阅读说明：本技术 一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料及其制备方法 (Absorbable composite material for interface screw sheath and preparation method thereof ) 是由 李若云 李凌晨 吴侃 胡程程 蒋冠森 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料及其制备方法,制备方法为：将羟基磷灰石、马来酸酐、PEG和聚乳酸类材料进行熔融共混,制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料,其中聚乳酸类材料为聚乳酸和/或其共聚物,界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率不低于110％,冲击强度不低于12kJ/m<Sup>2</Sup>,断裂强度不低于34MPa；最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构,羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接。本发明的制备方法简单,最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料力学强度优异,韧性较好,用该材料制备得到的界面螺钉鞘在使用过程中不易开裂。(The invention relates to an absorbable composite material for an interface screw sheath and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: the absorbable composite material for the interface screw sheath is prepared by melt blending of hydroxyapatite, maleic anhydride, PEG and polylactic acid, wherein the polylactic acid is polylactic acid and/or a copolymer thereof, the elongation at break of the absorbable composite material for the interface screw sheath is not less than 110%, and the impact strength of the absorbable composite material is not less than 12kJ/m 2 The breaking strength is not lower than 34 MPa; the finally prepared absorbable composite material for the interface screw sheath contains a crosslinked network structure with hydroxyapatite as a crosslinking point, polylactic acid material as a hard segment and PEG as a soft segment, wherein the hydroxyapatite, the polylactic acid material and the PEG are connected with each other through a residual chain segment of maleic anhydride after ring opening. The preparation method is simple, and the final product isThe absorbable composite material for the interface screw sheath has excellent mechanical strength and better toughness, and the interface screw sheath prepared from the material is not easy to crack in the using process.)

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料及其制备方法。

背景技术

为降低界面螺钉植入过程中造成的韧带损伤，现有方法是将界面螺钉与鞘配合使用。现有的可吸收型的界面螺钉鞘所使用的材料主要为聚乳酸(PLLA)或丙交酯乙交酯共聚物(PLGA)与β-TCP或羟基磷灰石(HA)的共混物。羟基磷灰石具有良好的骨诱导性，可以促进骨长入，另外其降解产物呈弱碱性，能中和由聚乳酸或丙交酯乙交酯共聚物降解产生的乳酸或乙醇酸，从而减少植入物周围组织炎症的发生。但是羟基磷灰石为无机材料，PLLA(或PLGA)为有机高分子材料，两者相容性差，共混材料之间缺乏界面结合力，当混合物在熔点以上冷却时，由于两种材料的收缩率不同，微观界面处会形成应力集中点，在外力的作用下优先在应力集中点处破裂，导致共混材料的力学强度下降。因此有必要对PLLA和HA或者PLGA和HA的共混物进行改性，提高HA与聚合物之间的界面结合力，使之保持一定的强度。此外，上述共混材料脆性大，其冲击强度<5kJ/m²，断裂伸长率<5％，所制备的界面螺钉鞘在使用过程中易开裂，严重影响治疗效果，因此也应当予以改进。

为增加HA与有机聚合物之间的界面结合力，文献1(Hydroxyapatite-Polyethylene Composites:Effect of Grafting and Surface Treatment ofHydroxyapatite[J].Journal of Materials Science Materials in Medicine,1996,7(4):191-193.)将丙烯酸接枝到HDPE分子链上，再将接枝改性的HDPE与经A174硅烷偶联剂处理过的HA进行熔融共混，A174的亲水端甲基硅氧烷会在HA表面形成P-O-SI键，而非极性的疏水端甲基丙烯酸丙酯则覆盖在HA表面，该疏水端与HDPE上接枝的丙烯酸可相互缠结，从而使得HA与HDPE之间的界面相互作用力增加，实验结果显示，将未经过任何处理的HA与HDPE进行共混，材料的拉伸强度为17MPa，断裂伸长率为34％，而将经过硅烷处理的HA与接枝处理的HDPE共混，材料的拉伸强度增加了2MPa，断裂伸长率只增加了6％；文献2(Surfacemodification of hydroxyapatite to introduce interfacial bonding withpolyactive(TM)70/30in a biodegradable composite[J].Journal of MaterialsScience Materials in Medicine,1996,7(9):551-557.)和文献3(Polyacids as bondingagents in hydroxyapatite polyester-ether(PolyactiveTM 30/70)composites[J].Journal of Materials Science,1998,9(1):23-30.)则先分别使用聚丙烯酸(PAA)和乙烯马来酸酐共聚物(EMA)对HA进行表面改性，然后与PolactiveTM 70/30熔融共混(含有PEG链段)，利用HA对PAA和EMA的强吸附作用，使PAA、EMA牢固地附着在HA表面，因为PAA、EMA上的羧基与PEG可以形成氢键，从而增加了HA与聚合物之间的界面粘结力，最终力学强度有2MPa的提高，而断裂伸长率结果显示只提高了5％；文献4(Composite biomaterials withchemical bonding between hydroxyapatite filler particles and PEG/PBTcopolymer matrix[J].Journal of Biomedical Materials Research,1998,40(3):490-497.)使用HMDI作为偶联剂，利用异氰酸酯与HA羟基之间可发生反应的特点，从而使PEG、PMMA等聚合物与HA之间实现化学连接，提高聚合物与HA之间的界面作用力，实验结果显示使用HMDI的加入，使得共混材料的断裂强度增加了1MPa，但是断裂伸长率没有变化，在冲击强度方面则没有提及；文献5(Improvement ofβ-TCP/PLLA biodegradable material bysurface modification with stearic acid[J].Materials Science and EngineeringC,2016,62:407-413.)使用硬脂酸对β-TCP进行表面处理，之后与PLLA材料进行共混，结果改性之后的共混材料，其拉伸强度有7MPa的提高，而断裂伸长率和冲击强度方面则未提及。由此可见，仅增加无机材料和聚合物之间的界面作用力，可以在一定程度上提高共混材料的拉伸强度，而对于断裂伸长率的增加，效果并不乐观，而对于HA和聚合物的共混材料，现有的研究主要关注的仅仅是提高无机材料HA与聚合物之间的界面结合力，从而提高材料的拉伸强度，并没有在此基础上进一步对提高断裂伸长率和冲击强度进行研究。

因此，有必要研究一种能有效提高材料的韧性(即有效提高材料的断裂伸长率和冲击强度)并使其保持足够力学强度的方法，由此解决现有可吸收界面螺钉鞘强度不够、脆性大而导致易开裂的问题。

发明内容

本发明提供一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料及其制备方法，目的是解决现有技术中可吸收界面螺钉鞘强度不够、脆性大而导致易开裂的问题。本发明利用羟基磷灰石(HA)表面P-OH基团的反应特性，加入马来酸酐、PEG(聚乙二醇)、聚乳酸类材料进行熔融共混，制得了强度足够、柔韧性优异的界面螺钉鞘用可吸收复合材料。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将羟基磷灰石、马来酸酐、PEG和聚乳酸类材料进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中聚乳酸类材料为聚乳酸和/或其共聚物，界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率不低于110％，冲击强度不低于12kJ/m²，断裂强度不低于34MPa。目前市面上的界面螺钉鞘使用的材料主要是聚乳酸类材料和β-TCP或者羟基磷灰石的共混材料，这种材料断裂伸长率不足5％，冲击强度不足2kJ/m²，断裂强度为30～55MPa，医生在使用的过程中界面钉鞘的破碎情况频繁发生，而本发明的材料可以有效解决界面钉鞘频繁破碎的问题。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为5～20:5～10:70～90，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的1～3％。以上材料的混合物在熔融共混的过程中会发生原位反应，羟基磷灰石的加入量设置于此可以为共混材料的原位反应提供足够的交联反应点和骨诱导性，同时还能使共混材料的强度保持在较高值；PEG的加入量设置于此可以为共混材料提供足够的延展性和原位反应点；聚乳酸类材料是作为基体材料的，因而加入量设置于此；马来酸酐的加入量设置于此可以实现HA、PEG和聚乳酸类材料的连接。

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，羟基磷灰石的平均粒径为200～750nm。羟基磷灰石的平均粒径不宜过大或过小，否则会导致聚乳酸类材料强度大幅度降低。

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，PEG的数均分子量为400～6000g/mol；聚乳酸类材料的重均分子量为200000～600000g/mol。

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，聚乳酸类材料为左旋丙交酯聚合物、左旋丙交酯和右旋丙交酯的共聚物(PDLLA)或左旋/右旋丙交酯和乙交酯的共聚物，这些聚合物具有优良的生物相容性和体内可降解性，可为界面螺钉鞘提供基本的强度。

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，熔融共混的温度为170～250℃。

如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，熔融共混采用双螺杆挤出机，螺杆转速为100～300rpm。

本发明还提供了采用如上所述的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料，含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接。

发明机理：

有机高分子材料聚乳酸类材料与无机材料HA是可吸收界面螺钉鞘制备所使用的主要材料，但是两者之间相容性差，共混之后力学强度下降，脆性较大，从而由其制得的可吸收界面螺钉鞘在使用过程中容易开裂，为解决这一问题，本领域相关技术人员进行了大量研究，却始终无法达到同时有效保证共混材料的力学强度并提高韧性的目的。

HA表面富有P-OH基团，利用该活性基团与其他物质的反应能力，不仅可以增加HA与聚合物之间的界面结合力，也可以利用HA表面的多个羟基使HA作为交联点。本发明利用HA表面P-OH基团的反应特性，加入马来酸酐、PEG和聚乳酸类材料进行熔融共混，挤出造粒获得了强度足够、柔韧性优异的界面螺钉鞘用可吸收复合材料。其中，马来酸酐可以和羟基进行酯化反应，生成具有羧基端基的物质，而PEG末端基为醇羟基，聚乳酸类材料末端基为醇羟基或者羧基，羟基和羧基之间可以反应生成酯键，因此在共混过程中会发生如下反应(以聚乳酸PLLA为例)：

由于HA表面羟基数量多，因此共混时会生成以HHA为交联点的交联网状产物(如图1所示)，由于化学键的形成，HA与聚乳酸类材料之间的界面作用力提高，另外PEG本身是聚乳酸类材料的优良增塑剂，可以有效降低聚乳酸类材料的脆性，并且在交联网状物中，HA交联点之间存在的聚乳酸类材料链段使得该网状物富有刚性和强度，而PEG链段的存在则使得网状物富有柔顺性和弹性。因此整个共混产物具有足够的强度、柔顺性和弹性。

有益效果：

(1)本发明的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，简单易行，成本低廉，由于HA上P-OH的存在和马来酸酐的加入，使得HA和聚乳酸类材料之间的界面作用力大大增加，共混材料的拉伸强度可提高至少5MPa；

(2)本发明的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，利用HA的多个羟基制造交联点，使用增塑效果良好的PEG，在HA交联点之间形成PEG和聚乳酸类材料的连接链段，可以使共混材料的断裂伸长率提高到110％以上，冲击强度提高到12kJ/m²以上；

(3)本发明的一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料，力学强度优异，韧性较好，由其制得的可吸收界面螺钉鞘不易开裂，使用体验较好。

附图说明

图1为本发明反应原料共混时生成的以HA为交联点的交联网状产物的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将平均粒径为200nm的羟基磷灰石、马来酸酐、数均分子量为400g/mol的PEG和聚乳酸类材料(重均分子量为200000g/mol的聚乳酸PLLA)加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为20:10:70，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的3％，熔融共混的温度为185℃，螺杆转速为150rpm。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接，其断裂伸长率为205％，冲击强度为17kJ/m²，断裂强度为34MPa。

对比例1

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于反应原料不包括马来酸酐，同时其他原料间的比例关系保持不变，最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率为110％，冲击强度为5kJ/m²，断裂强度为29MPa。

将实施例1与对比例1进行对比可以看出，在共混物中加入马来酸酐之后，共混材料的断裂伸长率、冲击强度和断裂强度均增加，这是因为马来酸酐具有较高的反应活性，在熔融共混的过程中开环产生羧基，可以与HA、PEG以及聚乳酸上面的羟基发生反应，实现HA、PEG和聚乳酸连接。由于HA上富有羟基，也因此形成了以HA为交联点的交联网状结构，实现提高共混材料韧性，同时又保持高强度的作用。

对比例2

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于反应原料不包括PEG，同时其他原料间的比例关系保持不变，最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率为3％，冲击强度为1.2kJ/m²，断裂强度为54MPa。

将实施例1与对比例2进行对比可以看出，共混物中缺少PEG时，共混材料的断裂伸长率、冲击强度明显下降，断裂强度增加，这是因为PEG对聚乳酸具有増塑的作用，可以增加聚乳酸的断裂伸长率和冲击强度，降低材料的脆性，PEG一方面可以促进交联网状结构的形成，另一方面PEG也可以作为交联网结构中的弹性链段，提高材料的断裂伸长率和冲击强度。

对比例3

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于反应原料不包括马来酸酐和PEG，同时其他原料间的比例关系保持不变，最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率为2％，冲击强度为1.5kJ/m²，断裂强度为50MPa。

将实施例1与对比例3进行对比可以看出，共混物中缺少马来酸酐和PEG时，共混材料的断裂伸长率和冲击强度下降，断裂强度增加，这是因为此时的共混物中只有HA，由于马来酸酐和PEG的缺乏，共混物无法形成具有柔性链段的交联网状结构，韧性和延展性不足。

对比例4

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，材料同实施例1，不同之处在于，共混物采用溶液浇筑的方法获取，实验时，按照实施例1的比例，将PLLA、HA、PEG、马来酸酐溶解在三氯甲烷中，室温下搅拌1h后，将溶液倒出，溶剂挥发完全获得共混材料。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料的断裂伸长率为113％，冲击强度为2.1kJ/m²，断裂强度为28MPa。

将对实施例1和对比例4进行对比可以看出，采用溶液浇筑的方法所获得的共混物没有达到优异的延展性和韧性，这是因为溶液浇筑时由于温度低，马来酸酐不能进行开环反应，PLA、PEG、HA无法发生原位反应，难以形成具有硬段和软段的交联网状结构，无法提高HA和PLA之间的界面结合力。

实施例2

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将平均粒径为350nm的羟基磷灰石、马来酸酐、数均分子量为1000g/mol的PEG和聚乳酸类材料(重均分子量为400000g/mol的聚乳酸PLLA)加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为20:10:70，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的3％，熔融共混的温度为190℃，螺杆转速为150rpm。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接，其断裂伸长率为197％，冲击强度为16kJ/m²，断裂强度为37MPa。

实施例3

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将平均粒径为750nm的羟基磷灰石、马来酸酐、数均分子量为6000g/mol的PEG和聚乳酸类材料(重均分子量为600000g/mol的聚乳酸PLLA)加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为5:5:90，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的1％，熔融共混的温度为200℃，螺杆转速为180rpm。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接，其断裂伸长率为110％，冲击强度为12kJ/m²，断裂强度为46MPa。

实施例4

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将平均粒径为250nm的羟基磷灰石、马来酸酐、数均分子量为3200g/mol的PEG和聚乳酸类材料(重均分子量为300000g/mol的PLGA(85LA/15GA)加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为18:7:75，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的2％，熔融共混的温度为178℃，螺杆转速为100rpm。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接，其断裂伸长率为152％，冲击强度为15.5kJ/m²，断裂强度为38.5MPa。

实施例5

一种界面螺钉鞘用可吸收复合材料的制备方法，将平均粒径为440nm的羟基磷灰石、马来酸酐、数均分子量为4200g/mol的PEG和聚乳酸类材料(重均分子量为500000g/mol的PDLLA(50/50))加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得界面螺钉鞘用可吸收复合材料，其中，羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之比为13:8:79，马来酸酐的质量加入量为羟基磷灰石、PEG和聚乳酸类材料的质量加入量之和的1.5％，熔融共混的温度为170℃，螺杆转速为200rpm。

最终制得的界面螺钉鞘用可吸收复合材料含有以羟基磷灰石为交联点、聚乳酸类材料为硬段、PEG为软段的交联网状结构，羟基磷灰石、聚乳酸类材料、PEG相互之间通过开环之后的马来酸酐残余链段连接，其断裂伸长率为168％，冲击强度为14.8kJ/m²，断裂强度为41.3MPa。