本发明涉及一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料及应用，属于骨损伤医用材料领域。
背景技术：
目前，外伤、感染、骨质疏松等所引起的骨组织损伤等情况显著增加，医用材料越来越来受到广泛的重视，其中利用人工骨替代材料来修复、替代骨缺损成为医学骨科领域的研究重点，也是治疗由于严重创伤、先天缺陷、骨肿瘤、骨髓炎等骨科疾病的有效手段。理想的骨修复材料应具有良好生物相容性，具有良好的骨诱导、骨传导性能，能促进新生骨组织的生长，诱导成骨细胞的形成。此外理想的骨修复材料还需要具有良好的易塑型性以便于加工成临床上所需的各种尺寸、形状。
聚氨酯(pu)材料通常是由含有二异氰酸酯的硬段材料与含有羟基的软段材料聚合而成。可降解嵌段聚氨酯的结构可调性强、设计方案灵活，通过调节其软硬段的组成比例或种类，不仅可以调节材料的软硬或弹性，还可以调控其降解速率，且其微区分相的特性和良好的生物相容性，可以为成骨细胞或骨髓基质干细胞的粘附提供类骨胶原环境，嵌段型聚氨酯在骨修复领域已有文献报道可具有良好的应用前景。而基于聚四氢呋喃的聚氨酯，由于良好的生物相容性和可加工性，无细胞毒性，在生物医学领域受到重视，当今临床应用中也常常将聚四氢呋喃与无机钙盐复合的骨修复材料用于治疗骨损伤。作用机理一方面聚四氢呋喃具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性，以及生物降解性，可用作细胞生长支持材料，并且可以通过调节聚四氢呋喃基聚氨酯软段硬段含量来改变其机械和降解性能来满足不同的临床需求，mi，hy等人在biocompatible,degradablethermoplasticpolyurethanebasedonpolycaprolactone-block-polytetrahydrofuran-block-polycaprolactonecopolymersforsofttissueengineering(mihao-yang,jingxin,napiwockibrettn,hagertybreannas,chenguojun,turnglih-sheng.biocompatible,degradablethermoplasticpolyurethanebasedonpolycaprolactone-block-polytetrahydrofuran-block-polycaprolactonecopolymersforsofttissueengineering.[j].journalofmaterialschemistry.b,2017,5(22).)中利用聚四氢呋喃制备了一种热塑性聚氨酯复合材料，通过研究表明，该材料的热降解性能和水降解性能有较大的提高，但其机械强度还不理想。目前，该类复合材料已取得较好研究成果，但仍存在一定缺陷，例如，可塑性差，机械强度较弱，加工制备技术复杂等问题就需要我们从新材料出发研究新的方向，为进一步实现临床治疗应用提供新的思路和方法。
四氧化三铁纳米粒子是一种新兴的生物医用材料，可以在人体内稳定存在，并且具有良好的生物相容性，对生物体物毒害作用，四氧化三铁作为具有磁性的纳米粒子在外加磁场作用下对骨修复具有促进作用，吴涛利用水热法制备了四氧化三铁纳米复合骨水泥材料(吴涛.纳米碳基磁性复合材料的制备及在磷酸钙骨水泥中的应用[d].西南交通大学,2017.)其结果表明四氧化三铁的加入可有效提高复合材料的抗压强度，促进其降解与矿化，并且在外加磁场作用下对细胞增殖有促进作用。中国专利cn201710604641.1利用四氧化三铁制备了以中骨修复材料，该材料具有良好的磁学性能和生物相容性，能诱导骨组织的形成，但仍存在一定缺陷，比如力学性能较差，成型能力有限等。
本发明采用具有良好生物相容性的四氧化三铁与聚四氢呋喃复合，制备四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。四氧化三铁与聚四氢呋喃具有良好的界面相容性，以高分子聚合物为复合材料的基体辅以功能性填料，不仅可使得两者更加紧密的结合从而提高复合材料的机械强度达到骨骼负载所需，而且还可以提高复合材料的生物学性能，协调高分子聚合物降解过慢的问题，并且通过改变聚四氢呋喃基聚氨酯软段硬段含量还可以改变其机械和降解性能来满足不同的临床需求，以气体自发泡成型技术制备复合骨修复材料使得成型工艺简单，条件温和，无毒无害。
本发明提供的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃基氨酯复合骨修复材料孔径大孔孔径为200～600μm，小孔孔径为15～150μm，与骨细胞表面孔隙大小相匹配，易于加工，且促进新生骨组织的生长，诱导成骨细胞的生成。另外，通过改变聚四氢呋喃基聚氨酯软段硬段含量还可以改变其机械和降解性能以满足不同的临床要求，该复合材料可塑性强，可重复塑型，制备出具有不同形状尺寸的骨修复材料以满足临床所需，可用于加工成骨缺损承载固定所需的骨板、骨螺钉、骨内棒，支架等。本发明制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃基氨酯复合骨修复材料为骨损伤医用材料领域提供一种可行有效的新材料，有利于扩展骨修复材料领域应用和发展。
技术实现要素：
本发明针对现有骨修复复合材料的不足，提供一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料及其制备方法。该复合材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁组成，四氧化三铁为球状纳米粒子，聚四氢呋喃分子量为3000～4000。以质量百分比计，四氧化三铁含量为2.5～10％，其余为聚四氢呋喃含量。其中，本发明提供的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的孔隙率为68～85％，孔隙大小为10～600μm。
本发明所述的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)称量聚四氢呋喃与对应复合比例的四氧化三铁；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为60～300r/min；
(3)将对应比例所称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将一定量的六亚甲基二异氰酸酯和催化剂加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，80～90℃进行加热搅拌30～60min，然后加入为软段材料质量2～4％的扩链剂持续反应，并蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物，所述的扩链剂为1,4-丁二醇；所述的催化剂为辛酸亚锡；
(5)将一定量的水作为发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在110～120℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在110～120℃熟化12～24小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。该复合体系，利用具有磁性的四氧化三铁与聚四氢呋喃复合，可增强复合材料的力学性能，在外加磁场的作用下促进成骨细胞增殖，加快骨修复进程；另外聚四氢呋喃是一种具有良好生物学相容性、无细胞毒性的高分子材料，利用脂肪族异氰酸酯将其交联发泡，避免了芳香族异氰酸酯带来的潜在细胞毒性，也能调节发泡剂水的含量，制备出具有均匀的孔隙大小与分布，与骨表面孔隙大小相匹配的骨修复材料；另外，还可以通过调节复合材料软硬段比列等手段可改善复合材料力学性能和降解速率，以满足不同的临床要求。
因此，本发明制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料可促进成骨细胞增殖加快骨修复进程，具有良好的生物相容性、并且利用发泡法制备三维多孔复合材料工艺简单、易于加工成型，所得复合材料具有良好的力学性能可满足骨骼负载所需，同时材料可塑性强并且可以通过调节复合材料软硬段比列来改变复合材料的力学性能制备不同形状尺寸来满足不同临床所需，可用于加工成骨缺损承载固定所需的骨板、骨螺钉、骨内棒，支架等，适用于骨损伤修复医用材料领域，为骨修复材料领域提供一种可行有效的新的骨修复材料。
附图说明：
图1为本发明实施例1的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的xrd图；
图2为本发明实施例1的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的sem图；
图3为本发明实施例1的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的ftir图；
图4为本发明实施例1～4的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的应力应变曲线图。
图5为本发明实施例1的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的tga图。
具体实施方式：
下面将结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：
本实施例四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁组成，以质量百分比计，四氧化三铁的含量为10％，其余为聚四氢呋喃；其中四氧化三铁为球状纳米粒子，聚四氢呋喃分子量为4000。具体步骤如下：
(1)聚四氢呋喃40g与四氧化三铁4.44g；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为300r/min；
(3)将称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将3.36g六亚甲基二异氰酸酯和7滴辛酸亚锡加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，90℃进行加热搅拌60min，蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物；
(5)将体系质量分数2％的水作为发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在120℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在120℃熟化24小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
利用电子密度天平进行孔隙率测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的孔隙率为76.36％。
利用电子万能试验机测试进行抗压强度测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的抗压强度为156.2996mpa。
图1为本实例中制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的xrd谱图。
图2为本实例中制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的sem图片，从图中可以看出，材料具有连通的孔隙结构，孔径大小在微米级别，范围大致为15～100μm。
图3为本实例中制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的红外光谱图。
将本实例所制备四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料用小刀和砂纸制成长径比约为1:1的圆柱状样品，用万能试验机在控制速度1kn/s，位移速度1mm/min的条件下进行压制得所对应样品的抗压强度。不同复合比例使用6个平行样进行测量，取平均值作为复合材料的抗压强度。四氧化三铁/聚四氢呋喃基聚氨酯复合材料表现出较好的力学性能，同时可以看出其力学性在很大程度上与复合材料的孔隙结构有关，当孔隙率越大是其力学性能越差，这也与本发明各个实例中孔隙率符合(图4)。
图5为本实例中制备的一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的热重分析谱图。
实施例2：
本实施例四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁组成，以质量百分比计，四氧化三铁的含量为2.5％，其余为聚四氢呋喃；其中四氧化三铁为球状纳米粒子，聚四氢呋喃分子量为4000。具体步骤如下：
(1)聚四氢呋喃40g与四氧化三铁1.03g；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为200r/min；
(3)将称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将3.36g六亚甲基二异氰酸酯和7滴辛酸亚锡加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，80℃进行加热搅拌30min，蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物；
(5)将体系质量分数1％的水作为发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在110℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在120℃熟化12小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
利用电子密度天平进行孔隙率测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的孔隙率为68.55％。
利用电子万能试验机测试进行抗压强度测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的抗压强度为81.5022mpa。
实施例3：
本实施例四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁组成，以质量百分比计，四氧化三铁的含量为5％，其余为聚四氢呋喃；其中四氧化三铁为球状纳米粒子，聚四氢呋喃分子量为4000。具体步骤如下：
(1)聚四氢呋喃40g与四氧化三铁2.11g；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为250r/min；
(3)将称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将3.36g六亚甲基二异氰酸酯和7滴辛酸亚锡加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，90℃进行加热搅拌40min，蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物；
(5)将体系质量分数1％的水作为发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在120℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在120℃熟化18小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
利用电子密度天平进行孔隙率测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的孔隙率为84.89％。
利用电子万能试验机测试进行抗压强度测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的抗压强度为107.4445mpa。
实施例4：
本实施例四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁组成，以质量百分比计，四氧化三铁的含量为0％，其余为聚四氢呋喃；其中四氧化三铁为球状纳米粒子，聚四氢呋喃分子量为4000。具体步骤如下：
(1)聚四氢呋喃40g与四氧化三铁0g；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为300r/min；
(3)将称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将3.36g六亚甲基二异氰酸酯和7滴辛酸亚锡加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，90℃进行加热搅拌60min，蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物；
(5)将体系质量分数2％的水作为发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在120℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在120℃熟化24小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
利用电子密度天平进行孔隙率测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的孔隙率为72.58％。
利用电子万能试验机测试进行抗压强度测定本实例中制备的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的抗压强度为100.4829mpa。
本实施例为纯聚四氢呋喃制备的复合骨修复材料，为对照试验组，可作为其他实验组的数据参考。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
1.一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，其特征在于：该材料由聚四氢呋喃和四氧化三铁纳米粒子组成，以质量百分数计，四氧化三铁纳米粒子的含量为2.5～10％，其余为聚四氢呋喃含量。
2.根据权利要求1所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃基聚氨酯复合修复材料，其特征在于：所含的四氧化三铁成分为粒径5-10nm的球状纳米晶体。
3.根据权利要求1所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，其特征在于：聚氨酯由脂肪族二异氰酸酯的硬段材料与含有羟基的二醇类所含的聚合物软段材料共同聚合而成，所述硬段材料中的异氰酸酯基与所述可降解的软段材料中的羟基的摩尔比为(2～6):1，优选(4～5):1，其中：所述的硬段材料包括六亚甲基二异氰酸酯，所述的软段材料为分子量3000～4000的聚四氢呋喃。
4.根据权利要求1所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，其特征在于：其抗压强度为81～156mpa。
5.根据权利要求1所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，其特征在于：其孔径大小为10～600μm。
6.根据权利要求1所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，其特征在于：其孔隙率为68～85％。
7.一种权利要求1～6所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃基聚氨酯合骨修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别称量聚四氢呋喃与对应复合比例的四氧化三铁；
(2)用量筒量取有机溶剂倒入烧杯中，将称量好的聚四氢呋喃倒入烧瓶中，搅拌至完全溶解得到呈透明状态的聚四氢呋喃溶液；搅拌转速为60～300r/min；
(3)将对应比例所称量好的四氧化三铁倒入(2)所述的聚四氢呋喃溶液；
(4)将一定量的六亚甲基二异氰酸酯和催化剂加入聚四氢呋喃溶液在氮气保护下，80～90℃进行加热搅拌30～60min，然后加入为软段材料质量2～4％的扩链剂持续反应，并蒸发溶剂得到褐色粘稠状混合物；
(5)将一定量的发泡剂加入(4)的褐色粘稠混合物同时注入到模具中在110～120℃烘箱里发泡成型；
(6)待(5)的反应混合物在110～120℃熟化12～24小时，即得一种四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料。
8.根据权利要求6所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的制备方法，其特征在于：四氧化三铁成分为粒径5-10nm的球状纳米晶体。
9.根据权利要求6所述的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述的扩链剂为1,4-丁二醇；所述的催化剂为辛酸亚锡；反应加热温度设置为80～90℃；所述步骤(5)中，发泡剂为水；所述步骤(6)中，发泡剂反应包括在110～120℃下反应12～24小时。
10.根据权利要求1～6的四氧化三铁/聚四氢呋喃复合骨修复材料，可应用于微创手术的骨损伤医用材料领域，加工成骨缺损承载固定所需的骨板、骨螺钉、骨内棒，支架等。
技术总结