氣體發(fā)泡法制備PLLA／BCP多孔復(fù)合支架及其性能研究

楊 琦，索進(jìn)平

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

生物可降解的多孔支架被廣泛用于骨組織工程的研究［1］。理想的骨支架需要有一定的孔徑尺寸、孔隙率、力學(xué)性能、細(xì)胞附著性能及骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)功能［2－4］。聚乳酸（PLLA）因其良好的生物相容性和生物可降解性而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其降解產(chǎn)物無毒并且可以通過體內(nèi)代謝排出［5－6］，但因力學(xué)性能及親水性能不足，存在不利于細(xì)胞的粘附、缺乏生物活性［7－9］等缺點(diǎn)。雙相磷酸鈣（BCP）陶瓷由羥基磷灰石（HA）和β－磷酸三鈣（β－TCP）制成，結(jié)合了HA良好的機(jī)械性能、優(yōu)異的生物相容性、生物活性以及β－TCP與新生骨生長速率相匹配的降解速率，是一種理想的骨組織工程材料［3］，但單純的BCP陶瓷較脆、機(jī)械性能差，不能承載負(fù)荷，限制了其在骨組織工程中的單獨(dú)使用［10］。因此，通過復(fù)合有機(jī)PLLA與無機(jī)BCP材料，使兩者之間相互取長補(bǔ)短，選擇合適的方法有望制備出理想的骨支架材料。

氣體發(fā)泡法利用氣體作為致孔劑制備多孔支架，包括物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法。其中化學(xué)發(fā)泡法通常以碳酸化合物作為致孔劑。該法制備PLLA多孔支架是通過將致孔劑與PLLA溶液混合成型，置于熱水或檸檬酸溶液中進(jìn)行發(fā)泡最終獲得［9－11］，但所制備PLLA多孔支架的力學(xué)性能通常隨著孔隙率的增加而降低，且支架表面的疏水性限制著其在骨支架中的應(yīng)用。

作者通過共混PLLA和BCP，以碳酸氫銨（AB）作為致孔劑，采用氣體發(fā)泡法制備PLLA／BCP多孔復(fù)合支架，研究了AB和BCP的含量對支架力學(xué)性能以及親水性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 BCP陶瓷粉末的制備

先采用濕化學(xué)方法制備缺鈣型磷灰石（CDA），再通過高溫爐熔燒獲得BCP陶瓷粉末，具體制備過程［3，12］如下：配制一定體積比的Ca（NO3）2·4H2O和（NH4）2HPO4混合溶液，加入氨水溶液（pH值為12.92）調(diào)節(jié)其pH值至10.5，110℃油浴加熱（燒瓶內(nèi)沸騰）反應(yīng)5h，然后將反應(yīng)液倒入燒杯中靜置，去掉上層溶液，離心，水洗數(shù)次后干燥研磨，最后置于高溫爐中燒結(jié)，以5℃·min－1的速度升溫到1 100℃，保溫1h，研磨過篩，得BCP陶瓷粉末。

1.2 PLLA／BCP復(fù)合支架的制備

以二氯甲烷作溶劑按1∶15（質(zhì)量體積比）配制PLLA（Mw＝300 000）溶液，室溫充分溶解后，稱取不同量的BCP粉末到溶液中，混合均勻；再加入不同量、不同粒徑的AB顆粒充分混合，加入到模具中，用過量乙醇進(jìn)行預(yù)沉淀成型；待溶劑揮發(fā)后，將半固體放入過飽和的檸檬酸溶液中反應(yīng)發(fā)泡；待無氣體放出后，將固體放入90℃熱水中進(jìn)一步發(fā)泡，用蒸餾水清洗數(shù)次后冷凍干燥，得PLLA／BCP復(fù)合支架。

1.3 PLLA／BCP復(fù)合支架的表征

（1）用X－射線衍射儀（XRD）對所制備的BCP陶瓷粉末進(jìn)行物相分析。X－射線測試條件為：采用經(jīng)鎳箔過濾的Cuκα輻射，管電壓為40kV，管電流為40 mA，掃描速率為4°·min－1，步長為0.02°，掃描范圍為5°～85°。

（2）用紅外光譜儀（FTIR）對所制備的BCP陶瓷粉末以及PLLA／BCP復(fù)合支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用衰減全反射法，掃描范圍為4 000～500cm－1。

（3）將樣品進(jìn)行液氮脆斷，噴金處理后用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）和場發(fā)射掃描電鏡（FE－SEM）對樣品的截面形貌進(jìn)行分析，觀察支架材料的孔隙結(jié)構(gòu)。

（4）采用溶液靜置法測定孔隙率。首先將支架材料浸入體積為V1的乙醇溶液中，浸入后溶液的體積為V2，移除浸過乙醇的支架后剩余溶液的體積為V3，按下式計算孔隙率（P）：

（5）用靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)測定支架材料的壓縮強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)速度為1mm·min－1，取變形20%的強(qiáng)度為其壓縮強(qiáng)度。

（6）將PLLA與BCP共混鋪膜，通過測量材料表面接觸角來評價材料的親水性。采用靜滴法，待液滴加到樣品表面30s后測定接觸角，測試分辨率為0.01°，測試精度為0.1°。

2 結(jié)果與討論

2.1 BCP陶瓷粉末的XRD分析（圖1）

從圖1可以看出，合成的BCP陶瓷粉末由HA和β－TCP兩相組成，2θ在11.16°、22.15°、26.03°、31.95°、32.10°、33.39°、39.99°、46.97°和49.81°出現(xiàn)明顯的尖峰，與標(biāo)準(zhǔn)的HA衍射峰一致（JCPDS No.86－0740）；在13.89°、17.24°、27.97°、31.18°及34.69°出現(xiàn)明顯的尖峰，與標(biāo)準(zhǔn)的β－TCP衍射峰一致（JCPDS No.09－0169），表明合成的陶瓷粉末中沒有其它雜質(zhì)。

圖1 BCP陶瓷粉末的XRD圖譜Fig.1 XRD Pattern of BCP ceramics powder prepared

2.2 PLLA／BCP多孔復(fù)合支架的FTIR分析

圖2是BCP陶瓷粉末、PLLA和PLLA／BCP復(fù)合支架的FTIR圖譜。

圖2 BCP陶瓷粉末、PLLA和PLLA／BCP復(fù)合支架的FTIR圖譜Fig.2 FTIR Spectra of BCP ceramics powder，PLLA and PLLA／BCP composite scaffold

從圖2可以看出，BCP陶瓷粉末在高頻3 570 cm－1附近出現(xiàn)了微弱的伸縮振動譜帶，這是－OH的特征吸收峰，其特征峰帶出現(xiàn)在3 700～2 500cm－1區(qū)域，1 200～550cm－1區(qū)域?yàn)镻O3－4的主要吸收峰，1 018cm－1處為PO34－的伸縮振動峰，598cm－1處為PO3－4的變形振動峰；PLLA在1 752cm－1處為C＝O的伸縮振動峰，1 183cm－1處為C－O－C的伸縮振動峰，1 083cm－1處為（C＝O）C－O的伸縮振動峰，證明其具有O＝C－O結(jié)構(gòu)，2 996cm－1和2 942cm－1處為C－H的伸縮振動峰，1 452cm－1和1 382cm－1處為CH3中C－H的變形振動峰，3 652cm－1附近微弱的伸縮振動峰為－OH的特征吸收峰；PLLA／BCP復(fù)合支架中，PLLA和BCP的各吸收峰并沒有發(fā)生明顯的變化，表明PLLA和BCP之間并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，屬于物理共混。

2.3 PLLA／BCP多孔復(fù)合支架的SEM分析

圖3是不同粒徑的致孔劑AB發(fā)泡成型的PLLA多孔支架以及未加致孔劑的PLLA膜在不同倍數(shù)下 的FE－SEM照片。

圖3 不同粒徑的致孔劑發(fā)泡成型的PLLA支架（a，b，c）以及未加致孔劑的PLLA膜（d，e）的FE－SEM照片F(xiàn)ig.3 FE－SEM Images of the PLLA scaffolds prepared with different particle sizes of AB（a，b，c）and PLLA membrane without AB（d，e）

從圖3可以看出：致孔劑AB粒徑小于250μm時，所制備支架材料的孔徑也小于250μm，與AB的粒徑一致，且孔徑形狀受AB顆粒的外觀形狀影響呈不規(guī)則狀，為圓形或者橢圓形（圖3a）；AB粒徑在250～500μm之間或大于500μm時，所制備支架材料的孔徑隨著AB粒徑的增大而增大，與AB的粒徑保持一致（圖3b、c）。表明，可以通過調(diào)控致孔劑顆粒的粒徑控制支架的孔徑尺寸。未加致孔劑制備出的PLLA膜，其斷裂表面存在分布均勻的微孔圖（3d），在較大放大倍數(shù)下，觀察到這些微孔為5～25μm的相互連通的微孔（圖3e），這可能是由于冷凍干燥溶劑的揮發(fā)造成的（在其它由氣體發(fā)泡法制備的多孔支架的斷裂表面也觀察到這樣的微孔）。研究發(fā)現(xiàn)，同時具有大孔和微孔結(jié)構(gòu)的支架材料相對于只有大孔結(jié)構(gòu)的支架材料對骨的愈合作用更加有效，雖然微孔基質(zhì)不擁有利于細(xì)胞生長的孔洞尺寸，但其對于提供支架機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必不可少［13－14］。尤其是支架尺寸在300～500μm之間時，便于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸以及細(xì)胞代謝產(chǎn)物的排除，因而有利于成骨細(xì)胞的繁殖。因此，選用粒徑250～500μm的AB進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖4是致孔劑AB含量為1g和3g時加入不同含量BCP制備的PLLA／BCP復(fù)合支架在相同倍數(shù)下的ESEM斷裂形貌照片。

在西語系統(tǒng)中有很多的文體和句型，因此要特別注意商務(wù)英語中從句、被動語態(tài)等的翻譯，以便與他國的表達(dá)方式適應(yīng)。如翻譯We are a nation that has a government時，應(yīng)把定語從句融合到整個句子中，譯成“我們是一個有政府的國家”；再如狀語從句，西方國家習(xí)慣將時間、條件、原因等放在句尾或句首，但在漢語中狀語位置較固定，常放在主語和謂語間，有時為了表強(qiáng)調(diào)也會放在主語前。

圖4 不同AB∶BCP含量比制備的PLLA／BCP復(fù)合支架的ESEM照片F(xiàn)ig.4 ESEM Images of PLLA／BCP composite scaffolds prepared with different content ratios of AB to BCP

從圖4可以看出，PLLA／BCP復(fù)合支架的孔徑尺寸均在250～500μm之間，與AB的粒徑保持一致；隨著AB含量的增加，支架上明顯可見的單個孔洞開始相互連通（圖4a和d），孔洞之間的界限變得模糊（圖4b和e、c和f）；BCP比較均勻地混合到PLLA中，BCP的混入并沒有影響支架的孔徑尺寸，支架孔徑仍然保持在250～500μm之間（圖4a、b、c）；且BCP含量的增加對支架孔徑尺寸影響不大（圖4b、d、e、f）。

2.4 PLLA／BCP多孔復(fù)合支架的孔隙率和力學(xué)性能分析

不同含量的AB和BCP制備的PLLA／BCP多孔支架的孔隙率和壓縮強(qiáng)度見圖5。

圖5 不同含量的AB和BCP制備的PLLA／BCP復(fù)合支架的孔隙率（a）和壓縮強(qiáng)度（b）Fig.5 The porosity（a）and compressive strength（b）of PLLA／BCP composite scaffolds prepared with different contents of AB and BCP

從圖5a可以看出，隨著致孔劑AB含量的增加，PLLA／BCP復(fù)合支架的孔隙率明顯增大，從52.2%增加到82.1%，達(dá)到了理想骨支架所要求的孔隙率；進(jìn)一步增加AB的含量時，支架制備過程中流動性變得很差，不利于支架的成型。BCP含量對支架孔隙率的影響不明顯，整體上隨著BCP含量的增加孔隙率略有下降。這與ESEM分析結(jié)果一致，即隨著致孔劑含量的增加，支架的孔徑相互連通性更好，使得支架的孔隙率更大；而BCP的含量對支架孔洞的連通性影響不大。一般而言，支架孔隙率的增大會降低支架的力學(xué)性能。

從圖5b可以看出，隨著致孔劑AB含量的增加，PLLA／BCP復(fù)合支架的壓縮強(qiáng)度不斷降低，未添加BCP顆粒時AB含量從1g增加到5g，支架的壓縮強(qiáng)度從0.78MPa降到了0.52MPa。隨著BCP含量的增加，支架材料的壓縮強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)AB含量為1g、BCP含量由0g增加到2g時，支架的壓縮強(qiáng)度從0.78MPa增加到了1.24MPa。但由于BCP與PLLA之間屬于物理共混，支架在進(jìn)行發(fā)泡反應(yīng)時，AB含量過高時（如5g）引起的劇烈反應(yīng)會使混在PLLA中過多的BCP脫落，此時加入的BCP含量越多，支架的壓縮強(qiáng)度反而越低。

結(jié)合ESEM分析可知，在維持支架孔隙率不變的情況下，可以通過加入BCP提高支架的力學(xué)性能，即通過調(diào)控AB和BCP的含量可以控制支架的孔隙率和力學(xué)性能，從而滿足理想的骨支架要求。

2.5 PLLA／BCP多孔復(fù)合支架親水性能的分析

不同含量BCP制備的PLLA／BCP共混膜的接觸角見圖6。

從圖6可以看出，純的PLLA的親水性能比較差，接觸角高達(dá)（80.58±1.34）°；隨著BCP含量的增加，材料的接觸角不斷降低、親水性增加，當(dāng)BCP含量為2g時，材料的接觸角為（46.50±2.19）°。這是因?yàn)?，BCP陶瓷粉末中的HA含有大量的親水基團(tuán)，使水溶液很容易浸潤材料的表面。支架材料需要具有一定的親水性能，以利于細(xì)胞的粘附以及營養(yǎng)液的吸收。

圖6 不同含量BCP制備的PLLA／BCP共混膜的接觸角Fig.6 The water contact angle of PLLA／BCP blending membranes prepared with different contents of BCP

3 結(jié)論

采用氣體發(fā)泡法制備了PLLA／BCP多孔復(fù)合支架。隨著致孔劑AB粒徑的增大，支架的孔徑尺寸相應(yīng)增大；隨著AB含量的增加，PLLA／BCP多孔支架的孔隙率不斷增大，其力學(xué)性能呈下降趨勢；隨著BCP含量的增加，支架的孔隙率變化不大，但力學(xué)性能和親水性能整體上升。通過調(diào)節(jié)致孔劑AB顆粒的粒徑控制支架的孔徑尺寸，通過調(diào)節(jié)AB和BCP的含量控制支架材料的孔隙率（52.2%～82.1%）、力學(xué)性能（壓縮強(qiáng)度0.52～1.24MPa）以及親水性能，制備的PLLA／BCP多孔復(fù)合支架能更好地滿足骨組織工程的要求。

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