一种利用氧化石墨烯改善聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架界面结合性能的方法

摘要

本发明公开了一种利用氧化石墨烯改善聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架界面结合性能的方法，该方法是将聚醚醚酮(PEEK)粉末、聚乙烯醇(PVA)粉末和氧化石墨烯(GO)粉末通过液相混合后，固液分离，固体经过干燥和研磨，得到复合粉末；所述复合粉末通过激光3D打印技术制备复合骨支架。该方法利用氧化石墨烯与聚醚醚酮和聚乙烯醇均存在较好结合能力，以提高聚醚醚酮和聚乙烯醇之间的界面性能。

说明书

技术领域

本发明涉及聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架的制备方法，特别涉及一种利用氧化石墨烯改善聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架界面结合性能的方法，属于骨支架制备技术领域。

背景技术

聚醚醚酮(PEEK)是一种新兴的、综合性能优良的高分子材料，具有优异的机械性能、良好的生物相容性和可加工性，在骨支架领域具有广阔的应用前景，然而其极强的疏水性和不降解性阻碍了细胞粘附和组织生长，并且聚醚醚酮的极强疏水性导致其与亲水性高分子材料相容性差，很难产生良好的界面结合，影响复合的效果，因此目前也没有很好的方法来实现亲水性高分子对聚醚醚酮的改性。

发明内容

针对现有技术PEEK骨支架材料存在疏水性和不降解性等缺陷，以及PEEK和亲水性高分子材料相容性差，界面结合不好，导致复合效果差等问题，本发明的目的是在于提供一种利用GO富含丰富大π共轭结构和表面含氧官能团，来改善聚醚醚酮和聚乙烯醇结合性能的方法，该方法利用GO与聚醚醚酮和聚乙烯醇均存在较好结合能力，提高聚醚醚酮和聚乙烯醇之间的界面性能，从而获得生物学性能和机械性能更好的PEEK/PVA复合骨支架。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用氧化石墨烯改善聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架界面结合性能的方法，该方法是将PEEK粉末、PVA粉末和GO粉末通过液相混合后，固液分离，固体经过干燥和研磨，得到复合粉末；所述复合粉末通过激光3D打印技术制备复合骨支架。

本发明的技术方案关键在于利用氧化石墨烯在聚醚醚酮和聚乙烯醇两种高分子之间建立起一个桥梁—界面相，能够显著增强两者相容性，氧化石墨烯(GO)可分别与PEEK和PVA之间形成较强的界面结合，从而使两者能够更好的融为一体，粘结强度增强。PEEK和PVA的分子链中分别具有大量的苯环结构和羟基集团，GO具有丰富的大π共轭结构和表面含氧官能团，既可利用中间的共轭结构与非极性的PEEK发生π-π堆积作用，又可以利用边缘的含氧基团与极性的PVA发生氢键作用，将两者的性能完美的结合在一起，从而使复合材料的整体性能得到显著提高。此外，GO还具有优异的力学强度、巨大的比表面积和非常大的宽厚比，将通过液相混合可以将GO均匀地分散在PEEK和PVA混合材料中改善复合材料的力学性能，同时其表面所含有的大量含氧官能团，赋予其良好的亲水性、表面活性及生物相容性，可以改善复合骨支架的生物学性能。

优选的方案，GO粉末质量占PEEK粉末、PVA粉末和GO粉末总质量的0.5～1.5％。GO粉末质量占比小于0.5％时，对PEEK和PVA两相相容性的改善效果不明显，而当GO粉末质量占比高于1.5％，GO由于比表面积大、范德华力强，在聚合物基体中很容易团聚，反而降低了骨支架的力学性能。

较优选的方案，PEEK粉末和PVA粉末的质量比为9:1～1:1。当PEEK粉末和PVA粉末的质量比小于9:1时，PEEK的含量过高，支架的降解性能和亲水性能较弱，而当PEEK粉末和PVA粉末的质量比大于1:1时，PVA的含量过高，支架的力学性能会大幅下降。PEEK粉末和PVA粉末的最佳质量比为2:1～1:1

较优选的方案，所述PEEK粉末的颗粒尺寸为20～50μm，纯度大于99％，熔点为320～340℃。

较优选的方案，所述PVA粉末的颗粒尺寸为10～60μm，纯度大于99％，熔点为180～240℃。

较优选的方案，所述GO粉末的厚度为0.8～1.2nm，直径为1～5μm。

优选的方案，所述液相混合过程中采用磁力搅拌和超声分散方式，磁力搅拌的时间为30～60min，速度为500～800r/min，温度为40～60℃；超声分散的时间为30～60min，温度为40～60℃。通过强力搅拌和超声分散，能够使氧化石墨烯均匀掺杂在聚醚醚酮和聚乙烯醇复合粉末中，从而更好地发挥氧化石墨烯所起到的作用。

优选的方案，激光3D打印工艺参数为：激光功率1.8～2.9W，扫描速度200～300mm/min，扫描间距0.8～1.2mm，光斑直径0.5～0.8mm。

本发明提供的利用氧化石墨烯改善聚醚醚酮和聚乙烯醇复合骨支架界面结合性能的方法，包括以下具体步骤：

1)称量一定量的PEEK和PVA粉末，置入装有酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得PEEK/PVA混合溶液；

2)称量一定量的GO粉末，置入另一个装有酒精(工业酒精)的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得GO溶液；

3)将GO溶液倒入PEEK/PVA混合溶液中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得GO/PEEK/PVA混合溶液；所述的复合粉末中PEEK和PVA的质量比为9：1～1:1，GO占总重量比为0.5～1.5％；所述的磁力搅拌时间为30～60min，磁力搅拌速度为500～800r/min，搅拌温度为40～60℃，超声分散时间为30～60min，超声分散温度为40～60℃；

4)将GO/PEEK/PVA混合溶液经过滤、干燥、研磨获得复合粉末，主要工艺参数为：干燥温度为40～60℃，保温时间为12～24h，研磨时间为1～2h；

5)将复合粉末置于激光3D打印系统中，根据支架三维模型进行层层烧结获得复合骨支架，主要工艺参数为：激光功率为1.8～2.9W，扫描速度为200～300mm/min，扫描间距为0.8～1.2mm，光斑直径为0.5～0.8mm。

相对现有技术，本发明技术方案带来的积极效果：

1、本发明采用PEEK和PVA共混制备复合骨支架，两种材料取长补短，获得生物相容性好、力学性能好的复合骨支架。

2、本发明利用GO作为改性材料，掺杂在PEEK和PVA界面之间，提高聚醚醚酮和聚乙烯醇之间的界面性能，从而获得机械性能更好的PEEK/PVA复合骨支架。

3、本发明利用GO具有的良好的亲水性、表面活性及生物相容性，提高骨支架的生物学性能。

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)利用电子天平分别称取颗粒尺寸为40μm，熔点为330℃的PEEK粉末49.5g；颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PVA粉末49.5g。将两种粉末置入装有100ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

2)利用电子天平称取厚度为1nm，直径为3μm的GO粉末1g。将粉末置入装有20ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

3)将上述两种溶液倒入同一个烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀，其中，磁力搅拌时间为40min，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为50℃，超声分散时间为40min，超声分散温度为50℃；

4)混合溶液经过滤、干燥、研磨获得复合粉末，其中，干燥温度为50℃，保温时间为18h，研磨时间为1.5h；

5)将所得复合粉末置于激光3D打印系统中制备骨支架，主要工艺参数为：激光功率2W，扫描速度250mm/min，扫描间距1mm，光斑直径0.6mm；

6)力学性能测试发现，添加GO后复合骨支架的拉伸强度为32.6MPa。

对比实施例1

1)利用电子天平分别称取颗粒尺寸为40μm，熔点为330℃的PEEK粉末50g；颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PVA粉末50g。将两种粉末置入装有100ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；其中，磁力搅拌时间为40min，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为50℃，超声分散时间为40min，超声分散温度为50℃；

2)混合溶液经过滤、干燥、研磨获得复合粉末，其中，干燥温度为50℃，保温时间为18h，研磨时间为1.5h；

3)将所得复合粉末置于激光3D打印系统中制备骨支架，主要工艺参数为：激光功率2W，扫描速度250mm/min，扫描间距1mm，光斑直径0.6mm；

4)力学性能测试发现，PEEK/PVA复合骨支架的拉伸强度为21.3MPa。

实施例2

1)利用电子天平分别称取颗粒尺寸为40μm，熔点为330℃的PEEK粉末49.5g；颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PVA粉末49.5g。将两种粉末置入装有100ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

2)利用电子天平称取厚度为1nm，直径为3μm的GO粉末1g。将粉末置入装有20ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

3)将上述两种溶液倒入同一个烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀，其中，磁力搅拌时间为40min，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为50℃，超声分散时间为40min，超声分散温度为50℃；

4)混合溶液经过滤、干燥、研磨获得复合粉末，其中，干燥温度为50℃，保温时间为18h，研磨时间为1.5h；

5)将所得复合粉末置于激光3D打印系统中制备骨支架，主要工艺参数为：激光功率2.3W，扫描速度250mm/min，扫描间距1mm，光斑直径0.6mm；

6)力学性能测试发现，添加GO后复合骨支架的拉伸强度为45.7MPa。

实施例3

1)利用电子天平分别称取颗粒尺寸为40μm，熔点为330℃的PEEK粉末49.5g；颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PVA粉末49.5g。将两种粉末置入装有100ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

2)利用电子天平称取厚度为1nm，直径为3μm的GO粉末1g。将粉末置入装有20ml酒精的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀；

3)将上述两种溶液倒入同一个烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀，其中，磁力搅拌时间为40min，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为50℃，超声分散时间为40min，超声分散温度为50℃；

4)混合溶液经过滤、干燥、研磨获得复合粉末，其中，干燥温度为50℃，保温时间为18h，研磨时间为1.5h；

5)将所得复合粉末置于激光3D打印系统中制备骨支架，主要工艺参数为：激光功率2.6W，扫描速度250mm/min，扫描间距1mm，光斑直径0.6mm；

6)力学性能测试发现，添加GO后复合骨支架的拉伸强度为52.4MPa。