一种改性聚乙烯醇水凝胶材料及专用模具、制备方法和应用.pdf

本发明公开了一种改性聚乙烯醇水凝胶材料及专用模具、制备方法和应用，包括如下步骤：(1)制备聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体共混悬浮液Ⅰ及聚乙烯醇/工程塑料共混悬浮液Ⅱ；(2)将悬浮液Ⅰ注入专用模具中，在模具出气口处抽真空直到所有悬浮液Ⅰ刚好浸过致孔剂；再加入悬浮液Ⅱ，对模具加压，制得目的材料前体Ⅰ；(3)将前体Ⅰ进行冷冻处理，然后在室温下解冻处理，再利用γ射线辐射进一步成型，得到目的材料前体Ⅱ；(4)将前体Ⅱ在去离子水中进行多次的透析和洗涤，即制得目的材料。所得材料具有良好的生物相容性和生物活性，并且密实层和多孔层之间不存在界面问题，使用过程中不会出现应力集中等问题，可在软骨修复与替代中应用。

权利要求书
1.  一种制备改性聚乙烯醇水凝胶材料的专用模具，其特征在于，
所述模具的腔体内设有过滤网，过滤网将腔体分为上下腔体，下腔体的底部设有出气口，上腔体内装有可溶性的致孔剂，致孔剂上部预留有储液空腔。

2.  一种改性聚乙烯醇水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备悬浮液Ⅰ和Ⅱ
悬浮液Ⅰ的制备：对微纳米级的生物活性钙磷粉体进行超声分散，然后加入聚乙烯醇溶液中，搅拌共混均匀并除去气泡，制得悬浮液Ⅰ；
悬浮液Ⅱ的制备：将工程塑料加入聚乙烯醇溶液中，搅拌共混均匀并除去气泡，制得悬浮液Ⅱ；
(2)将悬浮液Ⅰ注入权利要求1的专用模具中，在模具出气口处抽真空直到所有悬浮液Ⅰ刚好浸过致孔剂；再加入悬浮液Ⅱ，对模具加压，制得目的材料前体Ⅰ；
(3)将上述目的材料前体Ⅰ在-80～-20℃条件下进行冷冻处理10～16小时，然后取出在室温下解冻处理5～12小时，经冷冻-解冻循环5～11次，再利用γ射线辐射进一步成型，得到目的材料前体Ⅱ；
(4)将目的材料前体Ⅱ从模具中取出，在去离子水中进行多次的透析和洗涤，除去有机溶剂，即制得目的材料。

3.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
步骤(1)所述聚乙烯醇溶液的制备：将聚乙烯醇与80％DMSO或纯去离子水混合，于98～110℃条件下搅拌3h～8h，制得质量浓度为10～20％的聚乙烯醇溶液。

4.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
步骤(1)所述超声分散是：将微纳米级的生物活性钙磷粉体分散在80％DMSO溶液中，超声处理使生物活性钙磷粉体达到完全分散。

5.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述悬浮液Ⅱ的制备：配制80％DMSO溶液，与聚乙烯醇、工程塑料以质量比为85：15：15的比例混合，110℃条件下搅拌3h，制得悬浮液Ⅱ。

6.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述悬浮液Ⅰ和Ⅱ除去气泡的方法：将悬浮液Ⅰ和Ⅱ分别在95～120℃条件下静置3～5h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态且无气泡释出，鼓入氮气或者氩气保持30min以上，恢复至正常大气压，再次抽真空，鼓入氮气或者氩气保持30min以上，如此循环1～3次。

7.  根据权利要求2或3或4或5或6所述的制备方法，其特征在于，
所述致孔剂为PLGA、碳酸氢钠、石蜡、蔗糖、氯化钠、辛基酚聚氧乙烯醚和碳酸氢铵中的一种或两种以上的混合；
所述生物活性钙磷粉体为磷酸三钙、羟基磷灰石或生物活性玻璃；
所述工程塑料为聚甲醛、尼龙6、聚苯醚或聚醚醚酮。

8.  根据权利要求2或3或4或5或6所述的制备方法，其特征在于，
所述γ射线辐射是利用60Co放射的高能γ射线辐照，辐射剂量为20kGy；
所述除去溶剂是将材料前体Ⅱ放入去离子水中，每隔3～4h换一次水，如此在去离子水中透析7～9d。

9.  根据权利要求2～8任意一项方法制备的水凝胶材料，其特征在，该材料为致密层和多孔层组成的仿生结构复合材料。

10.  权利要求9所述水凝胶材料在软骨修复中的应用。

说明书一种改性聚乙烯醇水凝胶材料及专用模具、制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。
背景技术
聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，简称PVA)是一类由聚醋酸乙烯酯部分或者完全水解而成的水溶性聚合物。聚乙烯醇水凝胶的化学组成和独特的空间三维结构，使其具有独特的物理和生物性能，如很好的溶胀性、高含水率、良好的粘弹性、柔软以及良好的生物相容性等，使其和人体组织很接近，因此被广泛应用在生物医学材料领域，在伤口敷料、眼角接触镜、组织工程支架、人造皮肤、药物缓释、生物感应器、人工关节软骨和半月板置换等方面得到了广泛的应用。然而聚乙烯醇作为生物材料仍有一定缺点，如缺乏生物活性，细胞粘附性差，在特定应用领域无法达到所要求的机械强度、低摩擦性等，因而限制了聚乙烯醇应用范围的进步扩展。
生物活性钙磷粉体主要有磷酸三钙、羟基磷灰石和生物活性玻璃等。生物活性玻璃是表面活性材料，具有良好的生物相容性和骨修复特性，能与人体骨或软组织形成生理结合。生物活性玻璃一般含有CaO-SiO2-P2O5，部分含有MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等，玻璃网络由硅氧四面体或磷氧四面体构成。磷酸三钙(Ca3(PO4)2,TCP)是众多磷酸盐中的一种生物陶瓷材料，具有优良的生物相容性、生物活性以及生物降解性，是一种非常理想，临床应用前景十分诱人的人体硬组织缺损修复和替代材料。当磷酸钙陶瓷材料被植入体内时，在生物环境下能发生不同程度的降解，被部分或者全部吸收。
工程塑料是一类具有高强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。当前应用在医用材料的工程塑料有聚甲醛、尼龙、聚苯醚、聚醚醚酮等。尼龙(聚酰胺)是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称，包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺。尼龙具有良好的力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，易于加工。聚醚醚酮(PEEK)是一种高强度的特种功能材料，半结晶热塑性工程塑料。具有良好 的耐蠕变性能，这种性能有利于材料在长时间内受压力的情况下不会因此而发生非常明显的形变。其高力学强度主要来源于其结晶度和晶体结构。并且聚醚醚酮具有比聚四氟乙烯更好的耐磨减摩性能。
现有技术如常规共混致孔剂法、模板法、气体成孔法制备的材料存在孔洞结构不合适、孔洞连通率低、无机粉体的团聚现象及多层材料间界面问题等缺陷。
发明内容
本发明目的之一在于克服现有技术存在的孔洞结构不合适、孔洞连通率低及多层材料间界面问题等缺陷，提供一种具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料，同时提供该材料的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种制备改性聚乙烯醇水凝胶材料的专用模具，所述模具的腔体内设有过滤网，过滤网将腔体分为上下腔体，下腔体的底部设有出气口，上腔体内装有可溶性的致孔剂，致孔剂上部预留有储液空腔。
一种改性聚乙烯醇水凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备悬浮液Ⅰ和Ⅱ
悬浮液Ⅰ的制备：对微纳米级的生物活性钙磷粉体进行超声分散，然后加入聚乙烯醇溶液中，搅拌共混均匀并除去气泡，制得悬浮液Ⅰ；
悬浮液Ⅱ的制备：将工程塑料加入聚乙烯醇溶液中，搅拌共混均匀并除去气泡，制得悬浮液Ⅱ；
(2)将悬浮液Ⅰ注入权利要求1的专用模具中，在模具出气口处抽真空直到所有悬浮液Ⅰ刚好浸过致孔剂；再加入悬浮液Ⅱ，对模具加压，制得目的材料前体Ⅰ；
(3)将上述目的材料前体Ⅰ在-80～-20℃条件下进行冷冻处理10～16小时，然后取出在室温下解冻处理5～12小时，经冷冻-解冻循环5～11次，再利用γ射线辐射进一步成型，得到目的材料前体Ⅱ；
(4)将目的材料前体Ⅱ从模具中取出，在去离子水中进行多次的透析和洗涤，除去有机溶剂，即制得目的材料。
步骤(1)所述聚乙烯醇溶液的制备：将聚乙烯醇与80％DMSO或纯去离子水混合，于98～110℃条件下搅拌3h～8h，制得质量浓度为10～20％的聚乙烯醇溶液；
步骤(1)所述超声分散是：将微纳米级的生物活性钙磷粉体分散在80％DMSO溶液中，超声处理使生物活性钙磷粉体达到完全分散。
所述悬浮液Ⅱ的制备：配制80％DMSO溶液，与聚乙烯醇、工程塑料以质量比为85：15：15的比例混合，110℃条件下搅拌3h，制得悬浮液Ⅱ。
所述悬浮液Ⅰ和Ⅱ除去气泡的方法：将悬浮液Ⅰ和Ⅱ分别在95～120℃条件下静置3～5h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态且无气泡释出，鼓入氮气或者氩气保持30min以上，恢复至正常大气压，再次抽真空，鼓入氮气或者氩气保持30min以上，如此循环1～3次。
所述致孔剂为PLGA、碳酸氢钠、石蜡、蔗糖、氯化钠、辛基酚聚氧乙烯醚和碳酸氢铵中的一种或两种以上的混合；
所述生物活性钙磷粉体为磷酸三钙、羟基磷灰石或生物活性玻璃；
所述工程塑料为聚甲醛、尼龙6、聚苯醚或聚醚醚酮。
所述γ射线辐射是利用60Co放射的高能γ射线辐照，辐射剂量为20kGy；
所述除去溶剂是将材料前体Ⅱ放入去离子水中，每隔3～4h换一次水，如此在去离子水中透析7～9d。
上述方法制备的水凝胶材料为致密层和多孔层组成的仿生结构复合材料。所述水凝胶材料可在软骨修复与替代中应用。
采用超声分散法制备聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体材料，所述复合材料的生物活性钙磷粉体含量占总重的1％～8％；一方面可增强材料的力学性能，另一方面可促进骨细胞的成长，增强多孔聚乙烯醇材料的生物活性。同时针对目前各种临床生物医用植入材料植入体内无法牢固结合的问题，本发明在聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体复合水凝胶材料中引入孔洞结构，制备多孔聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体复合水凝胶材料。该材料具有一定的力学性能，又能够促进骨细胞的成长，同时还具有良好的骨结合能力。同时密实层聚乙烯醇/工程塑料复合材料层是一种与天然软骨材料具有良好力学匹配的材料，利用此法制备的具有致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料可用于软骨替代领域。
本发明与现有的技术相比，具有显著的优点：
(1)当前同种技术由于没有很好的解决无机粉体的团聚问题，导致后期修复效果较差。本发明采用超声分散，改善微纳米级生物活性钙磷粉体团聚状况，并且能和聚乙烯醇均匀混合。
(2)本发明利用真空法制备的多孔聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体复合材料，克服了当前制备方法中直接将致孔剂混入高分子溶液中所导致的成孔率低、连通率低、孔径无法控制、成孔效率低等问题，提供了一种简单有效的多孔聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体复合材料的制备工艺。
(3)本发明制备的多孔聚乙烯醇/生物活性钙磷粉体复合水凝胶材料具有良好的孔隙率、连通率、良好的生物相容性和生物活性，为植入体无法牢固固定的问题提供解决方案。
(4)本发明制备的具有致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料具有与天然软骨相匹配的力学性能，解决了因修复体力学性能不匹配而导致应力集中的问题。
(5)本发明制备的具有致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料的多孔层与密实层之间不存在界面，解决了其他修复材料中多层材料之间存在的界面问题。
附图说明
图1为本发明专用模具的结构示意图；
图2为实施例2制得的多孔聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶材料微观结构示意图，多孔层设计孔径尺寸300～450μm；
图3为实施例2制得的多孔聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶材料微观结构图，显示了羟基磷灰石在材料中均匀分布，多孔层设计孔径300～450μm；
图4为实施例2制得的多孔聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶材料Micro-CT的扫描图，显示了内部的孔洞分布；
图5为实施例2制得的多孔聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶材料Micro-CT的模拟成像图，显示了整体孔洞结构的情况；
图6为实施例2制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶材料环境扫描电镜照片，显示了每层之间无明显的界面；
图7为实施例2制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶材料Micro-CT的模拟成像图，显示了整体孔洞结构和密实结构的情况；
图8为实施例2制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶材料环境扫描电镜照片，显示了整体孔洞结构和密实结构的情况。
具体实施方式
以下通过具体实例对本发明的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯 醇水凝胶材料的制备方法做进一步的说明。
实施例1
一种制备改性聚乙烯醇水凝胶材料的专用模具，其腔体内设有过滤网3，过滤网3将腔体分为上下腔体，下腔体的底部设有出气口4，上腔体内装有可溶性的致孔剂2，致孔剂2上部预留有储液空腔1。
一种制备改性聚乙烯醇水凝胶材料的制备包括如下步骤：
步骤一、聚乙烯醇溶液和聚乙烯醇/聚甲醛共混悬浮液的制备
制备方法：配制聚乙烯醇与80％的DMSO溶液质量比为15:85的溶液，110℃条件下搅拌3h，制得聚乙烯醇溶液。
配制聚乙烯醇、80％的DMSO溶液与聚甲醛质量比为15:85:15的溶液，110℃条件下搅拌3h，制得聚乙烯醇/聚甲醛共混悬浮液。
步骤二、微纳米级磷酸三钙粉体的分散
将微纳米级的磷酸三钙粉体分散在80％的DMSO溶液中，然后放入超声分散仪，超声分散30min，随后注入已经配制好的聚乙烯醇溶液中，继续搅拌。
步骤三、共混悬浮液的气泡处理
将步骤二溶解好的聚乙烯醇/磷酸三钙的共混悬浮液在氮气保护下，120℃条件下静置3h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min，恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
将步骤一溶解好的聚乙烯醇/聚甲醛共混悬浮液在氮气保护下，120℃条件下静置3h、，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min，恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
步骤四、造孔
将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/磷酸三钙共混悬浮液注入已经准备好的专用模具中，在模具下方出气口处，抽真空使共混悬浮液往下渗透，直到所有悬浮液刚好浸过致孔剂。再将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/聚甲醛共混悬浮液注入模具中，注入的量依密实层的厚度而定。
步骤五、成型
将步骤四制备的上层致密下层多孔结构的改性聚乙烯醇材料放入-80℃条件下冷冻16h，然后移至室温条件下解冻8h，如此循环9次。再利用60Co放射的高能γ射线辐照，辐射剂量为20kGy。
步骤六、净化
将步骤五已经成型的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶材料放入弱酸除去致孔剂，然后再放入去离子水中，每隔3h换一次水，透析7d，制备得到最终成品。
本方法制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料，孔洞分布均匀，孔径大小可控，连通率高。其中平均孔隙率为78％，孔径连通率最高可达95％，制备孔径的大小可控，从50μm～500μm的不同孔径范围，孔径分布也非常理想，其中设计孔：连通孔＝1:3；设计孔：小孔＝1:36.2；小孔：微孔＝1:11.2。此种小孔径结构有利于细胞的生代谢产物的排除，养分和氧气的供应，同时大孔径的孔洞有利于细胞的生长、繁殖、移动。另外多孔层的压缩模量达到了431KPa，而密实层的压缩模量达到了1.4MPa，并且密实层与多孔层之间不存在界面问题。
实施例2
步骤一、聚乙烯醇溶液和聚乙烯醇/尼龙6共混悬浮液的制备
制备方法：配制聚乙烯醇与水溶液质量比为15:85的溶液，98℃条件下搅拌8h，制得聚乙烯醇溶液。
配制聚乙烯醇与80％的DMSO溶液与尼龙6质量比为15:85:15的溶液，110℃条件下搅拌3h，制得聚乙烯醇/尼龙6共混悬浮液。
步骤二、微纳米级羟基磷灰石粉体的分散
将微纳米级的羟基磷灰石分散在去离子水中，然后放入超声分散仪中，超声分散30min，随后注入已经配制好的聚乙烯醇溶液中，继续搅拌。
步骤三、共混悬浮液的气泡处理
将步骤二溶解好的聚乙烯醇/羟基磷灰石的共混悬浮液在氮气保护下，95℃条件下静置5h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min，恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
将步骤一溶解好的聚乙烯醇/尼龙6共混悬浮液在氮气保护下，120℃条件下静置4h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min，恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
步骤四、造孔
将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/羟基磷灰石悬浮液注入已经准备好的专用模具中，在模具下方出气口处，抽真空使共混悬浮液往下渗透，直到 所有悬浮液刚好浸过致孔剂。再将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/尼龙6共混悬浮液注入模具中，注入的量依密实层的厚度而定。
步骤五、成型
将步骤四上层致密下层多孔结构的改性聚乙烯醇材料放入-20℃条件下冷冻12h，然后移至室温条件下解冻12h，如此循环11次。再利用60Co放射的高能γ射线辐照，辐射剂量为20kGy。
步骤六、净化
将步骤五成型的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨修复材料放入去离子水中以除去致孔剂，每隔4h换一次水，透析9d，制备得到最终成品。
本方法制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料，孔洞分布均匀，孔径大小可控，连通率高，无有机溶剂的使用。其中平均孔隙率为76％，孔径连通率最高可达94％，制备孔径的大小可控，从50μm～500μm的不同孔径范围，孔径分布也非常理想，其中设计孔：连通孔＝1:3.3；设计孔：小孔＝1:32.2；小孔：微孔＝1:10.6。此有利于细胞的生代谢产物的排除，养分和氧气的供应，同时大孔径的孔洞有利于细胞的生长、繁殖、移动。另外多孔层的压缩模量达到了364KPa，而密实层的压缩模量达到了1.63MPa，并且密实层与多孔层之间不存在界面问题。
实施例3
步骤一、聚乙烯醇溶液和聚乙烯醇/聚醚醚酮共混悬浮液的制备
制备方法：配制聚乙烯醇与80％的DMSO溶液质量比为15:85的溶液，100℃条件下搅拌5h，制得聚乙烯醇溶液。
配制聚乙烯醇与80％的DMSO溶液与聚醚醚酮质量比为15:85:15的溶液，110℃条件下搅拌3h，制得聚乙烯醇/聚醚醚酮共混悬浮液。
步骤二、微纳米级生物活性玻璃粉体的分散
将微纳米级的生物活性玻璃分散在80％的DMSO溶液中，然后放入超声分散仪中，超声分散30min，随后注入已经配制好的聚乙烯醇溶液中，继续搅拌。
步骤三、共混悬浮液的气泡处理
将步骤二溶解好的聚乙烯醇/生物活性玻璃的共混悬浮液在氩气保护下，110℃条件下静置4h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min， 恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
将步骤一溶解好的聚乙烯醇/聚醚醚酮共混悬浮液在氩气保护下，110℃条件下静置4h，随后抽真空，直到悬浮液环境达到真空状态，保持30min，恢复至正常大气压，再次抽真空，保持30min，如此循环3次。
步骤四、造孔
将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/生物活性玻璃悬浮液注入已经准备好的模具中，在模具下方出气口处，抽真空使共混悬浮液往下渗透，直到所有悬浮液刚好浸过致孔剂。再将步骤三制备的已经除气泡的聚乙烯醇/聚醚醚酮共混悬浮液注入模具中，注入的量依密实层的厚度而定。
步骤五、成型
将步骤四上层致密下层多孔结构的改性聚乙烯醇材料放入-60℃条件下冷冻16h，然后移至室温条件下解冻8h，如此循环7次。再利用60Co放射的高能γ射线辐照，辐射剂量为20kGy。
步骤六、净化
将步骤五成型的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶软骨/骨修复材料放入去离子水中，每隔4h换一次水，透析9d，检测残存有机溶剂是否在允许范围内，制备得到最终成品。
本方法制得的具备致密/多孔层状仿生结构的改性聚乙烯醇水凝胶材料，孔洞分布均匀，孔径大小可控，连通率高。其中平均孔隙率为71％，孔径连通率最高可达99％，制备孔径的大小可控，从50μm～500μm的不同孔径范围，孔径分布也非常理想，其中设计孔：连通孔＝1:3.6；设计孔：小孔＝1:38.5；小孔：微孔＝1:10.3。此有利于细胞的生代谢产物的排除，养分和氧气的供应，同时大孔径的孔洞有利于细胞的生长、繁殖、移动。另外多孔层的压缩模量达到了456KPa，而密实层的压缩模量达到了1.29MPa，并且密实层与多孔层之间不存在界面问题，因此，该材料可在软骨/骨修复中应用。