本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種改性聚醚醚酮生物復(fù)合材料，特別是涉及一種基于羥基磷灰石改性的聚醚醚酮生物復(fù)合材料，以及該生物復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為治療各類中晚期關(guān)節(jié)疾病的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)之一，關(guān)節(jié)置換能夠有效緩解疼痛，重建關(guān)節(jié)功能。各種人工關(guān)節(jié)材料中，金屬材料出現(xiàn)的較早，現(xiàn)有許多人工關(guān)節(jié)多由金屬制成。但是金屬材料的致命缺點(diǎn)也是勿庸質(zhì)疑的，由于其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于骨的彈性模量，長(zhǎng)期植入易使骨與金屬植入物界面產(chǎn)生較大應(yīng)力，既影響了骨組織的重建與愈合過程，又會(huì)引起愈合骨的骨質(zhì)疏松化。

伴隨著生物材料的不斷發(fā)展，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等優(yōu)異性能的聚合物基復(fù)合材料正逐步應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)和脊柱植入物中。聚合物基復(fù)合材料不僅強(qiáng)度/質(zhì)量比高、生物相容性良好、摩擦學(xué)特性優(yōu)異，且制造工藝簡(jiǎn)單，作為人工關(guān)節(jié)材料具有較大的應(yīng)用潛力。其中，聚醚醚酮是最受關(guān)注的可用于骨關(guān)節(jié)植入材料的生物材料。

但是，聚醚醚酮的生物相容性和生物活性有限，且其成骨效能低，彈性模量略低于人體骨模量，導(dǎo)致其無(wú)法直接作為人體骨骼組織的替代或修復(fù)替代材料。鈣磷材料作為一種無(wú)機(jī)材料，是人體骨組織中無(wú)機(jī)質(zhì)的主要成分，具有良好的生物相容性，在人體硬組織缺損的修復(fù)與重建中起著重要作用。將其加入到聚醚醚酮基體中，可以改善聚合物基體的生物活性和生物相容性，同時(shí)也可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的聚集生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)成骨。然而，鈣磷材料脆性大，力學(xué)性能差，直接引入鈣磷材料會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。

為了彌補(bǔ)鈣磷/聚醚醚酮復(fù)合材料脆性較高的缺點(diǎn)，需要通過添加力學(xué)性能好，且無(wú)細(xì)胞毒性的材料，以改善鈣磷材料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。碳材料因其具有強(qiáng)度大、模量高、密度低等特點(diǎn)，且有良好的生物相容性和無(wú)明顯細(xì)胞毒性，在人體骨組織修復(fù)和骨替代材料方面極具潛力，是“新技術(shù)革命”的重要材料之一。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋禹奠的碩士畢業(yè)論文“溶液共混法制備聚醚醚酮羥基磷灰石復(fù)合材料”提供了一種聚醚醚酮羥基磷灰石復(fù)合材料的制備工藝，先采用KH560對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行改性，再采用溶液共混法制備了聚醚醚酮羥基磷灰石復(fù)合材料。該方法的不足之一是KH560對(duì)皮膚有輕微毒性，不足之二是溶液法容易導(dǎo)致羥基磷灰石的團(tuán)聚。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料，以及所述復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料通過在聚醚醚酮基體材料中添加改性羥基磷灰石，以提高復(fù)合材料的生物活性及生物相容性，并通過加入碳納米管使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提升，以解決由于羥基磷灰石的加入使聚醚醚酮材料脆性增加的問題。

本發(fā)明所述的改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料是以聚醚醚酮作為復(fù)合材料的基體材料，在所述基體材料中添加改性羥基磷灰石和碳納米管，混合熱壓成型制成的生物復(fù)合材料。所述復(fù)合材料中，改性羥基磷灰石的含量為10～20wt%，碳納米管含量0.1～1wt%，其余為聚醚醚酮。

其中，所述改性羥基磷灰石是以氨基酸作為接枝物，接枝在羥基磷灰石表面得到的改性羥基磷灰石。所述接枝反應(yīng)中，是由羥基磷灰石中的氫氧根與氨基酸上的羧酸基相互作用，在羥基磷灰石的表面接枝上活性官能團(tuán)，以制得改性羥基磷灰石。

進(jìn)而，所述用于接枝改性的氨基酸選自丙氨酸(Ala)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、蛋氨酸(Met)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)、絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr)、半胱氨酸(Cys)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、組氨酸(His)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)中的任意一種，或其中幾種的任意比例混合物。

本發(fā)明所述改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法是：將所述質(zhì)量百分含量的原料改性羥基磷灰石、碳納米管和聚醚醚酮混合均勻形成混合原料，在370～390℃、5～10MPa下熱壓成型，制成改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料。

其中，優(yōu)選在轉(zhuǎn)矩流變儀中對(duì)所述原料改性羥基磷灰石、碳納米管和聚醚醚酮進(jìn)行混合，以使三者混合更加均勻。

進(jìn)而，使用轉(zhuǎn)矩流變儀對(duì)原料進(jìn)行混合的具體方法為：設(shè)置轉(zhuǎn)矩流變儀溫度365～395℃、轉(zhuǎn)速25～35轉(zhuǎn)/min，使原料在轉(zhuǎn)矩流變儀中混合15～35min，以混合均勻。

進(jìn)一步地，本發(fā)明將上述混合完成后得到的顆粒狀混合原料再置于球磨機(jī)中，將大顆粒的混合原料研磨成均一粉末，過篩后進(jìn)行熱壓成型。

本發(fā)明提供了一種典型的熱壓成型過程：將研磨好的混合原料加入模具中進(jìn)行冷壓成型；再將模具預(yù)熱至150～170℃，同時(shí)將平板硫化機(jī)預(yù)熱到370～390℃，將預(yù)熱好的模具放入平板硫化機(jī)中合模，設(shè)置平板硫化機(jī)壓力為2～4MPa，將模具加熱1.5h；保溫加壓至5～10MPa壓制30min，保持壓力降溫至常溫，泄壓取出成型材料。

當(dāng)然，平板硫化機(jī)只是其中的一種實(shí)施方式，采用熱壓機(jī)、擠出機(jī)、注塑機(jī)等其他熱壓成型設(shè)備，在370～390℃，5～10MPa條件下，也可以得到改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料。

本發(fā)明所述的改性羥基磷灰石是將羥基磷灰石與氨基酸進(jìn)行接枝反應(yīng)，以在其表面接枝上活性官能團(tuán)。具體制備方法是分別配制羥基磷灰石的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)漿體溶液，以及含有N,N’-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)的氨基酸DMF溶液，將兩種溶液混合后，于50℃攪拌反應(yīng)3～5h，抽濾，以去離子水、無(wú)水乙醇洗滌，真空干燥得到改性羥基磷灰石。

優(yōu)選地，所述改性羥基磷灰石的干燥時(shí)間為12～15h，干燥溫度為80～90℃。

進(jìn)一步地，所述氨基酸DMF溶液中，所述氨基酸、DCC與DMAP的質(zhì)量比為23～28∶4～7∶1。

更進(jìn)一步地，所述改性羥基磷灰石的制備方法中，所述羥基磷灰石漿體溶液中的羥基磷灰石濃度為0.08～0.15g/mL，氨基酸溶液中的氨基酸濃度為0.8～1.5g/mL，且將羥基磷灰石漿體溶液與氨基酸溶液以1∶1.5～2.5的體積比進(jìn)行混合。

本發(fā)明可以使用任何來(lái)源的羥基磷灰石為原料。作為優(yōu)選，本發(fā)明以硝酸鈣溶液和磷酸氫二銨溶液為原料來(lái)制備羥基磷灰石，具體方法為：將磷酸氫二銨溶液滴加入硝酸鈣溶液中，控制溶液的pH值在9.5～12.5，升溫至45～55℃恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)3～4h，加入磷酸氫二銨質(zhì)量4～6倍的PEG-400，靜置沉化12～15h，抽濾、水洗至pH值接近7，在80～90℃干燥12～15h，研磨，650～750℃焙燒3～6h得到羥基磷灰石。

反應(yīng)方程式為：

10Ca(NO₃)₂·4H₂O+6(NH₄)₂HPO₄+8NH₃·H₂O=Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+20NH₄NO₃+46H₂O。

優(yōu)選地，所述硝酸鈣溶液的濃度為0.5mol/L，磷酸氫二銨溶液的濃度為0.3mol/L，將兩種溶液以相同體積混合進(jìn)行反應(yīng)。

采用本發(fā)明上述方法制備的改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料不僅具有高強(qiáng)度、高模量、高硬度等特殊性質(zhì)，而且具有一定的生物活性。

本發(fā)明在原有溶液混合技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用人體必需的氨基酸對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行改性，使其表面接枝上氨基酸和些許多肽，提高了復(fù)合材料的生物活性及生物相容性，同時(shí)使用轉(zhuǎn)矩流變儀進(jìn)行原料混合，促使羥基磷灰石在基體中的分散更加均勻，使復(fù)合材料具有良好的生物活性和骨誘導(dǎo)性。其次，隨著碳納米管的加入，顯著改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，使復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量得到了很大提升，材料進(jìn)一步接近人體骨骼的儲(chǔ)能模量；同時(shí)解決了材料的脆性問題，材料的抗沖擊強(qiáng)度得到了很大的提升，更加有利于材料在人體中的使用。最后，采用熱壓成型的方法制備成型復(fù)合材料，能夠增加羥基磷灰石在聚醚醚酮中的分散度，實(shí)現(xiàn)兩種物質(zhì)的均勻結(jié)合。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1制備的羥基磷灰石及改性羥基磷灰石的XRD圖譜。

圖2是實(shí)施例1制備的羥基磷灰石及改性羥基磷灰石的熱重圖譜。

圖3是實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)圖譜。

圖4是實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的損耗因子圖。

圖5是實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的沖擊試驗(yàn)圖。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，并不用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行任何限制。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

實(shí)施例1

稱取四水硝酸鈣和磷酸氫二銨各自溶于水中，分別配制成0.5mol/L的硝酸鈣溶液和0.5mol/L的磷酸氫二銨溶液。

量取75mL硝酸鈣溶液置于三口燒瓶中，加熱至50℃，緩慢滴加入45mL磷酸氫二銨溶液，同時(shí)滴加氨水以控制溶液的pH值在9.5～12.5之間，該反應(yīng)方程式如下：

10Ca(NO₃)₂·4H₂O+6(NH₄)₂HPO₄+8NH₃·H₂O=Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+20NH₄NO₃+46H₂O。

滴加完磷酸氫二銨溶液后，保持溶液溫度在50℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)3h，向反應(yīng)液中加入15mL PEG-400，使反應(yīng)液靜置沉化14h。

將沉化液抽濾，以去離子水洗滌固體物至pH值為7，置于真空干燥箱中，80℃干燥12h，取出研磨成細(xì)粉，650℃焙燒3h，得到羥基磷灰石原料。

在三口燒瓶中加入10g羥基磷灰石，100mL DMF，常溫?cái)嚢?h形成漿體溶液。

取20g甘氨酸、4g DCC、0.8g DMAP加入20mL DMF中，50℃攪拌1h形成溶液；將得到的溶液轉(zhuǎn)移到上述漿體溶液中，50℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)4h，抽濾，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌固體物，置于真空干燥箱中，80～90℃干燥12～15h，得到改性羥基磷灰石。

稱取5g改性羥基磷灰石、45g聚醚醚酮、0.25g碳納米管，攪拌均勻后加入轉(zhuǎn)矩流變儀中，設(shè)置轉(zhuǎn)矩流變儀溫度為370℃，轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分鐘，混合20min。將混合完成后的顆粒狀混合物取出放入球磨機(jī)中研磨，將粉末過篩，備用。稱取一定量的研磨混合原料，將混合原料加入模具當(dāng)中進(jìn)行冷壓；將模具放到160℃±2℃的干燥箱中，預(yù)熱1h。同時(shí)將平板硫化機(jī)預(yù)熱到380℃±2℃，將模具放到平板硫化機(jī)中進(jìn)行合模，將此時(shí)壓力設(shè)置為2～4 MPa，將其加熱1.5h；將壓力升到9～10MPa，保溫保壓30min，然后停止加熱，保壓冷卻1.5h，當(dāng)冷卻完成后將成型復(fù)合材料取出。

圖1給出了本實(shí)施例制備的羥基磷灰石和改性羥基磷灰石的XRD圖譜，其中曲線1是羥基磷灰石，曲線2是改性羥基磷灰石。由圖中可以看出，兩者分別在2θ=26°(002)、31°(211)、32°(112)、33°(300)、34°(202)、39°(310)處出現(xiàn)吸收峰，與羥基磷灰石的鏡面相對(duì)應(yīng)，證明制備的羥基磷灰石結(jié)構(gòu)正確，且對(duì)其進(jìn)行表面改性后，并未改變羥基磷灰石的晶型結(jié)構(gòu)。

圖2給出了本實(shí)施例制備的羥基磷灰石和改性羥基磷灰石的熱重曲線圖，其中曲線1是羥基磷灰石，曲線2是改性羥基磷灰石?？梢钥闯銮€1在300℃之前的斜率較大，說明羥基磷灰石失重較大，而在300℃之后失重趨于平緩。對(duì)比曲線1和2，改性羥基磷灰石的失重率較羥基磷灰石較大，進(jìn)一步證明在其表面接枝了甘氨酸或甘氨酸形成的多肽。

圖3給出了不同材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析圖譜，其中曲線1是純聚醚醚酮的儲(chǔ)能模量，曲線2是改性羥基磷灰石/聚醚醚酮復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量，曲線3是改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量。曲線1與2的對(duì)比可知摻雜改性羥基磷灰石后的聚醚醚酮的儲(chǔ)能模量較純聚醚醚酮有很大的提高，而曲線2與3的對(duì)比可以看出，改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料較摻雜改性羥基磷灰石的復(fù)合材料儲(chǔ)能模量又有較大提高，間接證明碳納米管的加入可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能及儲(chǔ)能模量。

圖4給出了不同材料的損耗因子曲線，其中曲線1是純聚醚醚酮的損耗因子，曲線2是改性羥基磷灰石/聚醚醚酮復(fù)合材料的損耗因子，曲線3是改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料的損耗因子。曲線1與2對(duì)比，在損耗因子的峰值處，兩種物質(zhì)的玻璃化溫度有所提高，這是由于改性羥基磷灰石的加入阻礙了聚醚醚酮分子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致玻璃化溫度有所提高。而曲線3與1和2的對(duì)比可以看出，改性羥基磷灰石的玻璃轉(zhuǎn)變溫度提高了3℃，這是由于碳納米管的加入進(jìn)一步阻礙了其分子的運(yùn)動(dòng)，促使其玻璃化溫度進(jìn)一步提升。

圖5給出了不同材料的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中1是純聚醚醚酮的沖擊強(qiáng)度，2是改性羥基磷灰石/聚醚醚酮復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，3是改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。從圖中可以看出，與純聚醚醚酮比較，改性羥基磷灰石的加入使復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度得到了很大的提升，而隨著碳納米管的加入，使復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度得到了進(jìn)一步的提升。

實(shí)施例2

稱取四水硝酸鈣和磷酸氫二銨各自溶于水中，分別配制成0.25mol/L的硝酸鈣溶液和0.15mol/L的磷酸氫二銨溶液。

量取75mL硝酸鈣溶液置于三口燒瓶中，加熱至50℃，緩慢滴加100mL磷酸氫二銨溶液，同時(shí)滴加氨水以控制溶液的pH值在9.5～12.5之間，滴加完磷酸氫二銨溶液后，保持溶液溫度在50℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)3h，向反應(yīng)液中加入15mL PEG-400，使反應(yīng)液靜置沉化14h。

將沉化液抽濾，以去離子水洗滌固體物至pH值為7，置于真空干燥箱中，80℃干燥12h，取出研磨成細(xì)粉，700℃焙燒4h，得到羥基磷灰石原料。

在80mL DMF中加入10g羥基磷灰石，常溫?cái)嚢?h形成漿體溶液。

取30g谷氨酸、6g DCC、1.2g DMAP加入24mL DMF中，50℃攪拌1h形成溶液；將得到的溶液轉(zhuǎn)移到上述漿體溶液中，50℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)4h，抽濾，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌固體物，置于真空干燥箱中，80～90℃干燥12～15h，得到改性羥基磷灰石。

稱取8g改性羥基磷灰石、50g聚醚醚酮、0.25g碳納米管，攪拌均勻后加入轉(zhuǎn)矩流變儀中，設(shè)置轉(zhuǎn)矩流變儀溫度為385℃，轉(zhuǎn)速35轉(zhuǎn)/分鐘，混合20min。將混合完成后的顆粒狀混合物取出放入球磨機(jī)中研磨，將粉末過篩，備用。稱取一定量的研磨混合原料，將混合原料加入模具當(dāng)中進(jìn)行冷壓；將模具放到160℃±2℃的干燥箱中，預(yù)熱1h。同時(shí)將平板硫化機(jī)預(yù)熱到385℃±2℃，將模具放到平板硫化機(jī)中進(jìn)行合模，將此時(shí)壓力設(shè)置為2～4 MPa，將其加熱1.5h；將壓力升到9～10MPa，保溫保壓30min，然后停止加熱，保壓冷卻1.5h，當(dāng)冷卻完成后將成型復(fù)合材料取出。

實(shí)施例3

羥基磷灰石的制備同實(shí)施例1。

在90mL DMF中加入8g羥基磷灰石，常溫?cái)嚢?h形成漿體溶液。取25g纈氨酸、5g DCC、1g DMAP加入18mL DMF中，在50℃下攪拌1h形成溶液。將得到的溶液轉(zhuǎn)移到漿體溶液中，50℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)4h，抽濾，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌固體物，置于真空干燥箱中，80～90℃干燥12～15h，得到改性羥基磷灰石。

稱取10g改性羥基磷灰石、40g聚醚醚酮、0.5g碳納米管，按照實(shí)施例2方法制備改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料。

實(shí)施例4

羥基磷灰石的制備同實(shí)施例2。

在80mL DMF中加入10g羥基磷灰石，常溫?cái)嚢?h形成漿體溶液。取8g丙氨酸、10g亮氨酸、7g天冬氨酸、5g DCC、1g DMAP加入16mL DMF中，在50℃下攪拌1h形成溶液。將得到的溶液轉(zhuǎn)移到漿體溶液中，50℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)4h，抽濾，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌固體物，置于真空干燥箱中，90℃干燥14h，得到改性羥基磷灰石。

稱取9g改性羥基磷灰石、51g聚醚醚酮、0.48g碳納米管，按照實(shí)施例1方法制備改性羥基磷灰石/碳納米管/聚醚醚酮復(fù)合材料。