韓浩瀛，尚志福，張毅，張文哲，李雨澤，郭贏繁，劉增輝，施惠紅，張秀成

(東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，哈爾濱 150040)

人體皮膚受到大面積創(chuàng)傷時(shí)，常需要通過皮膚移植修復(fù)治療，然而，適合自體移植的皮源缺乏，異體皮移植存在免疫排斥等問題。在臨床醫(yī)學(xué)上，亟需能夠滿足要求的皮膚組織修復(fù)材料[1]。目前，以天然材料、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等為基體制備的皮膚組織修復(fù)材料只起到支撐和填充的作用，仍然存在親水性差、降解緩慢以及降解導(dǎo)致的局部酸性感染等缺點(diǎn)[2–7]。因此獲得一種具有良好親水性、一定力學(xué)強(qiáng)度并能促進(jìn)皮膚快速愈合的修復(fù)材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

聚癸二酸甘油酯(PGS)有良好的韌性、降解性和生物相容性，其降解產(chǎn)物可被機(jī)體自行排除，滿足軟組織工程的基本生物醫(yī)學(xué)要求，是一種極具潛力的合成醫(yī)用高分子材料[8–12]。目前，采用PGS 與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)復(fù)合而成的支架材料可促進(jìn)皮膚成纖維細(xì)胞膠原的形成[13]。含有納米粘土的PGS/PCL 納米復(fù)合材料用于軟組織工程在細(xì)胞粘附和增殖方面甚至可以與培養(yǎng)基相媲美[14]。PGS 共聚乙二醇(PEG)與明膠混合制備的水凝膠能促進(jìn)細(xì)胞增殖和擴(kuò)散[15]。PGS 和聚羥基丁酸酯(PHB)的納米復(fù)合材料能促進(jìn)間質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[16]。但是，純PGS 也存在親水性較差、力學(xué)性能較低等問題，不利于直接用于組織修復(fù)工程[17–18]。

石墨烯(GR)、生物活性玻璃(BG)等具有增強(qiáng)聚合物材料力學(xué)性能、生物相容性和親水性等作用。其中，GR 因其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和細(xì)胞粘附性、較低的生物毒性等在生物醫(yī)用領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。Evlashin 等[19]發(fā)現(xiàn)添加GR的PCL 支架與未添加的相比表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和耐久性，GR 的添加可有效誘導(dǎo)細(xì)胞增殖。Behrouz等[20]發(fā)現(xiàn)聚多巴胺(PDA)表面改性的GR 可改善細(xì)胞粘附和細(xì)胞增殖并有效提高復(fù)合材料的彈性模量。Lin 等[21]研究發(fā)現(xiàn)BG 與聚己內(nèi)酯的復(fù)合纖維支架可有效地提高復(fù)合膜的親水性，也有利于人體皮膚成纖維細(xì)胞的增殖。Day 等[22]還發(fā)現(xiàn)BG 能夠促進(jìn)血管的生成；另外，BG 中特定離子對傷口愈合過程具有積極作用[23]。Zhao 等[24]將BG 添加到纖維蛋白膠中，發(fā)現(xiàn)BG 可增強(qiáng)復(fù)合水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，以及可促進(jìn)骨的形成?？梢姡珿R 和BG 均可顯著改善復(fù)合材料的力學(xué)性能、親水性和細(xì)胞粘附性。但目前還沒有關(guān)于GR 和BG 增強(qiáng)PGS 的研究。

以癸二酸和甘油為原料通過共聚法合成了聚癸二酸甘油酯預(yù)聚體(pPGS)，通過熱交聯(lián)法制備了PGS/BG/GR 復(fù)合材料，研究了BG，GR 對PGS/BG/GR 復(fù)合材料的力學(xué)性能、親水性等影響，獲得了具有足夠強(qiáng)度、極佳親水性的可用于皮膚修復(fù)工程的生物醫(yī)用材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 主要原材料

癸二酸、正硅酸乙酯(TEOS)：純度≥98%，上海麥克林生化科技有限公司；

磷酸三乙酯(TEP)：分析純，上海麥克林生化科技有限公司；

甘油：純度≥99.5%，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；

十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)：分析純，福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司；

三乙醇胺(TEA)：分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；

四水硝酸鈣(CN)：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

GR：工業(yè)級，南京先豐納米有限公司。

1．2 主要儀器及設(shè)備

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Spectrum-400型，美國Perkin Elmer 有限公司；

接觸角測量儀：DSA100 型，德國KRUSS 公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：EM-30plus 型，韓國COXEM 公司；

可變溫控制拉伸實(shí)驗(yàn)臺(tái)：TST-350 型，英國Linkam Scientific 公司；

熱重(TG)分析儀：STA 449 型，德國NETZSCH公司；

差示掃描量熱(DSC) 儀：Diamond 型，美國Perkin Elmer 有限公司；

X 射線衍射(XRD)儀：XRD-6100 型，日本島津公司。

1．3 復(fù)合材料的制備

(1) pPGS 的合成。

在三口燒瓶中加入物質(zhì)的量之比為1 ∶1 的甘油和癸二酸，在180℃、通氮?dú)?流量0.1 m3/h)的條件下，攪拌反應(yīng)2 h 得到混合物。將混合物溶于無水乙醇，透析袋(3500Da)透析，除去未反應(yīng)的甘油和癸二酸和低分子反應(yīng)物得到pPGS。

(2) BG 的合成。

采用溶膠-凝膠法，在燒瓶中加入8.7 mL 無水乙醇、2.5 g CTAC，64.8 mL 去離子水、4.6 g TEA后，置于60℃水浴加熱攪拌均勻后滴加7.3 mL TEOS，滴加后攪拌30 min，再滴加0.558 g TEP，攪拌25 min 水解完全，再添加1.546 g CN，攪拌反應(yīng)2 h 后冷卻至室溫，取反應(yīng)混合物高速離心(11 000 r/min)去上清液，無水乙醇洗滌凝膠狀沉淀物3～4 次[19，22]。將所獲得的凝膠產(chǎn)物放入干燥箱中150℃下干燥2 h，將干燥后的干凝膠研磨，于650℃馬弗爐中煅燒5 h，獲得BG。

(3) PGS/BG 復(fù)合材料的制備。

將BG 按照占pPGS/BG 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，1%，2%，3%，4% 的 加 入 量 分 別 加 入 到45% (W/V)的pPGS 乙醇溶液中，連續(xù)攪拌3 h。將溶液超聲30 min，使溶液混合均勻。將混合物澆鑄至6.5 cm×6.5 cm 的聚四氟乙烯模具中。在150℃真空條件下交聯(lián)5 h，得到PGS/BG 復(fù)合材料片材，將此片材置于乙醇中洗滌12 h，除去未交聯(lián)的pPGS。

(4) PGS/GR/BG 復(fù)合材料的制備。

在三口燒瓶中加入物質(zhì)的量之比為1 ∶1 的甘油和癸二酸以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GR 和BG，在180 ℃、通氮?dú)?流量0.1 m3/h)的條件下，攪拌反應(yīng)2 h得到混合物。將混合物澆鑄在聚四氟乙烯模具上平流成膜，置于150℃真空干燥箱交聯(lián)5 h，將此片材置于乙醇中洗滌12 h，除去未交聯(lián)的pPGS，得到PGS/GR/BG 復(fù)合材料。復(fù)合材料中各組分配方列于表1。

表1 復(fù)合材料各組分配方表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1．4 表征與性能測試

FTIR 分析：分辨率為2 cm–1，掃描波數(shù)為4 000～500 cm–1；

SEM 觀察：液氮淬斷試樣，斷面噴金處理，工作電壓12.5 kV，在不同放大倍率下觀察樣品微觀形貌；

創(chuàng)業(yè)價(jià)值觀是指個(gè)人對創(chuàng)業(yè)重要性的認(rèn)識，以及個(gè)人所擁有的創(chuàng)業(yè)憧憬、創(chuàng)業(yè)能力和資源積累意愿并通過社會(huì)責(zé)任感等因素共同作用而形成的穩(wěn)定的價(jià)值取向。一個(gè)大學(xué)生將來會(huì)不會(huì)走上創(chuàng)業(yè)之路、選擇哪個(gè)行業(yè)創(chuàng)業(yè)以及如何進(jìn)行創(chuàng)業(yè)等諸多方面都與其所擁有的創(chuàng)業(yè)價(jià)值觀有關(guān)，因此，培育大學(xué)生正確的創(chuàng)業(yè)價(jià)值觀顯得尤為重要，然而大學(xué)生正確價(jià)值觀的培育在大部分湖北省屬高校的創(chuàng)業(yè)課程中并沒有得到充分體現(xiàn)。對于大學(xué)生創(chuàng)業(yè)價(jià)值觀的教育可以通過引導(dǎo)大學(xué)生樹立創(chuàng)業(yè)理想、激發(fā)創(chuàng)業(yè)動(dòng)機(jī)、培養(yǎng)企業(yè)家精神等3個(gè)方面進(jìn)行培育，這需要老師收集大量的案例，通過理論教學(xué)和案例教學(xué)引導(dǎo)大學(xué)生樹立正確的創(chuàng)業(yè)價(jià)值觀。

拉伸性能：按照GB/T 1040.2–2008 測試，拉伸速率為10 mm/min；

應(yīng)力- 應(yīng)變：采用張應(yīng)力測試熱臺(tái)測試試樣的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，試樣尺寸為30 mm ×8 mm×0.6 mm，拉伸速度20 μm/s；

接觸角測試：在室溫條件下，采用液滴法測量樣品與水的接觸角；

TG 分析：取試樣5～10 mg，在氮?dú)鈼l件下，以10℃/min 的升溫速率從50℃加熱到700℃；

DSC：氮?dú)鈿夥眨魉贋?0 mL/min，以3℃/min 的升溫速率從–10℃加熱到30℃，在此溫度下維持3 min 消除試樣的熱歷史后，以3℃/min 冷卻到–10℃。再以3℃/min 的升溫速度從–10℃加熱至30℃，記錄樣品的DSC 曲線；

XRD：工作電壓為36 kV，電流為20 mA，選擇CuKa 射線，λ ＝0.154 06 nm，掃描步寬為0.02°，掃描速度為10°/min，掃描范圍2θ ＝10°～80°。

2 結(jié)果與討論

2．1 FTIR 及XRD 分析

圖1 為BG，PGS，PGS/BG 及PGS/GR/BG 復(fù)合材料的FTIR 及XRD 譜圖。由圖1 可見，2 930，2 857 cm–1處為PGS，3#樣品和9#樣品的亞甲基吸收峰，1 740 cm–1處為酯羰基中碳氧雙鍵的伸縮振動(dòng) 吸 收 峰，1 463 cm–1及1 458 cm–1處 為—CH2面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰。這表明PGS，PGS/BG 和PGS/BG/GR 存在共聚物PGS 的聚酯結(jié)構(gòu)。而3#樣品，9#樣品在1 242 cm–1處的P=O 伸縮振動(dòng)峰、1 084 cm–1處的Si—O—Si 非對稱伸縮振動(dòng)峰、798 cm–1處的 Si—O 對稱伸縮振動(dòng)峰以及583，461 cm–1處的 P—O 和Si—O—Si 彎曲振動(dòng)吸收峰與純BG 一致，說明BG 以填料的形式與PGS 復(fù)合為共混物。

圖1 BG，PGS，PGS/BG 及PGS/GR/BG 復(fù)合材料的FTIR 與XRD 譜圖

由圖1b 可見，PGS 在2θ=19.8°處出現(xiàn)明顯的寬衍射峰，說明PGS 屬于增結(jié)晶聚合物。在與摻雜了BG 的材料相比后發(fā)現(xiàn)，摻雜BG 的PGS/BG 復(fù)合材料的峰強(qiáng)度明顯下降，這是由于BG 是典型的非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合材料在固化過程中結(jié)晶性降低。此外在摻雜了GR 的PGS/GR 復(fù)合材料中可以明顯觀察到在2θ=26.38°附近存在GR 的強(qiáng)特征峰，并且PGS 的衍射峰強(qiáng)度得到了明顯的增強(qiáng)。

2．2 SEM 分析

圖2 PGS，BG，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的SEM 照片(放大2 000 倍)

2．3 力學(xué)性能分析

(1) BG 添加量對PGS 力學(xué)性能的影響。

PGS/BG 的拉伸性能如圖3 所示。由圖3 可見，純PGS 的斷裂伸長率為178.40%，隨著BG 含量的增加，PGS/BG 復(fù)合材料的斷裂伸長率逐漸降低。純PGS 的拉伸強(qiáng)度為0.35 MPa。隨著BG 的不斷加入，PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較純PGS 的提高了34%，此時(shí)PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸性能達(dá)到最佳。

圖3 PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸性能

圖4 為PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸彈性模量。由圖4 可見，純PGS 的拉伸彈性模量為0.2 MPa，當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%時(shí)，BG 對PGS 起到了明顯的增強(qiáng)作用，拉伸彈性模量顯著提高。圖5 為PGS/BG 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5 可見，PGS/BG 復(fù)合材料為韌性斷裂。當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，PGS/BG 復(fù)合材料的應(yīng)變雖有所降低，但其應(yīng)力和拉伸彈性模量均提高。這是由于BG 為剛性粒子作為增強(qiáng)相，與PGS 分子鏈間發(fā)生了相互作用的結(jié)果。隨著BG 添加量的增加，BG 納米填料在PGS 內(nèi)易產(chǎn)生團(tuán)聚，復(fù)合使材料在受到拉伸力作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

圖4 PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸彈性模量

圖5 PGS/BG 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(2) GR 添加量對PGS/BG 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

雖然BG 的加入改善了PGS 的力學(xué)性能，但PGS/BG 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度仍然較低，因此，通過GR 增強(qiáng)PGS/BG 復(fù)合材料的力學(xué)性能，從而得到力學(xué)性能更加優(yōu)異的復(fù)合材料。圖6 為PGS/BG/GR 復(fù)合材料的拉伸性能。PGS/BG 的拉伸強(qiáng)度隨GR 的增加而逐漸提高。這是由于GR 具有良好的力學(xué)性能，在受到外部拉伸作用時(shí)能夠有效地傳遞應(yīng)力，從而對復(fù)合材料起到了良好的增強(qiáng)效果。在受到拉伸載荷作用下，因GR 的拉伸彈性模量遠(yuǎn)大于聚合物基體的拉伸彈性模量，GR 受力發(fā)生斷裂消耗部分能量，使得PGS/BG/GR 復(fù)合材料的拉伸彈性模量隨GR 的增多而增大(如圖7 所示)。圖8為PGS/BG/GR 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，GR 的加入對復(fù)合材料的應(yīng)力起到了明顯的增強(qiáng)作用，但并未改變其斷裂方式，復(fù)合材料仍具有較好的韌性。當(dāng)BG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，GR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為純PGS 的3.57 倍、拉伸彈性模量為PGS 的5.5 倍。這種較高力學(xué)強(qiáng)度的生物相容性復(fù)合材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域也有著良好的應(yīng)用前景。

圖6 PGS/BG/GR 復(fù)合材料的拉伸性能

圖7 PGS/BG/GR 復(fù)合材料的拉伸彈性模量

圖8 PGS/BG/GR 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2．4 接觸角

PGS，BG 及PGS/BG/GR 復(fù)合材料與水的接觸角測試結(jié)果列于表2。試樣的親水性可以依據(jù)其與水的接觸角進(jìn)行評價(jià)，PGS 的接觸角為74.4°，親水性較弱。PGS 與BG 復(fù)合后，隨著BG 含量的增加，PGS/BG 復(fù)合材料的接觸角逐漸減小，當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其接觸角已經(jīng)降到了31.1°。BG 的添加有效地提高了PGS/BG 復(fù)合材料的親水性。此外，GR 的加入也能有效地減小PGS 的接觸角，當(dāng)GR 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，接觸角降到了44.7°。同時(shí)在材料中加入BG 和GR 時(shí)，對材料親水性的改變起到協(xié)同作用，在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的GR 基礎(chǔ)上再加入2%的BG 時(shí)，接觸角為30.7°，較純PGS 降低了58.7%接近2/3，這將有利于PGS/BG/GR 對組織液的吸收，滿足創(chuàng)面修復(fù)材料的需要。

表2 PGS 及其復(fù)合材料接觸角 (°)

2．5 TG 分析

圖9 為PGS 和PGS/BG，PGS/BG/GR 復(fù) 合 材料的TG 和DTG 曲線。

圖9 PGS，PGS/BG 和PGS/GR/BG 復(fù)合材料的TG 和DTG 曲線

由圖9 可見，PGS/BG 復(fù)合材料的初始分解溫度和最大分解速率溫度較純PGS 有所提高。當(dāng)BG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，PGS/BG 復(fù)合材料的初始分解溫度比純PGS 材料的369℃提高了8℃。最大分解速率溫度與純PGS 相差不大。這是由于BG 為高耐熱納米無機(jī)材料(產(chǎn)物在650℃煅燒5 h)，加入BG 使PGS 在前期加熱過程中表面脫水，后期的部分成炭層與BG 填料共同起到隔熱、隔氧的作用，也使得高溫階段的殘?zhí)柯视兴黾樱f明BG 填料使PGS/BG 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性提高。在材料中加入GR 之后，當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，GR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的最大熱失重速率溫度幾乎不變，但殘?zhí)柯拭黠@提升，這是由于加入GR后促進(jìn)了PGS 的高溫成炭，使復(fù)合材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性提高。

2．6 DSC 分析

圖10 為PGS 及其復(fù)合材料的DSC 二次升溫曲線圖。結(jié)晶焓(ΔHm)及最大結(jié)晶速率溫度(Tc)經(jīng)計(jì)算列于表3。從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，純PGS 具有一定的結(jié)晶性，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的BG 后，使得PGS/BG 的Tc向低溫方向移動(dòng)，且PGS/BG 的ΔHm減小，結(jié)晶度稍有降低。這是由于BG 的加入一定程度上限制了PGS 分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使得PGS 分子鏈有序排列更加困難，從而ΔHm下降；而GR 片層間存在大量的滑移層，同時(shí)，在升溫過程中由于GR自身熱導(dǎo)率較高，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的GR 后，PGS/GR 復(fù)合材料內(nèi)部分子鏈運(yùn)動(dòng)速率較快，復(fù)合材料可在較低溫下結(jié)晶，更易形成有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致ΔHm提高，Tc向低溫方向移動(dòng)。PGS 與BG，GR 二者復(fù)合后，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的ΔHm較純PGS變化不大，但Tc降低至–3.09℃。

圖10 PGS 及其復(fù)合材料的DSC 曲線

表3 PGS 及其復(fù)合材料結(jié)晶性能

3 結(jié)論

(1) BG，GR 可以有效地提高PGS 的力學(xué)性能，當(dāng)BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、GR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳，其拉伸強(qiáng)度為純PGS 的3.57 倍、拉伸彈性模量為PGS 的5.5 倍。

(2) GR 與BG 的協(xié)同作用能改善PGS 的親水性，BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、GR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的接觸角較純的PGS 降低了58.7%。

(3) BG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、GR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的最大熱失重速率溫度幾乎不變，但殘?zhí)柯拭黠@增加，GR 使PGS/BG/GR 復(fù)合材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性提高。同時(shí)，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的最大結(jié)晶速率溫度降低至–3.09℃，PGS/BG/GR 復(fù)合材料的結(jié)晶焓較PGS 變化不大。