一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料及其制备方法，首先是利用纳米羟基磷灰石表面羟基化学键接引发剂引发原子转移自由基聚合，从而将其表面多官能化，再利用接枝上的官能团继续引发单体聚合或者进一步键接药物分子或其他生物活性物质。通过本发明的方法可以极大地提高纳米羟基磷灰石表面的接枝率，使其在聚合物基质具有非常好的分散性和稳定性，从而制备出一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料，可作为制备医疗用骨修复材料和骨填充料的极好原料。

说明书

技术领域：

本发明的技术涉及羟基磷灰石纳米粒子的改性，具体来说就是一种提高聚合物在纳米羟基磷灰石表面的接枝率，改善其在聚合物基质中的分散性和稳定性的制备方法。

技术背景：

高分子聚合物材料由于比重小、比强度大、电绝缘性能好、易于加工成型等优良性能被广泛运用于工业、农业、交通运输、建筑、医疗卫生等方面。但是采用单一聚合物制备的材料由于自身性质缺陷往往难以满足某些特殊场合的使用要求。例如，聚己内酯(PCL)、聚丙交酯(PLA)和聚乙交酯(PGA)等脂肪族聚酯类是具有极好的生物相容性、生物可降解性、低细胞毒副作用的聚合物。在临床医疗中被广泛制作成各种生物可降解材料，如手术缝合线、骨损修复材料等。但采用其制备的聚合物材料具有亲水性低、机械强度差、细胞黏附性弱、降解后酸性产物易引起体内炎症反应，不利于骨细胞生长等缺点而大大限制了材料的使用范围。因此，人们通常采用的方法是制备成无机/有机复合材料，将无机物的刚性、硬度与聚合物的韧性和耐冲击性结合起来。使制备的无机/有机复合材料具有优良的机械性能和使用性能。

羟基磷灰石(HAP)的化学结构式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，与人体硬组织中的无机成分相似，是组成人和脊椎动物骨骼的主要无机成分。由于具有良好的生物相容性和骨传导性，能够与骨骼直接形成键性结合并且引导骨的生长，被作为一种极佳的生物材料广泛运用于临床骨修复手术中。但是，羟基磷灰石在生理环境下自身具有性质脆、机械强度低、抗疲劳性差、容易开裂等缺陷导致只能承载较低的负荷，限制了在较大负荷下骨修复或骨替代的应用。因此，将其制备成羟基磷灰石/有机物复合材料的方法被采用。采用该方法制备出的材料一方面可结合聚合物材料的韧性，满足骨植入替代材料的机械强度要求；另一方面能中和其酸性降解产物、延缓材料早期降解，提高材料骨结合能力和生物相容性。同时，羟基磷灰石的骨诱导性可提供良好的骨细胞生长环境，多孔结构则为细胞生长、组织再生及血管化提供条件，从而更加符合骨组织工程材料的生物学要求。

但是，作为一种无机刚性纳米粒子，纳米羟基磷灰石粒子具有很高的比表面能，粒子与粒子之间存在很强的相互作用力，且其表面羟基极易形成氢键导致纳米粒子凝并，团聚，形成二次粒子。因此，在制备纳米羟基磷灰石/有机物复合材料时，往往很难使其均匀分散在聚合物基体中，且纳米粒子与聚合物基体之间存在明显的相分离现象，这对制备的复合材料的机械性能有极大的影响，也是纳米复合材料制备中普遍存在并亟待解决的关键问题之一。

基于此目的，人们运用了许多方法来对羟基磷灰石粒子进行表面改性，如：硅烷偶联剂、聚酸、聚乙二醇、异氰酸酯、十二烷基醇和焦磷酸(H₄P₂O₇)等来处理其表面，通过在羟基磷灰石粒子表面接枝有机化合物分子来改变其的表面性质，从而达到提高纳米羟基磷灰石粒子与聚合物基体之间界面结合力的目的。但是，由于羟基磷灰石粒子表面的活性羟基数量很少，并且羟基的活性低，在上述的改性方法当中，接枝到纳米粒子表面的有机物的数量是很少的。换言之制备的纳米复合材料机械性能也不能被控制好而很难满足不同场合的使用要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料及其制备方法。

本发明的目的是通过如下方式实现的：

1.一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料，结构通式如下：

式中HAP为纳米羟基磷灰石；

X代表卤素原子；

R_X1、R_X2为键接上的引发剂引发聚合后残留的基团；

R₁为烯类单体均聚或共聚合后的烯类单体的重复结构单元；

P₁为酯类环状单体、氨基酸-N-羰基环内酸酐类单体、吗啉二酮衍生物开环聚合而成的共聚或均聚物。

一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料的制备方法，按如下步骤进行：

1)在纳米羟基磷灰石表面羟基上化学键接引发剂；

2)在接枝在纳米羟基磷灰石表面的引发剂上通过原子转移自由基聚合引发烯类单体聚合，做为纳米羟基磷灰石表面的官能团；

3)利用接枝在纳米羟基磷灰石表面的官能团能继续引发酯类环状单体、氨基酸-N-羰基环内酸酐类单体、吗啉二酮衍生物聚合，得到一种基于纳米羟基磷灰石的生物活性材料。

所述通过纳米羟基磷灰石表面羟基化学键接的引发剂是能引发原子转移自由基聚合的化合物。

所述的能引发原子转移自由基聚合的化合物为α-溴代丙酰溴、α-溴代丁酰溴、α-溴代异丁酰溴、α-氯代丙酰氯、α-氯代丁酰氯、α-氯代异丁酰氯、α-溴代丙酰氯、α-溴代丁酰氯或α-溴代异丁酰氯中的中一种或它们之间的混合体。

一种基于纳米羟基磷灰石的新型生物活性材料的制备方法，其特征在于所述烯类单体结构通式如下：

L₁为-H、-C_nH_2n+1、-OC_nH_2n+1(n＝1～12)；

L₂为羟基、氨基、羧基、巯基；

L₃表示碳原子数为C₁-C₂₀的亚烷基或通式(VI)所示的基团：

其中，Y为可以含有氧原子或氮原子的C₁-C₂₀的有机基团；各X表示氢原子或甲基，可以相同或不相同。

所述酯类环状单体、氨基酸-N-羰基环内酸酐类单体、吗啉二酮衍生物单体包括ε-己内酯、丙交酯、乙交酯中、三亚甲基碳酸酯(TMC)、2，2-二甲基三亚甲基环碳酸酯、碳酸乙烯酯、γ-苄基-L-谷氨酸-N-羰基环内酸酐、N^ε-苄氧羰基-赖氨酸-N-羰基环内酸酐、L-苯丙氨酸-N-羰基环内酸酐或(3s)-3-[(苄氧羰基)乙基]吗啉-2，5-二酮，它们可以进行共聚或均聚。

本发明有如下优点：

1、当本发明的方法采用具有对人体无毒副作用且生物相容性好的反应单体时，可以在纳米粒子表面接枝对人体无毒副作用且生物相容性好的聚合物，为制备生物相容性好的医用复合材料提供优质的填料；2、本发明采用的原子转移自由基聚合方法能极大地提高聚合物在纳米羟基磷灰石表面的接枝率，实现对纳米羟基磷灰石的表面化学改性；3、本发明的方法，采用简单、方便的化学改性方法，能十分明显地改善纳米羟基磷灰石在有聚合物基质中的分散性和稳定性；4、所得到的产品在有聚合物基质中的优异分散性和稳定性为制备性能优良的羟基磷灰石/有机物纳米复合材料提供了优质的填充料，具有很高的应用价值。

附图说明：

图1：分别为实施方案1中纳米羟基磷灰石(HAP)、溴化的纳米羟磷灰石(HAP-Br)、接枝上聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA)和接枝聚己内酯的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA-(PCL)_m)的红外谱图；

图2：为实施方案1中溴化的纳米羟磷灰石(HAP-Br)的固体核磁共振碳谱；

图3：为接枝上聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯的纳米羟基磷灰石(HAp-PHEMA)的固体核磁共振碳谱；

图4：为接枝上聚己内酯的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA-(PCL)_m)的固体核磁共振碳谱；

图5：为实施方案1中纳米羟基磷灰石(HAP)在二氯甲烷中的透射电子显微镜照片；

图6：为接枝上聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA)在二氯甲烷中的透射电子显微镜照片；

图7：接枝上聚己内酯的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA-(PCL)_m)在二氯甲烷中的透射电子显微镜照片；

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明给予进一步说明。

实施例1：HAP-PHEMA-(PCL)_m杂化材料的制备。

a)HAP表面化学键合溴引发剂制备HAP-Br

将1g纳米羟基磷灰石分散在10ml氯仿中(透射电子显微镜照片见图5，从图5中可以发现纳米羟基磷灰石在二氯甲烷中团聚十分严重)。在氮气保护条件下，温度在0～3℃之间缓慢滴加用10ml氯仿稀释的0.6g α-溴代异丁酰溴溶液，滴加完毕后在室温条件下反应24h。反应结束后的混合物用氯仿稀释，超声波振荡1h，离心分离，沉淀用氯仿反复洗涤多次，真空干燥，得到化学键合溴引发剂的纳米羟基磷灰石(HAP-Br)。通过固体核磁共振碳谱(见图2)可以发现α-溴代异丁酰溴与HAP表面的羟基反应后在其表面留下两组碳，对照液体样品¹³C谱图可以发现：a碳原子的化学位移从65.62ppm向高场移动到了43.4ppm，这是由于溴代异丁酰溴与羟基磷灰石表面的羟基反应后加大了a碳原子的电负性造成化学位移向高场移动；b碳原子化学位移未变化仍旧为31ppm。红外谱图(见图1)在HAP-Br曲线中，在1575cm^-1附近出现一个新的振动峰应归属于接枝到HAP表面的α-溴代异丁酰溴与其形成的-OCO-的振动吸收峰。这都说明α-溴代异丁酰溴已经通过化学键成功键接在HAP粒子表面。

b)HAP-Br引发甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)聚合

磁力搅拌下，在50ml圆底烧瓶中加入0.058g溴化亚铜(CuBr)、0.062g2，2’-联吡啶(bpy)和1g溴化的纳米羟基磷灰石(HAP-Br)。密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次，以保证ATRP在无氧的条件下进行。注入1g甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)单体，超声波振荡1h，在70℃下反应24h。反应结束后，向烧瓶中加入DMF搅拌并充分氧化，溶解后离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得到表面接枝有大量高活性羟基的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA)。通过固体核磁共振碳谱(见图3)可以清楚看到PHEMA各个碳原子的化学位移归属并一一对应，这说明HEMA单体已经通过ATRP接枝在HAP表面。其红外谱图(见图1)HAP-PHEMA曲线中，在1725cm^-1附近出现一个新的吸收峰应归属于接枝到HAP表面上的PHEMA分子链的羰基的振动峰；在3000cm^-1和2850cm^-1附近也可以观察到一些很小的振动峰，它们可以归属在PHEMA分子链上的甲基和亚甲基的碳氢键伸缩振动上，因此可以证明在接枝反应产物HAP-PHEMA表面确实接枝有PHEMA链存在。通过透射电子显微镜照片(见图6)可以看到经过原子转移自由基聚合反应后，纳米羟基磷灰石的粒径变大并分散性有一定的改善。这都说明甲基丙烯酸-2-羟乙酯已经通过原子转移自由基聚合成功接枝在纳米羟基磷灰石表面。

c)HAP-PHEMA引发己内酯开环聚合制备HAP-PHEMA-(PCL)_m杂化材料

磁力搅拌下，在50ml圆底烧瓶中加入1g干燥的HAP-PHEMA，密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次。注入1g己内酯单体和0.045g辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)甲苯溶液。超声波振荡1h后在130℃下反应48h。反应结束后加入二氯甲烷溶解，离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得接枝率高、在有机相中分散性非常好的纳米羟基磷灰石。通过固体核磁共振碳谱(见图4)，纳米羟基磷灰石在引发己内酯开环聚合后表面碳的种类增加了很多，且由于各组碳原子的化学位移靠得很近，谱图出现了重叠，但是PHEMA-(PCL)_m上的碳原子种类都能一一对应其化学位移归属。其红外谱图(见图1)HAP-PHEMA-(PCL)_m曲线中1730cm^-1附近出现很大的的羰基的振动峰，3000cm^-1和2850cm^-1附近的甲基和亚甲基的碳氢键伸缩振动也相应加强，这说明己内酯在HAP表面进行了开环聚合。通过透射电子显微镜照片(见图7)可以观测到纳米羟基磷灰石在经过本专利方法改性后在二氯甲烷中分散性非常好。这都说明己内酯已经利用被接枝上的活性羟基通过开环聚合成功接枝在纳米羟基磷灰石表面。

实施例2：HAP-PHEA-(PCL-PLA)_m杂化材料的制备。

a)HAP表面化学键合溴引发剂制备HAP-Br

将1g纳米羟基磷灰石分散在10ml氯仿中。在氮气保护条件下，温度在0～3℃之间缓慢滴加用10ml氯仿稀释的0.6g α-溴代异丁酰溴溶液，滴加完毕后在室温条件下反应24h。反应结束后的混合物用氯仿稀释，超声波振荡1h，离心分离，弃上清夜，沉淀用氯仿反复洗涤多次，真空干燥，得到表面化学键合溴引发剂的羟基磷灰石(HAP-Br)纳米粒子。

b)HAP-Br引发丙烯酸-2-羟乙酯(HEA)聚合

磁力搅拌下，在50ml圆底烧瓶中加入0.058g溴化亚铜(CuBr)、0.062g联吡啶(bpy)和1g溴化的纳米羟基磷灰石(HAP-Br)，密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次，以保证ATRP在无氧的条件下进行。注入1g丙烯酸-2-羟乙酯(HEA)单体，超声波振荡1h，在70℃下反应24h。反应结束后，向烧瓶中加入DMF搅拌并充分氧化，溶解后离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得到表面接枝有大量高活性羟基的羟基磷灰石(HAP-PHEA)。

c)纳米HAP-PHEA引发己内酯及丙交酯共聚制备HAP-PHEA-(PCL-PLA)_m杂化材料

磁力搅拌下，在50ml圆底烧瓶中加入1g干燥的HAP-PHEA粉末，密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次。注入1g己内酯及丙交酯的混合物和0.045g辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)甲苯溶液。超声波振荡1h，然后在120℃下反应48h。反应结束后加入二氯甲烷溶解，离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得接枝率高、在有机相中分散性非常好的纳米羟基磷灰石。

实施例3：HAP-PHEMA-PHEA-(PLA)_m杂化材料的制备

a)HAP表面化学键合溴引发剂制备HAP-Br

将1g纳米羟基磷灰石分散在10ml氯仿中。在氮气保护条件下，温度在0～3℃之间缓慢滴加用10ml氯仿稀释的0.6g α-溴代异丁酰溴溶液，滴加完毕后在室温条件下反应24h。反应结束后的混合物用氯仿稀释，超声波振荡1h，离心分离。沉淀用氯仿反复洗涤多次，真空干燥，得到化学键合溴引发剂的羟基磷灰石(HAP-Br)纳米粒子。

b)HAP-Br引发丙烯酸-2-羟乙酯及甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)共聚反应

在磁力搅拌下，50ml圆底烧瓶中加入0.058g溴化亚铜(CuBr)、0.062g联吡啶(bpy)和1g溴化的纳米羟基磷灰石(HAP-Br)，密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次，以保证ATRP在无氧的条件下进行。注入1g丙烯酸-2-羟乙酯(HEA)及甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)的混合物，超声波振荡1h，在70℃下反应24h。反应结束后，向烧瓶中加入DMF搅拌并充分氧化，溶解后离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得到表面接枝有高活性羟基的纳米羟基磷灰石(HAP-PHEMA-PHEA)。

c)HAP-PHEMA-PHEA引发丙交酯开环聚合制备HAP-PHEMA-PHEA-(PLA)_m杂化材料

磁力搅拌下，在50ml圆底烧瓶中加入1g干燥的HAP-PHEMA-PHEA，密封后抽真空，充入氮气，如此重复三次。注入1g丙交酯和0.045g辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)甲苯溶液。超声波振荡1h，然后在120℃下反应48h。反应结束后加入二氯甲烷溶解，离心分离。重复溶解-离心分离三次以上，真空干燥，得接枝率高、在聚合物中分散性非常好的纳米羟基磷灰石杂化材料。

上述对实施方案的描述是为了该技术领域的普通技术人员能更好的理解和应用该发明。本发明不限于这里描述的实例，本领域的技术人员很容易根据本发明的原理及方法做出相应的改进和修改，对于这些改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。