一种纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸复合骨支架及其制备方法
阅读说明：本技术 一种纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸复合骨支架及其制备方法 (Nano-diamond and graphene oxide synergistically enhanced polylactic acid composite bone scaffold and preparation method thereof ) 是由 冯佩 帅词俊 彭博 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米金刚石(ND)和氧化石墨烯(GO)协同增强的聚乳酸(PLLA)复合骨支架及其制备方法,所述复合骨支架中,ND/GO的质量分数为0.5～1.0wt％,PLLA的质量分数为99.0～99.5wt％；所述ND/GO中,ND和GO的质量比为0.5～2.5：1。本发明将零维无机纳米ND颗粒吸附到二维GO纳米片表面形成纳米组合物结构,通过二者的协同作用实现其在PLLA基体中的均匀分散,进而增强PLLA骨支架的力学性能。同时,纳米组合物ND/GO表面丰富的含氧官能团可为细胞粘附提供更多的活性靶点,有利于提高PLLA骨支架的生物学性能。(The invention discloses a nano-diamond (ND) and Graphene Oxide (GO) synergistically enhanced polylactic acid (PLLA) composite bone scaffold and a preparation method thereof, wherein in the composite bone scaffold, the mass fraction of ND/GO is 0.5-1.0 wt%, and the mass fraction of PLLA is 99.0-99.5 wt%; in the ND/GO, the mass ratio of ND to GO is 0.5-2.5: 1. according to the invention, zero-dimensional inorganic nano ND particles are adsorbed to the surface of a two-dimensional GO nano sheet to form a nano composition structure, and the uniform dispersion of the two nano composition structures in a PLLA matrix is realized through the synergistic effect of the two nano composition structures, so that the mechanical property of the PLLA bone scaffold is enhanced. Meanwhile, the abundant oxygen-containing functional groups on the surface of the nano composition ND/GO can provide more active targets for cell adhesion, and the biological performance of the PLLA bone scaffold can be improved.)
技术领域
本发明属于聚合物骨支架技术领域，涉及一种纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸复合骨支架及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLLA)是少数被美国食品药品监督管理局批准的可降解生物医用材料，具有良好的生物相容性、生物安全性和加工性，在生物医学领域有着广阔的应用前景，尤其是在骨组织修复的研究中，是一种具有行业发展前景的生物材料。PLLA可在人体内完全降解，降解最终产物为二氧化碳和水，可通过机体正常的新陈代谢排出体外，对人体高度安全。但是PLLA骨支架的力学性能与临床应用相比仍相差较远，在受力时容易发生结构破坏，目前主要被应用在非承力部位骨缺陷的修复。此外PLLA骨支架的细胞粘附性较差也不能满足需求。
引入低维纳米材料是提高聚合物人工骨力学性能的有效方法。低维纳米材料由于比表面积大、表面能高、力学性能优异等显著特点，在增强聚合物力学性能方面具有巨大的潜力。根据尺度与维度，可分为零维、一维、二维、三维纳米材料。纳米金刚石(ND)是一种零维无机纳米颗粒，具有优良的力学特性、丰富的化学表面和良好的生物相容性，用爆炸生成的ND，表面可修饰羟基、羧基和氨基等官能团。氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的氧化物，是一种二维纳米材料，除了具有较高的比表面积外，还含有大量的含氧官能团，具有良好的生物相容性，其具有与石墨烯相似的力学性能，能显著改善多种材料的各项性能，是目前最好的通用复合改性材料之一。然而低维纳米材料的增强效果除了与自身的性质有关，还取决于其在人工骨中的分散状况。低维纳米材料由于比表面积大、表面能高和范德华力强，很容易在基体中团聚，降低了其对人工骨力学性能的增强效果。如何实现低维纳米材料的均匀分散，是充分发挥其强韧化潜力的关键。
发明内容
为了解决现有聚合物骨支架中引入低维纳米材料时存在的低维纳米材料易在聚合物基体中团聚、不能均匀分散的技术问题，本发明的目的是在于提供一种纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸(PLLA)复合骨支架及其制备方法，将零维无机纳米金刚石(ND)颗粒吸附到二维氧化石墨烯(GO)纳米片表面形成纳米组合物结构，通过二者的协同作用实现其在聚乳酸基体中的均匀分散，进而增强聚乳酸骨支架的力学性能。同时，纳米组合物ND/GO表面丰富的含氧官能团可为细胞粘附提供更多的活性靶点，有利于提高聚乳酸骨支架的生物学性能。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸复合骨支架，所述复合骨支架中，ND/GO的质量分数为0.5～1.0wt％，PLLA的质量分数为99.0～99.5wt％；所述ND/GO中，ND和GO的质量比为0.5～2.5：1。
发明人发现，如果仅采用ND或GO进行单独修饰处理，以促进其在聚合物基体中的均匀分散并增强骨支架力学性能，一方面需要引入改性剂对ND或GO进行改性处理，这种方法多需要经过化学处理，过程较复杂，同时还可能会引入杂质；另一方面仅采用ND或GO进行单独修饰处理，ND或GO的单独增强效果没有ND和GO协同增强效果好。而本发明采用零维无机纳米金刚石(ND)颗粒和二维氧化石墨烯(GO)纳米片作为聚乳酸骨支架的增强相，ND和GO表面均含有丰富的含氧官能团，ND颗粒可通过氢键作用吸附到GO纳米片表面形成纳米组合结构，其中ND颗粒镶嵌在相邻的GO纳米片之间阻碍了GO的堆叠，同时GO纳米片对ND颗粒起到了空间阻隔作用阻止了ND的团聚，两者协同实现其在聚乳酸基体中的均匀分散，从而增大低维纳米材料与聚乳酸基体之间有效接触面积，显著提高复合骨支架的力学性能。
发明人还发现，当ND/GO的含量过低时，ND/GO对PLLA骨支架力学性能增强效果有限，而当ND/GO的含量过高时，ND/GO由于质量较轻，所占的体积比较大，会影响成型质量。
所述ND/GO中，当ND和GO的质量比小于0.5：1时，ND的含量相比GO而言过少，容易出现GO在聚合物基体中团聚的问题；而当ND和GO的质量比大于2.5：1时，ND的含量相比GO而言过多，容易出现ND在聚合物基体中团聚的问题。
本发明还提供了上述纳米金刚石和氧化石墨烯协同增强的聚乳酸复合骨支架的制备方法，包括如下步骤：
(1)将ND粉末、GO粉末和PLLA粉末分散至无水乙醇中，分别得到ND悬浮液、GO悬浮液和PLLA悬浮液；
(2)将ND悬浮液和GO悬浮液混合得到ND/GO混合悬浮液，再将PLLA悬浮液和ND/GO混合悬浮液混合得到ND/GO/PLLA混合悬浮液，经离心分离、干燥即得ND/GO/PLLA复合粉末；
(3)ND/GO/PLLA复合粉末经激光3D打印获得ND/GO/PLLA复合骨支架。
优选的方案，所述ND粉末的颗粒尺寸为5～10nm，纯度为99％。
优选的方案，所述GO粉末的片径为1～5μm，厚度为0.8～1.2nm。
优选的方案，所述PLLA粉末的颗粒尺寸为0.2～5μm。
优选的方案，步骤(1)的分散和步骤(2)的混合均采用超声分散和磁力搅拌的方式，超声分散时间为10～50min，温度为50～60℃；磁力搅拌时间为10～50min，温度为50～60℃，速度为100～500r/min。
优选的方案，步骤(2)中，离心时间为10～50min，转速为4000～6000r/min。
优选的方案，步骤(3)中，将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架。
优选的方案，所述激光3D打印的工艺参数为：激光功率为1.5～3.0W，扫描速度为100～220mm/s，扫描间距为0.8～1.2mm，光斑直径为300～600mm。
本发明采用零维无机纳米金刚石(ND)颗粒和二维氧化石墨烯(GO)纳米片作为聚乳酸骨支架的增强相，ND和GO表面均含有丰富的含氧官能团，ND颗粒可通过氢键作用吸附到GO纳米片表面形成纳米组合结构，其中ND颗粒镶嵌在相邻的GO纳米片之间阻碍了GO的堆叠，同时GO纳米片对ND颗粒起到了空间阻隔作用阻止了ND的团聚，两者协同实现其在聚乳酸基体中的均匀分散，从而增大低维纳米材料与聚乳酸基体之间有效接触面积，显著提高复合骨支架的力学性能。
与现有技术方案相比，本发明具备如下优势：
1、本发明ND颗粒可通过氢键作用吸附到GO纳米片表面形成ND/GO纳米组合结构，可解决单独采用纳米ND或GO在PLLA基体中易团聚的问题。
2、本发明所形成的ND/GO纳米组合结构，可通过二者的协同作用增强人工骨支架力学性能。
3、本发明所形成的ND/GO纳米组合结构，表面丰富的含氧官能团可为细胞粘附提供更多的活性靶点，有利于提高聚乳酸骨支架的生物学性能。
附图说明
图1为实施例1-3中的ND/GO复合粉末的透射电镜图；
图2为实施例1-3制得的ND/GO/PLLA复合骨支架的表面形貌图；
图3为实施例1所制备的复合骨支架的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，但本发明之内容并不局限于此。
实施例1
(1)称量0.2g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量0.1g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(3)将ND悬浮液和GO悬浮液在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND/GO混合悬浮液；
(4)称量29.7g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(5)将所得ND/GO混合悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/GO/PLLA复合粉末；
(6)将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
如图1所示，步骤3的ND/GO混合悬浮液经离心分离、干燥后所得的ND/GO复合粉末(ND/GO＝2:1)经透射电镜测试发现ND均匀分散在GO片层上；如图2所示，ND/GO/PLLA复合骨支架(ND/GO＝2:1)的扫描电镜测试发现ND/GO均匀地分散在PLLA基体中；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为47.6MPa。
实施例2
(1)称量0.05g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量0.1g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(3)将ND悬浮液和GO悬浮液在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND/GO混合悬浮液；
(4)称量14.85g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(5)将所得ND/GO混合悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/GO/PLLA复合粉末；
(6)将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
如图1所示，步骤3的ND/GO混合悬浮液经离心分离、干燥后所得的ND/GO复合粉末(ND/GO＝0.5:1)经透射电镜测试发现ND均匀分散在GO片层上，但GO的含量稍多，发生少量团聚；如图2所示，ND/GO/PLLA复合骨支架(ND/GO＝0.5:1)的扫描电镜测试发现ND/GO在PLLA基体中发生少量团聚；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为40.9MPa。
实施例3
(1)称量0.25g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量0.1g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(3)将ND悬浮液和GO悬浮液在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND/GO混合悬浮液；
(4)称量34.65g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(5)将所得ND/GO混合悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/GO/PLLA复合粉末；
(6)将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
如图1所示，步骤3的ND/GO混合悬浮液经离心分离、干燥后所得的ND/GO复合粉末(ND/GO＝2.5:1)经透射电镜测试发现ND在GO片层上发生少量团聚；ND/GO/PLLA复合骨支架(ND/GO＝2.5:1)的扫描电镜测试发现ND/GO在PLLA基体中发生少量团聚；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为45.2MPa。
对比例1
(1)称量0.2g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量19.8g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(3)将所得ND悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/PLLA复合粉末；
(4)将ND/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
ND/PLLA复合骨支架的扫描电镜测试发现ND在PLLA基体中发生部分团聚；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为31.4MPa。
对比例2
(1)称量0.1g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(2)称量9.9g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(3)将所得GO悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到GO/PLLA复合粉末；
(4)将GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
GO/PLLA复合骨支架的扫描电镜测试发现GO在PLLA基体中发生部分团聚；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为34.1MPa。
对比例3
(1)称量0.02g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量0.01g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(3)将ND悬浮液和GO悬浮液在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND/GO混合悬浮液；
(4)称量11.97g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(5)将所得ND/GO混合悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/GO/PLLA复合粉末；
(6)将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
步骤3的ND/GO混合悬浮液经离心分离、干燥后所得的ND/GO复合粉末(ND/GO＝2:1)经透射电镜测试发现ND均匀分散在GO片层上；ND/GO/PLLA复合骨支架(ND/GO的质量分数为0.25wt％)的扫描电镜测试发现ND/GO均匀地分散在PLLA基体中；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为26.3MPa。
对比例4
(1)称量0.2g的ND粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND悬浮液；
(2)称量0.1g的GO粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的GO悬浮液；
(3)将ND悬浮液和GO悬浮液在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的ND/GO混合悬浮液；
(4)称量19.7g的PLLA粉末，将其添加到50ml的无水乙醇中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，得到均匀分散的PLLA悬浮液；
(5)将所得ND/GO混合悬浮液倒入至PLLA悬浮液中，依次在60℃条件下超声分散30min、300r/min的转速下搅拌30min，然后在5000r/min的转速下离心30min，所得固体经干燥得到ND/GO/PLLA复合粉末；
(6)将ND/GO/PLLA复合粉末置于激光3D打印系统中，按照预设的骨支架3D模型，进行激光3D打印，即得到ND/GO/PLLA复合骨支架，激光3D打印工艺参数为：激光功率为2.2W，扫描速度为200mm/min，扫描间距为1mm，光斑直径为0.5mm。
步骤3的ND/GO混合悬浮液经离心分离、干燥后所得的ND/GO复合粉末(ND/GO＝2:1)经透射电镜测试发现ND均匀分散在GO片层上；ND/GO/PLLA复合骨支架(ND/GO的质量分数为1.5wt％)的扫描电镜测试发现ND/GO在PLLA基体中部分发生团聚；力学性能测试发现复合骨支架的压缩强度为42.1MPa。