CN111068104A - 一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用，该聚合物材料以共混的聚乳酸和聚己内酯为基体，在基体内均匀掺杂有纳米氧化镁粉和经过氟化预处理或者磷化预处理的镁合金粉。制备步骤如下：1)确定纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量；2)将纳米氧化镁粉添加到聚乳酸溶液中分散均匀，干燥后将其与聚己内酯共混，再加入镁合金粉，搅拌至均匀，保温静置后模压成型。该聚合物材料中镁合金粉和纳米氧化镁粉分布均匀，聚合物结晶度高，降解速度可调且降解产物呈中性，具有一定的抗菌功能，可作为新一代3D打印可降解骨组织工程支架的打印材料。该聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印可降解医疗器械。

Description

一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用
技术领域
本发明涉及一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用，属3D打印材料制备和可降解医疗器械领域。
背景技术
熔融沉积造型技术(FDM)是将聚合物细丝送到打印机喷头中，在喷头中的细丝被加热熔融并定量挤出，通过熔体细丝之间的堆积、冷却后形成打印的制品。FDM作为目前3D打印技术中最广泛应用的技术，具有打印设备价格低、打印材料品种多、打印原料利用率高、打印过程材料无化学变化等优点。可以根据打印产品使用性能不同，需要有不同性能的打印材料去匹配，并且对于复杂形状构件的制备更为方便。
目前，在骨外科应用的可吸收高分子材料主要是可吸收聚酯类材料，其单体主要是乳酸和乙醇酸，通过缩聚作用形成聚丙交酯与聚乙交酯。但是相对于金属材料高分子材料强度不足，韧性较差，以聚乳酸为例，可吸收聚合物材料降解产物为酸性，即在材料服役和降解期间，局部区域一直处于低pH值状态，这种环境易引起局部炎症反应，影响成骨细胞活性。另外，聚合物材料对X线不阻射，这对手术后疗效观察造成一定的不便。
因此，为了解决上述问题，寻求具有良好的生物相容性和力学性能、可降解、降解产物为中性的材料就尤为重要。
镁及其合金具有优良的力学性能和可降解性，其具有良好的力学相容性，弹性模量约为41～45GPa，比钛金属更接近于人骨；其密度在1.7～1.9g/cm3左右，和人骨密质骨密度相近。同时，镁合金在体内降解后局部为碱性，可以中和聚合物降解后的酸性环境。
发明内容：
技术问题：本发明旨在提供一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用，该聚合物材料中镁合金粉和纳米氧化镁粉末分布均匀，聚合物结晶度高，无气泡和缺陷，同时降解速度可调，降解产物呈中性，并具有一定的抗菌功能，克服了单纯的聚合物降解产物为酸性的问题，并增加材料的功能性，可作为新一代3D打印可降解骨组织工程支架的打印材料，满足临床应用的多种实际需求。
技术方案：本发明提供了一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，该聚合物材料以共混的聚乳酸和聚己内酯为基体，在基体内均匀掺杂有纳米氧化镁粉和经过氟化预处理或者磷化预处理的镁合金粉作为功能增强体。
其中：
所述的聚合物材料中各组分按体积百分比分别为聚乳酸9～80％，聚己内酯9～80％，经过氟化处理或者磷化处理的镁合金粉1～10％，纳米氧化镁粉含量不大于1％。
所述的镁合金粉末的粒径为50～200μm，所述经过氟化预处理或者磷化预处理的镁合金粉的表面膜层厚度为0.1～1.0μm。
所述的聚乳酸分子量为5万～30万，具体为乳酸与乙醇酸的共聚物，或者为聚L-乳酸、聚(D,L)-乳酸中的一种或者两种的共聚物或混合物；所述的聚己内酯为聚ε-己内酯，分子量为3万～6万。
所述的镁合金粉为镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁碱土合金、镁锂合金、镁钙合金或镁银合金的一种或由这些体系组合成的多元系镁合金粉。
本发明还提供了一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)材料准备：根据需要,确定纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及确定镁合金粉的预处理方式；
2)配料混合：将纳米氧化镁粉添加到以聚乳酸为溶质、二氯甲烷为溶剂的溶液中分散均匀，待干燥后将其与聚己内酯共混，随后在共混物里加入镁合金粉，继续搅拌至均匀，保温静置后模压成型，得到可吸收聚合物材料。
其中：
步骤2)所述的将纳米氧化镁粉添加到以聚乳酸为溶质、二氯甲烷为溶剂的溶液中分散均匀，分散是指机械搅拌5～10min，并超声分散10～30min；步骤2)所述的待干燥后将其与聚己内酯共混，是指将室温干燥后的带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在180℃～210℃下共混10～30min，加入镁合金粉后继续共混5～10min，所述的保温静置后模压成型，是指在180℃～200℃下保温静置10～30min后，在60℃～200℃、0.5MPa～40MPa模压成型。
本发明还提供了一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的应用，该聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。
其中：
所述的聚合物材料经加工得到聚合物丝材的具体操作为将聚合物材料放入挤出机中，在175～200℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提供的具有抗菌功能的可吸收聚合物材料采用聚乳酸和聚己内酯的共混物作为基体，一方面能降低单一聚乳酸的强度和硬度，另一方面能增加聚乳酸的韧性，更适用于实际应用。通过控制两种共混物的掺和比例调整共混材料的力学性能和降解时间，同时也能在打印的时候减少喷头处因熔体强度下降产生的漏料现象，粘在成型件上形成毛边，从而影响打印制件的表面质量。
2、本发明提供的具有抗菌功能的可吸收聚合物材料在降解过程中对植入材料周围生理环境的局部酸碱性影响小。该材料由于镁合金粉降解呈现碱性的特征，很好的中和了基体聚合物降解后的酸性环境，克服了传统聚合物骨科器械降解后造成的局部酸性过高过强的特征，同时，镁合金粉降解产生的镁离子和添加的元素具有一定的促进骨组织生长作用。
3、该可吸收聚合物材料加工得到的聚合物丝材中，所有组分均可在体内完全生物降解吸收掉，其中添加的纳米氧化镁粉末具有很好的抗菌功能，并无副作用，避免了传统通过铜离子、银离子、镍离子以及二氧化钛抗菌在体内存留的问题。
附图说明
图1为本发明中所述的直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
具体实施方式
本发明公开了一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料及其制备和应用，该聚合物材料的基体为聚乳酸和聚己内酯的共混材料，镁合金粉和纳米氧化镁粉末的添加入用于功能增强，兼具抗菌、可吸收、降解产物程中性并具有一定的促进骨生长功能，共混的聚合物还可以弥补聚乳酸无韧性的缺点。本材料在骨创伤外科手术、缺损修复以及整形美容有很好的应用前景。下面结合具体实施例进行进一步的说明。
实施例1
一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，该聚合物材料以分子量为30万的聚L-乳酸和分子量为6万的聚己内酯的共混物为基体，镁合金粉选择镁锌合金粉(96wt％Mg、4wt％Zn)，粒径为50μm，其中按体积百分比，聚乳酸为80％，聚己内酯为9％，经过氟化处理的镁合金粉为10％，纳米氧化镁粉含量为1％；氟化处理的镁合金粉表面氟化层厚度为0.1μm。
其制备方法如下：
1)材料准备：根据需要，称取纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及对镁合金粉表面进行处理；
2)配料混合：将聚乳酸用二氯甲烷配成10％的溶液后加入纳米氧化镁，机械搅拌10min，超声分散10min，室温干燥后将带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在210℃下共混10min，随后在共混物里加入预处理的镁合金粉，继续搅拌10min后，在180℃下保温静置30min，在60℃温度下，40MPa模压得到可吸收聚合物材料。
该制备方法得到的聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。具体加工得到聚合物丝材的操作为将聚合物材料放入挤出机中，在175℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
实施例2
一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，该聚合物材料以分子量为5万的聚(D,L)-乳酸和分子量为3万的聚己内酯的共混物为基体，镁合金粉选择镁钙合金粉(98wt％Mg、2wt％Ca)，粒径为200μm，其中按体积百分比，聚乳酸为9％，聚己内酯为80％，经过磷化处理的镁钙合金粉为10％，纳米氧化镁粉含量为1％。磷化处理的纯镁表面氟化层厚度为1.0μm。
其制备方法如下：
1)材料准备：根据需要，称取纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及对镁合金粉表面进行处理；
2)配料混合：将聚乳酸用二氯甲烷配成10％的溶液后加入纳米氧化镁，机械搅拌5min，超声分散30min，室温干燥后将带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在180℃下共混30min，随后在共混物里加入预处理的镁合金粉，继续搅拌5min后，在200℃下保温静置10min，在200℃温度下，0.5MPa模压得到可吸收聚合物材料。
该制备方法得到的聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。具体加工得到聚合物丝材的操作为将聚合物材料放入挤出机中，在200℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
实施例3
一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，该聚合物材料以分子量为10万的聚(D,L)-乳酸和分子量为4万的聚己内酯的共混物为基体，镁合金粉选择镁锰合金粉(95wt％Mg、5wt％Mn)，粒径为100μm，其中按体积百分比，聚乳酸为34.5％，聚己内酯为64％，经过氟化处理的镁锰合金粉为1％，纳米氧化镁粉含量为0.5％，氟化化处理的镁合金粉表面氟化层厚度为0.5μm。
其制备方法如下：
1)材料准备：根据需要，称取纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及对镁合金粉表面进行处理；
2)配料混合：将聚乳酸用二氯甲烷配成10％的溶液后加入纳米氧化镁，机械搅拌7min，超声分散15min，室温干燥后将带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在190℃下共混20min，随后在共混物里加入预处理的镁合金粉，继续搅拌6min后，在185℃下保温静置15min，在150℃温度下，30MPa模压得到可吸收聚合物材料。
该制备方法得到的聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。具体加工得到聚合物丝材的操作为将聚合物材料放入挤出机中，在180℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
实施例4
一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，该聚合物材料以分子量为20万的聚(D,L)-乳酸和分子量为5万的聚己内酯的共混物为基体，镁合金粉选择镁锆合金粉(99wt％Mg、1wt％Zr)，粒径为150μm，其中按体积百分比，聚乳酸为60％，聚己内酯为32％，经过磷化处理的镁锆合金粉为7.2％，纳米氧化镁粉含量为0.8％。磷化处理的镁合金粉表面氟化层厚度为0.8μm。
其制备方法如下：
1)材料准备：根据需要，称取纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及对镁合金粉表面进行处理；
2)配料混合：将聚乳酸用二氯甲烷配成10％的溶液后加入纳米氧化镁，机械搅拌8min，超声分散20min，室温干燥后将带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在200℃下共混15min，随后在共混物里加入预处理的镁合金粉，继续搅拌8min后，在195℃下保温静置25min，在100℃温度下，20MPa模压得到可吸收聚合物材料。
该制备方法得到的聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。具体加工得到聚合物丝材的操作为将聚合物材料放入挤出机中，在190℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。

Claims (9)

1.一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，其特征在于：该聚合物材料以共混的聚乳酸和聚己内酯为基体，在基体内均匀掺杂有纳米氧化镁粉和经过氟化预处理或者磷化预处理的镁合金粉作为功能增强体。
2.如权利要求1所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，其特征在于：所述的可吸收聚合物材料中各组分按体积百分比分别为聚乳酸9～80％，聚己内酯9～80％，经过氟化处理或者磷化处理的镁合金粉1～10％，纳米氧化镁粉含量不大于1％。
3.如权利要求1所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，其特征在于：所述的镁合金粉的粒径为50～200μm，所述经过氟化预处理或者磷化预处理的镁合金粉的表面膜层厚度为0.1～1.0μm。
4.如权利要求1所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，其特征在于：所述的聚乳酸分子量为5万～30万，具体为乳酸与乙醇酸的共聚物，或者为聚L-乳酸、聚(D,L)-乳酸中的一种或者两种的共聚物或混合物；所述的聚己内酯为聚ε-己内酯，分子量为3万～6万。
5.如权利要求1所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料，其特征在于：所述的镁合金粉为镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁碱土合金、镁锂合金、镁钙合金或镁银合金的一种或由这些组合成的多元系镁合金粉。
6.一种如权利要求1～5任一所述的具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)材料准备：根据需要,确定纳米氧化镁粉、聚乳酸、聚己内酯、镁合金粉的添加量以及确定镁合金粉的预处理方式；
2)配料混合：将纳米氧化镁粉添加到以聚乳酸为溶质、二氯甲烷为溶剂的溶液中分散均匀，待干燥后将其与聚己内酯共混，随后在共混物里加入镁合金粉，继续搅拌至均匀，保温静置后模压成型，得到可吸收聚合物材料。
7.如权利要求6所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的将纳米氧化镁粉添加到以聚乳酸为溶质、二氯甲烷为溶剂的溶液中分散均匀，分散过程是指机械搅拌5～10min，并超声分散10～30min；步骤2)所述的待干燥后将其与聚己内酯共混，是指将室温干燥后的带有纳米氧化镁的聚乳酸与聚己内酯同时加入转矩流变仪内，在180℃～210℃下共混10～30min，随后加入镁合金粉后继续共混5～10min，所述的保温静置后模压成型，是指在180℃～200℃下保温静置10～30min后，在60℃～200℃、0.5MPa～40MPa模压成型。
8.一种如权利要求1～5任一所述的具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的应用，其特征在于：该聚合物材料经加工得到聚合物丝材，用于3D打印各种形状、大小的骨科修复的可降解医疗器械。
9.如权利要求8所述的一种具有抗菌功能的可吸收聚合物材料的应用其特征在于：所述的聚合物材料经加工得到聚合物丝材的具体操作为将聚合物材料放入挤出机中，在175～200℃下挤压出直径为1.75±0.05mm的聚合物丝材。
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