本发明属于生物制造技术领域，尤其是涉及一种改善蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架界面结合性能的方法。
背景技术：
聚羟基乙酸(pga)是一种α-羟基酸，具有优异的生物相容性、生物降解性和可加工性，其最终降解产物为羟基乙酸、草酸、二氧化碳和水，可通过机体正常的新陈代谢排出体外，是迄今为止研究最广泛、应用最多的生物可降解材料之一。但pga材料的力学强度较低，尤其做成三维多孔人工骨支架之后，限制了其在骨组织工程领域更广泛的应用。
为了克服pga材料力学强度不够的情况，现有技术利用碳纳米管、石墨烯等低维纳米材料改善其性能，但这些生物惰性材料的体内潜在的毒性限制了它们在骨组织再生中的应用，也有报道利用纳米羟基磷灰石颗粒、生物玻璃颗粒等生物活性陶瓷材料改善其力学性能，但作为纳米增强颗粒其改善效果并不明显，且显出现纳米颗粒在pga基体中团聚的现象。
蒙脱石(mmt)是一种含水的层状铝硅酸盐粘土矿物，不仅具有良好的生物相容性、生物活性，而且其层间阳离子可交换容量大、层间电荷很高、片层的径厚比和比表面积大。然而mmt层间的水合无机阳离子属亲水性，而大多数聚合物属亲油性，二者之间的相容性较差，很难形成较强的界面结合。
技术实现要素：
本发明第一目的在于，提供一种蒙脱石/聚羟基乙酸的复合骨支架材料，旨在提升复合骨支性能。
本发明第二目的在于，提供一种所述的蒙脱石/聚羟基乙酸的复合骨支架的制备方法，旨在创新地利用改性蒙脱石以及激光烧结工艺制得高性能骨支架材料。
为解决蒙脱石(mmt)和pga界面兼容性差且现有处理方法仅能在蒙脱石的表面以及边缘进行修饰，界面改性效果不理想的缺陷，本发明公开了一种全新的处理思路，即利用阳离子表面活性剂对蒙脱石进行改性，旨在对蒙脱石的表面以及层间进行改性，显著解决蒙脱石在pga中的界面不相容性，本发明技术方案为：
一种蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架，包括聚羟基乙酸基体以及分散在基体中的改性蒙脱石；所述的改性蒙脱石为经阳离子表面活性剂改性处理的蒙脱石。
本发明所述的复合骨支架材料，创新地利用阳离子表面活性剂对蒙脱石进行改性，如此可以对蒙脱石的表面、层间进行改性，显著提升其在聚羟基乙酸中的界面结合性能，有效提升复合骨支架的拉伸强度。
作为优选，复合骨支架中，改性蒙脱石占总质量比为10％～20％。研究发现，控制在该优选的范围下，可以进一步改善改性蒙脱石和pga界面不兼容性，可以进一步提升复合材料的强度。
进一步优选，复合骨支架中，改性蒙脱石占总质量比为15％～20％。
作为优选，所述的改性蒙脱石的粒径优选为5～20μm。
作为优选，所述的阳离子表面活性剂为具有长链烷基(例如碳数在14及以上的烷基链段)的阳离子表面活性剂；进一步优选为十六烷基三甲基溴化铵。研究发现，在本发明的复合骨支架体系中，采用十六烷基三甲基溴化铵具有更优的效果，主要在于，十六烷基三甲基溴化铵具有合适的碳链，其可通过阳离子交换方式进入蒙脱石层间，合适的碳链不仅使层间距扩大，而且能有效地改变层间微环境，有利于pga基团进入层间，并增强了蒙脱石片层与pga的相容性。
所述的改性蒙脱石可利用阳离子表面活性剂采用现有方法进行改性。
作为优选，聚羟基乙酸的熔点为220～240℃。
作为优选，所述的复合骨支架，可通过包含所述的改性蒙脱石和pga的混合原料经激光3d打印技术得到。
本发明研究发现，因创新的改性蒙脱石和pga的原料的使用，再配合激光3d打印技术，可以进一步提升复合材料的拉伸强度。
本发明还提供了一种蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将蒙脱石预先经阳离子表面活性剂改性处理，得到改性蒙脱石；
步骤(2)：将改性蒙脱石和聚羟基乙酸混合得到复合粉末；
步骤(3)：将复合粉末利用激光3d打印技术，制备所述的复合骨支架。
本发明创新地采用阳离子表面活性剂对蒙脱石进行改性，如此可以解决蒙脱石层间在pga中的界面结合性能差的问题；此外，再配合所述的激光3d打印方法，可进一步使改性蒙脱石和pga界面充分结合，可使pga渗透至改性蒙脱石的层间，显著改善制得的材料的性能。研究发现，通过该方法制备的复合骨支架的多孔结构可控，孔连通性较好，蒙脱石与聚羟基乙酸具有较强的界面结合，力学强度较高。
作为优选，所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
作为优选，所述的蒙脱石为纳基蒙脱石。
作为优选，所述的蒙脱石的平均颗粒尺寸优选为5～20μm。
所述的改性方法例如为：将蒙脱石分散在溶剂(例如水)中，得悬浮液a；将阳离子表面活性剂用溶剂(例如水和乙醇)溶解，得溶液b；将溶液b和悬浮液a混合，搅拌以及超声处理，随后固液分离，对分离得到的固体进行洗涤，制得所述的改性蒙脱石。
作为优选，改性过程中，溶液b和悬浮液a中的蒙脱石和阳离子表面活性剂的质量比为5～1∶5～2。
将改性蒙脱石和聚羟基乙酸混合，制得用于3d打印的复合原料。
作为优选：聚羟基乙酸的颗粒尺寸为30～60μm，熔点为220～240℃。
将改性蒙脱石和聚羟基乙酸混合、经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨制得所述的复合粉末；
其中，磁力搅拌时间为1～2h，磁力搅拌速度为500～700r/min，磁力搅拌温度为60～100℃；
超声分散时间为1～2h，超声分散温度为60～100℃；
离心转速为1000～2000r/min，时间为20～40min；
干燥温度为50～70℃。
复合粉末中，改性蒙脱石质量百分比为10％～20％；优选为15％～20％。
本发明中，激光3d打印过程中：激光功率1.5～3.5w；优选为2～3w。扫描速度100～300mm/min，优选为150～250mm/min。
优选地，激光3d打印过程中：扫描间距0.6～0.8mm，光斑直径0.3～0.6mm。
本发明优选的方法，具体步骤如下：
1)称量20g的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇(体积比为1∶1)的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；所述的mtt为纳基mtt，平均颗粒尺寸为15～20μm；
2)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末；所述的磁力搅拌时间为1～2h，磁力搅拌速度为500～700r/min，搅拌温度为60～100℃，超声分散时间为1～2h，超声分散温度为60～100℃；
3)称量100g的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末；所述的pga粉末颗粒尺寸为30～60μm，熔点为220～240℃；所述的磁力搅拌时间为1～2h，磁力搅拌速度为500～700r/min，搅拌温度为60～100℃，超声分散时间为1～2h，超声分散温度为60～100℃，离心转速为1000～2000r/min，时间为20～40min，干燥温度为50～70℃；所述的复合粉末中mtt占总质量比为10％～20％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率1.5～3.5w，扫描速度100～300mm/min，扫描间距0.6～0.8mm，光斑直径0.3～0.6mm。
相对现有技术，本发明技术方案带来的积极效果：
1、本发明将mtt复合到pga基体中制备复合骨支架，可利用mtt作为弥散相提高pga的力学强度。
2、本发明利用阳离子表面活性剂(优选为十六烷基三甲基溴化铵)对mtt的片层进行改性，使mtt片层间距增大，有利于pga分子链进入到mtt片层之间并提高界面结合性能。
3、本发明在所述创新的阳离子表面活性剂的表面以及层间的改性下，再协同利用激光烧结，使pga在热和剪切力的作用下能够进入mtt片层之间，显著改善复合骨支架的强度。
4、本发明利用激光3d打印技术制备复合骨支架的个体化外性和可控多孔结构。
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)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
2)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为15％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率2.0w，扫描速度200mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒均匀地分散在pga基体中，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为43.5mpa。
对比例1
和实施例1相比，区别在于，蒙脱石未进行十六烷基三甲基溴化铵改性，具体操作如下：
1)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液；
2)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将mtt悬浮液加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt占总质量比为15％；
3)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率2.0w，扫描速度200mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
4)扫描电镜观测发现mtt颗粒在pga基体中发生团聚，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为21.6mpa。和实施例1相比，未预先对蒙脱石进行所述的改性处理，制得的复合骨支架的拉伸强度显著下降。
对比例2
和实施例1相比，区别在于，蒙脱石利用硅烷偶联剂(中性表面活性剂)进行改性，具体操作如下：
1)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的硅烷偶联剂，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
2)将配制的硅烷偶联剂溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得硅烷偶联剂改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将硅烷偶联剂改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为15％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率2.0w，扫描速度200mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒部分均匀地分散在pga基体中，少量发生团聚，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为30.5mpa。
实施例2
和实施例1相比，主要区别在于，复合粉末中mtt占复合粉末质量比为10％，具体操作如下：
1)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
2)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为10％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率2.0w，扫描速度200mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒均匀地分散在pga基体中，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为36.9mpa。
实施例3
和实施例1相比，主要区别在于，复合粉末中mtt占复合粉末质量比为20％，具体操作如下：
1)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
2)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为20％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率2.0w，扫描速度200mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒在pga基体中的分散程度下降，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为39.5mpa。
实施例4
和实施例1相比，主要区别在于，激光烧结过程的激光功率1.5w，扫描速度300mm/min(激光3d打印过程的能量较低)，具体操作如下：
1)称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
2)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为15％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率1.5w，扫描速度300mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒在pga基体中的分散程度下降，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为31.4mpa。
实施例5
和实施例1相比，主要区别在于，激光烧结过程的激光功率3.5w，扫描速度100mm/min(激光3d打印过程的能量较高)，具体操作如下：
称量20g平均颗粒尺寸为15μm的mtt粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得mtt悬浮液，再称量4g的十六烷基三甲基溴化铵，置入另一个装有蒸馏水和乙醇的烧杯中，配制成0.4mol/l的溶液；
1)将配制的十六烷基三甲基溴化铵溶液倒入mtt悬浮液中，经磁力搅拌混合均匀，将所得沉淀物置于另一烧杯中，反复水洗获得十六烷基三甲基溴化铵改性的mtt粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃；
3)称量100g颗粒尺寸为50μm，熔点为230℃的pga粉末，置入装有去离子水的烧杯中，经磁力搅拌和超声分散混合均匀获得pga悬浮液，将十六烷基三甲基溴化铵改性后的mtt粉末加入pga悬浮液中，经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨获得复合粉末，其中磁力搅拌时间为2h，磁力搅拌速度为600r/min，搅拌温度为80℃，超声分散时间为2h，超声分散温度为80℃，离心转速为1500r/min，时间为30min，干燥温度为60℃，复合粉末中mtt(改性后mtt)占总质量比为15％；
4)将复合粉末置于激光3d打印系统中制备复合骨支架，主要工艺参数为激光功率3.5w，扫描速度100mm/min，扫描间距0.7mm，光斑直径0.5mm；
5)扫描电镜观测发现mtt颗粒在pga基体中的分散程度下降，力学性能测试发现，复合骨支架的拉伸强度为32.9mpa。
1.一种蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架，其特征在于：包括聚羟基乙酸基体以及分散在基体中的改性蒙脱石；所述的改性蒙脱石为经阳离子表面活性剂改性处理的蒙脱石。
2.如权利要求1所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架，其特征在于：复合骨支架中，改性蒙脱石占总质量比为10％～20％。
3.如权利要求1或2所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架，其特征在于：所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
聚羟基乙酸的熔点为220～240℃。
4.如权利要求1或2所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架，其特征在于：由包含所述的改性蒙脱石和pga的混合原料经激光3d打印技术得到。
5.一种蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)：将蒙脱石预先经阳离子表面活性剂改性处理，得到改性蒙脱石；
步骤(2)：将改性蒙脱石和聚羟基乙酸混合得到复合粉末；
步骤(3)：将复合粉末利用激光3d打印技术，制备所述的复合骨支架。
6.如权利要求5所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
所述的蒙脱石为纳基蒙脱石，平均颗粒尺寸优选为5～20μm。
7.如权利要求5所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：聚羟基乙酸粉末颗粒尺寸为30～60μm，熔点为220～240℃。
8.如权利要求5所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：将改性蒙脱石和聚羟基乙酸混合、经磁力搅拌、超声分散、离心、干燥、研磨制得所述的复合粉末；
其中，磁力搅拌时间为1～2h，磁力搅拌速度为500～700r/min，磁力搅拌温度为60～100℃；
超声分散时间为1～2h，超声分散温度为60～100℃；
离心转速为1000～2000r/min，时间为20～40min；
干燥温度为50～70℃。
9.如权利要求5所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：复合粉末中，改性蒙脱石质量百分比为10％～20％。
10.如权利要求5所述的蒙脱石/聚羟基乙酸复合骨支架的制备方法，其特征在于：激光3d打印过程中：激光功率1.5～3.5w，扫描速度100～300mm/min；
优选地，扫描间距0.6～0.8mm，光斑直径0.3～0.6mm。
技术总结