一種復(fù)合水凝膠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合水凝膠的制備方法，屬于高分子【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法首先將羥基磷灰石（HA）和殼聚糖（CS）配成溶液，然后摻雜到聚丙烯酰胺（PAM）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。該方法不僅制備過程操作簡便，節(jié)約成本，而且所得材料克服了殼聚糖（CS）支架容易彎曲且機(jī)械性質(zhì)不佳的特性，保留了羥基磷灰石（HA）良好的抗拉、抗壓的力學(xué)性能；在制備過程中將具有良好生物兼容性的羥基磷灰石（HA）和殼聚糖（CS）摻雜于聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，賦予了該水凝膠材料良好的力學(xué)性能。因此，該復(fù)合材料可作為一種軟骨替代材料，在組織工程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種復(fù)合水凝膠的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合水凝膠的制備方法，屬于高分子材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 聚丙烯酰胺（PAM)水凝膠因具有良好的生物兼容性，引起了生物應(yīng)用界的廣泛興 趣，生物應(yīng)用界將其用于組織工程的支架材料、軟骨組織替代材料、藥物載體等領(lǐng)域(7； ifeteriaZs，2003，15,1155-1158)。尤其是具有一定強(qiáng)度的水凝膠支架 已被應(yīng)用于骨、軟骨和肌肉等產(chǎn)品的研究開發(fā)。水凝膠的強(qiáng)度與凝膠的交聯(lián)度及其使用條 件等都有一定的關(guān)系。然而一般的水凝膠因?yàn)閺V泛分布的長鏈通過傳統(tǒng)的共價(jià)交聯(lián)形成無 規(guī)則的交聯(lián)點(diǎn)，缺乏有效的能量耗散機(jī)制，因此它呈現(xiàn)脆性、低延展性、低力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)際應(yīng) 用很有限，故需進(jìn)一步提高凝膠材料的機(jī)械性能。近些年來，如何提高水凝膠的力學(xué)性能并 研發(fā)出具有特定功能的水凝股已成為科學(xué)界和商界的研究重點(diǎn)(/Z /7. H. Yu. SmaLL, 2014, 10,448-453)〇
[0003] 羥基磷灰石（HA)/殼聚糖（CS)復(fù)合材料在骨組織工程領(lǐng)域中具有重要作用，殼聚 糖（CS)在軟骨組織工程領(lǐng)域具有非常多的優(yōu)勢，被視為骨替代材料的理想選擇。 cs支架 容易彎曲且機(jī)械性質(zhì)不如天然骨，因此不能負(fù)載支撐植入物。陶瓷材料與CS支架復(fù)合可 以改善提高其機(jī)械性質(zhì)，可是CS本身卻不具有骨誘導(dǎo)性，所以CS支架自身不能模擬天 然骨的所有性質(zhì)。磷酸鈣陶瓷常用來模擬礦化自然骨的無機(jī)成分，且具有骨誘導(dǎo)性，因此HA /CS復(fù)合材料在模擬礦化自然骨的組成及性質(zhì)上具有很大優(yōu)勢，已有一些研究報(bào)道ha /CS 復(fù)合材料應(yīng)用于骨組織工程。殼聚糖在不進(jìn)行任何化學(xué)改性的情況下就可以作為輔料加入 到羥基磷灰石骨水泥中，增強(qiáng)其可注射性，將HA和CS復(fù)合使用可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)， 克服彼此的缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在提供一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺軟骨 替代材料的制備方法。該制備技術(shù)保留了羥基磷灰石（HA)和殼聚糖（CS)兩者的優(yōu)點(diǎn)，并增 強(qiáng)了聚丙烯酰胺聚合物單一材料的力學(xué)性能，拓寬了復(fù)合材料的應(yīng)用范疇，有望在組織工 程中得到應(yīng)用。該制備方法過程簡單，合成的雜化水凝膠材料的力學(xué)機(jī)械性能得到了顯著 的提高。
[0005]本發(fā)明提供的一種復(fù)合水凝膠的制備方法，是將羥基磷灰石（HA)和殼聚糖（CS) 配成溶液，然后摻雜到聚丙烯酰胺（PAM)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，具體包括以下步驟： (1) 配制羥基磷灰石（HA)水溶液：將羥基磷灰石（HA)粉末溶于二次水，并且震蕩攪拌 使其充分溶解，即得到乳白色的HA溶液； (2) 配制殼聚糖（CS)水溶液：將殼聚糖（CS)粉末溶于二次水，然后再加入乙酸，最后震 蕩攪拌使其充分快速溶解，即得到乳黃色的CS溶液； (3) 制備交聯(lián)劑水溶液(MBA):取交聯(lián)劑Ν，Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺（MBA)溶解于水中， 超聲震蕩2min使溶液分散均勻，即得到交聯(lián)劑水溶液； (4) 制備引發(fā)劑水溶液（KPS):取引發(fā)劑過硫酸鉀（KPS)溶解于水中，超聲震蕩2min使 溶液分散均勻，即得到引發(fā)劑水溶液； (5) HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠的制備：在試管中加入單體丙烯酰胺，將（3)得到的交聯(lián) 劑溶液加入試管中，各取上述（1)、（2)得到的溶液滴加于試管中，并加入二次水使單體丙 烯酰胺充分溶解；然后將試管密封，隨后加入引發(fā)劑及加速劑，引發(fā)聚合，反應(yīng)在25?進(jìn)行 8_16h后，即制備得到HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠。
[0006] 上述制備方法中，所述羥基磷灰石粉末晶粒為〇.〇4?12 μ m,所得溶液濃度為 0· 01-0· 03g/mL ;所述配制殼聚糖（CS)水溶液過程中，滴上〇. 2-0. 5mL乙酸加速殼聚糖的溶 解，殼聚糖溶液的濃度為0. 005-0. 01g/mL。
[0007] 所述交聯(lián)劑為N, Ν'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA)，濃度為0.001-0. 005g/mL ;所述引 發(fā)劑為過硫酸鉀（KPS)，濃度為0. 005-0. 01g/mL。
[0008] 所述加速劑為N, N, Ν'，Ν' -四甲基乙二胺（TEMED),其密度為0. 775g/mL，所述加速 劑的添加量與單體丙烯酰胺的質(zhì)量比為：7. 75:1000。
[0009] 所述單體丙烯醜胺、引發(fā)劑、交聯(lián)劑的質(zhì)量比為（250?1500) :2. 5:1 ;所述輕基磷 灰石、殼聚糖、單體丙烯酰胺的質(zhì)量比為（0.1-0. 5): (0.05-0. 2): (2-4)。
[0010] 本發(fā)明方法首先將羥基磷灰石（HA)和殼聚糖（CS)配成溶液，然后摻雜到聚丙烯 酰胺（PAM)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，制成一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的，可作為軟骨替代材料的羥基磷灰石 (HA) /殼聚糖（CS) /聚丙烯酰胺（PAM)復(fù)合水凝膠。本發(fā)明帶來的有益效果： (1) 聚丙烯酰胺是一種生物兼容性良好的軟骨替代材料，將羥基磷灰石（HA)和殼聚糖 (CS )材料通過氫鍵作用摻于聚丙烯酰胺（PAM)水凝膠中，在羥基磷灰石（HA )、殼聚糖（CS )、 聚丙烯酰胺（PAM)各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，該三元復(fù)合材料的力學(xué)性能得到增強(qiáng)(原來的聚丙烯 酰胺中加入羥基磷灰石（HA)和殼聚糖（CS)混合溶液時(shí)壓縮剛度大幅增加，例如：在壓縮相 同的5mm時(shí)由原先的 5牛頓增加到12牛頓。），為其多功能化應(yīng)用提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，使 其有望作為軟骨替代材料應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域； (2) 殼聚糖是一種軟化材料，本發(fā)明嚴(yán)格控制了殼聚糖的用量，所得材料克服了殼聚糖 (CS)支架容易彎曲且機(jī)械性質(zhì)不佳的特性； (3) 保留了羥基磷灰石（HA)良好的抗拉、抗壓的力學(xué)性能； (4) 該方法制備過程操作簡便，節(jié)約成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為不同配比的羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠材料壓縮的載 荷-位移曲線圖。
[0012] 圖2為不同殼聚糖配比下的復(fù)合水凝膠材料壓縮的載荷-位移曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
[0014] 實(shí)施例1 :羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的制備方法 (1)配制羥基磷灰石（HA)水溶液：將12 μ m的0. lg羥基磷灰石（HA)粉末溶于5mL二 次水，并且震蕩攪拌使其充分溶解，即得到濃度為〇· 02g/mL的乳白色的HA溶液； (2) 配制殼聚糖（CS)水溶液：將0. 05g殼聚糖（CS)粉末溶于5mL二次水，然后再加入 0. 2mL乙酸，最后震蕩攪拌使其充分快速溶解，即得到濃度為〇· 〇lg/mL乳黃色的CS溶液； (3) 制備交聯(lián)劑(MBA)水溶液：將0· 02g交聯(lián)劑N，Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺（MBA)溶解于 5mL二次水中，超聲震蕩2π?η使溶液分散均勻，即得到濃度為〇· 〇〇4g/mL的交聯(lián)劑水溶液； (4) 制備引發(fā)劑（KPS)水溶液：取0. 05g引發(fā)劑過硫酸鉀（KPS)溶解于5mL二次水中， 超聲震蕩2min使溶液分散均勻，即得到濃度為〇· 01g/mL的引發(fā)劑水溶液； (5) 狀^^/?崖無機(jī)-有機(jī)復(fù)合水凝膠的制備：在試管中加入單體丙烯酰胺2§，然后稱 取0. 5tnL交聯(lián)劑溶液滴加于試管中，再各取lmL上述（1)、（2)得到的溶液滴加于試管中， 并加入3raL二次水震蕩搖勻，使單體充分溶解；然后將試管密封，隨后加入〇. 5mL引發(fā)劑及 0. 02tnL加速劑，引發(fā)聚合反應(yīng)在25?進(jìn)行12h后，即可制備得到HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠。
[0015] 所述加速劑為Ν，Ν，Ν'，Ν' -四甲基乙二胺，其密度為0. 775g/mL。
[0016] 然后，將復(fù)合水凝膠材料切成直徑為13mm，高為15mm的圓柱形試件進(jìn)行壓縮性能 測試。結(jié)果見圖1。本發(fā)明中使用的測試儀器為艾德堡指針式推拉力計(jì)NK-20,測試方法為： 試件每壓縮5mm記錄壓力的數(shù)值，最后利用SigmaPlot繪制出曲線。
[0017] 實(shí)施例1的對比例1 :輕基磷灰石/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的制備方法 按實(shí)施例1的方法制備羥基磷灰石（HA)水溶液、交聯(lián)劑（MBA)水溶液、引發(fā)劑（KPS)水 溶液； 在試管中加入單體丙烯酰胺2g，分別稱取0· 5mL交聯(lián)劑溶液滴加于試管中，再各取lmL 羥基磷灰石（HA)水溶液滴加于試管中，并加入4mL二次水震蕩搖勻，使單體充分溶解；然后 將試管密封，隨后加入〇· 5mL引發(fā)劑及0· 02mL加速劑，引發(fā)聚合反應(yīng)在25°C進(jìn)行12h后，SP 可制備得到HA/ PAM復(fù)合水凝膠。然后，將復(fù)合水凝膠材料切成直徑為13_，高為15mm的 圓柱形試件進(jìn)行壓縮性能測試。結(jié)果見圖1。
[0018] 實(shí)施例1的對比例2 :聚丙烯酰胺的制備方法 按實(shí)施例1的方法制備交聯(lián)劑（MBA)水溶液、引發(fā)劑（KPS)水溶液； 在試管中加入單體丙烯酰胺2g，稱取0. 5mL交聯(lián)劑溶液滴加于試管中，并加入5mL二次 水震蕩搖勻，使單體充分溶解；然后將試管密封，隨后加入〇. 5mL引發(fā)劑及0. 02mL加速劑， 引發(fā)聚合反應(yīng)在25°C進(jìn)行12h后，即可制備得到PAM聚合物。然后，將復(fù)合水凝膠材料切成 直徑為13_，高為15_的圓柱形試件進(jìn)行壓縮性能測試。結(jié)果見圖1。
[0019] 實(shí)施例1及其對比例的測試結(jié)果分析： 圖1是不同配比的羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠材料壓縮的載荷-位 移曲線圖。實(shí)施例1中的W (HA) :w (CS) :w (ΡΑΜ)=0·02:0·01:2 ;對比例1中的w (HA): w (ΡΑΜ)=0. 02 :2 ;對比例2中的w (ΡΑΜ)=2 ;從圖中可以看出，聚丙烯酰胺加上羥基磷灰石 和殼聚糖后復(fù)合材料的壓縮剛度比單獨(dú)的聚丙烯酰胺增強(qiáng)，并且只含有羥基磷灰石和聚丙 烯酰胺的復(fù)合材料壓縮剛度最大，可見殼聚糖是一種軟化材料。
[0020] 實(shí)施例2 :羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的制備方法 (1) 配制羥基磷灰石（ΗΑ)水溶液：將12μπι的0.2g羥基磷灰石（ΗΑ)粉末溶于10mL二 次水，并且震蕩攪拌使其充分溶解，即得到濃度為〇. 〇2g/mL的乳白色的HA溶液； (2) 配制殼聚糖（CS)水溶液：將0· lg殼聚糖（CS)粉末溶于10mL二次水，然后再加入 〇· 2mL乙酸，最后震蕩攪拌使其充分快速溶解，即得到濃度為0. 〇lg/mL乳黃色的CS溶液； ⑶制備交聯(lián)劑水溶液（MBA):將〇·晚交聯(lián)劑N，N' -亞甲基雙丙烯酸胺（MBA)溶解 于10mL二次水中，超聲震蕩2min使溶液分散均勻，即得到濃度為〇. 'g/mL的交聯(lián)劑水溶 液； (4) 制備引發(fā)劑水溶液（KPS):取〇· lg引發(fā)劑過硫酸鉀（KPS)溶解于l〇mL二次水中， 超聲震蕩2min使溶液分散均勻，即得到濃度為〇· 〇lg/mL的引發(fā)劑水溶液； (5) HA/CS/PAM無機(jī)-有機(jī)復(fù)合水凝膠的制備：在試管中加入單體丙烯酰胺2g，稱取 0. 5mL交聯(lián)劑溶液滴加于試管中，再各取lmL上述（1)、（2)得到的溶液滴加于試管中，并 加入3mL二次水震蕩搖勻，使單體充分溶解；然后將試管密封，隨后加入0· 5mL引發(fā)劑及 〇· 〇2mL加速劑，引發(fā)聚合反應(yīng)在25°C進(jìn)行12h后，即可制備得到HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠。 [0021] 所述加速劑為N, N, Ν'，Ν' -四甲基乙二胺，其密度為0. 775g/mL。
[0022] 然后，將復(fù)合水凝膠材料切成直徑為13mm，高為15mm的圓柱形試件進(jìn)行壓縮性能 測試。結(jié)果見圖2。本發(fā)明中使用的測試儀器為艾德堡指針式推拉力計(jì)NK-20,測試方法為： 試件每壓縮5mm記錄壓力的數(shù)值，最后利用SigmaPlot繪制出曲線。
[0023]實(shí)施例2的對比例1 :羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的制備方法 該制備方法與實(shí)施例2相同，區(qū)別在于：殼聚糖（cs)的用量為2mL;二次水的用量為 2mL〇
[0024] 本實(shí)施例的壓縮性能測試結(jié)果見圖2。
[0025]實(shí)施例2 對比例2 :羥基磷灰石/殼聚糖/聚丙燦醜胺復(fù)合水凝膠的制備方法 該制備方法與實(shí)施例2相同，區(qū)別在于：殼聚糖（cs)的用量為3mL ;二次水的用量為 lmL〇
[0026] 本實(shí)施例的壓縮性能測試結(jié)果見圖2。 例i:經(jīng)基憐灰石，殼聚糖/聚丙稀酰胺復(fù)合水纖的制備方法 ^ 萬去與頭施例2相同，區(qū)別在于：殼聚糖（CS)關(guān)量為4mL;二次水關(guān)量為 0mL〇
[0028] 本實(shí)施例的壓縮性能測試結(jié)果見圖2。
[0029]實(shí)施例2及其對比例的測試結(jié)果分析如 圖2是不同殼聚糖配比下的復(fù)八士龍7聽4+4_ · 出，隨著殼聚糖的增加(從0.01gtH=f縮的載荷-位移曲線圖。從圖中可以看 量增加反而會(huì)降韻三蔵合材^合簡的抗酬頻顏小，可見殼聚糖含 聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合材料的力學(xué)杜性把，因此殼聚糖可以作為調(diào)節(jié)羥基磷灰石/殼 糖的含量細(xì)繼不剛度崎棘^種成分，辦趙纟肛程刪巾可關(guān)節(jié)殼聚 材料，供不同力學(xué)性能要求的部位使用。
【權(quán)利要求】
1. 一種復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：將羥基磷灰石和殼聚糖配成溶液，然后 摻雜到聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，具體包括以下步驟： (1) 配制輕基磷灰石水溶液：將輕基磷灰石粉末溶于二次水，并且震蕩攪拌使其充分溶 解，即得到乳白色的ΗΑ溶液； (2) 配制殼聚糖水溶液：將殼聚糖粉末溶于二次水，然后再加入乙酸，最后震蕩攪拌使 其充分快速溶解，即得到乳黃色的CS溶液； (3) 制備交聯(lián)劑水溶液：取交聯(lián)劑Ν, Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺溶解于水中，超聲震蕩2min 使溶液分散均勻，即得到交聯(lián)劑水溶液； (4) 制備引發(fā)劑水溶液：取引發(fā)劑過硫酸鉀溶解于水中，超聲震蕩2π?η使溶液分散均 勻，即得到引發(fā)劑水溶液； (5) HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠的制備：在試管中加入單體丙烯酰胺，將（3)得到的交聯(lián) 劑溶液加入試管中，各取上述（1)、（2)得到的溶液滴加于試管中，并加入二次水使單體丙 烯酰胺充分溶解；然后將試管密封，隨后加入引發(fā)劑及加速劑，引發(fā)聚合，反應(yīng)在25°C進(jìn)行 8-16h后，即制備得到HA/CS/PAM復(fù)合水凝膠。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：所述羥基磷灰石粉末 晶粒大小為0· 04~12 μ m，所得溶液濃度為0· 01-0. 03g/mL。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：所述配制殼聚糖水溶 液過程中，滴入0. 2-0. 5 mL乙酸加速殼聚糖的溶解，殼聚糖溶液的濃度為0. 005-0. Olg/ mL〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：所述交聯(lián)劑為 N，Ν' -亞甲基雙丙烯酰胺，濃度為0. 001-0. 005g/mL ;所述引發(fā)劑為過硫酸鉀，制備的引發(fā) 劑濃度為(λ 005-0. 01 g/mL。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：所述加速劑為 Ν，Ν，Ν'，Ν' -四甲基乙二胺，所述加速劑的添加量與單體丙烯酰胺的質(zhì)量比為：7. 75:1000。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于：所述單體丙烯酰胺、弓丨 發(fā)劑、交聯(lián)劑的質(zhì)量比為（25(Tl500) :2.5:1 ;所述羥基磷灰石、殼聚糖、單體丙烯酰胺的質(zhì) 量比為（0. 1-0. 5) : (0· 05-0· 2) : (2-4)。
【文檔編號(hào)】A61L27/52GK104189960SQ201410467738
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】武曉剛, 王艷芹, 岑海鵬, 于維倫, 郭媛, 張永剛, 陳維毅 申請人:太原理工大學(xué)