原位制備聚己內(nèi)酯和羥基磷灰石復(fù)合材料

徐子頡，馬 超，汪 飛，逯愛慧

（同濟(jì)大學(xué) 化學(xué)系，上海200092）

使用聚己內(nèi)酯（PCL）和羥基磷灰石（HAP）制備出的PCL/HAP復(fù)合材料，具有優(yōu)良的機(jī)械特性、生物相容性以及在人體內(nèi)可生物降解的特性，可用于誘導(dǎo)骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，人體骨骼修復(fù)的支架材料以及用于臨床治療骨感染等疾病的藥物載體和藥物控釋材料［1－5］.聚己內(nèi)酯是一種無(wú)毒無(wú)害，在人體內(nèi)可降解，生物相容性好的醫(yī)用生物材料；但是，由于聚己內(nèi)酯具有結(jié)晶性較強(qiáng)，在體內(nèi)降解速率過慢的特性，使得該材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍受到限制.羥基磷灰石具有良好的生物活性，但是它具有較大的脆性而且在體內(nèi)的生物降解速率較快［6－11］.通過將這2種物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，可以充分發(fā)揮二者各自的材料特性，得到符合臨床生物醫(yī)學(xué)材料要求的新型復(fù)合材料.

目前，PCL/HAP復(fù)合材料的制備方法主要包括共混法和 HAP表面共聚法［12－19］.共混法是將預(yù)先制備的HAP粉體與PCL熔液共混，此方法制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但是通過該方法制得的PCL/HAP復(fù)合材料中，PCL和HAP組分間存在明顯的相分離現(xiàn)象，兩組分各自的材質(zhì)特性依然突顯；共聚法通過在HAP表面羥基基團(tuán)處引發(fā)己內(nèi)酯（ε－CL）開環(huán)聚合，制備了PCL/HAP復(fù)合生物材料.雖然該方法能較好地解決PCL與HAP之間的相分離問題，但是，該制備工藝復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，只適合HAP粉體表面包覆改性，而不適用于塊狀PCL/HAP復(fù)合材料的制備.

本文采用HAP與PCL的溶膠－凝膠技術(shù)和真空干燥技術(shù)，在四氫呋喃有機(jī)溶劑體系中原位合成了PCL/HAP多孔復(fù)合材料.研究了在溶膠－凝膠過程中，HAP在其成核過程中與PCL之間的弱氫鍵作用，探討了凝膠體系中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，以及對(duì)羥基磷灰石晶體顆粒生長(zhǎng)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

四水合硝酸鈣（Ca（NO3）2·4H2O，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑），濃磷酸（H3PO4，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑），濃氨水（NH4OH，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～28%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑），聚已內(nèi)酯（（C6H8O4）n，平均相對(duì)分子質(zhì)量70 000，日本大賽璐化學(xué)工業(yè)），四氫呋喃（C4H8O，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑），油酸 （C18H34O2，分析純，山東省濟(jì)南云翔化工）.

1.2 PCL/HAP復(fù)合材料的制備

按Ca與P的原子數(shù)量比為1∶1.7，控制四水合硝酸鈣和濃磷酸的比例，以濃氨水調(diào)節(jié)體系的pH值；按HAP在PCL/HAP復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，40%，60%和80%的比例，制備得到一系列樣品，分別記為HP20，HP40，HP60和HP80.在室溫條件下，取20 mL的四氫呋喃，向其中加入濃磷酸并攪拌15 min，再取10 mL的四氫呋喃，向其中加入3 mL濃氨水并攪拌15 min，然后在攪拌條件下將上述溶液混合并繼續(xù)攪拌30 min；用氨水調(diào)節(jié)混合溶液的pH值大于10，然后加入四水合硝酸鈣，使其均勻分散，隨后向其中加入1.5 mL油酸，繼續(xù)攪拌并加入PCL，靜置后得到凝膠，再經(jīng)洗滌和真空干燥，獲得PCL/HAP復(fù)合材料.

1.3 復(fù)合材料的表征

使用inVia顯微共聚激光拉曼光譜儀，采用連續(xù)掃描的形式，選擇785激光器，在100～4 000cm－1波數(shù)段掃描，測(cè)定樣品的拉曼光譜.使用SSX－550型掃描電子顯微鏡觀測(cè)樣品的形貌.使用D8型X射線粉末衍射儀（CuKa，步長(zhǎng)0.02°掃描速率12（°）·min－1，掃描范圍10°～70°）測(cè)定樣品的 X射線衍射圖譜.

2 結(jié)果與討論

本文中HAP形成的反應(yīng)式如下：

圖1是一系列PCL/HAP復(fù)合材料的XRD（X射線粉末衍射儀）譜圖，從中可以分別觀察到PCL和HAP物相的特征衍射峰，表明采用本文的制備方法得到了PCL/HAP復(fù)合物.從圖中可見，隨著HAP在復(fù)合材料中含量的增加，其特征峰的相對(duì)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，與此同時(shí)，PCL的特征衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度顯著降低，表明其結(jié)晶程度隨HAP含量的增加而下降.在溶膠－凝膠過程中，PCL和HAP無(wú)機(jī)分子在納米尺度均合接觸，提高了HAP在PCL中的穩(wěn)定性和分散性，降低了PCL的結(jié)晶程度，從而在一定程度上避免了相分離現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖1 PCL/HAP復(fù)合物的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of PCL/HAPs composite

圖2是一系列復(fù)合材料以及純的PCL樣品的拉曼光譜.從圖中可見，隨著復(fù)合材料中PCL含量的減少，酯基基團(tuán)的平面振動(dòng)、亞甲基面內(nèi)變形振動(dòng)、骨架伸縮振動(dòng)，以及亞甲基的非對(duì)稱彎曲振動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低.與此同時(shí)，磷酸根的v3振動(dòng)、v1振動(dòng)、隨復(fù)合材料中HAP含量的增加，其相對(duì)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，另外，亞甲基鏈的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度遞減，而且拉曼光譜的譜峰出現(xiàn)寬化，這說明復(fù)合材料中PCL的結(jié)晶程度逐漸降低.在純PCL樣品中，于1 654cm－1處不出峰，但在復(fù)合材料樣品中，隨著HAP含量的增加，該處的譜峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表明PCL與HAP分子間存在弱氫鍵作用.這是因?yàn)?，PCL在凝膠體系中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了HAP分子的擴(kuò)散范圍，降低了HAP分子在結(jié)晶過程中的濃度梯度，延緩了HAP晶粒的生長(zhǎng)速率，在體系中形成了納米級(jí)的HAP晶粒，使其具有較高的比表面能，極易與PCL分子形成弱氫鍵作用.在2 866cm－1處分別為亞甲基鏈的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，其波數(shù)隨復(fù)合材料樣品中HAP含量的增加向波數(shù)增大的方向發(fā)生位移.這是因?yàn)镠AP的加入使PCL的分子運(yùn)動(dòng)受到限制，使PCL的長(zhǎng)鏈分子在震動(dòng)過程中需要更大能量，因此波數(shù)向高頻方向移動(dòng).進(jìn)一步表明HAP中的羥基基團(tuán)與PCL分子中的酯基形成氫鍵，這種相互作用使PCL高聚物分子牢牢固定在HAP分子表面，一方面限制了HAP晶體的進(jìn)一步長(zhǎng)大，另一方面使PCL分子鏈段在運(yùn)動(dòng)中受限，限制了聚己內(nèi)酯的結(jié)晶行為，導(dǎo)致PCL的結(jié)晶度顯著降低，使得復(fù)合材料的均勻性和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng).目前使用共混法制備得到的PCL/HAP復(fù)合材料中，HAP晶體多為微米級(jí)，晶體自身體積較大，很難與PCL分子充分接觸，形成氫鍵，因此，兩物相依然保持著各自的材質(zhì)特性.

圖2 PCL/HAP復(fù)合物的拉曼光譜Fig.2 Raman spectrum of PCL/HAPs composite

圖3是PCL/HAP復(fù)合材料的SEM（掃描電鏡）照片，正如圖3所示，其中圖a和圖b分別為HAP組分在PCL中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和40%時(shí)樣品的形貌圖.從圖中可看出整個(gè)體系混合均勻，箭頭所指處沒有觀察到有相分離現(xiàn)象的出現(xiàn).圖中的孔洞是PCL/HAP凝膠在真空干燥過程中溶劑揮發(fā)后所致.圖c和圖d分別為當(dāng)HAP組分在PCL中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和80%時(shí)的電鏡形貌圖，從箭頭所指處可看出體系中發(fā)生明顯的相分離.因?yàn)檫^量的HAP分子使其局部的結(jié)晶飽和度過大，從而形成了較大的HAP晶粒，影響了HAP在PCL體系中的穩(wěn)定性.

圖3 PCL/HAP復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM morphology of PCL/HAP samples

3 結(jié)論

在四氫呋喃分散系中通過溶膠－凝膠技術(shù)和真空干燥技術(shù)原位合成出了HAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以下仍能均勻分散的PCL/HAP復(fù)合材料；通過在體系中加入油酸來防止PCL結(jié)晶，提高了復(fù)合材料的穩(wěn)定性；PCL分子對(duì)HAP晶核生長(zhǎng)有一定的限制，阻礙了HAP晶體顆粒的長(zhǎng)大；納米級(jí)的HAP晶體與PCL之間存在明顯的氫鍵作用，使PCL分子鏈段在運(yùn)動(dòng)中受限，大大降低了PCL的結(jié)晶程度.

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