羥基磷灰石對PLGA力學(xué)性能和降解性能的影響

趙　娜，查汪藝,2，馬志剛，于佳禾，胡　生

(1湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 黃石 435003；2美的集團武漢制冷設(shè)備有限公司,湖北 武漢 430056)

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羥基磷灰石對PLGA力學(xué)性能和降解性能的影響

趙娜1，查汪藝1,2，馬志剛1，于佳禾1，胡生1

(1湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 黃石 435003；2美的集團武漢制冷設(shè)備有限公司,湖北 武漢 430056)

摘要：將自制的羥基磷灰石(HA)加入到聚乳酸乙醇酸無規(guī)共聚物(PLGA)中，采用干混熱壓的方法制備了不同比例的HA/PLGA復(fù)合材料，并用掃描電鏡進行了表征，研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能和降解性能。力學(xué)性能研究表明， HA含量為5 wt%時HA/PLGA復(fù)合材料拉伸強度最大，較純PLGA稍有提高；降解實驗結(jié)果表明，HA的加入使復(fù)合材料的失重加劇，加快了PLGA的降解；HA的加入可以提高降解液的pH值，有利于減緩由于酸性降解產(chǎn)物引起的無菌性炎癥的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：羥基磷灰石；PLGA；復(fù)合材料；降解性能

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)的化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，其中Ca/P的物質(zhì)的量之比理論值為1.67。每個單位晶胞含有10個[Ca]2+、6個[PO4]3-和2個[OH]-，形成四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得HA結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性[1]。HA是人體和脊椎動物骨組織的主要無機組成成分，占人體骨組織的69%以上。人工合成的HA由于其結(jié)構(gòu)、性能和天然的HA很相似，并具有良好的成骨活性和生物相容性，能與人體細胞和骨膠原緊密結(jié)合，誘導(dǎo)骨細胞生長和分裂，因此，HA被視為連接人體軟組織和硬組織的關(guān)鍵物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于骨損傷修復(fù)。但是，由于HA在組織工程應(yīng)用中表現(xiàn)出脆性大、易碎、韌性差且不易加工成型等缺陷，限制了其在承力部位的應(yīng)用[2]。

聚乳酸乙醇酸共聚物(PLGA)是一種生物可降解材料，無毒,可滅菌,具有較好的生物降解性能、生物相容性、生物可吸收性、機械強度、彈性模量和熱成型性[3]。PLGA的降解產(chǎn)物乳酸(LA)和乙醇酸(GA)可參與人體的新陳代謝，最終形成水和二氧化碳被排出體外。目前PLGA已被美國FDA批準為可用于人體的藥用輔料和醫(yī)用可降解材料，在生物醫(yī)學(xué)方面起著舉足輕重的作用[4]。

如果將HA和PLGA進行復(fù)合，將得到一種性能優(yōu)越的復(fù)合材料。韌性較好的高分子材料PLGA將脆性較大的HA包裹起來，克服了HA脆性大、韌性差和不易加工成型等缺陷，而HA較硬，在復(fù)合材料中將起到支撐作用，有利于復(fù)合材料的強度提高；HA呈弱堿性，可以中和PLGA降解過程中產(chǎn)生的酸性降解產(chǎn)物乳酸和乙醇酸，避免降解介質(zhì)pH值過快下降，可能對PLGA在體內(nèi)應(yīng)用時引起的無菌性炎癥有一定緩解作用[5]；同時，HA是人體和脊椎動物骨組織的主要無機組成成分，將HA引入PLGA將有助于提高PLGA的成骨能力和生物相容性，能夠?qū)山M分各自所具有的生物可降解性和骨傳導(dǎo)性能有機地結(jié)合起來，HA還可為骨缺損部分提供優(yōu)質(zhì)鈣、磷來源[6]。

本研究擬制備一系列HA/PLGA復(fù)合材料，并詳細研究他們的力學(xué)性能和降解性能，以揭示HA對PLGA性能的影響。

1實驗部分

1.1原料及儀器

四水硝酸鈣(分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；磷酸氫二銨(分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；PLGA(η=2.3 mPa·s, LA和GA的摩爾比為75∶25)。

掃描電子顯微鏡(S-3400N，日本日立公司);微機控制電子萬能試驗機(CMT413，深圳市新三思材料檢測有限公司);箱式電爐(SX2，上海申光儀器儀表有限公司);傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor 27，德國Bruker公司);精密pH計(PHS-W，上海般特儀器有限公司);平板硫化機(XLB-D，揚州市天發(fā)試驗機械有限公司)。

1.2HA的合成

HA的合成選擇沉淀法，參照文獻[7]進行。使用傅里葉變換紅外光譜儀，采用KBr壓片對產(chǎn)品進行分析。

1.3HA/PLGA復(fù)合材料的制備

用電子天平稱取一定質(zhì)量的HA和PLGA，將二者混合均勻。用此方法制備一系列HA/PLGA混合物，其中HA含量分別為5 wt%,10 wt%,15 wt%,20 wt%與PLGA混合均勻。將混合均勻的樣品倒入模具中，在溫度為160 ℃、壓力為12 MPa時用平板硫化機熱壓10 min，取出，待樣品冷卻得到片狀復(fù)合材料。

用掃描電子顯微鏡對5 wt%HA/PLGA復(fù)合材料樣品淬斷面進行形貌分析。

將不同HA含量的片狀復(fù)合材料樣品分別切成樣條若干，然后在常溫下用電子萬能力學(xué)試驗機對樣條進行拉伸測試，拉伸速率為2 mm/min。

1.4HA/PLGA復(fù)合材料的降解實驗

將HA含量為5wt%的HA/PLGA復(fù)合材料和純PLGA材料制成樣條若干，用分析天平稱量每片樣條的原始質(zhì)量W，每3片一組，置于pH=7.40的磷酸鹽緩沖溶液中，共分12組，在恒溫培養(yǎng)箱中70 ℃下進行降解，每隔24 h取出一組樣品，用pH計測試磷酸鹽緩沖溶液的pH值。

降解后的樣條用濾紙吸干表面的水，用分析天平稱其質(zhì)量，記為W1，后放入恒溫干燥箱中干燥24 h，取出稱其質(zhì)量，記為W0。

材料的失重率=(W-W0)/W×100%。

材料的吸水率=(W1-W0)/W0×100%。

2結(jié)果與討論

2.1合成羥基磷灰石的紅外光譜分析

圖1　羥基磷灰石的紅外光譜圖

2.2HA/PLGA復(fù)合材料的微觀形貌分析

選擇復(fù)合材料中力學(xué)性能最好的5wt%HA/PLGA復(fù)合材料進行微觀形貌分析。5 wt%HA/PLGA復(fù)合材料淬斷面不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖見圖2。

圖2　5 wt%HA/PLGA復(fù)合材料的掃描電鏡圖

由圖2可知，HA顆粒在PLGA基體中分散均勻，HA未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象；但可清晰看出，HA顆粒與PLGA基體之間有較為明顯的空隙，說明無機物HA與有機物PLGA之間的相容性較差，結(jié)合能力較差，使得HA與PLGA兩相之間存在較多缺陷，從下文拉伸強度的數(shù)據(jù)可以看出，這些缺陷將導(dǎo)致復(fù)合材料強度的下降和斷裂伸長率的減小。

2.3復(fù)合材料力學(xué)性能分析

不同含量的HA/PLGA復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率變化分別如圖3、圖4所示。

圖3　不同含量HA/PLGA復(fù)合材料的拉伸強度

由圖3可知，純PLGA具有較大的拉伸強度，達到了36.85 MPa。隨著HA的添加，HA含量為5 wt%時，HA/PLGA復(fù)合材料的拉伸強度達到了最高，為37.79 MPa，稍微高于純PLGA材料；隨后HA/PLGA復(fù)合材料的拉伸強度不斷降低，當(dāng)HA含量為20 wt%時，復(fù)合材料的強度僅為10.99 MPa。

HA/PLGA復(fù)合材料的斷裂伸長率曲線與拉伸強度曲線形狀非常相似(見圖4)。當(dāng)HA含量為5 wt%時，復(fù)合材料的斷裂伸長率達到最大，為2.47%。隨著HA含量的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長率逐漸減小，HA含量為20 wt%時，復(fù)合材料的斷裂伸長率僅為0.47%。

圖4　不同含量HA/PLGA復(fù)合材料的斷裂伸長率

由此可見，少量HA對復(fù)合材料的拉伸性能無太大影響，但HA含量超過一定值時，復(fù)合材料變脆。這主要是由于HA與PLGA之間的相容性較差，兩相之間存在缺陷，相界面之間缺乏較穩(wěn)定的相互作用力，材料受力時，缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得復(fù)合材料界面脆弱，更易發(fā)生斷裂。HA含量增加，缺陷增多，相界面增多，從而導(dǎo)致斷裂伸長率不斷下降。

2.4復(fù)合材料降解性能考察

選擇PLGA和5 wt%的HA/PLGA復(fù)合材料在70 ℃溫度下進行降解實驗，系統(tǒng)考察降解后降解液的pH變化、材料的吸水率和失重率的變化。

降解過程中降解液pH值的變化如圖5所示。由圖5可知，純PLGA的降解液pH值變化曲線與HA/PLGA復(fù)合材料的降解液pH值變化曲線形狀較相似。純PLGA的降解液pH值在1～4 d變化不大，5～12 d后pH值下降比較顯著。復(fù)合材料的降解液pH值在1～5 d變化不大，6～12 d后pH明顯開始下降。但是復(fù)合材料的降解液的pH值在考察范圍內(nèi)始終高于純PLGA的降解液的pH值，說明HA的加入可以減緩pH值的快速下降。

圖5　降解過程中降解液pH值的變化

PLGA降解后的產(chǎn)物為乳酸和乙醇酸，均呈酸性，隨著降解時間的延長，更多的降解產(chǎn)物溶解進入降解液，使降解液的pH值不斷下降。而復(fù)合材料中由于HA的加入，降解過程中中和了一定量的酸性降解產(chǎn)物，因而提高了降解液的pH值。

PLGA和5 wt%的HA/PLGA復(fù)合材料降解后的失重率變化如圖6所示。由圖6可知，純PLGA在5 d內(nèi)的失重率變化不明顯，從第6 d開始，失重率進入加速增加階段。HA/PLGA復(fù)合材料前5 d的失重率維持在2%左右，明顯高于純PLGA。同樣從第6 d開始，失重率進入加速增加階段。但是復(fù)合材料的失重率始終高于PLGA，說明HA的加入加快了復(fù)合材料的重量損失速度。

這主要是由于復(fù)合材料中存在缺陷，使得降解液的滲入更加容易，導(dǎo)致復(fù)合材料的降解在表面和內(nèi)部同時進行，降解加快。當(dāng)降解時間很長以后，降解產(chǎn)物分子量已很小，當(dāng)小到可溶于水時，樣品就會出現(xiàn)質(zhì)量的降低，降解時間越長，低分子量的降解產(chǎn)物含量越大，樣品剩余質(zhì)量越小，使得復(fù)合材料的失重率逐漸增加。

圖6　降解過程中材料的失重率變化

PLGA和5wt%的HA/PLGA復(fù)合材料降解后的吸水率變化如圖7所示。由于降解時間的增加，樣條降解程度加深，斷裂甚至碎成顆粒狀，導(dǎo)致無法測試吸水后樣品的質(zhì)量，使得吸水率的數(shù)據(jù)從第7 d開始不完整。

由圖7可知，純PLGA在1～4 d的吸水率變化不大，從第5 d開始材料的吸水率加速增加。而HA/PLGA復(fù)合材料第1 d的吸水率就達到純PLGA的3倍之多。由此可見，HA的加入導(dǎo)致了HA/PLGA復(fù)合材料吸水率的增加。

圖7　降解過程中材料的吸水率變化

原因一方面是由于HA和PLGA兩相界面之間存在空隙，水分子進入空隙，導(dǎo)致了復(fù)合材料吸水嚴重；另一方面是因為PLGA降解后，降解產(chǎn)物分子鏈末端為羧基和羥基，都是親水性基團，降解時間越長，降解產(chǎn)物的羧基和羥基含量也越高，因而吸水率增加。

3結(jié)論

本研究用化學(xué)沉淀法合成了HA。

采用干混、熱壓的方法制備了HA/PLGA復(fù)合材料，在掃描電子顯微鏡下對復(fù)合材料的形貌進行了分析并對復(fù)合材料進行了力學(xué)性能和降解性能測試。

經(jīng)過對復(fù)合材料的形貌分析，發(fā)現(xiàn)HA顆粒在PLGA基體中分散均勻，無團聚現(xiàn)象。但是，HA顆粒與PLGA基體之間相容性較差，HA與PLGA兩相之間出現(xiàn)了清晰可見的缺陷。

力學(xué)性能測試的結(jié)果表明，PLGA材料力學(xué)性能較好，加入5 wt%的HA后，復(fù)合材料的力學(xué)性能稍微變化，拉伸強度為37.79 MPa，斷裂伸長率為2.47%。隨著更大量HA的加入，復(fù)合材料的拉伸強度逐漸下降，表現(xiàn)出越來越差的力學(xué)性能。因此，如何提高HA與PLGA基體界面的結(jié)合力是制備高強度HA/PLGA復(fù)合材料的關(guān)鍵。

通過對比純PLGA和HA/PLGA復(fù)合材料的降解液pH值的變化看出，HA的加入可以提高降解液的pH值。這是由于HA呈堿性，中和了部分PLGA的降解產(chǎn)物乳酸和乙醇酸，使得降解液pH下降較小，這將有助于減緩由于酸性降解產(chǎn)物引起的無菌性炎癥的發(fā)生。

由降解實驗可以看出HA的加入能夠加快HA/PLGA復(fù)合材料的體外降解。

總之，大多數(shù)HA含量的HA/PLGA復(fù)合材料的強度降低，但是HA的加入可以減緩降解液pH值的快速下降，加快PLGA的降解，有利于PLGA在臨床應(yīng)用方面發(fā)揮更大的作用。

參 考 文 獻

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)

收稿日期：2016-03-30

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目面上項目(項目編號：2012FFC020)；湖北理工學(xué)院校級科學(xué)研究項目(項目編號：11yjz03R)。

作者簡介：趙娜，講師，博士，研究方向：生物可降解醫(yī)用高分子材料。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.005

中圖分類號：O631.2+2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4565(2016)03-0022-04

Effect of HA on Mechanical and Degradation Properties of PLGA

Zhao Na1,Zha Wangyi1,2,Ma Zhigang1,Yu Jiahe1,Hu Sheng1

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Wuhan Refrigeration Equipment Co.Ltd.,Midea Group,Wuhan Hubei 430056)

Abstract：Hydroxyapatite (HA) was introduced into Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) to prepare a series of HA/PLGA composites by the method of dry mixing and hot pressing.The mechanical properties and degradation properties of HA/PLGA composites were studied,and the micromorphologies were characterized by SEM.The results indicated that the tensile strength of HA/PLGA composites were the maximum when HA were 5wt%,higher than pure PLGA.The results of degradation properties indicated that HA/PLGA composites degraded more quickly than pure PLGA.Furthermore,pH value changes indicated that additive HA could neutralize acidic degradation products,which may be a solution to the bacteria-free inflammation induced by the acidic products.

Key words：hydroxyapatite；PLGA；composites；properties of degradation