楊若爽，王明輝，申小清

(1.鄭州大學(xué)護(hù)理與健康學(xué)院,鄭州 450001； 2.南陽(yáng)理工學(xué)院,河南南陽(yáng) 473000； 3.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

聚乳酸(PLA)是一種以可再生的植物資源為原料經(jīng)過(guò)化學(xué)方法合成的高分子材料,其無(wú)毒、可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度高、易加工成型,并且具有優(yōu)良的可降解性和生物相容性。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]。這種環(huán)境友好型材料目前有可能用于替代現(xiàn)有的石油基塑料制品以解決當(dāng)前嚴(yán)重的污染問(wèn)題,而其所具有的良好生物相容性則使之可能成為藥物載體材料和組織工程中的支架材料,如藥品緩釋材料、手術(shù)縫合線(xiàn)和骨手術(shù)材料等。然而PLA的力學(xué)性能和熱性能較差,該缺陷如果能夠通過(guò)復(fù)合和改性等手段得以改善,則有望成為極具前途的新型功能材料[2-3]。

羥基磷灰石(HA)的化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2,是人體骨組織的主要成分。HA晶體最外層結(jié)構(gòu)中含有大量羥基和氧原子,晶體具有較高的比表面能,因此其化學(xué)活性較高[4]。人工制備的醫(yī)用HA主要廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)和金屬假體的涂層,是人體骨損傷時(shí)較為理想的骨修復(fù)及替代材料[5-8]。但是,單純的HA 材料多為微晶,需要載體支架附著構(gòu)造才能應(yīng)用于骨組織工程,故需要對(duì)其改性或與其它材料復(fù)合。將PLA 和HA 進(jìn)行復(fù)合,可以改善材料的強(qiáng)度,更重要的是可以賦予復(fù)合材料骨的傳導(dǎo)性,進(jìn)而得到較理想的生物復(fù)合材料[9-10]。近年來(lái)對(duì)PLA/HA 復(fù)合材料的制備多有報(bào)道,制備方法和材料性能也各有差異[11-13]。筆者采用了未見(jiàn)報(bào)道的新思路,利用溶膠沉積附著生長(zhǎng)法制備復(fù)合材料。確定了PLA 支架的最優(yōu)孔隙率,然后使HA 在PLA 支架上附著生長(zhǎng)制備出新型PLA/HA 多孔復(fù)合材料,并確定了HA溶膠的最佳濃度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

Ca (NO3)2·4H2O,(NH4)3PO4·3H2O：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；

檸檬酸鈉：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氨水、NaCl：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；

CH2Cl2：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

PLA：4032D,美國(guó)Nature Works有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

電子天平：ZK-FA210S 型,福州華志科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9146A 型,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

X射線(xiàn)衍射(XRD)儀：D8 Advance型,德國(guó)布魯克公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：US800型,日本日立高新技術(shù)有限公司；

差示掃描量熱（DSC）儀：DSC204 型,德國(guó)NETZSCH公司；

熱重(TG)分析儀：TG209 型,德國(guó) NETZSCH公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

（1）不同配比的PLA多孔材料的制備。

將 PLA 溶于 CH2Cl2中,使 PLA 在 CH2Cl2溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是15%,待PLA完全溶解,加入NaCl,控制PLA與NaCl的質(zhì)量比是1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,1∶7,以制備不同孔隙率的多孔材料。經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?將糊狀混合物轉(zhuǎn)入布氏漏斗中密封,靜置后抽濾,使溶劑從混合物的下表面充分揮發(fā)、干燥,制成立方塊。浸入法除去NaCl,干燥,即可得到最終產(chǎn)物。

（2）HA膠體的制備。

稱(chēng)取1.25 g的檸檬酸鈉和23.6 g的Ca(NO3)2分別加入到100 mL蒸餾水中完全溶解,混合后加入氨水,調(diào)節(jié) pH 值至 12。另稱(chēng)取12.2 g 的(NH4)3PO4,用l00 mL蒸餾水溶解,加入氨水調(diào)節(jié)pH至10～11。將(NH4)3PO4液緩慢逐滴加入到持續(xù)攪拌的Ca(NO3)2溶液中。升高溫度反應(yīng)3 h,最終得到淡藍(lán)色半透明的HA水溶膠,投料量計(jì)算制得水溶膠中HA濃度約為50 g/L,記為C2。另取3份等量的HA水溶膠,通過(guò)自然揮發(fā)及加入相同pH 的去離子水稀釋,使其濃度為100,35 g/L 和25 g/L,分別標(biāo)記為C1,C3,C4。

(3)PLA/HA復(fù)合材料的制備。

將制備的 PLA 與 NaCl 質(zhì)量比為 1∶6 的支架浸入到HA 溶膠濃度分別是C1,C2,C3,C4 的水溶膠中,浸泡一定時(shí)間后干燥,檢測(cè)HA在支架上附著生長(zhǎng)情況。

1.4 性能測(cè)試與表征

XRD 測(cè)試：電壓40 kV、電流100 mA。掃描角度10°～80°,掃描速率為3°/min。

孔隙率測(cè)試：采用液體置換法測(cè)試多孔材料的孔隙率。干燥樣品質(zhì)量(m1),乙醇充分占滿(mǎn)空穴質(zhì)量(m2)?？紫堵师蛋匆韵鹿接?jì)算：

式中：ρ1(無(wú)水乙醇)=0.79 g/mL；ρ2(PLA)=1.27 g/mL。

SEM：測(cè)試前對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金處理,對(duì)復(fù)合材料形貌進(jìn)行觀察。

TG 分析：稱(chēng)取 5～10 g 樣品,N2氣氛,升溫速率為10℃/min。DSC 使用鋁坩堝,溫度范圍為25～350℃；TG使用氧化鋁坩堝,溫度范圍25～600℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLA多孔材料孔隙率分析

圖1 是PLA 多孔支架的孔隙率隨PLA 與致孔劑NaCl 的質(zhì)量比變化圖。PLA∶NaCl 質(zhì)量比為1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,1∶7 分別記為試樣1、試樣2、試樣3、試樣4、試樣5。由圖1可以看出,隨PLA∶NaCl質(zhì)量比按1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,1∶7順序逐漸減小,即Na-Cl占混合物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,樣品孔隙率逐漸增大。當(dāng)PLA∶NaCl的質(zhì)量比為1∶6和1∶7時(shí),樣品孔隙率增加緩慢,綜合考慮強(qiáng)度和孔隙率,選擇1∶6為致孔劑配比。

圖1 PLA多孔支架的孔隙率

2.2 HA溶膠的結(jié)構(gòu)分析

圖2 為加入分散劑檸檬酸鈉前后的HA 溶膠的XRD圖。經(jīng)與HA的JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片(00-001-1008)對(duì)照,該樣品特征晶面的衍射峰與其一一對(duì)應(yīng),2θ角分別是26°和32°的高峰代表HA的可結(jié)晶性。由圖2可以看出,加分散劑后HA衍射峰寬化,峰形不很尖銳,晶粒粒度小,結(jié)晶程度不完善,但這與人體骨骼中所含HA的結(jié)晶程度相似[14-15]。

圖2 HA溶膠的XRD圖譜

在HA 溶膠制備過(guò)程中未加分散劑時(shí)HA 衍射峰尖銳,說(shuō)明結(jié)晶度高,晶粒粒度大。由此說(shuō)明,分散劑的加入可限制HA 晶體生長(zhǎng)過(guò)大,有利于制備較小晶粒尺寸的HA。其中原因可能是,檸檬酸根離子通過(guò)靜電作用吸附在HA表面,改變了HA的表面電荷。使其因靜電排斥作用以單個(gè)顆粒的形式趨于彼此遠(yuǎn)離,從而增加了溶膠的穩(wěn)定性。

2.3 PLA多孔支架上HA的附著生長(zhǎng)觀察

(1)多孔復(fù)合材料PLA/HA的SEM分析。

圖3是將PLA多孔支架浸泡于不同濃度HA溶膠中進(jìn)行附著生長(zhǎng),所制備的PLA/HA 復(fù)合支架的SEM照片。由圖3可以看出,當(dāng)HA溶膠濃度是C2,C3,C4時(shí),孔隙明顯,孔壁和部分孔隙內(nèi)充滿(mǎn)了HA晶粒,表明HA已成功附著在PLA支架上,支架孔隙貫通性良好。當(dāng)HA溶膠濃度是C1時(shí),支架表面幾乎被HA 溶膠覆蓋,孔隙被HA 溶膠堵住,此時(shí)的復(fù)合支架已經(jīng)不能滿(mǎn)足生物材料支架的要求。

(2)多孔復(fù)合材料PLA/HA的孔隙率分析。

圖4 是PLA 多孔支架浸泡于不同濃度的溶膠中,HA附著生長(zhǎng)后制備的PLA/HA復(fù)合多孔材料的孔隙率。由圖4 可以看出,當(dāng)HA 膠體濃度是C1 即100 g/L 時(shí),孔隙率是 47%；HA 膠體濃度是 C4 即 25 g/L 時(shí),孔隙率是72%。隨HA 膠體濃度的降低,孔隙率逐漸升高。其原因是膠體濃度過(guò)大,浸泡時(shí)附著生長(zhǎng)在支架上的HA顆粒就會(huì)無(wú)序增加填充孔洞空間,同時(shí)HA占支架的體積分?jǐn)?shù)也會(huì)增加,造成孔隙率隨之降低。由于材料后期應(yīng)用需要保證Ca,P粒子的有效沉積,保持適當(dāng)?shù)目紫堵适嵌嗫撞牧现苽涞谋貍錀l件,故選擇C2,即50 g/L為最佳濃度。

圖4 PLA/HA復(fù)合多孔材料的孔隙率

(3)HA附著生長(zhǎng)后多孔材料的DSC分析。

圖5 是附著生長(zhǎng)法制備的PLA/HA復(fù)合材料的DSC 曲線(xiàn)。由圖5 可以看出,PLA 支架在不同濃度HA 膠體浸泡后,在升溫曲線(xiàn)上仍存在三個(gè)主要變化區(qū)間,與玻璃化轉(zhuǎn)變、冷結(jié)晶、晶相轉(zhuǎn)變一一對(duì)應(yīng),58℃附近是PLA 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間,溶膠濃度對(duì)附著生長(zhǎng)產(chǎn)物的影響不大。在120℃附近出現(xiàn)一個(gè)寬冷結(jié)晶放熱峰,產(chǎn)生寬峰的原因可能是由于HA 晶體顆粒在大分子鏈間的充斥和靜電作用,限制了PLA 分子鏈的運(yùn)動(dòng),影響了結(jié)晶重排的速度。冷結(jié)晶峰溫度隨著HA溶膠濃度的增加變化亦不顯著。150℃左右是熔融峰,此時(shí)復(fù)合材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變,此處可以明顯看出,以C2濃度溶膠制備的多孔支架的熔融峰面積最小,說(shuō)明此時(shí)HA 的沉積生長(zhǎng)對(duì)PLA 的原有性質(zhì)影響較大,間接說(shuō)明相容性最好[16]。

圖5 多孔復(fù)合材料的DSC曲線(xiàn)

(4)HA附著生長(zhǎng)后多孔材料的TG分析。

圖6是附著生長(zhǎng)法制備的PLA/HA復(fù)合材料的TG 曲線(xiàn)。由圖6 可以看出,PLA 在不同濃度的HA膠體溶液中浸泡后,復(fù)合材料的失重分為兩個(gè)階段：160～280℃的第一階失重是HA 在PLA 支架表面附著生長(zhǎng)時(shí)夾帶少量的檸檬酸以及制備HA膠體時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物硝酸銨分解導(dǎo)致,硝酸銨在185～200℃時(shí)分解成N2O和H2O,在230℃以上時(shí),分解成N2,O2和H2O；檸檬酸在175℃以上分解釋放出H2O和CO2；300℃左右是第二階失重,主要是PLA 分解成CO2和H2O。隨著浸泡液中HA膠體濃度的增加,HA 占復(fù)合材料的質(zhì)量比逐漸增加,復(fù)合材料失重率越來(lái)越小。圖中TG曲線(xiàn)在約320℃后不再失重,其殘留物為HA,據(jù)此可計(jì)算出在C1,C2,C3 和C4濃度的HA溶膠中浸泡所得PLA/HA復(fù)合多孔材料中HA的含量分別約為19.8%,13.8%,7.6%和4.4%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本符合。

圖6 PLA/HA復(fù)合材料的TG曲線(xiàn)

3 結(jié)論

(1)采用溶劑澆鑄/真空揮發(fā)/粒子瀝濾法制備了孔徑是 178 μm 的 PLA 支架,當(dāng) PLA 與致孔劑氯化鈉的配比為1∶6時(shí),成型后支架的綜合性能最優(yōu)；采用化學(xué)沉淀法制備出穩(wěn)定且分散性較好的HA 溶膠,此法制備的納米HA純度較高,粒徑較小。檸檬酸鈉的加入使得溶膠能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在,有利于晶粒在PLA支架上的附著生長(zhǎng)。

(2)采用附著沉積生長(zhǎng)法制備了PLA/HA 多孔復(fù)合材料。HA溶膠浸潤(rùn)到PLA支架內(nèi)部之后可以成功附著并生長(zhǎng)沉積,使得支架孔隙內(nèi)部充盈短棒狀的HA晶體,且支架孔隙貫通性良好。

(3)DSC分析表明了HA溶膠濃度是50 g/L時(shí),所制備的多孔復(fù)合材料中PLA 和HA 相容性最好,TG 分析表明了所制備的PLA/HA 多孔復(fù)合材料中PLA含量與理論值相符合。