納米La2O3/TPU復合彈性體的制備及生物性能

王 帥，錢洪祥，高 晶，王 宇，賈潤萍

（1.上海應用技術大學材料科學與工程學院,上海 201418；2.上海匯得科技股份有限公司,上海 201512；3.上海宇昂新材料科技有限公司,上海 201318）

納米稀土化合物具有較大的比表面積，容易發生化學反應使其應用范圍越來越廣泛。稀土化合物特別是輕稀土無毒環保、具有一定抗菌性能，并且一般只需少量即可發揮很強的功效，此外由于其特殊的電子結構，稀土還具有優異的熱穩定性，稀土的這些性質為使用稀土化合物改性聚氨酯彈性體提供了理論依據[1]。

納米La2O3可以用來處理汽車廢氣、強化材料，也可以用來改性高分子材料[2]。用來制備納米La2O3的一般有溶膠凝膠[3]、均勻沉淀[4]、水熱法等[5]。Ambuken等[6]采用水解搭配熱處理的方式制備出納米La2O3，在制備過程中以反應溫度和反應濃度的影響最為顯著。在一定溫度范圍內，反應溫度和納米La2O3尺寸成正比，而在一定濃度范圍內，反應濃度和納米La2O3尺寸成反比，而且會出現嚴重的團聚問題。加入一些分散劑或者表面活性劑可以改善這種團聚問題。

熱塑性聚氨酯彈性體（thermoplastic urethane,TPU）由于結構穩定性和微生物抗性以及蛋白質相似性的分子結構和分子結構，是一種很好的生物材料[7-9]，且已在生物、醫學領域有大量的應用，如人造心臟瓣膜[10]，人造血液血管[11]。然而這些應用要求使用的材料有很好的血液相容性和生物相容性，這樣才能在體內穩定存在，所以提高生物學性能是一個熱門的研究課題[12-14]。初期在高分子材料中引入稀土化合物所帶來的獨特成效引起了科學家的高度重視[15]。本研究著重選擇鑭稀土引入到TPU彈性體，通過模板劑對納米稀土化合物的形貌進行調控，進而將所得納米稀土通過原位聚合法引入到探討不同形貌納米稀土對聚氨酯彈性體作用的機理。并表征了不同形貌的納米稀土氧化物對TPU生物性能的影響。

1 實驗部分

1.1 不同形貌納米La2O3的制備

針簇狀納米La2O3的合成：主要以樹枝狀大分子為模板劑結合水熱法，將0.2 mol/L的六水硝酸鑭（La(NO3)3）和一系列不同濃度的氨水（0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L）溶液50 mL，La(NO3)3溶液放入四口燒瓶并置于超聲儀器中，將溫度調整在(10±5)℃，用恒壓漏斗將將沉淀劑緩慢加入硝酸鑭溶液中，以1 mL/min的速度滴加，完成后，在超聲儀中繼續處理1 h，之后取出。取60 mL白色沉淀，加到高壓反應釜里面進行進一步處理，置于140℃環境下加熱6 h，將所得樣品進行用離心機分離，再用乙醇洗滌若干次，再將樣品取出并于140℃烘箱里面干燥2 h，之后于750℃煅燒5 h，研磨，密封保存。

棒狀納米La2O3的合成與上述方法基本相同：將0.2 g樹枝狀大分子CYD-K100與La(NO3)3溶液同時加入。

花瓣/片狀納米La2O3的合成：將上述0.2 g CYD-K100換成0.2 g樹枝狀大分子CYD-2004/樹枝狀大分子G4.0（用少量丙酮溶解），其他基本相同。

1.2 不同形貌納米La2O3改性TPU的制備

首先取一定量的聚己二酸丁二醇酯二醇和某種形貌納米La2O3的于100℃下真空攪拌脫水2.5 h；取出納米La2O3/PBA混合體于燒杯中，依次加入1,4-丁二醇（BDO）和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），快速攪拌均勻待反應引發后，倒入120℃預熱的啞鈴型硅膠模具中，放入烘箱中固化。之后將樣條自然冷卻。放置1周，即可進行性能測試。

1.3 性能測試及表征

1.3.1 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope,SEM）分析

采用200FEG型FEI掃描電子顯微鏡（荷蘭Quanta公司）對樣品進行形貌分析。

1.3.2 紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）分析

采用Nicolet 6700型紅外光譜儀（美國Nicolet公司），室溫下固體壓片法進行FTIR測試。

1.3.3 蛋白質吸附實驗

通過蛋白質定量（bicinchoninic acid,BCA）法蛋白濃度定量試劑盒表征材料表面蛋白質吸附量。

1.3.4 噻唑藍測試

噻唑藍（thiazolyl blue tetrazolium bromide,MTT）測試是確定樣品表面活細胞數量、生長和材料表面毒性的重要手段。原理是根據只有活細胞可以使MTT還原為甲瓚并結晶沉積，再將甲瓚溶于二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide,DMSO）后測量吸收度，即可得知活細胞的相對數量和相對活力。

1.3.5 細胞增殖

激光掃描共聚焦顯微鏡是一種先進的細胞生物醫學分析儀器，可對材料表面細胞形貌、數量等進行觀察。

2 分析與討論

2.1 SEM分析

2.1.1 針簇狀納米La2O3的形貌

由圖1可見，看出La2O3納米粒子基本都呈現針簇狀，隨著氨水的濃度增加，直到比例達到1:3時，逐漸形成塊狀。沒有添加模板劑的La2O3，團聚現象較為嚴重。

圖1 針簇狀n-La2O3的掃描電鏡圖(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH3·H2OFig.1 SEM images of needle like n-La2O3 synthesized by template assisted precipitation method（a)-(d)0.2,0.4,0.6,0.75 mol/L NH3·H2O

2.1.2 棒狀納米La2O3的形貌

由圖2可見，La2O3納米粒子基本都呈棒狀或者針狀，隨著氨水濃度增加，出現明顯的團聚現象。加入模板劑之后納米La2O3由片狀變成棒狀且分散比較均勻。圖2（c）采用了0.4 mol/L氨水分散最為均勻，且尺寸也更小，其中納米棒直徑為20 nm，長度為1μm因此下文中將選用圖2（c）的納米La2O3納米棒對聚氨酯彈性體進行改性。

圖2 棒狀n-La2O3的掃描電鏡圖(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH 3·H 2OFig.2 SEM imagesof rod like n-La2O3(a)-(d)0.2, 0.4, 0.6, 0.75 mol/L NH3·H2O

2.1.3 片狀納米La2O3的形貌

由圖3可見，La2O3納米粒子隨著氨水濃度增加，片層變小，厚度也變薄，但堆積現象嚴重。圖3中的形貌清晰，圖3（b）采用了0.4 mol/L氨水分散較為均勻，且尺寸也更小，其中片層厚度約為80 nm，并選用圖3（b）的針簇狀納米La2O3對聚氨酯彈性體進行改性。

圖3 片狀n-La2O3的掃描電鏡圖(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/LNH3·H2OFig.3 SEM images of flake n-La2O3 (a)-(d)0.2, 0.4,0.6, 0.75 mol/LNH 3·H 2O

2.1.4 花瓣狀納米La2O3的形貌

圖4顯示La2O3納米粒子基本都呈現花瓣狀，隨著氨水的濃度增加，花瓣的數量增多，每片花瓣的也越來越小，越來越閉合，堆疊現象嚴重。在體系中引入具有納米空腔和高度發散結構的CYD-2004 PAMAM為模板劑，晶核向外定向生長，反應后將聚酰胺-胺（polyamide amine,PAMAM）模板劑去除，即可得到花瓣狀的納米La2O3。圖4（b）花瓣狀納米La2O3樣品分散最為均勻，且尺寸也更小，因此將選用圖4（b）的花瓣狀納米La2O3對聚氨酯彈性體進行改性。

圖4 花瓣狀n-La2O3的掃描電鏡圖(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH 3·H 2OFig.4 SEM images of petal like n-La2O3(a)～(d) 0.2,0.4, 0.6,0.75 mol/LNH3·H2O

通過觀察TPU及其復合彈性部分圖5（a）～（e），可以觀察到許多條紋的微觀結構，并且由于引入La2O3納米條紋顯著增加了數量，推測這是由于TPU軟硬段熱力學不相容引起的微相分離的結果，La2O3的微相分離程度提高。此外，引入不同形態結構導致TPU表面變得更為粗糙。SEM觀察結果表明，所得La2O3納米材料通過原位制備的La2O3/TPU復合彈性體，無機顆?？梢杂行Ь鶆虻胤稚⒃诰酆衔锘w中，當TPU納米粒子為花瓣狀時促進TPU微相分離效果最為明顯，可能的原因首先是納米La2O3和聚氨酯硬段具有一定的相互作用，使硬段接近無機顆粒表面，改變聚氨酯材料的結晶形態，使硬段的結晶傾向更容易聚集在一起，促進軟硬短間的微相分離。

圖5 不同形態結構n-La2O3/ TPU復合彈性體的SEM圖Fig.5 SEM images of different morphologiesof n-La2O3/TPU nanocomposites

2.2 FTIR分析

由圖6中可見，在3 456 cm-1處出現強峰，在3 608 cm-1、2 928 cm-1、1 485 cm-1、1 376 cm-1和644 cm-1鑭的特征吸收帶，符合所查文獻La2O3的標準譜圖。

圖6 不同形態結構納n-La2O3的紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of n-La2O3 with different morphologies

圖7是4種形貌的納米La2O3制得的TPU彈性體，TPU的特征峰分別位于3 332 cm-1（N-H）、2 958 cm-1（-CH-）、1 727 cm-1（-O-C=O）、1 701 cm-1（C=O）、1 596 cm-1（C=C），1 530 cm-1（N-H）和1 220 cm-1（C-N）處。當La2O3引入TPU彈性體，在3 332 cm-1的變化峰值波長較短的區域。同時，1 727 cm-1處的峰值強度遠小于1 701 cm-1處。而游離羰基（C=O）峰（1 730 cm-1）和-NHCO=中羰基的特征峰（1 701 cm-1）的強弱可以計算TPU的氫鍵化程度，這種計算可以直觀表示聚氨酯彈性體的微相分離程度。

圖7 不同形態結構n-La2O3/ TPU復合彈性體的紅外譜圖Fig.7 FTIR spectra of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

表1給出了計算n-La2O3/TPU復合彈性體的相分離度（degree of phase separation，DPS）值?；ò隊罴{米La2O3/TPU的DPS是最好的，La2O3和聚氨酯硬鏈段之間的相互作用，促進了軟段和硬段的聚氨酯的微相分離。

表 1不同形態結構n-La2O3/TPU的DPS值Tab.1 DPS values of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

2.3 蛋白質吸附實驗

BCA蛋白質吸附標準曲線（見圖8），不同含量的納米顆粒La2O3對TPU蛋白的吸附，如表2所示。

圖8 BCA蛋白質吸附標準曲線Fig.8 Standard curve of BCA protein adsorption

表2 不同形態結構n-La2O3對TPU蛋白質吸附性的影響Tab.2 Effect of nano La2O3 with different morphologieson the TPU’s adsorption of protein

由表2可見，隨著n-La2O3的引入，TPU彈性體表面的蛋白質吸附量明顯下降，這是由于La2O3與TPU在納米結構和化學表面的相互作用組成。

2.4 噻唑藍（methyl thiazolyl tetrazolium, MTT）測試

納米La2O3對TPU彈性體生物相容性的影響如圖9所示。隨著納米La2O3的引入，TPU彈性體復合材料的光吸收值（optical density,OD值）高于純TPU，表明含鑭納米TPU的相容性較好。當花瓣狀納米La2O3的含量為引入時，OD值最高。這是因為納米La2O3均勻分散在TPU基體中，有效地改善了TPU的表面性能和微觀結構。對于其他形態納米La2O3的引入，OD值略低，但仍高于具有良好生物相容性的純TPU彈性體。

圖9 不同形態結構n-La2O3/TPU復合彈性體的OD值Fig.9 OD value of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

2.5 細胞形貌觀察

圖10所示為不同納米La2O3含量的TPU復合彈性體表面細胞的增殖情況，隨著La2O3的引入，材料表面上面細胞的越來越多，因此，納米La2O3的引入有利于提高TPU材料表面的細胞數量，即更好的細胞相容性。

圖10 不同形態結構n-La2O3/TPU復合彈性體的表面細胞增殖的CLSM觀察圖Fig.10 CLSM observation of surface cell proliferation of different morphologiesof n-La2O3/ TPU composite

3 結語

本文考察了多種形態結構的納米La2O3對TPU生物性能的影響。研究結果表明，納米La2O3的形態結構對TPU性能影響的強弱順序為：花瓣狀＞棒狀＞片狀＞針簇狀。隨著納米La2O3的引入，蛋白吸吸附量明顯降低，OD值和細胞相容性也有顯著提高，顯示出優良的血液相容性和生物相容性。主要源于花瓣狀的納米La2O3具有較大的比表面積和較高的表面活性，能夠更好的與TPU彈性體結合。未來在此基礎上可進一步開展深入研究，從而進一步提高TPU的血液相容性和生物相容性，使TPU在生物材料方面有著更加廣闊的應用。