羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠在模擬體液中的力學性能

周金生, 周 莉*,歐陽君君, 范志恒, 羅仲寬, 劉 波 ，周兆平，邱渭遙

(1.深圳大學 化學與化工學院, 廣東 深圳 518060; 2. 深圳大學 深圳國家生化工程技術開發(fā)中心，廣東 深圳 518060)

羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠在模擬體液中的力學性能

周金生1, 周 莉1*,歐陽君君1, 范志恒1, 羅仲寬1, 劉 波1，周兆平2，邱渭遙2

(1.深圳大學 化學與化工學院, 廣東 深圳 518060; 2. 深圳大學 深圳國家生化工程技術開發(fā)中心，廣東 深圳 518060)

從仿生學角度出發(fā)，將自制的人工角膜支架材料羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖(n-HA/PVA/CS)浸泡在模擬體液中，對材料的含水率及力學性能進行了測試，并利用掃描電鏡、X射線衍射儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀及熱重分析儀研究了材料在模擬體液中的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素組成及熱穩(wěn)定性. 結(jié)果表明，在模擬體液中，n-HA/PVA/CS復合水凝膠的含水率為80%～86%，具有較高的拉伸強度，能承受正常眼壓，且熱穩(wěn)定性較好. 在浸泡后期，n-HA/CS/PVA復合材料對Ca2+的吸附和釋放達到動態(tài)平衡；而其表面含有微量的納米羥基磷灰石沉積，有利于纖維細胞的長入.

羥基磷灰石；水凝膠；人工角膜支架材料；模擬體液；力學性能

角膜移植是治療各種角膜病的有效方法. 但角膜供體來源困難，所以研制人工角膜成為最終挽救和恢復患者視力的有效方法[1]. 人工角膜是用異質(zhì)成型材料取代常溫角膜組織而制成的一種特殊屈光裝置，通過手術植入患眼. 人工角膜分成中心光學部分和裙邊支架兩部分，光學中心是用以替代病變后阻礙眼球光學通路的渾濁角膜，裙邊支架對穩(wěn)定和支持光學中心有重要作用, 其材料的組織相容性，是影響人工角膜植入成敗的關鍵因素[2-5].

納米羥基磷灰石(n-HA)具有良好的生物相容性和生物活性,纖維血管等軟組織能長入有孔的羥基磷灰石中，因此被廣泛應用于組織工程支架材料. 但是羥基磷灰石強度低,脆性大,難以承受術中術后一般的外力，因此許多專家制造了羥基磷灰石與有機高分子聚合物的復合材料[6-7]. 聚乙烯醇(PVA) 水凝膠是高分子水凝膠的一種. 由于 PVA 水凝膠除了具備一般水凝膠的性能外，還具有毒性低、機械性能優(yōu)良(高彈性模量和高的機械強度) 、吸水性強和生物相容性好等優(yōu)點，因而備受青睞，在許多領域極具開發(fā)潛力[8-9]. 殼聚糖(CS)具有良好的抑菌性能和生物相容性，且無毒性、無刺激性，可明顯提高其生物相容性以及抑菌性，已廣泛應用于生物醫(yī)學領域[10]. 本研究采用冷凍-解凍、溶鹽致孔法制得了多孔納米羥基磷灰石/聚乙烯醇/殼聚糖 (n-HA/ PVA/CS)人工角膜復合支架材料，并從仿生學的角度對其在模擬體液中的各種性能進行了研究.

1 實驗材料及方法

1.1 試劑與儀器

本實驗使用的試劑和儀器如表1和表2所示.

表1 實驗試劑表Table 1 Reagents

表2 實驗設備Table 2 Laboratory apparatus

1.2 多孔支架材料和模擬體液的制備

稱取一定量的PVA，常壓下于90 ℃溶于DMSO中；加入適量致孔劑NaCl，再加入適量n-HA和CS，攪拌使其混合均勻，將其倒入模具中，經(jīng)過多次冷凍-解凍成型；最后用去離子水浸泡.

模擬體液按照文獻[11]制備.

1.3 測試方法

1.3.1 含水率的測定

將被測凝膠試樣置于各溶液中浸泡4周后取出，用濾紙擦干表面的水分后稱重，得凝膠試樣的重量W1，然后將凝膠試樣在真空干燥后稱重，得干樣的重量W2. 用下式進行含水率計算：

含水率Cw=(W1-W2)/W1×100%

1.3.2 力學性能測試和TG分析

將裁剪成10 mm×40 mm×0.3 mm，測試距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min. 用萬能電子拉力機測試其力學性能，包括拉伸強度，斷裂伸長率等.

將真空干燥后的粉末試樣用德國STA409PC同步熱分析儀進行熱重分析. 熱重分析樣品量為10 mg，升溫速率為10 ℃/min，氮氣氣氛，流量為100 mL/min，測試范圍為25～600 ℃.

1.3.3 浸泡液中Ca2+濃度測定

將試樣裁剪成40 mm×15 mm×0.40 mm的n-HA/PVA/CS水凝膠試樣，浸泡在模擬體液中,分別于1、2、3、4周后取液，用ICP檢測各溶液中Ca2+的含量變化.

1.3.4 X射線衍射分析和掃描電鏡分析

將真空干燥后的試樣，用XRD儀進行晶態(tài)分析. 將冷凍干燥后的樣品，對其表面進行掃描電鏡觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率

表3為n-HA/PVA/CS復合水凝膠(各組分質(zhì)量分數(shù)：CS 25%，n-HA 25%，PVA 50%)在模擬體液中浸泡不同時間的含水率. 從表中可以看出，n-HA/PVA/CS復合水凝膠的含水率隨著浸泡時間的增加并沒有明顯變化. 復合水凝膠有很高的含水率，這是因為聚乙烯醇含有親水基-OH，鏈中羥基間能形成氫鍵結(jié)構(gòu). 聚乙烯醇分子鏈間通過氫鍵和微晶區(qū)形成三維網(wǎng)絡，能吸收大量的水分，純聚乙烯醇水凝膠含水率可以達到75%[12]. 同時殼聚糖分子中含有大量的-OH、-NH2等親水基團，分子間也能形成氫鍵，因此加入殼聚糖能使復合水凝膠的含水率增加. 高含水率的水凝膠可保持角膜濕潤，并有一定的柔韌性，可避免因機械壓力引起人工角膜手術失敗.

表3 模擬體液中浸泡不同時間復合水凝膠的含水率Table 3 Water content of the composite hydrogel with different soaking time in simulated body fluid

2.2 力學性能

圖1(a)(b)(c)分別為殼聚糖含量(質(zhì)量分數(shù))為10%，25%，40%的n-HA/PVA/CS復合水凝膠(PVA含量為50%)的拉伸強度曲線圖. 可以看出，隨著浸泡時間的改變，三種不同CS含量的復合水凝膠的拉伸強度并無明顯的波動，拉伸強度在0.60～0.75 MPa之間，能承受正常人眼壓. 同時從圖中可以看出，隨著殼聚糖含量的增加，水凝膠的拉伸強度逐步下降. 這說明與n-HA相比，殼聚糖與PVA聚合物的結(jié)合能力較差，粉末顆粒易團聚，不能很好地分散在凝膠中，造成材料受力不均勻，力學性能降低. 因此殼聚糖的加入不利于人工角膜力學性能的提高.

2.3 浸泡液中Ca2+濃度測定

圖2是殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的復合水凝膠在模擬體液浸泡過程中溶液Ca2+離子濃度的變化情況. 可以觀察到，初期Ca2+減少速度很快,到后期逐漸平緩. 說明在模擬體液中，n-HA/PVA/CS復合水凝膠能誘導Ca2+的沉積. 可能是由于殼聚糖含有大量極性基團，當n-HA/PVA/CS復合水凝膠被放入模擬體液中時會發(fā)生吸水溶脹，Ca2+會置換溶脹n-HA/PVA/CS復合水凝膠膜表面中的水分子，并且產(chǎn)生相互排斥現(xiàn)象使其有足夠空間與n-HA降解產(chǎn)生的HPO42-相互作用得到HA. 而當浸泡后期吸附和釋放達到動態(tài)平衡后, Ca2+濃度變化就不再明顯.

圖1 浸泡時間與拉伸強度的關系Fig.1 The relationship between tensile strength of the composite hydrogel and soaking time

圖2 模擬體液中Ca2+離子濃度隨浸泡時間的變化Fig.2 Variation of Ca2+concentration in simulated body fluid for different soaking time

2.4 X射線衍射分析

n-HA晶體在衍射角25.9°、31.8°、34.1°、46.7°和49.5°有較強的衍射峰. 圖3是殼聚糖含量為25%的復合水凝膠浸泡前和浸泡后2周和4周的XRD衍射圖，從圖上可以看出，浸泡后n-HA的衍射峰降低，這可能是因為新生成的羥基磷灰石生成速度比復合材料中n-HA降解速度慢，浸泡2周和4周樣品的峰強度變化不大，說明降解與新生已基本達到了動態(tài)平衡.

2.5 同步熱力學分析(TG-DTA)

圖4為殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的n-HA/PVA/CS復合水凝膠及其三種組分的TG圖.n-HA/PVA/CS復合水凝膠從室溫到100 ℃，失重較快，迅速達到78 % ，在這個階段主要是水分的蒸發(fā). 對于純PVA和CS在250～350 ℃之間的失重可能與PVA的碳鏈分解和CS的分解燃燒有關系，因此在這一階段，n-HA/PVA/CS復合水凝膠的失重主要是由于PVA和CS的失重引起的. 由此可見，在模擬體液的浸泡下，n-HA/PVA/CS復合水凝膠具有較高穩(wěn)定性.

圖3 復合水凝膠浸泡前后的 XRD對照圖Fig.3 XRD patterns of pre-soaked and post-soaked composite hydrogel

圖4 n-HA/PVA/CS復合水凝膠及其組分的TG圖Fig.4 The TG patterns of the composite hydrogel and elementary substances

2.6 掃描電鏡分析

圖5為殼聚糖含量為25%(PVA含量為50%)的復合水凝膠浸泡前后的表面SEM圖，與浸泡前的樣品相比,在模擬體液中浸泡4 周后的樣品表面有沉積物出現(xiàn)，剛好與前面的XRD分析推測相同，在模擬體液的浸泡過程中，n-HA/PVA/CS復合水凝膠表面有磷灰石沉積物出現(xiàn).

A浸泡前 B浸泡4周后

3 結(jié)論

通過研究可以得到如下結(jié)論: (1)浸泡環(huán)境下，復合水凝膠的含水率在80%～86%，具有較好的蓄水性和柔韌性. (2)材料具有較好的拉伸強度(0.60～0.75 MPa)，能承受正常人眼壓. (3)TG數(shù)據(jù)顯示材料在浸泡環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性. (4)在浸泡初期, 由于n-HA/PVA/CS復合水凝膠能吸附Ca2+，模擬體液中Ca2+離子含量下降較快. 而當浸泡后期吸附和釋放達到動態(tài)平衡后, Ca2+濃度變化就不再明顯. (5)X 射線衍射圖譜和 SEM圖研究表明,浸在模擬體液中的支架表面有磷灰石沉積物出現(xiàn)，復合材料表面的多孔羥基磷灰石有利于纖維血管等軟組織生長，能增加材料的生物相容性.

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Mechanicpropertiesofnano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/
chitosancompositehydrogelinsimulatedbodyfluid

ZHOU Jinsheng1, ZHOU Li1*, OUYANG Junjun1, FAN Zhiheng1, LUO Zhongkuan1,
LIU Bo1, ZHOU Zhaoping2, QIU Weiyao2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China；
2.BiochemicalCenter,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China)

From the perspective of bionics, nano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/chitosan (n-HA/PVA/CS) composite hydrogel as a homemade artificial cornea scaffold material was soaked in simulated body fluid, and its water content and mechanic properties were tested. The surface morphology, crystal structure, elemental composition and thermal stability of the material were studied by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and thermogravimetric analysis. Results show thatn-HA/PVA/CS composite hydrogel soaked in the simulated body fluid exhibits a water content of about 80%-86%, and it has high tensile strength as well as good thermal stability while it can bear normal intraocular pressure. Moreover, in the post-soaking period,n-HA/PVA/CS composite hydrogel undergoes a dynamic equilibrium of adsorbing and releasing Ca2+, while a trace amount ofn-HA precipitate on the composite surface is helpful for fibroblast ingrowth.

hydroxyapatite; hydrogel; skirt of artificial cornea; simulated body fluid; mechanic properties

2013-12-03.

深圳市科技創(chuàng)新委科技攻關項目(JSGG20120614164013545).

周金生(1986-), 男, 研究方向為生物醫(yī)用材料.*

, E-mail:zhouLi_2050@163.com.

O 646

A

1008-1011(2014)03-0288-05