一种可降解的衍生于L‑氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种可降解的衍生于L‑氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法。所述纳米复合材料的结构通式如式(I)所示；其中，n为大于等于1且小于100的整数。其制备方法为：1)以L‑氨基酸和BPDA为原料，冰醋酸为溶剂，制备基于L‑氨基酸的酰亚胺二酸单体；2)以基于L‑氨基酸的酰亚胺二酸单体和ODA为共单体，TBAB为介质，TPP为增塑剂，APTES为封端剂，制备主链含L‑氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺酰亚胺；3)将主链含L‑氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺酰亚胺溶于极性非质子溶剂中形成溶液，后加入TEOS/无水乙醇，搅拌得最终产物。所述纳米复合材料具有良好的可降解性和亲水性，且可实现二氧化硅的均匀和稳定分散。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可降解的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料及其 制备方法，属于高分子纳米材料技术领域。

背景技术

目前，在外科植入领域应用较为广泛的合成聚合物聚醚醚酮(PEEK)尽管具有良好的生 物相容性、化学稳定性、射线可透性以及与人骨较为接近的弹性模量，但其作为骨科植入材 料不能随着植骨的融合而发生降解，植入后期对植骨造成显著的应力屏蔽作用，影响植骨的 融合速率和效果。另一方面，聚醚醚酮表面疏水而呈生物惰性，生物活性不够理想，骨传导 和骨整合能力差，无法在一定时间内与周围组织结合。随着社会经济的发展、医疗体系的健 全以及绿色环保理念的普及，生物可降解聚合物在各个领域的需求量逐年增加，将氨基酸单 元引入到聚合物分子链中制备可生物降解聚合物的研究越来越受到科学界的关注。大量研究 结果表明，由适量的L-氨基酸与不可降解的聚合物形成的共聚物不但具有类似于多肽的生物 相容性，且因分子链中引入的氨基酸部分为酶解提供了靶向位点，因而具有潜在的生物可降 解性。聚酰胺酰亚胺是一种非晶的耐高温热塑性树脂，分子结构中同时含有柔性的酰胺基和 耐热的酰亚胺基，具有高的热稳定性、良好的成型加工性、较高的机械性能、优良的耐氧化 性和氢键作用力等优点，是纳米复合材料基体的期望选择。将生物活性分子L-氨基酸引入到 聚合物分子链中合成的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺不仅具有聚酰胺酰亚胺以上的优异性 能，更因衍生自L-氨基酸而具有潜在的生物相容性和生物可降解性，在外科植入领域具有潜 在的应用价值。然而，随着技术进步的快速发展，人们对医疗器械品质的要求也越来越高。 近年来，将生物可降解聚合物与生物活性无机材料结合在一起制备兼具聚合物和无机材料优 异性能的新型生物纳米复合材料成为了组织工程、生物医学和外科植入等领域的研究热点。

二氧化硅(球形)具有膨胀系数小、耐高温、强度高和化学稳定性良好等优点，作为无 机填充材料，体现出一些独特的性能优势。研究结果表明，将一定量的二氧化硅均匀的分散 在生物聚合物基体中对改善材料的生物活性(如骨传导性、骨诱导性、骨再生性以及骨结合 能力等)具有重要的作用。目前，在聚合物基质中引入纳米二氧化硅的方法主要有(超声) 机械共混法、原位分散聚合法(包括硅烷偶联剂表面改性二氧化硅后聚合)和纳米二氧化硅 溶胶-凝胶原位生成后-聚合物原位聚合法。纳米无机物的加入可改善材料的化学稳定性以及 对不利环境的耐受程度，但由于聚合物/无机纳米复合材料内无机纳米粒子在聚合物基体中难 以均匀分散，导致两相相容性和界面形态缺陷的出现，易使无机纳米粒子在聚合物基体中发 生团聚，从而影响纳米复合材料的综合性能。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可降解的衍生于L-氨基酸 的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法，这种纳米复合材料具有生物可降解性 和良好的亲水性，且无机纳米粒子在聚合物机体中不易发生团聚，在生物医学和硬组织外科 植入等领域具有潜在的应用价值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可降解的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料，其特征在于，该 种纳米复合材料具有生物可降解性和良好的亲水性，其结构通式如式(I)所示：

其中，n为大于等于1且小于100的整数。

按上述方案，优选地，在所述可降解的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复 合材料中，二氧化硅占全部所述纳米复合材料的质量的3％～12％。

本发明还提供上述可降解的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料的 制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)以L-氨基酸和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(BPDA)为单体，以冰醋酸为溶剂，制备基 于L-氨基酸的酰亚胺二酸单体；

2)以步骤1)制备的基于L-氨基酸的酰亚胺二酸单体和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)为 共单体，以熔融四丁基溴化铵(TBAB)为介质，以亚磷酸三苯酯(TPP)为增塑剂，以3- 氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为封端剂，制备主链含L-氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅 的聚酰胺酰亚胺；

3)将步骤2)制备的主链含L-氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺酰亚胺溶于极 性非质子溶剂中形成溶液，然后往该溶液中加入一定量的正硅酸四乙酯(TEOS)/无水乙醇， 在搅拌下形成衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料。其反应机理是通过溶 胶-凝胶技术使TEOS经过水解和缩合，形成表面带有硅羟基的硅氧网络结构的硅溶胶；在聚 酰胺酰亚胺和硅溶胶的混合体系中，二氧化硅表面硅羟基除了能与聚酰胺酰亚胺主链上酰胺 基和酰亚胺官能团上的羰基形成氢键外，还能与聚酰胺酰亚胺分子末端Si-OCH₂CH₃水解产>

按上述方案，优选地，步骤1)具体为：将一定量的L-氨基酸和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二 酐(BPDA)分散于冰醋酸中，在25℃下搅拌反应10～12小时，而后在油浴中升温至118℃ ～125℃，继续搅拌回流反应4～5小时，反应结束后减压蒸馏，蒸出反应溶剂，最后，用5％ 的盐酸水溶液洗涤反应产物2～3次，抽滤，30℃真空干燥12小时，得基于L-氨基酸的酰亚 胺二酸单体。更优选地，步骤1)中所述L-氨基酸选自L-甘氨酸、L-丙氨酸、L-苯丙氨酸、L-亮氨酸、L-缬氨酸或L-异亮氨酸中至少一种。更优选地，步骤1)中，所述L-氨基酸和所 述3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐的摩尔比为1.990～2.020:1。更优选地，所述蒸馏的温度为60～65℃， 流速为1～2滴/秒。

按上述方案，优选地，步骤2)具体为：在N₂保护下，将一定量的4,4’-二氨基二苯醚(ODA)>2保护下搅拌反应2.5～3小时后逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，再搅拌反应1～1.5>

按上述方案，优选地，步骤3)具体为：将步骤2)制备的主链含L-氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺酰亚胺溶于极性非质子溶剂中，形成质量浓度为10％～30％的溶液； 然后在20℃～25℃下逐滴加入正硅酸四乙酯/无水乙醇溶液(TEOS与无水乙醇的摩尔比为 1:4.5～5)，转速为600～800r/min下搅拌反应至少半小时后，逐滴加入去离子水(去离子水与 TEOS的摩尔比为3～4:1)，继续搅拌反应6～8小时；反应结束后，向反应液中逐滴加入无水 乙醇，搅拌析出产物，无水乙醇洗涤2～3次，微孔滤膜抽滤，40℃真空干燥12小时，得到衍 生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料。更优选地，步骤3)中所述极性非质 子溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮的一种或两种以上组合。 更优选地，所述主链含L-氨基酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺酰亚胺与所述TEOS的 用量比为1g：0.05～2.27mmol，该用量比是根据最终纳米复合材料中，SiO₂占所述最终纳米>

本发明反应原理如下：

通过化学键合作用，将溶胶-凝胶原位形成的纳米二氧化硅表面的硅羟基与衍生于L-氨基 酸的聚酰胺酰亚胺分子链末端的功能基团以化学键连的方式，形成均匀和稳定分散的衍生于 L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料。具体来说，就是利用聚合物分子链两端含 功能基团—三乙氧基硅、主链含L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺，借助溶胶-凝胶法由二氧化硅的前 驱体TEOS制备表面带有硅羟基的二氧化硅纳米粒子；通过聚酰胺酰亚胺端基上Si-OCH₂CH₃水解产生的硅羟基与二氧化硅表面的羟基发生缩合反应形成Si-O-Si键、聚酰胺酰亚胺主链上>

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、本发明制备方法简便，可得到一种兼具可降解和亲水性的有机-无机纳米复合材 料。

2、本发明制备的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料可使二氧化硅 被固定在聚酰胺酰亚胺分子链的两端和主链上，实现二氧化硅的均匀和稳定分散。

3、本发明所制备的兼具可降解和亲水性的有机-无机纳米复合材料可解决目前临床使用 较多的聚醚醚酮(PEEK)不可降解和表面疏水的实际问题，在生物医学和硬组织外科植入等 领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为实施例1中衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合物形成过程的示 意图。

图2为实施例1-4分别制备的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料 中Si元素的EDS/SEM分散图。

图3为实施例1-4分别制备的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料 降解3天的SEM图。

图4为实施例1步骤2)制备的主链含L-苯丙氨酸酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰 胺酰亚胺(PAI，L-苯丙氨酸酰亚胺二酸单体/ODA-ATPES)和实施例4制备的SiO₂质量百分>2]的FTIR图。

具体实施方式

实施例1

制备SiO₂质量百分含量为3％的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材>

1)将5.8844克(0.02mol)的BPDA和6.6113克(0.04mol)的L-苯丙氨酸均匀分散在冰醋酸中形成均相溶液，室温(25℃)下搅拌反应12小时，然后在油浴中升温至118℃，回 流反应5小时；反应结束后，进行减压蒸馏，蒸出反应溶剂，蒸馏温度为63℃，流速1～2滴 /秒；最后用5％的盐酸水溶液洗涤反应产物3次，抽滤，30℃真空干燥12小时，得到基于 L-苯丙氨酸的酰亚胺二酸单体。

2)将1.9423克(9.7mmol)的ODA和5.97克(10mmol)步骤1)制备的基于L-苯丙氨 酸的酰亚胺二酸单体在N₂保护下一次性加入到38.6844克(0.12mol)熔融的四丁基溴化铵中，待形成均相溶液后逐滴加入24.8224克(0.08mol)的TPP，将反应体系置于110℃的油浴中，在N₂保护下搅拌反应2.5小时后逐滴加入0.0664克(0.3mmol)的APTES，而后再搅拌反应>

3)称取1克步骤3)制备得到的主链含L-苯丙氨酸、分子链两端含有三乙氧基硅的聚酰 胺酰亚胺溶于DMAc中形成质量浓度为10％的溶液，按最终纳米复合材料中SiO₂质量百分>2质>2]。该纳米复合材料的形成过程如图1所示。

对本实施例制得的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料进行下述 性能测试：

1、亲水性能测试：

将去离子水滴到平滑光整的该纳米复合材料表面，采用水接触角测量仪(JC2000C50Hz， KRUSS)检测该复合材料的水接触角，每隔5mm测一个点，至少测三个点，多次测量取平 均值。经测定，所得纳米复合材料的水接触角为79°。

2、EDS/SEM面扫描：

对本实施例制备的SiO₂质量百分含量为3％的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/SiO₂纳米复合材料进行的EDS/SEM面扫描结果如图2所示。从图中Si元素的分散情况可以得出，>2在聚酰胺酰亚胺基体中均匀而稳定的分散，说明通过此方法制备有机-无机纳米复合材料>

3、在模拟人体环境下对所得纳米复合材料进行体外降解实验：

首先将该纳米复合材料试样置于装有磷酸缓冲液(PBS，pH＝7.4)的封闭试管中，其中 试样质量与PBS的体积比为1:20；而后将试管置于37℃、振荡速度为70-80rpm的水浴恒温 振荡箱(SHA-C型，巩义市予华仪器有限公司)中培养；在第1、3、5天时分别取出三个试样，置于37℃的鼓风干燥箱中干燥至恒重，通过如下公式计算复合材料降解的质量损失率：

其中W₀为试样的原始质量，W_t,dry为样品降解第t天时取出烘干后的质量。

经测定，降解第1、3、5天的质量损失率分别为9.4％、10.9％和12.1％。

所述纳米复合材料降解3天后的表面形貌如图3所示。降解3天后，纳米复合材料表面 均出现了明显的刻蚀或孔洞现象，进一步证实了此种纳米复合材料是可降解的。

实施例2

制备SiO₂质量百分含量为6％的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材>

经测定，所得纳米复合材料的水接触角为77.25°。

经测定，所得纳米复合材料降解第1、3、5天的质量损失率分别为10.3％、11.4％和12.3％。

所述纳米复合材料降解3天后的表面形貌如图3所示。降解3天后，纳米复合材料表面 均出现了明显的刻蚀或孔洞现象，进一步证实了此种纳米复合材料是可降解的。

对本实施例制备的SiO₂质量百分含量为6％的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/SiO₂纳米>2在聚酰胺酰亚胺基体中均匀而稳定的分散，说明通过此方法制备有机-无机纳米复合材料可以>

实施例3

制备SiO₂质量百分含量为9％的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材>

经测定，所得纳米复合材料的水接触角为74.7°。

经测定，所得纳米复合材料降解第1、3、5天的质量损失率分别为7％、8.6％和9.2％。

所述纳米复合材料降解3天后的表面形貌如图3所示。降解3天后，纳米复合材料表面 均出现了明显的刻蚀或孔洞现象，进一步证实了此种纳米复合材料是可降解的。

对本实施例所制备的SiO₂质量百分含量为9％的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/SiO₂纳米复合材料进行的EDS/SEM面扫描结果如图2所示。从图中Si元素的分散情况可以得出，>2在聚酰胺酰亚胺基体中均匀而稳定的分散，说明通过此方法制备有机-无机纳米复合材料>

实施例4

制备SiO₂质量百分含量为12％的衍生于L-苯丙氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合>

经测定，所得纳米复合材料的水接触角为73.05°。

经测定，所得纳米复合材料降解第1、3、5天的质量损失率分别为7.9％、8.1％和9.8％。

所述纳米复合材料降解3天后的表面形貌如图3所示。降解3天后，纳米复合材料表面 均出现了明显的刻蚀或孔洞现象，进一步证实了此种纳米复合材料是可降解的。

对本实施例所制备的SiO₂质量百分含量为12％的衍生于L-氨基酸的聚酰胺酰亚胺/SiO₂纳米复合材料进行的EDS/SEM面扫描结果如图2所示。从图中Si元素的分散情况可以得出，>2在聚酰胺酰亚胺基体中均匀而稳定的分散，说明通过此方法制备有机-无机纳米复合材料>

实施例5

制备SiO₂质量百分含量为12％的衍生于L-亮氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材>

经测定，所得纳米复合材料的水接触角为75.3°；降解第1、3、5天的质量损失率分别为 9.1％、10.5％和11.8％。

实施例6

制备SiO₂质量百分含量为9％的衍生于L-甘氨酸的聚酰胺酰亚胺/二氧化硅纳米复合材>

经测定，所得纳米复合材料的水接触角为43°；降解第1、3、5天的质量损失率分别为 25.4％、27.1％和28.9％。

实施例7

傅里叶红外光谱(FTIR)测试：

对实施例1步骤2)所制备的主链含L-苯丙氨酸酸、分子链两端含三乙氧基硅的聚酰胺 酰亚胺(PAI，L-苯丙氨酸酰亚胺二酸单体/ODA-ATPES)和实施例4所制备的SiO₂质量百分>2纳米复合材料[PAI(L-苯丙氨酸酰亚胺>2]分别进行傅里叶红外光谱(FTIR)测试，结果如图4所示。

如图4所示，在PAI的FTIR中显示聚酰胺酰亚胺的特征峰，它们分别是酰亚胺环上C＝O 的非对称和对称伸缩振动峰(1774和1717cm^-1)、酰胺基上C＝O的伸缩振动(1606cm^-1，酰>-1，酰胺II带)、酰胺基上>-1，酰胺Ⅲ带)。而在PAI(L-苯丙氨酸酰亚胺二酸单体/ODA-ATPES)>2纳米复合材料的FTIR中除了存在与PAI类似的特征峰外，在3272和1626cm^-1处的吸>-1)表明无机物呈较多的>-1之间)强度明显增加表明C＝O与>