表面改性納米纖維素/羥基磷灰石納米復(fù)合材料的制備與性能研究

楊可晴，朱玉，趙一陽，楊京龍，陳宗舉，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）

人工骨替代材料均具有良好的生物相容性、生物活性和骨傳導(dǎo)性，可用于治療骨缺損[1]。羥基磷灰石（HA）是一種生物活性礦物，還是天然骨無機(jī)鹽的主要成分[2-6]。HA 能提高生物聚合物的骨傳導(dǎo)性，可以促進(jìn)骨細(xì)胞增殖和成骨細(xì)胞礦化，是目前公認(rèn)的最具潛力的骨組織修復(fù)材料[7-8]。合成HA 晶體的許多特性與其粒徑大小密切相關(guān)，當(dāng)粒徑介于1～100 nm時，納米羥基磷灰石（n-HA）晶體與普通HA 顆粒相比，具有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)。其具有高表面積，與自然骨的化學(xué)相似性較高，相對于普通HA，有更大的表面能和更高的生物活性等[9-10]。但是，n-HA單獨作為骨組織工程材料，存在脆性大、不易降解等諸多問題[11-13]。把高韌性的高分子基質(zhì)與高剛性的n-HA 巧妙結(jié)合，使其最大程度地實現(xiàn)兩種成分的優(yōu)勢互補(bǔ)和協(xié)同優(yōu)化，可賦予仿生納米復(fù)合材料高強(qiáng)韌的力學(xué)性能[14]，解決骨組織工程材料的強(qiáng)度低、脆性大等問題。納米纖維素（NCC）是一種從天然多糖高分子——纖維素纖維中提取的棒狀纖維素晶體，直徑為2～20 nm，長度可達(dá)幾百納米，具有很高的長徑比或形態(tài)比[15]。同時，NCC 還具有結(jié)晶度高、柔韌性和生物相容性良好等特點[16-18]。納米纖維素/羥基磷灰石（NCC/HA）復(fù)合材料不僅可顯著改善骨材料的力學(xué)性能和生物相容性，組分中的HA 還可為骨修復(fù)部位提供優(yōu)質(zhì)鈣、磷元素的來源[19]。

未經(jīng)表面處理的NCC 極易團(tuán)聚、親水性強(qiáng)的特點，嚴(yán)重限制了其在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。NCC比表面積大，表面羥基十分豐富，會導(dǎo)致加工干燥過程中，粒子間很容易通過氫鍵、范德華力作用發(fā)生不可逆團(tuán)聚，使其在水以及有機(jī)溶劑等分散體系中的分散性差。對NCC 進(jìn)行表面修飾，既提高了NCC 的表面疏水性，又可以改善其在溶劑中的分散性[20-25]。

本文使用環(huán)氧丙烷對NCC 進(jìn)行表面改性，將環(huán)氧丙烷接枝到NCC 的羥基上，得到羥丙基納米纖維素（NCC-HPC）。運(yùn)用共沉淀的方法，在NCC-HPC的表面沉積合成羥基磷灰石納米晶體，并利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X 射線衍射光譜儀（XRD）、接觸角測量儀、掃描電鏡（SEM）、電子能譜儀（EDS）、力學(xué)試驗機(jī)和熱重分析儀（TGA）等對羥丙基納米纖維素/羥基磷灰石（NCC-HPC/HA）納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征和研究。

1 試驗

1.1 材料制備方法

1.1.1 NCC-HPC 的制備

取10 g 微晶纖維素（MCC）加入到單口燒瓶中，逐滴加入100 mL 60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的H2SO4，在50 ℃恒溫水浴下攪拌2 h，得到NCC 懸浮混合液。將懸浮混合液倒入盛有500 mL 蒸餾水的燒杯中，使之停止反應(yīng)。將所得混合液放入離心管中，以8000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心10 min 后，除去上層酸性液體，重復(fù)離心5次。將收集到的離心管內(nèi)下層膠體狀NCC 液體移入已處理好的透析袋中（截留分子量14 000），把透析袋放入蒸餾水中，定期更換蒸餾水，直至透析液呈中性。將得到的NCC 溶膠用冷凍干燥機(jī)（SCIENTZ-18ND，中國）進(jìn)行真空冷凍干燥36 h，制得NCC 粉末。

取10 g NCC 粉末加入三口燒瓶中，加入60 mL異丙醇和1.5 g NaOH，室溫下攪拌1 h，移入冰水浴冷卻30 min，加入20 mL 環(huán)氧丙烷，反應(yīng)30 min，升溫至50 ℃，恒溫反應(yīng)8 h，得到環(huán)氧丙烷表面改性的納米纖維素的堿性溶液。將NCC-HPC 的堿性溶液移入透析袋中，同樣透析至中性，真空冷凍干燥36 h，得到NCC-HPC 粉末。環(huán)氧丙烷表面改性納米纖維素反應(yīng)原理如圖1 所示。

圖1 環(huán)氧丙烷表面改性NCC 反應(yīng)原理Fig.1 Schematic diagram of NCC reaction of surface modification of propylene oxide

1.1.2 NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的制備

將一定體積的0.25 mol/L Ca(NO3)2·4H2O 溶液在攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min 的作用下充分?jǐn)嚢瑁尤隢CC-HPC 混懸溶液，并逐滴加入20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的氨水溶液，調(diào)節(jié)Ca(NO3)2·4H2O 溶液的pH 值。當(dāng)pH 值達(dá)到10～11 時，再開始滴加0.15 mol/L (NH4)2HPO4溶液，得到白色沉淀溶液。反應(yīng)過程中，不斷滴加氨水溶液，保持溶液的pH 值為10～11。原料滴加完畢后，連續(xù)攪拌2 h。在常溫下陳化處理24 h，真空冷凍干燥36 h，得到NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料。

1.2 結(jié)構(gòu)測試與表征

1）采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR，Spectrum 400，美國 PerkinElmer 公司）測定納米纖維素和NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的紅外光譜，掃描范圍為400～4000 cm–1。

2）采用 X 射線衍射光譜儀（XRD，X'Pert3 Powder，荷蘭PANalytical 公司）測定納米纖維素和NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的物相結(jié)構(gòu)，掃描速率為2 (°)/min，掃描區(qū)間為10°～80°。

3）采用接觸角測量儀（DSA100 德國KRUSS公司），在室溫下測量（液滴法）樣品與水的接觸角。將納米纖維素試樣置于載玻片上，以去離子水作為測試液體，再利用Laplace-Young 法計算得到樣品的接觸角。

4）采用掃描電鏡（SEM，JSM-7500F，日本JEOL公司）及電子能譜儀（EDS，OXFORD X-MaxN，英國 Oxford Instruments 公司），對納米纖維素與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的表面形貌及元素分布進(jìn)行分析。

5）將納米纖維素與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料粉末置于矩形模具中（長度為 100 mm，寬度為10 mm），以2 MPa 的壓力壓縮成形，用萬能力學(xué)試驗機(jī)（RTG-20A，中國瑞格爾公司）測試材料試樣的拉伸性能（拉伸速率為10 mm/min）和彎曲性能（測試速率為2 mm/min）。將納米纖維素、NCC-HPC/HA納米復(fù)合材料試樣粉末置于圓柱形模具中（直徑為10 mm），以2 MPa 的壓力壓縮成形，用萬能力學(xué)試驗機(jī)測試復(fù)合材料的抗壓縮性能，壓縮位移為0.4 mm，壓縮速度為2 mm/min。

6）用熱重分析儀（TGA，Pyris 1，美國PerkinElmer公司）對納米纖維素與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料進(jìn)行熱重分析，溫度范圍為45～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，獲得熱重（TG）、微商熱重（DTG）曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

納米纖維素和NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的FT-IR 譜見圖2。MCC 和NCC 的紅外圖譜中顯示，在3347 cm–1（—OH 振動峰）、2900 cm–1（C—H 伸縮振動峰）、1430 cm–1（C—H 彎曲振動峰）、1058 cm–1（纖維素醇C—O 伸縮振動峰）、1112 cm–1（纖維素分子內(nèi)醚C—O 伸縮振動峰）、1165 cm–1（C—C 伸縮振動峰）處均有吸收。由此可見，實驗制備的NCC與原料MCC 相比，特征峰并無明顯變化，仍然具有纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。NCC-HPC 紅外譜圖則在2973 cm–1處有羥丙基纖維素的特征峰存在，這表明NCC 表面羥丙基化為NCC-HPC。其在3347 cm–1處峰的強(qiáng)度變?nèi)酰f明改性后NCC 中的—OH 含量變小，部分官能團(tuán)去質(zhì)子化。在NCC-HPC/HA 的紅外譜圖中，1641、566、603 cm–1（O—P—O 彎曲振動峰）處表現(xiàn)出HA 的特征吸收峰。

圖2 MCC、NCC、NCC-HPC 和NCC-HPC/HA 的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of MCC, NCC, NCC-HPC and NCC-HPC/HA

2.2 XRD 分析

通過XRD 分析了納米纖維素和NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的物相結(jié)構(gòu)，從MCC、NCC、NCC-HPC的X 射線衍射圖（圖3）中可以看出，它們在2θ為16.38°、22.72°、34.56°處都有對應(yīng)的衍射峰。這些特征與I 型纖維素的衍射圖相符，說明纖維素在硫酸水解和利用HPC 改性的過程中，幾乎沒有發(fā)生晶型結(jié)構(gòu)的變化。NCC-HPC/HA 樣品分別在2θ為25.98°、32.24°、39.64°、46.62°、49.74°處表現(xiàn)出HA 典型的X 射線衍射特征峰和纖維素的衍射峰，表明納米纖維素表面生成了羥基磷灰石。

圖3 MCC、NCC、NCC-HPC、HA 和NCC-HPC/HA 的XRD 譜圖Fig.3 XRD patterns of MCC, NCC, NCC-HPC, HA and NCC-HPC/HA

2.3 納米纖維素的接觸角分析

純NCC 與NCC-HPC 的接觸角測試結(jié)果如圖4所示。因為純纖維素樣品含有大量羥基，具有良好的親水性，所以NCC 與水的接觸角β=17°，而NCC-HPC與水的接觸角β=55.3°。二者相比，NCC-HPC 的接觸角增加了38.3°，疏水性明顯增加。這表明環(huán)氧丙烷對納米纖維素表面改性，降低了NCC 的表面親水性。

圖4 納米纖維素和NCC-HPC 與水的接觸角照片F(xiàn)ig.4 (a) Nanocellulose and (b) NCC-HPC contact angle with water

2.4 分散性分析

以經(jīng)過干燥處理的NCC 為基體制備納米纖維素/羥基磷灰石納米復(fù)合材料過程中，需要對NCC 進(jìn)行再分散。經(jīng)冷凍干燥過的NCC 粒子間很容易通過氫鍵、范德華力等作用，發(fā)生不可逆團(tuán)聚，使其在水以及有機(jī)相等分散體系中的再分散性差。實驗考察了時間對NCC、NCC-HPC、NCC 再分散溶液、NCC-HPC再分散溶液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖5。幾種粉體經(jīng)過超聲波分散的情況如圖5a 所示，試樣全部被分散成良好的懸濁液。試樣超聲分散結(jié)束2 h 后的沉淀情況如圖5b 所示，NCC、NCC-HPC 混懸液穩(wěn)定，干燥的NCC 粉體經(jīng)過超聲分散后，2 h 已經(jīng)沉降完全，而經(jīng)環(huán)氧丙烷改性的NCC-HPC 具有良好的膠體穩(wěn)定性，沒有沉降。超聲波分散后，24 h 內(nèi)實驗結(jié)果仍未發(fā)生顯著改變，如圖5c 所示。這是因為通過化學(xué)接枝的方法對NCC 進(jìn)行表面修飾后，NCC 表面的羥基基本被羥丙基取代，使得NCC 顆粒之間很難形成氫鍵或者氫鍵作用大為減弱，極大地減少了顆粒之間的靜電吸引力。同時，因為改性在NCC 表面引入了羥丙基基團(tuán)，使得顆粒表面變得蓬松，粒子之間堆砌不緊密，顆粒之間的吸附作用也大為減弱，因此在超聲波的作用下易于重新分散。此外，引入的羥丙基基團(tuán)與分散體系相溶性較好，因此水分子易通過溶劑化作用滲入到改性后的NCC 顆粒表面，減弱了顆粒之間的相互作用，從而使其更易分散，且穩(wěn)定性更好。環(huán)氧丙烷表面改性可顯著增加NCC 的再分散性，這可為制備NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料提供有利的條件。

圖5 NCC、NCC-HPC 再分散懸濁液在不同時間間隔下的沉降結(jié)果Fig.5 Settlement results of redistributed suspension of NCC and NCC-HPC at different time intervals: a) just after ultrasound; b)2 hours after ultrasound; c) 24 hours after ultrasound

2.5 SEM 和EDS 分析

從圖6a 中可以看出，MCC 經(jīng)酸水解后所得的NCC，形狀呈線狀，結(jié)構(gòu)規(guī)整。從圖6a′中大致可見NCC纖維的長度約為600～1000 nm，直徑約為15～30 nm，其長徑比約為20～80，具有良好的結(jié)晶性以及較高的長徑比。酸水解主要作用于纖維素的非結(jié)晶區(qū)，通過硫酸水解作用，將纖維素解成小段。酸水解后的納米纖維素的長度隨反應(yīng)時間的增長而變短，所以可以通過調(diào)節(jié)酸水解的時間控制纖維素的長度和長徑比。比較圖6a、a′、b、b′可以看出，環(huán)氧丙烷表面改性僅改變了纖維素的表面活性官能團(tuán)，而基本沒有改變NCC的形態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。NCC-HPC 和n-HA 共沉淀后的NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料表面形貌如圖6c、c′所示，HA 為粒徑約10～40 nm 的納米球形顆粒，這些納米 HA 微球均勻分布在線狀 NCC-HPC 上。由NCC-HPC/HA 表面的元素EDS 分析結(jié)果（見圖7）可以清楚地觀察到Ca（圖7c）和P（圖7d）的分布情況，Ca、P 元素均勻分布在NCC-HPC/HA 表面，Ca/P 原子比為1.64（圖7b），接近天然骨組織中HA的Ca/P 摩爾比1.67[26-28]。

圖6 NCC、NCC-HPC、NCC-HPC/HA 的SEM 形貌Fig.6 SEM images of NCC, NCC-HPC, NCC-HPC/HA

圖7 NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料表面EDS 圖Fig.7 EDS diagram of NCC-HPC/HA nanocomposite surface: a) SEM diagram; b) EDS spectrum; c) Distribution of Ca elements in NCC-HPC/HA; d) Distribution of element P in NCC-HPC/HA.

2.6 力學(xué)性能分析

2 MPa 的壓力下，對n-HA、MCC 和n-HA 混合物以及NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料進(jìn)行單軸壓縮成形。NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料試樣如圖8 所示。NCC、NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果如圖9 所示，抗壓強(qiáng)度如圖10 所示。純n-HA 及由MCC 和n-HA 組成的混合物材料，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度相對較低。而在NCC 和NCC-HPC表面沉積合成n-HA 所制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度，比純n-HA 和MCC/n-HA 復(fù)合物有很大提高。經(jīng)羥丙基化改性后得到的NCC-HPC/HA，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到3.48 MPa，與純的n-HA 相比，提高了7.4倍；彎曲強(qiáng)度達(dá)到5.22 MPa，提高了2.6 倍；壓縮強(qiáng)度可達(dá)到2.11 MPa，提高了1.7 倍。該試樣比用類似方法制備的未改性NCC/HA 的力學(xué)性能要高。相比純n-HA，由于NCC 填料的加入以及彌散作用，使整體結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性能得以提升。經(jīng)表面修飾的納米纖維素制備的NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料與未經(jīng)表面修飾的NCC 制備的NCC/HA 納米復(fù)合材料相比，拉伸強(qiáng)度提高了6.7%，彎曲強(qiáng)度提高了4.4%，壓縮強(qiáng)度提高了4.7%。經(jīng)過羥丙基改性后，納米纖維素表面親水性和氫鍵作用減弱，使NCC-HPC/HA納米復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)一步得到提升。

圖8 經(jīng)單軸壓縮后的NCC-HPC/HA 復(fù)合材料的照片F(xiàn)ig.8 Image of NCC-HPC/HA composite material after uniaxial compression

圖9 HA、MCC/HA、NCC/HA 與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength and bending strength of HA and MCC/HA、NCC/HA and NCC-HPC/HA nanocomposites

圖10 HA、MCC/HA、NCC/HA 與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度Fig.10 Compressive strength of HA and MCC/HA、NCC/HA and NCC-HPC/HA nanocomposites

2.7 熱重分析

NCC、NCC-HPC 與NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的熱重（TG）及微商熱重（DTG）曲線如圖11 所示。從3 種材料的TG 曲線分別可以看出，5%的失重溫度分別為266.1、121.4、245.5 ℃。NCC 經(jīng)過羥丙基化后，在107.6～152.0 ℃階段有一個較大的失重反應(yīng)，質(zhì)量損失約9.6%，說明NCC-HPC 在此溫度范圍有脫出小分子反應(yīng)。后續(xù)溫度范圍內(nèi)，NCC-HPC 與純NCC以及NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的降解趨勢相同。由于 n-HA 對 NCC-HPC 的包覆作用，減弱了NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料中NCC-HPC 的低溫分解能力，因此在NCC-HPC/HA 納米復(fù)合材料的TG曲線中，未見低溫分解現(xiàn)象。從DTG 圖中可以看出，NCC 最大分解速率對應(yīng)的溫度為319.8 ℃，是纖維素的脫水階段降解反應(yīng)。而NCC-HPC、NCC-HPC/HA各有2 個最大分解速率峰，說明有兩步分解過程存在。NCC-HPC 的失重比NCC 稍大一些，說明在其表面部分不穩(wěn)固的羥丙基先期分解損失掉一部分，說明環(huán)氧丙烷表面改性NCC 不僅提高了表面疏水性，還保護(hù)了納米纖維素表面的羥基熱分解失重，增加了高溫成炭量，使 NCC-HPC 的熱穩(wěn)定性得以提高。NCC-HPC/HA 的殘余質(zhì)量約48.9%，扣除NCC-HPC生成炭的質(zhì)量，NCC-HPC/HA 中HA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為36.4%。

圖11 NCC、NCC-HPC 和NCC-HPC/HA 的TG 和DTG曲線Fig.11 TG and DSC curves of NCC, NCC-HPC and NCC-HPC/HA

3 結(jié)論

1）在硫酸水解微晶纖維素獲得的納米纖維素（NCC）基礎(chǔ)上，用環(huán)氧丙烷在堿性條件下對NCC進(jìn)行表面羥丙基化處理，得到改性羥丙基納米纖維素（NCC-HPC）。改性后的NCC-HPC 與水接觸角增加，表面疏水性得到加強(qiáng)，再分散性得到了改善。纖維素的微觀物相結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，熱穩(wěn)定性增加。

2）采用共沉淀法在NCC-HPC 表面合成了納米羥基磷灰石（n-HA），材料表面n-HA 呈微球狀均勻分布在線狀NCC-HPC 上，粒徑為10～40 nm，Ca/P原子比為1.64，接近真實骨的鈣磷比。

3）羥丙基納米纖維素/羥基磷灰石（NCC-HPC/HA）納米復(fù)合材料的冷壓成形試樣的力學(xué)性能，比純n-HA 和簡單復(fù)合的MCC/n-HA 體系明顯提高，顯示出在骨組織工程和生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域中良好的應(yīng)用前景。