周金生, 周 莉*,歐陽(yáng)君君, 范志恒, 羅仲寬, 劉 波 ，周兆平，邱渭遙

(1.深圳大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 廣東 深圳 518060; 2. 深圳大學(xué) 深圳國(guó)家生化工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 深圳 518060)

羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠在模擬體液中的力學(xué)性能

周金生1, 周 莉1*,歐陽(yáng)君君1, 范志恒1, 羅仲寬1, 劉 波1，周兆平2，邱渭遙2

(1.深圳大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 廣東 深圳 518060; 2. 深圳大學(xué) 深圳國(guó)家生化工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 深圳 518060)

從仿生學(xué)角度出發(fā)，將自制的人工角膜支架材料羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖(n-HA/PVA/CS)浸泡在模擬體液中，對(duì)材料的含水率及力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，并利用掃描電鏡、X射線衍射儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀及熱重分析儀研究了材料在模擬體液中的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素組成及熱穩(wěn)定性. 結(jié)果表明，在模擬體液中，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠的含水率為80%～86%，具有較高的拉伸強(qiáng)度，能承受正常眼壓，且熱穩(wěn)定性較好. 在浸泡后期，n-HA/CS/PVA復(fù)合材料對(duì)Ca2+的吸附和釋放達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；而其表面含有微量的納米羥基磷灰石沉積，有利于纖維細(xì)胞的長(zhǎng)入.

羥基磷灰石；水凝膠；人工角膜支架材料；模擬體液；力學(xué)性能

角膜移植是治療各種角膜病的有效方法. 但角膜供體來(lái)源困難，所以研制人工角膜成為最終挽救和恢復(fù)患者視力的有效方法[1]. 人工角膜是用異質(zhì)成型材料取代常溫角膜組織而制成的一種特殊屈光裝置，通過(guò)手術(shù)植入患眼. 人工角膜分成中心光學(xué)部分和裙邊支架兩部分，光學(xué)中心是用以替代病變后阻礙眼球光學(xué)通路的渾濁角膜，裙邊支架對(duì)穩(wěn)定和支持光學(xué)中心有重要作用, 其材料的組織相容性，是影響人工角膜植入成敗的關(guān)鍵因素[2-5].

納米羥基磷灰石(n-HA)具有良好的生物相容性和生物活性,纖維血管等軟組織能長(zhǎng)入有孔的羥基磷灰石中，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料. 但是羥基磷灰石強(qiáng)度低,脆性大,難以承受術(shù)中術(shù)后一般的外力，因此許多專家制造了羥基磷灰石與有機(jī)高分子聚合物的復(fù)合材料[6-7]. 聚乙烯醇(PVA) 水凝膠是高分子水凝膠的一種. 由于 PVA 水凝膠除了具備一般水凝膠的性能外，還具有毒性低、機(jī)械性能優(yōu)良(高彈性模量和高的機(jī)械強(qiáng)度) 、吸水性強(qiáng)和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，因而備受青睞，在許多領(lǐng)域極具開發(fā)潛力[8-9]. 殼聚糖(CS)具有良好的抑菌性能和生物相容性，且無(wú)毒性、無(wú)刺激性，可明顯提高其生物相容性以及抑菌性，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[10]. 本研究采用冷凍-解凍、溶鹽致孔法制得了多孔納米羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖 (n-HA/ PVA/CS)人工角膜復(fù)合支架材料，并從仿生學(xué)的角度對(duì)其在模擬體液中的各種性能進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試劑與儀器

本實(shí)驗(yàn)使用的試劑和儀器如表1和表2所示.

表1 實(shí)驗(yàn)試劑表Table 1 Reagents

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 2 Laboratory apparatus

1.2 多孔支架材料和模擬體液的制備

稱取一定量的PVA，常壓下于90 ℃溶于DMSO中；加入適量致孔劑NaCl，再加入適量n-HA和CS，攪拌使其混合均勻，將其倒入模具中，經(jīng)過(guò)多次冷凍-解凍成型；最后用去離子水浸泡.

模擬體液按照文獻(xiàn)[11]制備.

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 含水率的測(cè)定

將被測(cè)凝膠試樣置于各溶液中浸泡4周后取出，用濾紙擦干表面的水分后稱重，得凝膠試樣的重量W1，然后將凝膠試樣在真空干燥后稱重，得干樣的重量W2. 用下式進(jìn)行含水率計(jì)算：

含水率Cw=(W1-W2)/W1×100%

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試和TG分析

將裁剪成10 mm×40 mm×0.3 mm，測(cè)試距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min. 用萬(wàn)能電子拉力機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能，包括拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率等.

將真空干燥后的粉末試樣用德國(guó)STA409PC同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析. 熱重分析樣品量為10 mg，升溫速率為10 ℃/min，氮?dú)鈿夥眨髁繛?00 mL/min，測(cè)試范圍為25～600 ℃.

1.3.3 浸泡液中Ca2+濃度測(cè)定

將試樣裁剪成40 mm×15 mm×0.40 mm的n-HA/PVA/CS水凝膠試樣，浸泡在模擬體液中,分別于1、2、3、4周后取液，用ICP檢測(cè)各溶液中Ca2+的含量變化.

1.3.4 X射線衍射分析和掃描電鏡分析

將真空干燥后的試樣，用XRD儀進(jìn)行晶態(tài)分析. 將冷凍干燥后的樣品，對(duì)其表面進(jìn)行掃描電鏡觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率

表3為n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠(各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：CS 25%，n-HA 25%，PVA 50%)在模擬體液中浸泡不同時(shí)間的含水率. 從表中可以看出，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠的含水率隨著浸泡時(shí)間的增加并沒(méi)有明顯變化. 復(fù)合水凝膠有很高的含水率，這是因?yàn)榫垡蚁┐己杏H水基-OH，鏈中羥基間能形成氫鍵結(jié)構(gòu). 聚乙烯醇分子鏈間通過(guò)氫鍵和微晶區(qū)形成三維網(wǎng)絡(luò)，能吸收大量的水分，純聚乙烯醇水凝膠含水率可以達(dá)到75%[12]. 同時(shí)殼聚糖分子中含有大量的-OH、-NH2等親水基團(tuán)，分子間也能形成氫鍵，因此加入殼聚糖能使復(fù)合水凝膠的含水率增加. 高含水率的水凝膠可保持角膜濕潤(rùn)，并有一定的柔韌性，可避免因機(jī)械壓力引起人工角膜手術(shù)失敗.

表3 模擬體液中浸泡不同時(shí)間復(fù)合水凝膠的含水率Table 3 Water content of the composite hydrogel with different soaking time in simulated body fluid

2.2 力學(xué)性能

圖1(a)(b)(c)分別為殼聚糖含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%，25%，40%的n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠(PVA含量為50%)的拉伸強(qiáng)度曲線圖. 可以看出，隨著浸泡時(shí)間的改變，三種不同CS含量的復(fù)合水凝膠的拉伸強(qiáng)度并無(wú)明顯的波動(dòng)，拉伸強(qiáng)度在0.60～0.75 MPa之間，能承受正常人眼壓. 同時(shí)從圖中可以看出，隨著殼聚糖含量的增加，水凝膠的拉伸強(qiáng)度逐步下降. 這說(shuō)明與n-HA相比，殼聚糖與PVA聚合物的結(jié)合能力較差，粉末顆粒易團(tuán)聚，不能很好地分散在凝膠中，造成材料受力不均勻，力學(xué)性能降低. 因此殼聚糖的加入不利于人工角膜力學(xué)性能的提高.

2.3 浸泡液中Ca2+濃度測(cè)定

圖2是殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的復(fù)合水凝膠在模擬體液浸泡過(guò)程中溶液Ca2+離子濃度的變化情況. 可以觀察到，初期Ca2+減少速度很快,到后期逐漸平緩. 說(shuō)明在模擬體液中，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠能誘導(dǎo)Ca2+的沉積. 可能是由于殼聚糖含有大量極性基團(tuán)，當(dāng)n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠被放入模擬體液中時(shí)會(huì)發(fā)生吸水溶脹，Ca2+會(huì)置換溶脹n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠膜表面中的水分子，并且產(chǎn)生相互排斥現(xiàn)象使其有足夠空間與n-HA降解產(chǎn)生的HPO42-相互作用得到HA. 而當(dāng)浸泡后期吸附和釋放達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后, Ca2+濃度變化就不再明顯.

圖1 浸泡時(shí)間與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 The relationship between tensile strength of the composite hydrogel and soaking time

圖2 模擬體液中Ca2+離子濃度隨浸泡時(shí)間的變化Fig.2 Variation of Ca2+concentration in simulated body fluid for different soaking time

2.4 X射線衍射分析

n-HA晶體在衍射角25.9°、31.8°、34.1°、46.7°和49.5°有較強(qiáng)的衍射峰. 圖3是殼聚糖含量為25%的復(fù)合水凝膠浸泡前和浸泡后2周和4周的XRD衍射圖，從圖上可以看出，浸泡后n-HA的衍射峰降低，這可能是因?yàn)樾律傻牧u基磷灰石生成速度比復(fù)合材料中n-HA降解速度慢，浸泡2周和4周樣品的峰強(qiáng)度變化不大，說(shuō)明降解與新生已基本達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡.

2.5 同步熱力學(xué)分析(TG-DTA)

圖4為殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠及其三種組分的TG圖.n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠從室溫到100 ℃，失重較快，迅速達(dá)到78 % ，在這個(gè)階段主要是水分的蒸發(fā). 對(duì)于純PVA和CS在250～350 ℃之間的失重可能與PVA的碳鏈分解和CS的分解燃燒有關(guān)系，因此在這一階段，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠的失重主要是由于PVA和CS的失重引起的. 由此可見，在模擬體液的浸泡下，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠具有較高穩(wěn)定性.

圖3 復(fù)合水凝膠浸泡前后的 XRD對(duì)照?qǐng)DFig.3 XRD patterns of pre-soaked and post-soaked composite hydrogel

圖4 n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠及其組分的TG圖Fig.4 The TG patterns of the composite hydrogel and elementary substances

2.6 掃描電鏡分析

圖5為殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的復(fù)合水凝膠浸泡前后的表面SEM圖，與浸泡前的樣品相比,在模擬體液中浸泡4 周后的樣品表面有沉積物出現(xiàn)，剛好與前面的XRD分析推測(cè)相同，在模擬體液的浸泡過(guò)程中，n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠表面有磷灰石沉積物出現(xiàn).

A浸泡前 B浸泡4周后

3 結(jié)論

通過(guò)研究可以得到如下結(jié)論: (1)浸泡環(huán)境下，復(fù)合水凝膠的含水率在80%～86%，具有較好的蓄水性和柔韌性. (2)材料具有較好的拉伸強(qiáng)度(0.60～0.75 MPa)，能承受正常人眼壓. (3)TG數(shù)據(jù)顯示材料在浸泡環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性. (4)在浸泡初期, 由于n-HA/PVA/CS復(fù)合水凝膠能吸附Ca2+，模擬體液中Ca2+離子含量下降較快. 而當(dāng)浸泡后期吸附和釋放達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后, Ca2+濃度變化就不再明顯. (5)X 射線衍射圖譜和 SEM圖研究表明,浸在模擬體液中的支架表面有磷灰石沉積物出現(xiàn)，復(fù)合材料表面的多孔羥基磷灰石有利于纖維血管等軟組織生長(zhǎng)，能增加材料的生物相容性.

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Mechanicpropertiesofnano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/
chitosancompositehydrogelinsimulatedbodyfluid

ZHOU Jinsheng1, ZHOU Li1*, OUYANG Junjun1, FAN Zhiheng1, LUO Zhongkuan1,
LIU Bo1, ZHOU Zhaoping2, QIU Weiyao2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China；
2.BiochemicalCenter,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China)

From the perspective of bionics, nano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/chitosan (n-HA/PVA/CS) composite hydrogel as a homemade artificial cornea scaffold material was soaked in simulated body fluid, and its water content and mechanic properties were tested. The surface morphology, crystal structure, elemental composition and thermal stability of the material were studied by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and thermogravimetric analysis. Results show thatn-HA/PVA/CS composite hydrogel soaked in the simulated body fluid exhibits a water content of about 80%-86%, and it has high tensile strength as well as good thermal stability while it can bear normal intraocular pressure. Moreover, in the post-soaking period,n-HA/PVA/CS composite hydrogel undergoes a dynamic equilibrium of adsorbing and releasing Ca2+, while a trace amount ofn-HA precipitate on the composite surface is helpful for fibroblast ingrowth.

hydroxyapatite; hydrogel; skirt of artificial cornea; simulated body fluid; mechanic properties

2013-12-03.

深圳市科技創(chuàng)新委科技攻關(guān)項(xiàng)目(JSGG20120614164013545).

周金生(1986-), 男, 研究方向?yàn)樯镝t(yī)用材料.*

, E-mail:zhouLi_2050@163.com.

O 646

A

1008-1011(2014)03-0288-05