一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，其中PLLA的质量分数为80～90wt％，BaTiO3的质量分数为9.5～19.9wt％，GO的质量分数为0.1～0.5wt％。复合材料中的GO可为纳米BaTiO3在其表面附着沉积提供活性位点和载体，而夹杂在GO层间的纳米BaTiO3可对其起到支撑作用，进而促进BaTiO3和GO在PLLA基体中的均匀分散，增强PLLA的力学性能；另一方面，GO具有优异的导电性能，作为导电颗粒可有效提高支架的介电常数，从而促进BaTiO3中偶极子的偏转，进而增强支架的压电性能并在电刺激作用下促进成骨细胞的增殖和分化，使复合支架具有良好的生物活性。

A L-PLA composite reinforced by barium titanate and graphene oxide and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料及其制备方法
本专利技术属于生物材料
，尤其涉及一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料及其制备方法。
技术介绍
人工骨因其能有效缓解自体骨或异体骨存在的骨量有限、植入体内易发生免疫反应以及难以个性化制造等问题得到国内外研究学者的广泛关注。由于聚合物材料具有良好的生物性能被广泛应用于人工移植材料，其中左旋聚乳酸(poly(L-lacticacid)，PLLA)具有良好的生物相容性和生物降解性，已被美国食品与药品监督管理局(FDA)批准用于植入材料。然而，PLLA用作骨移植材料存在力学强度不足、细胞活性低及亲水性差等问题，不利于细胞在支架上的粘附、增殖和分化，这在一定程度上限制了它的应用。纳米钛酸钡(BariumTitanate，BaTiO3)作为一种压电陶瓷，具有良好的生物相容性并能在外源机械应力作用下诱导产生表面电荷，因此将纳米BaTiO3掺杂至PLLA基体中，可在骨支架中构建骨生长所需的电学微环境，使得支架在骨修复过程中能对细胞产生电刺激，激活细胞信号通路，调节与骨生长相关的基因表达，从而促进骨的再生与重建。同时，BaTiO3具有良好的亲水性可有效改善支架的亲水能力，并且BaTiO3作为一种纳米颗粒可有效提高骨支架的力学性能。然而，在制备PLLA/BaTiO3骨支架过程中面临两方面的挑战：(1)纳米BaTiO3具有高的比表面能，在PLLA基体中易发生团聚，难以均匀分散；(2)纳米BaTiO3的介电常数远远大于PLLA基体，导致极化过程中加载至BaTiO3压电陶瓷颗粒上的电压不足以使其偶极子完全偏转产生理想的压电效果。氧化石墨烯(Grapheneoxide，GO)是石墨烯的一种衍生物，具有优异的力学、电学及生物学性能。同时，GO的表面连接有大量的环氧基、羧基和羟基等含氧基团，使其具有良好的亲水性并能为钙磷的沉积提供活性位点。因此，将GO复合至PLLA/BaTiO3中不仅能进一步提高复合支架的力学性能和亲水性能，而且可利用GO的导电性提高复合支架的介电常数，赋予支架良好的压电性能，从而改善支架的生物活性。然而，GO同样面临在PLLA中易团聚，分散不均匀的难题亟需解决。
技术实现思路
针对现有技术中PLLA用作骨移植材料存在力学强度不足、细胞活性低及亲水性差等的问题，本专利技术的目的在于提供一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料及其制备方法，该复合材料中的GO较大的表面积可为纳米BaTiO3在其表面均匀附着沉积提供活性位点和载体，而夹杂在GO层间的纳米BaTiO3可对其起到支撑作用，进而促进BaTiO3和GO在PLLA基体中的均匀分散，增强PLLA的力学性能；另一方面，GO具有优异的导电性能，其作为导电颗粒可有效提高支架的介电常数，从而促进BaTiO3中偶极子的偏转，进而增强支架的压电性能并在电刺激作用下促进成骨细胞的增殖和分化，使复合支架具有良好的生物活性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，所述复合材料中，PLLA的质量分数为80～90wt％，BaTiO3的质量分数为9.5～19.9wt％，GO的质量分数为0.1～0.5wt％。优选的，所述钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的极限拉伸强度为25～40MPa；极限压缩强度为30～50MPa。优选的，所述钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的压电常数为0.5～1.0pC/N。本专利技术还提供了上述钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)按设定质量配取PLLA、BaTiO3和GO，将BaTiO3和GO粉末加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成BaTiO3和GO的混合悬浮液；(2)将PLLA粉末加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成PLLA悬浮液；再将PLLA悬浮液加入至步骤(1)的BaTiO3和GO的混合悬浮液中，经搅拌和超声、分离、干燥即得复合粉末；(3)所述复合粉末经选择性激光烧结得到PLLA/BaTiO3/GO复合骨支架。优选的方案，所述PLLA的粒径为40～70μm，熔点为175～185℃。优选的方案，所述BaTiO3的粒径为0.1～1μm，纯度≥99％。优选的方案，所述GO的粒径为5～15μm。优选的方案，步骤(1)中，先将BaTiO3加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成BaTiO3悬浮液；然后将GO加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成GO悬浮液；再将BaTiO3悬浮液和GO悬浮液混合得到BaTiO3和GO的混合悬浮液。专利技术人发现，将PLLA、BaTiO3和GO同时加入到乙醇溶液中进行机械搅拌和超声分散，所得到的复合粉末的分散效果欠佳，从而对支架的综合性能会产生一定影响。优选的方案，步骤(1)和(2)中，搅拌和超声的时间为60～120min，转速为800～1200r/min，温度为30～60℃。优选的方案，步骤(3)中，将复合粉末置于选择性激光烧结系统中，根据三维模型进行层层烧结，烧结完成后去除未烧结模型，即得到PLLA/BaTiO3/GO复合骨支架。优选的方案，步骤(3)中，选择性激光烧结的工艺参数为：激光功率为2.5～5W，扫描速度为100～500mm/s，扫描间距为0.5～1.5mm，光斑直径为0.3～0.5mm，粉层厚度为0.1～0.2mm，粉床预热温度为150～170℃。与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果：(1)本专利技术利用BaTiO3和GO的协同作用，促进二者在PLLA中的均匀分散，从而增强PLLA支架的力学性能；GO较大的表面积可为纳米BaTiO3在其表面均匀附着沉积提供活性位点和载体。(2)将导电颗粒GO掺杂至PLLA/BaTiO3中可有效提高支架的介电常数，增强材料的界面极化作用，促进BaTiO3中偶极子的偏转，从而增强支架的压电性能并在电刺激作用下促进成骨细胞的增殖和分化。(3)利用BaTiO3和GO良好的亲水性来改善PLLA支架的亲水能力，促进细胞在支架上的粘附，为新骨的再生与重建提供前提基础。(4)利用GO表面上连接有大量的环氧基、羧基和羟基等含氧基团，可为钙磷的沉积提供活性位点，从而提高支架的生物矿化能力。附图说明图1为实施例1制得的样品的SEM图；图2为实施例2制得的样品的SEM图；图3为对比例1制得的样品的SEM图；图4为对比例2制得的样品的SEM图；图5为对比例4制得的样品的SEM图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步描述，但本专利技术之内容并不局限于此。实施例1(1)利用电子天平称量0.2g的GO粉末，颗粒粒径为5～15μm，加入到盛有30mL无水乙醇溶液的烧杯中，在机械搅拌和超声作用下，得到均匀稳定的GO悬浮液。(2)利用电子天平称量10g的BaTiO3粉末，颗粒粒径为0.1～1μm，加入到盛有50mL无水乙醇溶液的烧杯中，在机械搅拌和超声作用下，得到均匀稳定的BaTiO3悬浮液。(3)利用电子天平称量89.8g的PLLA粉末，颗粒粒径为60μm，熔点为180℃，加入到盛有250mL无水乙醇溶液的烧杯中，在机械搅拌和超声作用下，得到均匀稳定的PLLA悬浮液；再将PLLA悬浮液缓慢加入到BaTiO3和GO的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，其特征在于：所述复合材料中，PLLA的质量分数为80～90wt％，BaTiO3的质量分数为9.5～19.9wt％，GO的质量分数为0.1～0.5wt％。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，其特征在于：所述复合材料中，PLLA的质量分数为80～90wt％，BaTiO3的质量分数为9.5～19.9wt％，GO的质量分数为0.1～0.5wt％。2.根据权利要求1所述的钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，其特征在于：所述钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的极限拉伸强度为25～40MPa；极限压缩强度为30～50MPa。3.根据权利要求1所述的钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料，其特征在于：所述钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的压电常数为0.5～1.0pC/N。4.权利要求1-3任一项所述的钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按设定质量比配取PLLA、BaTiO3和GO，将BaTiO3和GO粉末加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成BaTiO3和GO的混合悬浮液；(2)将PLLA粉末加入到乙醇溶液中经搅拌和超声后形成PLLA悬浮液；再将PLLA悬浮液加入至步骤(1)的BaTiO3和GO的混合悬浮液中，经搅拌和超声、分离、干燥即得复合粉末；(3)所述复合粉末经选择性激光烧结得到PLLA/BaTiO3/GO复合骨支架。5.根据权利要求4所述的钛酸钡和氧化石墨烯协同增强的左旋聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述PLLA...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨友文，帅词俊，戚方伟，彭淑平，杨文静，
申请(专利权)人：江西理工大学，江西华浒高科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36