硬脂酸改性β-TCP的分析測(cè)定及其PLLA復(fù)合納米纖維膜性能研究

陳 賽，馬鳳倉(cāng)，耿 芳，劉 平，劉新寬，李 偉

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200082；2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082；3.微創(chuàng)骨科有限責(zé)任公司，上海 201318)

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硬脂酸改性β-TCP的分析測(cè)定及其PLLA復(fù)合納米纖維膜性能研究

陳 賽1，馬鳳倉(cāng)2*，耿 芳3，劉 平2，劉新寬2，李 偉2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200082；2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082；3.微創(chuàng)骨科有限責(zé)任公司，上海 201318)

β-磷酸三鈣；表面改性；形貌；表面基團(tuán)；力學(xué)性能

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展，引起了研究者的極大關(guān)注。靜電紡絲法制備的超細(xì)纖維膜憑借超大的比表面積、高的孔隙率、孔徑可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)成為組織工程支架材料研究的熱點(diǎn)[1-4]。靜電紡絲纖維直徑與人體細(xì)胞外基質(zhì)生物大分子物質(zhì)的尺寸接近，可使細(xì)胞更好地黏附其上，將靜電紡絲纖維用于組織工程支架的研究尤為引人注目。

聚-L-乳酸(PLLA)具有優(yōu)良的機(jī)械性能、可降解性和生物相容性，已被FDA批準(zhǔn)用于生物醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域[5-6]，在組織修復(fù)領(lǐng)域更被廣泛采用。而PLLA納米纖維膜在體內(nèi)的降解產(chǎn)物呈酸性，易引發(fā)人體無菌性炎癥[7]。β-磷酸三鈣(β-TCP)具有良好的生物相容性和生物可降解性，廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)領(lǐng)域[8-9]。將PLLA和β-TCP混紡制備復(fù)合納米纖維膜，可有效改善PLLA納米纖維膜降解后的酸性環(huán)境[10]。但由于納米β-TCP的表面極性高，易團(tuán)聚，使得β-TCP/PLLA納米纖維的粗細(xì)不均勻，且β-TCP與PLLA的界面相容性差，兩相界面結(jié)合強(qiáng)度低，降低了β-TCP/PLLA納米纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度[11]。為解決該問題，具有雙親基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑和一些小分子有機(jī)物被用于β-TCP的表面改性[12]。Kunze等[13]使用磷酸對(duì)β-TCP進(jìn)行表面改性，制得的復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度未能得到提高，且存在β-TCP顆粒增大等缺點(diǎn)。本文采用分子量較高的硬脂酸對(duì)β-TCP進(jìn)行表面改性，將改性后的β-TCP與PLLA共紡制備出復(fù)合納米纖維膜，并研究其各方面性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚-L-乳酸(PLLA),黏均分子量Mη為10萬，微創(chuàng)醫(yī)療器械(上海)有限公司提供；β-磷酸三鈣(β-TCP，≥96.0%)；硬脂酸、二氯甲烷、二甲基甲酰胺(DMF)(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。ZGF2000高頻直流高壓發(fā)生器(上海蘇特電氣有限公司)。

1.2 β-TCP的表面改性

將10 gβ-TCP粉末加至100 mL無水乙醇中超聲分散20 min，得到100 g/L的懸浮液。將1 g硬脂酸溶于10 mL 60 ℃無水乙醇中，配成10%的溶液，然后將該溶液加入處于電磁攪拌狀態(tài)的60 ℃β-TCP的懸浮液中，繼續(xù)加熱攪拌60 min，使硬脂酸和β-TCP充分反應(yīng)后，抽濾去除溶劑，用無水乙醇反復(fù)洗滌，60 ℃真空干燥12 h，得到改性β-TCP粉末，備用。

1.3 β-TCP/PLLA復(fù)合納米纖維膜的制備

將二氯甲烷和DMF(二氯甲烷∶DMF=7∶3)配成混合溶劑，將PLLA溶于混合溶劑中配成質(zhì)量濃度為100 g/L的溶液，之后將β-TCP粉末加入到混合溶劑中超聲分散20 min得到質(zhì)量濃度100 g/L的懸浮液，然后將該懸浮液加至PLLA溶液中，攪拌后超聲分散30 min，得到質(zhì)量濃度為100 g/L的混合物。將上述混合物加入注射器，在10 kV靜電壓，接收板距針孔15 cm，流速1 mL/h的條件下進(jìn)行靜電紡絲，經(jīng)真空干燥去除溶劑得到復(fù)合納米纖維膜，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，濕度為60%。

1.4 形貌表征

將β-TCP粉末分散在無水乙醇中，超聲分散20 min，點(diǎn)滴沉積在測(cè)試專用銅網(wǎng)上，采用JEM-2100型透射電鏡(TEM)觀察β-TCP晶粒形貌和硬脂酸在晶粒表面的包覆情況；采用Pyris 1 TGA型熱重分析儀(TG)在空氣氣氛中對(duì)改性前后的β-TCP粉末進(jìn)行熱重分析，升溫速率為10 ℃/min，掃描溫度范圍為50～500 ℃，測(cè)試前，樣品在50 ℃真空干燥箱中干燥12 h；用AXIS UltraDLD型X光電子能譜分析儀(XPS)檢測(cè)改性前后β-TCP粉末表面的元素和基團(tuán)；將復(fù)合納米纖維膜樣品剪成5 mm×5 mm方形，經(jīng)表面噴金處理后用Quanta FEG 450型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察形貌；將復(fù)合納米纖維膜樣品剪成5 mm×40 mm條狀，在ZWICK Precisionline vario型微拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，每組6個(gè)樣品，取平均值，拉伸速率為50 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 β-TCP微粒的形貌觀察

圖1為改性前后β-TCP粉末的TEM照片。改性前β-TCP晶體呈長(zhǎng)條形片狀，寬度為100～200 nm，長(zhǎng)度為200～300 nm，晶體表面光潔，邊界清晰(圖1A)。硬脂酸改性后β-TCP的晶體尺寸未發(fā)生變化，依然保持在納米級(jí)，但其表面有一層附著物，晶體表面粗糙，邊界模糊(圖1B)。

Fig.1 TEM photographs ofβ-TCP powder (A) and modifyβ-TCP(B)

2.2 β-TCP的熱失重分析

圖2 β-TCP(a)與改性后β-TCP(b)的TG圖譜Fig.2 TG curves of β-TCP(a) and modify β-TCP(b)

圖3 硬脂酸表面改性前(a)后(b)β-TCP的全掃描XPS能譜圖Fig.3 XPS spectra of β-TCP before(a) and after(b) modification

圖2a為改性前β-TCP粉末的熱重曲線，樣品在50～180 ℃之間少量失重，這是由β-TCP表面物理吸附水的吸熱蒸發(fā)引起；在180～500 ℃區(qū)間是β-TCP中吸附水、結(jié)晶水和晶體中晶格水的吸熱蒸發(fā)失重。圖2b為改性后β-TCP粉末的熱重曲線,樣品在50～180 ℃區(qū)間同樣失重輕微且緩慢，該階段主要是β-TCP表面物理吸附水的吸熱蒸發(fā)失重；樣品從180 ℃進(jìn)入快速失重階段，溫度升至370 ℃后，樣品失重速率出現(xiàn)下降，在180～800 ℃之間主要是β-TCP表面有機(jī)物氧化放熱失重，即硬脂酸的氧化分解失重。比較改性前后β-TCP的熱重曲線可以發(fā)現(xiàn)，改性后β-TCP在50～180 ℃區(qū)間失重低于未改性的β-TCP，說明改性后β-TCP表面物理吸附水量減少，具有一定的疏水性。

2.3 β-TCP的XPS分析

Fig.4 XPS spectra ofβ-TCP before(A) and after(B)modified with stearic acid

2.4 復(fù)合納米纖維膜的形貌觀察

圖5為改性前后不同質(zhì)量配比的復(fù)合納米纖維膜的SEM照片?？梢钥闯?，在實(shí)驗(yàn)條件下制備的純PLLA納米纖維膜的纖維形態(tài)良好，纖維表面均勻光滑，直徑均勻。當(dāng)加入β-TCP后，纖維表面的粗糙度增加，纖維直徑極不均勻，并出現(xiàn)很多紡錘形的大節(jié)點(diǎn)，隨著β-TCP加入量的增大，這種現(xiàn)象更加顯著。分析原因?yàn)椋害?TCP表面極性高，容易團(tuán)聚，且β-TCP是親水性材料，PLLA是疏水性材料，兩者界面相容性差，團(tuán)聚后β-TCP微粒的直徑遠(yuǎn)大于納米纖維的直徑，導(dǎo)致β-TCP和基體之間的相分離現(xiàn)象嚴(yán)重，在紡絲過程中團(tuán)聚的β-TCP不能融入基體相，無法得到纖維直徑均勻的納米纖維膜。

Fig.5 SEM micrographs of nanofiber membranes with different quality ratios

A-E：0%β-TCP;5%β-TCP;10%β-TCP;5% modifyβ-TCP;10% modifyβ-TCP

與改性前相比，改性后復(fù)合納米纖維膜的纖維均勻性得到很大提高，雖然觀察到小節(jié)點(diǎn)的存在，但纖維的形態(tài)相對(duì)較好，大部分纖維的直徑較均勻，β-TCP和PLLA基體之間無相分離現(xiàn)象。這是因?yàn)橛仓岚苍讦?TCP表面，大大降低了β-TCP微粒表面的極性，減輕了β-TCP微粒的團(tuán)聚，且硬脂酸改性后的β-TCP微粒具有一定疏水性，使β-TCP和基體具有良好的界面相容性。

2.5 復(fù)合納米纖維膜的力學(xué)性能

不同質(zhì)量配比β-TCP/PLLA和改性β-TCP/PLLA的納米纖維膜的力學(xué)性能如表1所示?？梢钥闯觯仓岣男郧?，β-TCP的加入會(huì)使復(fù)合納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量大幅下降，這是因?yàn)棣?TCP粒子的極性強(qiáng)，易團(tuán)聚，導(dǎo)致無法得到連續(xù)的復(fù)合納米纖維，且β-TCP和PLLA基體之間的界面相容性差，易在納米纖維中產(chǎn)生缺陷。而經(jīng)硬脂酸改性后，β-TCP/PLLA復(fù)合納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量均有明顯提高。這是因?yàn)楦男院笥仓岚苍讦?TCP粒子表面，β-TCP粒子在基體中分散均勻，納米纖維均勻連續(xù)，并提高了β-TCP和PLLA的界面相容性，有效降低了界面應(yīng)力，從而可以提高復(fù)合納米纖維膜的力學(xué)性能。

表 1β-TCP/PLLA復(fù)合納米纖維膜的力學(xué)性能

Table 1 Mechanical properties ofβ-TCP/PLLA composite nanofiber membranes

Sampleβ?TCP/PLLATensilestrength/MPaYounsmodulus/GPaβ?TCP/PLLA0/100297±21041±006β?TCP/PLLA10/90132±26026±002β?TCP/PLLA20/80116±18023±005M?β?TCP/PLLA10/90245±15031±004M?β?TCP/PLLA20/80184±17027±003

M-β-TCP:β-TCP modified by stearic acid

3 結(jié) 論

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Analysis of Stearic Acid Modified β-TCP and Its PLLA Composite Nanofiber Membranes Properties

CHEN Sai1,MA Feng-cang2*,GENG Fang3,LIU Ping2,LIU Xin-kuan2,LI Wei2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082，China； 2.School of Materials Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082，China；3.Shanghai MicroPort Orthopedics Co.Ltd.,Shanghai 201318，China)

β-tricalcium phosphate;surface modification;morphology;surface perssad;mechanical properties

2015-07-04；

2015-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51471110)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(09ZR1422100)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.03.013

O766.1；R318.08

A

1004-4957(2016)03-0332-05

*通訊作者：馬鳳倉(cāng)，副教授，研究方向：功能材料與醫(yī)用鈦合金表面處理，Tel:021-55271682,E-mail:mafengcang@163.com