直到懸浮液環境達到真空狀態且無氣泡釋出，鼓入氮氣或者氬氣保持30min以上，恢復至正常大氣壓，再次抽真空，鼓入氮氣或者氬氣保持30min以上，如此循環I?3次。
[0020]所述致孔劑為PLGA、碳酸氫鈉、石蠟、蔗糖、氯化鈉、辛基酚聚氧乙烯醚和碳酸氫銨中的一種或兩種以上的混合；
[0021]所述生物活性鈣磷粉體為磷酸三鈣、羥基磷灰石或生物活性玻璃；
[0022]所述工程塑料為聚甲醛、尼龍6、聚苯醚或聚醚醚酮。
[0023]所述γ射線輻射是利用6tlCo放射的高能γ射線輻照，輻射劑量為20kGy ;
[0024]所述除去溶劑是將材料前體II放入去離子水中，每隔3?4h換一次水，如此在去離子水中透析7?9d。
[0025]上述方法制備的水凝膠材料為致密層和多孔層組成的仿生結構復合材料。所述水凝膠材料可在軟骨修復與替代中應用。
[0026]采用超聲分散法制備聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體材料，所述復合材料的生物活性鈣磷粉體含量占總重的1%?8% 方面可增強材料的力學性能，另一方面可促進骨細胞的成長，增強多孔聚乙烯醇材料的生物活性。同時針對目前各種臨床生物醫用植入材料植入體內無法牢固結合的問題，本發明在聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體復合水凝膠材料中引入孔洞結構，制備多孔聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體復合水凝膠材料。該材料具有一定的力學性能，又能夠促進骨細胞的成長，同時還具有良好的骨結合能力。同時密實層聚乙烯醇/工程塑料復合材料層是一種與天然軟骨材料具有良好力學匹配的材料，利用此法制備的具有致密/多孔層狀仿生結構的改性聚乙烯醇水凝膠軟骨/骨修復材料可用于軟骨替代領域。
[0027]本發明與現有的技術相比，具有顯著的優點:
[0028](I)當前同種技術由于沒有很好的解決無機粉體的團聚問題，導致后期修復效果較差。本發明采用超聲分散，改善微納米級生物活性鈣磷粉體團聚狀況，并且能和聚乙烯醇均勻混合。
[0029](2)本發明利用真空法制備的多孔聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體復合材料，克服了當前制備方法中直接將致孔劑混入高分子溶液中所導致的成孔率低、連通率低、孔徑無法控制、成孔效率低等問題，提供了一種簡單有效的多孔聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體復合材料的制備工藝。
[0030](3)本發明制備的多孔聚乙烯醇/生物活性鈣磷粉體復合水凝膠材料具有良好的孔隙率、連通率、良好的生物相容性和生物活性，為植入體無法牢固固定的問題提供解決方案。
[0031](4)本發明制備的具有致密/多孔層狀仿生結構的改性聚乙烯醇水凝膠軟骨/骨修復材料具有與天然軟骨相匹配的力學性能，解決了因修復體力學性能不匹配而導致應力集中的問題。
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