應變控制對形狀記憶聚氨酯表面微納結構的影響

張雪蓮，潘顯超，喬雅茹，韓榕林，王錦峰，邢 娟

1.西南醫科大學基礎醫學院病理生理教研室（瀘州646000）；2.西南醫科大學藥學院藥物化學教研室（瀘州646000）；3.重慶大學生物工程學院（重慶 400045）

形狀記憶聚氨酯（shape memory polyurethane，SMPU）是研究最為廣泛的形狀記憶材料[1]，外界環境（如光、熱、水等）改變可引起材料形狀變化[2]。形狀記憶能力賦予SMPU 在醫學領域特別是在模型制備方面重要的應用價值[3-4]。此外，SMPU 形態變化可對周圍組織施加應力刺激，對再生醫學至關重要[5]。

SMPU 的形狀記憶過程包括賦形、臨時形狀固定、形狀回復等步驟。以熱響應SMPU 為例，當環境溫度高于玻璃化轉變溫度（glass temperature，Tg）時，材料易變形。此時施加外力可使材料從原始形狀變為臨時形狀，即為賦形。隨后，降低溫度至Tg以下，臨時形狀被固定。當溫度再次升至Tg以上，材料即可發生形狀回復[1，6]。實際應用過程中，應力松弛或蠕變可能導致臨時形狀的改變。若采取“應變控制”（即控制其臨時性質不變）策略，將材料置于高于Tg-10K的溫度下，一段時間后即使溫度升至Tg以上，材料也無法完全回復，即獲得不同于原始形狀與臨時形狀的“第三形狀”。該形狀有助于避開金屬模型而獲得復雜形狀，可用于制備特殊形狀材料[7]。此外，應變控制引起的不完全回復在4D-打印領域也有重要應用潛力[8]。

SMPU 的形狀記憶能力源于特殊的“嵌段共聚物”性質。SMPU 由化學特性不同的軟段和硬段嵌段連接而成。由于熱力學不相容性，軟、硬段彼此分離，硬段聚集形成納米尺度的微區結構[9]，即SMPU的相分離現象[10]。由于納米結構可調控人體內的蛋白黏附狀態與細胞行為，因此SMPU 表面微納結構的變化對材料的生物相容性十分關鍵[11-13]。

研究發現，通過改變軟硬段組成及材料制備方法可調節SMPU的相分離結構[14]。此外，課題組前期研究表明，SMPU薄膜的賦形與形狀回復階段均伴隨著硬段微區的重組與表面微納結構的改變[15-16]。然而，目前還未有研究關注賦形與形狀回復之間的應變控制對相分離結構的影響。探索應變控制在相分離微納結構變化中的作用對豐富SMPU 的生物相容性評價體系至關重要，同時也可指導針對特殊應用的SMPU 的設計、優化及加工。

本研究中，借助于原子力顯微鏡（atom force microscope，AFM）與掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM），我們考察應變控制對SMPU 相分離微納結構的影響。研究結果將有助于指導SMPU 的加工以適應具體的醫學應用需求。

1 材料和方法

1.1 SMPU薄膜的制備與拉伸賦形

本研究所用SMPU 軟段為聚乳酸-聚乙二醇三嵌段共聚物（PDLLA-PEG-PDLLA），硬段為六亞甲基二異氰酸酯（hexamethylene diisocyanate，HDI）與哌嗪（piperazine，PPZ）（圖1）[15]。以往研究顯示，聚乳酸與聚乙二醇具有良好的生物相容性與生物可降解、可吸收性[17]。HDI 為脂肪類異氰酸酯，鏈段運動性較強；而PPZ 為小分子環狀二元仲胺，其剛性環狀結構和擴鏈形成的脲基可有效提高硬段剛性，增強材料力學性能[18]。DSC檢測SMPU的Tg為38.6 ℃。根據前期研究，采用溶液澆鑄法制備SMPU薄膜，并以200%的拉伸率對薄膜進行拉伸賦形[15]。方法如下：將薄膜54 ℃（Tg+15 ℃[13]）下靜置5 min 后，以20 mm/min 的速度將薄膜拉伸到200%長度。隨后，將拉伸薄膜置于25 ℃環境下（低于Tg-10 ℃[5]）2 min，使薄膜形狀得到有效固定。最后，去除薄膜兩端固定裝置，將拉伸薄膜置于室溫下，待用。

圖1 SMPU化學結構式Figure 1 Chemical structure of SMPU

1.2 應變控制處理

拉伸后，SMPU薄膜Tg為40.6 ℃[16]。為保證不完全回復，將拉伸材料置于高于Tg-10 ℃的環境中。同時，為保證材料在應變控制后依然具有形狀回復能力，應變控制溫度不宜過高[7]。綜上，本實驗選擇32 ℃作為應變控制處理溫度。操作如下：用夾具將拉伸薄膜兩端固定在載玻片上，置于32 ℃環境中24 h，薄膜記為“應變控制”。應變控制處理結束后，將環境溫度升至41 ℃（Tg以上），去除夾具，待薄膜完成形狀回復至長度不再縮短，薄膜記為“應變控制-回復”。觀察薄膜形狀回復性能并進行結構表征。

此外，以未應變控制處理薄膜為對照組。處理如下：對SMPU 薄膜進行200%的拉伸賦形，待臨時形狀固定后，直接將薄膜置于41 ℃的環境中自由回復，將薄膜記為“對照-回復”。觀察薄膜形狀回復并進行結構表征。

1.3 形狀回復性能檢測

觀察薄膜形狀回復過程，并計算薄膜的形狀回復率（recovery ratio，Rr）。

（L0：原始長度，L1：去除固定裝置后長度，L2：回復后長度）

1.4 微納結構觀察與分析

室溫下，利用AFM 考察薄膜表面相分離與納米粗糙度[19]，SEM 觀察薄膜表面形貌。注意：AFM 實驗時，用otespa探針在輕敲模式下以1 Hz的頻率對材料表面進行掃描并采集數據；SEM實驗時，需對材料進行噴鉑處理以增加薄膜導電性，并在低電壓下（2.0 kV）模式下采集圖片。

1.5 統計學分析

采用excel 與origin 8.1軟件進行數據分析，數據表示為：均數±標準差（）；滿足參數檢驗條件的利用單因素方差分析法進行組間差異考察，P ＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 應變控制對SMPU薄膜形狀回復率的影響

觀察薄膜形狀回復并計算形狀回復率，結果如圖2所示。經應變控制處理的薄膜的形狀回復率（%）為82.34±5.35，明顯低于對照回復組（95.94±2.58）。結果表明，本實驗所采用的應變控制處理引起薄膜不完全回復，達到預期實驗效果。

圖2 應變控制對SMPU薄膜形狀回復率的影響Figure 2 Effect of strain-control on shape recovery rate of SMPU films

2.2 應變控制對SMPU相分離的影響

AFM 相位圖顯示SMPU 中可見明顯的亮區與暗區，亮區對應硬段聚集而成的微區[19]。前期研究結果顯示：在SMPU 薄膜的原始形狀中，硬段緊密聚集，形成無序排列的微區結構（圖3A中箭頭所示），拉伸導致微區結構沿拉伸方向排列（圖3A，200%拉伸）[15]。本研究中，我們借助AFM 進一步考察應變控制對薄膜表面相分離微納結構的影響。結果如圖3所示，SMPU的相分離結構在應變控制處理期間無顯著變化，即硬段微區依然沿拉伸方向有序排列（圖3B中放大區域所示）。然而，形狀回復后薄膜表面相分離結構顯示，經過應變控制處理的薄膜，在完成形狀回復過程后（應變控制-回復），硬段微區的排列依然具有取向性（如掃描范圍為2 μm × 2 μm 的視野所示）。而在“對照回復”薄膜中，微區結構排列無序。AFM結果表明，應變控制處理可顯著影響形狀回復SMPU中硬段微區的排列方式。

圖3 應變控制對SMPU薄膜相分離的影響Figure 3 Effect of strain-control on phase separation of SMPU films

由于硬段間較強的內聚能（氫鍵）作用[20]，原始形狀SMPU 薄膜中硬段聚集引起薄膜表面局部突起（圖4A，原始形狀）[15]。為探究應變控制對形狀回復薄膜表面粗糙度的影響，本研究分析了形狀回復SMPU 薄膜表面相位圖與對應的高度圖。結果顯示：高度圖與相位圖中的高亮區域基本吻合（圖4A），說明形狀回復后薄膜表面突起部位依然由硬段微區組成。通過對掃描范圍為10 μm×10 μm的AFM高度圖的線平面粗糙度分析可知（圖4B），所有SMPU 薄膜的表面粗糙度均在2 nm～4 nm之間，且差異較小。該結果說明：應變控制對形狀回復SMPU薄膜表面粗糙度影響較小。

圖4 原始形狀與形狀回復SMPU薄膜表面粗糙度分析Figure 4 Roughness analysis of original and shape recovered SMPU films

2.3 應變控制對SMPU微納結構的影響

AFM 結果顯示，應變控制可影響形狀回復SMPU薄膜表面硬段聚集排列方式，從而改變薄膜表面相分離結構。為從微米尺度上進一步觀察SMPU 表面形貌，我們對形狀回復薄膜進行了SEM檢測。結果顯示：在SMPU 薄膜表面可見纖維狀突起，利用Image J 軟件測算纖維長度多為1～3 μm、直徑約200～300 nm。由于硬段聚集導致材料局部突出（圖4a），因此，納米纖維主要由硬段組成。前期研究結果顯示，拉伸后薄膜表面由于硬段微區的有序排列，納米纖維延伸方向與拉伸方向一致，其夾角在40°以下的纖維占比50 %以上[15]。為進一步考察形狀回復薄膜表面納米纖維取向能否恢復到原始形狀，從SEM 圖片中隨機選取6 個視野，借助于Image J 軟件的角度測算功能測量納米纖維延伸方向（圖5A 中紅色虛線所示）與拉伸方向間的夾角并作統計分析，結果如圖5B 所示。“對照回復組”薄膜表面取向與原始形狀表面無顯著差異，纖維呈隨機取向分布。而“應變控制-回復”薄膜表面，纖維延伸方向與拉伸方向間的夾角大于40°的纖維比例高達71.97%，其中，夾角在40°～60°之間的纖維占比41.32%。該結果表明：應變控制處理在降低薄膜形狀回復率的同時，導致形狀回復薄膜表面硬段微區排列的有序性提高。由于硬段的化學性質不同于軟段，應變控制回復薄膜表面納米纖維有序性的提高實際是納米尺度化學“圖案”的有序性提高，即應變控制對薄膜表面納米結構的影響主要表現為對薄膜表面化學特性的影響。

圖5 應變控制對形狀回復薄膜表面形貌的影響Figure 5 Effect of strain-control on surface morphology of recovered SMPU films

3 討論

SMPU具有良好的形狀記憶性能，但其優勢不僅僅局限于傳統的完全形狀回復，由不完全回復造成的“第三形狀”在醫學模型制備與4D材料制備中具有重要應用潛力[8]。應變控制是造成不完全回復的有效途徑，因此，探究應變控制是否影響材料表面微納結構是進一步拓展SMPU在醫學領域應用的基礎。

SMPU 形狀記憶過程中伴隨著材料體系內能量的變化，這種變化也是形狀回復的基礎。如溫度敏感型SMPU，當材料其所處溫度在Tg以上時，其狀態為粘彈態。此時軟段具有較強的可塑性，若施加外力即可使軟段分子鏈有序排列，降低材料內的體系熵。臨時形狀在較低溫度下被固定的過程中，伴隨著有序排列的軟段分子鏈被“凍結”，以及外力做功而賦予材料的能量被“凍結”。最后，當材料形狀回復時，體系內被“凍結”的能量得到釋放，軟段分子鏈運動性再次增強并傾向于回到初始狀態。該過程促進了材料由臨時形狀向原始形狀的轉變，同時也是硬段組裝向其初始狀態回復的動力[21-23]。綜上所述，賦形實際上是賦予材料能量的過程，而形狀回復則是釋放能量的過程。本研究中，SMPU 薄膜經過應變控制處理后進行形狀回復，其形狀回復率下降，且硬段微區組裝狀態無法回復到原始形狀中的無序狀態（圖3），表明材料在應變控制過程中有能量的損失。

本研究中，我們將材料以200%的拉伸率賦形，并在此應變下進行應變控制。據以往研究顯示，這種處理方式可能會引起材料內應力松弛現象的出現[24]。而該現象是否發生，很大程度上取決于環境溫度[25-26]。若應變控制的SMPU 所處環境溫度較高會發生應力松弛，繼而引發能量損失[27-29]。其原因在于分子鏈段，尤其是軟段的微觀布朗運動。該運動使得軟段逐漸改變取向以適應臨時形狀，最終導致不可回復應變的發生。為避免這種現象發生，需將材料置于Tg-10K 的環境中[7]。本研究中，拉伸后SMPU 薄膜的Tg為40.6 ℃，應變控制溫度為32 ℃，且應變控制處理時間相對較長（24 h）。因此，應變控制期間薄膜會消耗能量用于軟段緩慢的分子運動，而硬段微區的聚集在該期間內并無顯著變化。除應力松弛外，賦形過程中較長硬段微區（數百納米）的斷裂也可能造成能量損失[30]。本研究中，雖然拉伸引起SMPU薄膜中硬段微區重排，但AFM結果顯示硬段微區尺寸較小，且拉伸過程未見硬段微區的斷裂。據此可推斷，本研究中由硬段微區斷裂造成能量損失的可能性較小。因此，本研究中薄膜的能量損失與不完全回復主要歸因于應變控制處理期間的應力松弛。能量損失同時使形狀回復過程中硬段組裝回復到初始狀態的動力減小，最終表現為形狀回復薄膜中硬段微區的有序排列。

綜上，應變控制可引起形狀記憶高分子材料的能量損失與不完全回復，最終引起形狀回復材料相分離微納結構的改變。相較于傳統的靜態組織工程材料，SMPU 在醫學領域應用的首要優勢是其動態的形狀回復過程。該過程可在一定程度上對材料周圍的組織細胞提供應力刺激，該刺激可促進組織再生修復[31]。然而，需要注意的是，除應力刺激這一物理信號外，材料表面特性本身即可決定材料最終應用情況[32]。對于SMPU來說，由軟硬段相分離導致的SMPU材料局部微納結構可提供化學信號，該信號可對細胞外基質蛋白在材料表面的黏附狀態及后續細胞行為調控具有極其重要的影響[33]。因此，在設計形狀記憶過程以適應特定生物醫學應用時，必須考慮應變控制的潛在影響，尤其是對材料表面微納結構的影響。

4 結論

本研究從形狀記憶聚氨酯的加工及應用角度出發，考察了應變控制對材料相分離微納結構的影響。研究發現，在相對較高的溫度下進行應變控制處理導致材料形狀回復率降低約13%。更重要的是，應變控制使形狀回復薄膜表面納米尺度的硬段微區呈有序排列狀態，從而引起形狀回復聚氨酯表面有序排列的納米纖維的生成。本研究對充分認識材料加工及應用過程中的各個環節對材料最終應用的影響提供了重要參考。同時，研究結果也為后續深入理解材料-細胞相互作用奠定了理論基礎。

（利益沖突：無）