殼聚糖涂層對PLA埋植材料性能的影響

?；菝?付少舉 張佩華

東華大學 紡織學院(中國)

殼聚糖涂層對PLA埋植材料性能的影響

?；菝?付少舉 張佩華

東華大學 紡織學院(中國)

針灸治療時，可將埋植材料植入一定穴位，利用其對穴位產(chǎn)生的持續(xù)性刺激而達到治療效果。埋植材料應具有良好的生物相容性、可降解性和適當?shù)挠捕?。以聚乳?PLA)單絲埋植材料為研究對象，采用殼聚糖表面涂層，探討了不同涂層總時間、涂層劑質(zhì)量分數(shù)及涂層次數(shù)對PLA單絲的質(zhì)量、直徑、初始模量、斷裂強力及親水角的影響。試驗結(jié)果表明：當涂層總時間、涂層劑質(zhì)量分數(shù)及涂層次數(shù)分別為70 min、 3.0%及6次時，PLA單絲的質(zhì)量及直徑增大最為明顯，初始模量及斷裂強力也顯著提高，親水角明顯減小。

埋植材料； 聚乳酸； 殼聚糖； 涂層； 性能

傳統(tǒng)的針灸療法是指通過針或灸，應用一定手法刺激體表腧穴或經(jīng)絡，調(diào)動機體本身固有的調(diào)節(jié)功能，達到防治疾病的目的[1]，但其間歇性的刺激模式及患者對針具的恐懼性大大限制了針灸的發(fā)展，20世紀60年代興起的穴位埋線療法則為針灸醫(yī)學治療模式的一次重大改進[2]。穴位埋線是通過植入線體對穴位產(chǎn)生的持續(xù)性刺激而達到治療效果的[3]，該方法操作簡單，副作用小，每次治療間隔時間長，患者無需頻繁往來于醫(yī)院，已廣泛應用于治療肥胖、痛經(jīng)及失眠等疾病[4]。理想的埋植材料需具有以下性能：無毒性；不發(fā)生過敏反應和不良的免疫反應；不損傷機體，可生物降解及組織相容性好；合適的力學性能及易加工成型性；價廉易得等[5]。目前的埋植材料主要是可吸收縫合線。

可吸收縫合線包括天然材料，如羊腸線、膠原蛋白和殼聚糖等，以及合成可吸收材料，如聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚對二氧環(huán)己酯(PDS)及聚己內(nèi)酯(PCL)等[6]23。PLA因其無毒性、良好的細胞相容性和可降解性成為經(jīng)美國食品及藥物管理局(FDA)批準的生物材料[7]，廣泛應用于外科手術(shù)縫合線、眼科手術(shù)材料、組織修補等領(lǐng)域。殼聚糖由于其來源廣泛，以及優(yōu)良的成膜性、吸附性、可降解性和獨特的表面多孔結(jié)構(gòu)，近年來也廣泛應用于組織工程材料和藥物緩釋載體等[8-11]。

PLA埋植材料柔軟性好，抗張強度高，生物相容性較好，對人體無毒，也不會在體內(nèi)聚集，疏水性強，但親水性不夠理想，且降解產(chǎn)物偏酸性[6]24-25。國內(nèi)外研發(fā)人員主要在引入第二單體制備PLA共聚物，賦予PLA新的性能，或通過后處理工藝和涂層改進PLA性能等方面進行了研究，以改善PLA的降解性能。美國專利報道了利用PLA與PCL共聚物制備醫(yī)用縫合線[12]，發(fā)現(xiàn)PLA與PCL共聚后，縫合線的親/疏水性和結(jié)晶性都得到改善，而且柔順性有所提高。

本文選用PLA單絲作為埋植材料，為了進一步改善其親水性，同時增加PLA單絲植入穴位后的刺激作用，采用殼聚糖對PLA單絲進行涂層改性，探討不同涂層總時間、次數(shù)及質(zhì)量分數(shù)下，PLA單絲質(zhì)量、直徑、初始模量、斷裂強力及親水角的變化。

1 試驗

1.1 材料

PLA單絲由東華大學纖維材料改性國家重點試驗室提供，其線密度為22.69 tex，熔點為166.84 ℃。

1.2 涂層工藝與試驗方法

1.2.1 涂層劑

涂層劑為殼聚糖溶液，由一定質(zhì)量的殼聚糖(脫乙酰度約為93.1%)溶解于質(zhì)量分數(shù)為3%的乙酸溶液后制得。

1.2.2 涂層加工工序

涂層劑的制備→材料用無水乙醇洗凈、干燥→涂層→多余涂層劑去除→烘干(70 ℃)→重復涂層、多余涂層劑去除及烘干工序多次→冷凍、干燥。

1.2.3 試驗方法

采用浸漬涂層法，在不同的涂層總時間(材料在殼聚糖溶液中浸漬的總時間)、質(zhì)量分數(shù)及涂層次數(shù)下進行試驗。每次涂層后采用DHG-9055A型電熱鼓風恒溫干燥箱，在70 ℃的溫度下烘干10 min后進行再一次涂層。

1.2.3.1 方案一

確定殼聚糖質(zhì)量分數(shù)為3.0%、涂層次數(shù)為5次條件下，涂層總時間分別為30、 50、 70、 90及110 min。

1.2.3.2 方案二

確定涂層總時間為90 min、涂層次數(shù)為5次條件下，涂層劑質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%及3.5%。

1.2.3.3 方案三

確定殼聚糖質(zhì)量分數(shù)為3.0%、涂層總時間為90 min條件下，涂層次數(shù)分別為3、 6、 9、 12及15次。

1.3 測試指標與測試方法

1.3.1 質(zhì)量增加率

試樣在-50 ℃真空條件下冷凍干燥至質(zhì)量恒定。在溫度為20 ℃、相對濕度為65%條件下，采用電子天平(BS124S型，德國，精度為0.000 1 g)測試其初始質(zhì)量(m0)，試樣經(jīng)過不同程度的涂層及真空干燥后測試其涂層后質(zhì)量(m1)，根據(jù)式(1)計算試樣的質(zhì)量增加率。

(1)

1.3.2 直徑

采用電子顯微鏡(NikonE200型)觀察單絲的表面形態(tài)，利用Image-J軟件測試單絲涂層前后的直徑，取15次測試的平均值。

1.3.3 斷裂強力和初始模量

采用電子單紗強力儀(YG061型，山東萊州電子儀器公司)，在20 ℃、相對濕度65%的標準試驗條件下測試單根試樣的初始模量和斷裂強力。參數(shù)設置：預加張力為(0.50±0.05)cN/tex，夾持隔距為250mm，拉伸速度為250mm/min，每個樣品測試10次，取10次的平均值為試樣最終的斷裂強力和初始模量。

1.3.4 親水角

使用接觸角測量儀(OCA15EC型，德國Dataphysics公司)，利用氣泡捕捉法，得到水滴在試樣表面的外形圖像，測試不同涂層工藝下單絲的水接觸角，取5次測試的平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 PLA單絲的基本性能參數(shù)

試驗用PLA單絲的基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 PLA單絲的基本性能參數(shù)

2.2 單因子涂層工藝與PLA單絲性能的關(guān)系

2.2.1 涂層總時間與PLA單絲性能的關(guān)系

采用方案一對PLA單絲進行涂層，測試不同涂層總時間下PLA單絲的質(zhì)量增加率、直徑、初始模量、斷裂強力及親水角，結(jié)果如圖1、圖2和表2所示。

圖1 PLA單絲質(zhì)量增加率、直徑與涂層總時間的關(guān)系

圖2 PLA單絲初始模量、斷裂強力與涂層總時間的關(guān)系

涂層總時間/min030507090110親水角/(°)68.2561.0661.0562.2562.4563.10親水角CV值/%1.410.91.60.632.302.35

涂層前后PLA單絲質(zhì)量與直徑的變化均可表征單絲的涂覆量，質(zhì)量和直徑增大越多，表明涂覆量越大，涂覆效果越好。由圖1可知，隨著涂層總時間的增大，PLA單絲的質(zhì)量增加率及直徑變化基本相似，呈先增大后減小趨勢，且在涂層總時間為 70 min 時均達到最大值。此外，PLA單絲在涂層總時間大于 70 min 后，質(zhì)量增加率相近，均為19.00%左右，這是由于PLA單絲為表面光滑的單絲，未經(jīng)刻蝕等處理，所以質(zhì)量增加率最大只能為涂層總時間為70 min時的20.20%，直徑也僅從初始值變化至涂層總時間為70 min 時測得的最大值——165.10 μm。

圖2給出了涂層后PLA單絲初始模量及斷裂強力的變化。PLA單絲的初始模量可表征其硬度，初始模量越大，PLA單絲越硬。由圖2可知，隨著涂層總時間的增大，PLA單絲初始模量呈不斷增大的趨勢，斷裂強力則先增大后減小，且在涂層總時間為70 min 時達最大值。相比未經(jīng)處理的PLA單絲，經(jīng)20 min 涂層后，PLA單絲的初始模量及斷裂強力增大較為明顯，材料明顯變硬，但隨著涂層總時間的進一步增大，其變化幅度逐漸減緩，尤其是涂層總時間達70 min之后，初始模量從1.97 cN/tex 增大至最大值2.13 cN/tex，而斷裂強力僅從410 cN 減小為400 cN。

親水角可用來表征材料的親水性，親水角越小，材料的親水性越好。由表2可知，涂層后PLA單絲的親水角明顯減小，即親水性都有所改善。而涂層總時間不同，涂層后PLA單絲的親水角都約為62°，表明涂層總時間對PLA單絲親水性的改善作用相似，即PLA單絲親水性的改善受涂層總時間的影響較小。

由于是在光滑的PLA單絲表面直接進行涂層的，經(jīng)不同時間涂層后，PLA單絲的涂覆量、硬度及親水性雖然有所增大，但效果均不明顯。為使PLA單絲在植入時能產(chǎn)生更好的刺激效果和膨脹效果，PLA單絲的親水性、硬度及涂覆量增大的幅度越大越好，但PLA單絲在呈酸性的殼聚糖溶液中涂層總時間過長將影響其力學性能，且烘干時間過長也將導致材料收縮，因此，綜合考慮優(yōu)選涂層總時間為70 min。

2.2.2 涂層劑質(zhì)量分數(shù)與PLA單絲性能的關(guān)系

采用方案二對PLA單絲進行涂層，測試不同涂層劑質(zhì)量分數(shù)下PLA單絲的質(zhì)量增加率、直徑、初始模量、斷裂強力及親水角，結(jié)果如圖3、圖4和表3 所示。

圖3 PLA單絲質(zhì)量增加率、直徑與涂層劑質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

圖4 PLA單絲初始模量、斷裂強力與涂層劑質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

表3 不同涂層劑質(zhì)量分數(shù)下PLA單絲的親水角

由圖3可知，PLA單絲的質(zhì)量增加率和直徑在涂層劑質(zhì)量分數(shù)為3.0%時均達到最大值，兩者的變化規(guī)律基本相同。質(zhì)量增加率在涂層劑質(zhì)量分數(shù)小于2.5%前的變化并不明顯，但在3.0%時明顯增大。同樣，PLA單絲的直徑在涂層劑質(zhì)量分數(shù)由2.0%增大至3.0%時顯著增大。當涂層劑質(zhì)量分數(shù)進一步增加至3.5%時，PLA單絲的質(zhì)量增加率、直徑都與涂層劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%時基本相同。

由圖4可知，當涂層劑質(zhì)量分數(shù)為3.0%時，PLA單絲的初始模量和斷裂強力均達到最大值。在涂層劑質(zhì)量分數(shù)大于2.5%后，PLA單絲的初始模量僅從1.83 cN/tex增加至最大值1.86 cN/tex，變化趨緩。由不同涂層劑質(zhì)量分數(shù)與不同涂層總時間下PLA單絲初始模量的變化趨勢，以及分別獲得的最大初始模量1.86 cN/tex(圖4)和2.13 cN/tex(圖2)可知，改變涂層劑質(zhì)量分數(shù)后PLA單絲初始模量的增大幅度不及改變涂層總時間的增大幅度。斷裂強力曲線表明，采用不同涂層劑質(zhì)量分數(shù)時，PLA單絲斷裂強力的變化都比較小，表明涂層劑質(zhì)量分數(shù)對PLA單絲斷裂強力的影響較小。

由表3可知，涂層劑質(zhì)量分數(shù)為3.0%時，PLA單絲的親水角最小，親水性最好，且涂層劑質(zhì)量分數(shù)大于2.0%后，PLA單絲的親水角都為59°左右，表明涂層劑質(zhì)量分數(shù)大于2.0%后，其對PLA單絲親水性的影響相近。相比表2中不同涂層總時間下PLA單絲的親水角可知，不同質(zhì)量分數(shù)的涂層劑涂層后PLA單絲的親水角明顯更小，表明改變涂層劑質(zhì)量分數(shù)能使PLA單絲獲得更優(yōu)異的親水性。

綜上分析，PLA單絲的涂層劑質(zhì)量分數(shù)選擇3.0%時，可使PLA單絲的各項性能較優(yōu)。

2.2.3 涂層次數(shù)與PLA單絲性能的關(guān)系

采用方案三對PLA單絲進行涂層，測試不同涂層次數(shù)時PLA單絲的質(zhì)量增加率、直徑、初始模量、斷裂強力、親水角及其CV值，結(jié)果如表4所示。

表4 不同涂層次數(shù)時PLA單絲的性能

由表4可知，涂層次數(shù)為6次時，PLA單絲的質(zhì)量增加率、直徑達最大值，兩者的變化趨勢也基本相同。隨著涂層次數(shù)的繼續(xù)增加，其增大趨勢也趨于平緩。涂層后PLA單絲的初始模量先增大后減小，在涂層次數(shù)為6次時達最大值，此時PLA單絲的硬度最大；在涂層次數(shù)為15次時，初始模量最小，原因在于涂層次數(shù)過多時，原先涂覆在PLA單絲表面的殼聚糖發(fā)生脫落，導致最終烘干后附著在單絲表面的殼聚糖較少。

PLA單絲斷裂強力隨涂層次數(shù)的增加先增大后減小，在涂層次數(shù)為9次時達最大值(383.4 cN)，相比不同涂層總時間下，PLA單絲斷裂強力變化及獲得的最大值410.0 cN，可知涂層次數(shù)對PLA單絲斷裂強力的影響弱于涂層總時間的影響。

就親水性而言，經(jīng)不同次數(shù)涂層后，PLA單絲的親水角都減小，親水性得到較好的改善，但親水角接近，基本在61.00°左右，說明涂層次數(shù)對PLA單絲親水性的影響較小。此外，與不同涂層總時間(表2)和涂層劑質(zhì)量分數(shù)大于2.0%下PLA單絲的親水角比較可知，PLA單絲經(jīng)不同質(zhì)量分數(shù)的涂層劑涂層后，所得親水角整體更小，因此親水性改善效果更佳。但涂層次數(shù)多，增加了PLA單絲每次涂層結(jié)束后烘干的次數(shù)，將對PLA單絲的力學性能及其熱收縮性產(chǎn)生不良影響，故綜合考慮PLA單絲各項性能的變化，適宜選擇涂層次數(shù)為6次。

2.2.4 單因子優(yōu)選涂層工藝下PLA單絲的性能

利用上述單因子試驗優(yōu)選的涂層參數(shù)(涂層總時間70 min，涂層劑質(zhì)量分數(shù)3.0%，涂層次數(shù)6次)涂層加工后，所得PLA單絲的性能參數(shù)如表5所示?？梢?，涂層后PLA單絲的直徑增大，硬度及親水性都有所改善。

表5 涂層后PLA單絲的性能參數(shù)

3 結(jié)論

——通過對涂層工藝與PLA單絲性能的關(guān)系進行分析，可知較優(yōu)的涂層工藝為涂層總時間70 min，涂層劑質(zhì)量分數(shù)3.0%，涂層次數(shù)6次。

——選用單因子優(yōu)選的工藝參數(shù)涂層后，PLA單絲獲得了較好的涂覆量，且其硬度增加，親水性改善。涂層后PLA單絲親水性的改善，有助于提高其作為埋植材料植入后產(chǎn)生吸水自膨脹效應，可提升刺激效果，且硬度的增大，也有利于增大埋植材料所產(chǎn)生的刺激，提升治療效果。

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Effect of chitosan coating on the properties of PLA thread-embedding materials

WeiHuimin，F(xiàn)uShaoju，ZhangPeihua

CollegeofTextiles，DonghuaUniversity，Shanghai/China

In the acupuncture therapy， thread-embedding materials were buried into acupuncture points to produce a long-time stimulation which could achieve treatment effects. Thread-embedding materials should have excellent properties of good biocompatibility， biodegradability and moderate rigidity. Polylactic acid(PLA) thread-embedding materials were taken as the research subject and coated by chitosan. The influence of different coating time， coating agent mass concentration and coating times on the mass， diameter， initial modulus， breaking strength and contact angle of the thread-embedding materials were discussed. The experiment results showed that while the coating time， coating agent mass concentration and coating times were chosen 70 min， 3.0% and 6 times respectively， the increas of mass and diameter of PLA monofilament were the most obvious， initial modulus and breaking strength raised significantly， and contact angle reduced remarkably.

thread-embedding material； polylactic acid； chitosan； coating； property

張佩華 phzh@dhu.edu.cn