羥基磷灰石的表面改性及其對聚檸檬酸酯基復合材料的影響

鄧嘉城,吉亞麗

(東華大學,上海 201620)

聚檸檬酸酯由于簡單的制備工藝、良好的生物相容性、可控的力學性能與降解速率已被越來越多的科研人員研究[1-3]。然而聚檸檬酸酯在力學強度方面的不足限制了其在多方面的應用,通過添加增強材料如n-HA[4]、碳納米管[5]和甲殼素[6]能夠明顯提高其力學性能。HA是人體骨組織的主要成分,其表面存在豐富的羥基和鈣離子,通過形成氫鍵以及鈣離子的螯合作用與聚檸檬酸酯存在著一定的相容性,并且在體內能夠釋放鈣離子和磷酸根離子,對骨細胞的生長與繁殖具有促進作用。Yang等[7]將質量分數40%～65%的HA與POC混合并加工成骨螺釘,隨著n-HA含量的增加復合材料的壓縮強度和楊氏彈性模量也逐漸增大。然而n-HA表面活性官能團十分有限,這限制了其與有機基體的緊密結合。通過聚乳酸(PLA)、檸檬酸(CA)、丹寧酸(TA)等表面改性劑對n-HA進行表面改性,能增加n-HA表面活性官能團的數量,從而進一步提高粒子與有機相的相容性。Guo等[8]利用TA對n-HA進行表面改性,隨后將改性粒子與POC進行復合,制備出的材料的抗壓強度最高為(323.0±21.3) MPa,與n-HA/POC復合材料相比提高了40%,并且具有良好的生物相容性與抗菌性能。程思敏等[9]分別采用CA和硬脂酸對n-HA進行表面改性,與PLA共混制備出了具有良好壓縮模量的n-HA/PLA復合材料。本實驗分別采用CA與TA對n-HA進行表面改性,并將n-HA和改性粒子與POC進行復合,通過力學測試、溶脹溶膠測試以及水接觸角測試結果對比n-HA、HCA及THA粒子的摻入對POC力學性能的增強效果、交聯程度以及親疏水性的變化。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

納米羥基磷灰石,純度大于96%,直徑40 nm,南京埃普瑞納米材料有限公司;一水合檸檬酸,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;1,8-辛二醇,分析純,上海藍潤化學有限公司;無水乙醇,分析純,昆山金城試劑有限公司;丹寧酸,分析純,國藥基團化學試劑有限公司;鹽酸,分析純,平湖化學試劑廠;三(羥甲基)氨基甲烷(記為Tris),分析純,國藥基團化學試劑有限公司。

1.2 POC預聚體的制備

在氮氣的保護下,將物質的量比為1∶1的一水合檸檬酸和1,8辛二醇加入三口燒瓶中并在160 ℃油浴中加熱攪拌,待混合物熔融后溫度調至140 ℃繼續反應直到臨近凝膠點得到POC預聚體(Pre-POC)。然后用適量乙醇溶解Pre-POC,加入適量去離子水攪拌并靜置1 d后倒出上層清液得到下層Pre-POC,重復上述步驟3次,最后烘干得到澄清透明的Pre-POC。

1.3 m-HA粒子的制備

1.3.1 CHA粒子的制備

將適量n-HA分散于無水乙醇中攪拌預熱0.5 h,隨后在300 r/min轉速下反應2 h,將分散液離心后得到下層固體并置于55 ℃烘箱中反應24 h,然后將固體樣品反復研磨成粉末,在80 ℃的真空固化箱中干燥24 h得到CHA粉末。

1.3.2 THA粒子的制備

分別配置0.1 mol/L的Tis溶液和HCl溶液,按照特定的比例配置pH值為8.5的Tris-HCl緩沖溶液。將TA充分溶解于50 mL Tris-HCl緩沖溶液,將20 g HA超聲分散于100 mL的Tris-HCl緩沖溶液,隨后混合TA溶液和HA分散液并加入50 mL Tris-HCl緩沖溶液,在600 r/min的轉速下室溫攪拌24 h得到THA分散液。將THA分散液以9 000 r/min離心3 min,棄置上清液并加入水攪拌使THA顆粒重新分散,重復上述過程5～6次直至上層清液無色,表明完全除去未反應的TA分子,隨后將THA顆粒冷凍干燥1 d,并反復研磨至均勻大小。

1.4 POC/m-HA復合物的制備

將質量分數20%的Pre-POC乙醇溶液與質量分數20%的m-HA超聲分散液以1∶9體積比例混合均勻,攪拌24 h后倒入培養皿中充分烘干,隨后在80 ℃的真空固化箱中反應6 d得到POC/m-HA復合物。

1.5 測試與表征

利用美國熱電公司Nicolet 8700型紅外光譜表征HA、CHA和THA中的官能團,采用透射法,儀器分辨率為4 cm-1,掃描次數為32,掃描范圍3 600～600 cm-1;采用德國Bruker公司的D8 Advance型原位電化學測試X射線衍射儀測定HA、CHA和THA的晶體結構;利用德國Zeiss公司 GeminiSEM 560型熱場發射掃描電子顯微鏡測試了HA、CHA和THA的粒子形態;利用上海恒馭儀器有限公司的HY-941型電腦式拉壓力試驗機測試了POC及POC/m-HA復合物的力學性能,樣條形狀為啞鈴型(長度為28.11 mm,最窄處寬度為2.70 mm),拉伸速度設置為10 mm/min,每個樣條分別平行測試5次,取平均值;裁剪1 cm×1 cm充分干燥的POC及POC/m-HA復合物薄膜,稱量其初始質量并記為m0,在37 ℃用去離子水浸泡一定時間后擦拭表面多余水分,稱重記為m1,根據公式S=(m1-m0)/m0×100%計算出其溶膠含量,每組樣品平行測量3次,取平均值;裁剪1 cm×1 cm充分干燥的POC及POC/m-HA復合物薄膜,稱量其初始質量并記為M0,在37 ℃用無水乙醇浸泡一定時間后用去離子水洗凈,烘干至恒重,該質量記為M1,根據公式S=(M0-M1)/M0×100%計算出其溶膠含量,每組樣品平行測量3次,取平均值。采用德國Datephysics公司的OCA40型光學視頻接觸角測量儀測試POC及POC/m-HA復合物的靜態水接觸角,用微量注射器將3 μL水滴到樣品表面并對水滴形貌拍照,測定水滴兩側接觸角且取平均值,每個樣品平行測試5次,取平均值。

2 結果與討論

2.1 m-HA粒子的形貌與結構表征

圖1為HA、CHA和CHA的場發射掃描電鏡圖。從圖中可以判斷HA、CHA、THA粒子均為棒狀結構,長度為100～400 nm,寬度為30～60 nm,粒子的大小均為納米級別,具有較高的比表面積。一般來講,由于布朗運動的影響,納米尺寸的粒子相較于微米尺寸的粒子更不容易沉淀,且納米尺寸的粒子由于比表面積大于微米尺寸的粒子,因此相同質量下官能團數目更多,其在基體中的分散性以及相容性會更好。

(a)HA;(b)CHA;(c)THA。

圖2為THA、CHA、HA、TA和CA的紅外光譜圖。1 035,962和469 cm-1分別為HA中的PO43-的反對稱伸縮振動、對稱伸縮振動和對稱變角振動吸收峰,567 cm-1為HA中的PO43-和HPO43-多個吸收峰重疊的結果。1 610,1 533,1 448,1 334 cm-1為芳環骨架振動吸收峰,873和758 cm-1為芳環的C-H面外彎曲振動吸收峰,1 614,1 448 cm-1出現了芳香骨架振動吸收峰,這些都是TA的特征吸收峰,證明TA成功添加到HA中[10-11]。與HA相比較,THA和CHA分別在1 710和1 703 cm-1出現了新的吸收峰,可能為TA的酯基和CA的羧基吸收峰,這也證明TA和CA成功添加到HA中[8]。

圖2 HA、CHA、THA的紅外光譜圖

圖3為HA、CHA和THA的XRD譜圖,CHA、THA、HA在2θ=25.8°(002),28°(102),28.9°(210),31.8°(211),32.1°(112),32.9°(300),34°(202),39.8°(310),46.7°(222),49.4°(213)均出現羥基磷灰石的特征衍射峰,其中(211)、(112)、(300)是羥基磷灰石的三強峰[12-13],并且三者在XRD光譜中無明顯差異,說明TA和CA在n-HA的表面修飾對n-HA的晶體結構幾乎無影響。

圖3 HA、CHA和THA的XRD譜圖

2.2 POC/m-HA復合物的力學測試

表1為POC/m-HA復合物的力學性能測試結果。由表可知POC/m-HA的拉伸強度和楊氏模量均高于POC,這是因為m-HA粒子具有較高的模量和強度,并且粒子表面的活性官能團與POC基體有著較強的結合力,起著應力傳遞的作用且有利于承擔較大的載荷[14]。CHA/POC與THA/POC改性粒子復合物的拉伸強度和楊氏模量均高于HA/POC復合物的,這是因為經過CA或TA改性后n-HA表面的活性官能團數量明顯增加,與POC基體產生了更加緊密的鍵合,這使得POC分子鏈在粒子表面不易產生滑移,從而提高了材料的拉伸強度和楊氏模量。THA/POC復合物的拉伸強度和楊氏模量略強于CHA/POC,這可能是因為TA分子表面的活性官能團數量多于CA分子,TA改性后使得n-HA表面獲得了更多的位點與POC進行交聯,使得THA與POC之間的結合更加緊密,因此在力學性能方面有著更優秀的表現。

表1 POC及POC/m-HA力學性能測定

2.3 POC/m-HA復合物乙醇中溶膠含量測試

溶膠含量是反映高分子聚合物交聯程度的一個重要指標,溶膠含量越低,說明聚合物的交聯程度越高。表2是POC/m-HA復合物在乙醇中72 h的溶膠含量測定,按溶出物均為POC預聚體,與加入的預聚體總量相比,HA/POC、CHA/POC和THA/POC復合物溶出物的占比依次是4.76%±0.09%,2.41%±0.09%和2.64%±1.50%,均低于POC的12.01%±1.24%,這反映了m-HA粒子在POC基體中起著交聯的作用,提高了POC聚合物的交聯程度。CHA/POC和THA/POC改性粒子復合物的溶膠含量低于HA/POC的,這也反映了改性后n-HA粒子表面的活性官能團與POC基體結合更加緊密。

表2 POC及POC/m-HA乙醇中72 h溶膠含量測定

2.4 POC/m-HA復合物水中溶脹度測定

溶脹是高分子聚合物在溶劑中體積發生膨脹的現象,對于交聯聚合物,溶脹度是有限的并且大小與聚合物的交聯密度有關,因此聚合物的溶脹度可以反映其交聯密度。表3是POC及POC/m-HA水中72 h溶脹度的測試結果, POC、POC/HA、POC/CHA、POC/THA的溶脹度分別為18.23%±0.33%,15.69%±0.75%,13.04%±0.57%和10.34%±2.52%。HA/POC、CHA/POC和THA/POC的溶脹度均比POC的小,這是由于粒子在POC中起著交聯的作用,阻礙了水分子進入交聯網格中,有效降低了復合物在水中的溶脹程度。CHA/POC和THA/POC的溶脹度均小于HA/POC,這也反映了改性粒子復合物具有更高的交聯程度,這與上述溶膠含量的分析結果一致。

表3 POC及POC/m-HA水中72 h溶脹度測定

親水性的表面往往有利于細胞的黏附、生長和增殖,因此材料的水接觸角是生物醫用材料的一個關鍵性能。表4是POC和POC/m-HA復合物靜態水接觸角的測定結果。POC、POC/HA、POC/CHA和POC/THA的接觸角分別為(94.31±1.47)°,(94.58±3.51)°,(108.2±2.24)°和(89.92±2.87)°。CHA的加入使POC的接觸角變大,這是由于CHA表面存在的羧基或羥基與POC分子鏈的羧基或羥基發生酯化反應,生成了疏水的酯基。THA的加入使得POC的接觸角變小,這是由于THA表面具有大量親水官能團酚羥基,而THA是依靠氫鍵及配位鍵與POC結合且無疏水基團的產生。值得注意的是,TA分子帶有大量親水的酚羥基以及少量疏水的酯基,改性HA后既帶來了親水官能團又帶來了疏水官能團,但由于TA的酚羥基位于分子表面而酯基位于內部,因此TA的改性整體表現為提高了HA的親水性。

表4 POC及POC/m-HA復合物的靜態接觸角

3 結論

1)POC/m-HA在拉伸強度、楊氏彈性模量和交聯程度方面均高于POC彈性體,這是由于m-HA粒子表面的活性官能團與POC基體具有一定的相容性,有利于材料承擔更大的載荷,同時m-HA提高了POC的交聯程度,有效降低了材料的溶脹程度和溶膠含量。

2)POC/CHA和POC/THA在拉伸強度、彈性模量和交聯程度方面均高于POC/HA。這是因為經過CA和TA改性后,n-HA粒子表面的活性基團數量增加,與POC基體的結合更加緊密,因此表現出更優異的力學性能與更高的交聯程度。

3)對于改性粒子復合物,POC/在力學性能及溶脹度方面明顯優于POC/CHA,在溶膠含量方面與POC/CHA無明顯差異。這是因為TA分子比CA分子有著更多的活性官能團,改性粒子與POC結合一方面是依靠HA表面鈣離子的絡合,另一方面依靠表面活性官能團與POC形成的氫鍵或化學鍵,故擁有更多活性官能團的THA與POC結合得更加緊密。

4)POC/THA的水接觸角低于POC彈性體,而POC/CHA的水接觸角高于POC彈性體。這是因為THA的摻入帶來了大量親水的酚羥基,提高了材料的親水性,而CHA與POC反應會生成疏水的酯基,降低了材料的親水性。