納米銅濃度對(duì)納米銅硅膠膜性能的影響

蔣成素，樊文艷，孟胤妤，任曉艷，楊定英，古衡芳，肖雁冰

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬婦女兒童醫(yī)院 婦科，貴州 遵義 563000)

曼月樂是一種兼?zhèn)浔茉泻椭委熥饔玫男滦蛯m內(nèi)節(jié)育系統(tǒng)(LNG-IUS)，具有避孕效果好、副作用少等特點(diǎn)，深受廣大婦女的青睞[1-2]。但是，曼月樂為“T”形宮內(nèi)節(jié)育器，支架(橫臂和縱管)為聚乙烯，是典型的柔而韌的高分子材料[3]，與傳統(tǒng)的IUD中的聚乙烯作用一樣，其支架只起到機(jī)械支撐作用，故使曼月樂在臨床應(yīng)用中出現(xiàn)下移、甚至脫落現(xiàn)象，致使治療效果和避孕效果受到影響；縱管外包有聚二甲基硅氧烷的膜控制LNG的釋放，而支架聚乙烯為惰性材料，當(dāng)存放在縱管中的LNG釋放殆盡或明顯衰減后，其避孕效果將會(huì)下降[4-5]。因此，課題組結(jié)合納米銅的納米效應(yīng)及銅離子的避孕作用，高分子材料硅膠作為聚合物基體對(duì)銅離子可控，避免了金屬銅和子宮內(nèi)膜直接接觸所產(chǎn)生的副作用，左炔諾酮的藥理特性和鈦鎳合金絲的超彈性能為材料，研發(fā)一種既可用于治療目的，又兼具避孕作用，同時(shí)能克服或減少曼月樂以及一般宮內(nèi)節(jié)育器副作用的新型宮內(nèi)藥物緩釋系統(tǒng)，即“記憶合金硅膠宮內(nèi)緩釋系統(tǒng)”，本研究是“一種評(píng)價(jià)LNG濃度梯度的仿子宮體模建立的實(shí)驗(yàn)研究”項(xiàng)目的組成部分[6]，為研制適于制作MAS-IUS的外膜而設(shè)計(jì)，旨在通過實(shí)驗(yàn)，觀察不同含量納米銅的納米銅硅膠膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)不同納米銅含量的膜的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、吸水性能進(jìn)行對(duì)比分析，為下一步MAS-IUS的研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料 ①雙輥開煉機(jī)(東莞市寶品精密儀器有限公司，型號(hào)BP-8175-A)；②電子天平(諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司，JM型，精確度：0.001 g)；③A、B兩種組分的室溫硫化硅膠(東莞市國創(chuàng)有機(jī)硅膠有限公司)；④納米銅(昆山德陽新材料科技有限公司，粒徑是300 nm)；⑤電子游標(biāo)卡尺(杭州南工量具有限公司，型號(hào)QR/0-150 mm,精確度：0.01 mm)；⑥X線衍射(XRD)(日本島津型號(hào)XRD-6100)；⑦ 掃描電鏡(SEM)(日本日立公司S-3000N)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 不同含量納米銅的納米銅硅膠膜的制備:用電子天平分別稱取4份50 g硅膠A、50 g硅膠B置于100 mL的燒杯中混合，分別加入1%、2%、3%、4%(質(zhì)量比)的納米銅，常溫下在雙輥開煉機(jī)上攪拌均勻，制成1 mm厚的納米銅硅膠膜，在25 ℃的溫度下硫化24 h，以電子游標(biāo)卡尺測(cè)量四個(gè)徑線求平均值，以誤差在0.02 mm為可控范圍。

1.3 分析測(cè)試(上海微譜化工技術(shù)服務(wù)有限公司材料測(cè)試實(shí)驗(yàn)室)

1.3.1 X線衍射分析(XRD) 納米銅、硅膠、納米銅硅膠膜分別利用X線衍射分析(日本島津型號(hào)XRD-6100)進(jìn)行分析測(cè)試，掃描的速度是5°/min，衍射角的范圍是10°～80°，步長(zhǎng)= 0.01°，波長(zhǎng)=1.540 56 ?。

1.3.2 掃描電鏡的測(cè)試(SEM) 納米銅、納米銅硅膠膜分別經(jīng)過真空干燥處理48h，離子電射噴金，采用日本日立公司S-3000N掃描電子顯微鏡觀察納米銅的形態(tài)和尺寸，以及觀察納米銅在硅膠基體材料中的分布情況。

1.3.3 熱穩(wěn)定性分析 采用熱重分析儀 TGA Q50測(cè)試納米銅硅膠膜熱穩(wěn)定性，置于氧化鋁坩堝中，溫度范圍從室溫升到800 ℃，升溫速度為10 ℃/min，N2氣氛，測(cè)量整個(gè)升溫過程中納米銅硅膠膜的熱重(TG)曲線。

1.3.4 力學(xué)性能測(cè)試 按照GB/T 531.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，用邵氏硬度計(jì) LX-A測(cè)試納米銅硅膠膜的硬度；按照GB/T 528-2009標(biāo)準(zhǔn)，用電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī) TCS-2000測(cè)試納米銅硅膠膜的拉伸強(qiáng)度，扯斷伸長(zhǎng)率；按照GB/T 529-2008標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試納米銅硅膠膜的撕裂強(qiáng)度。

1.3.5 吸水性能測(cè)試 按照GB/T 1034-2008標(biāo)準(zhǔn)，將納米銅硅膠膜放入無水氯化鈣干燥皿中，保持恒溫37±1 ℃，24 h后，將納米銅硅膠膜放到另一個(gè)干燥皿中，冷卻到室溫，取出稱重(m1)，準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后四位即0.000 1 g。然后將納米銅硅膠膜用細(xì)線懸吊，分別浸沒到裝有恒溫37±1 ℃的蒸餾水中存放1周，取出后用蒸餾水沖洗，用濾紙將納米銅硅膠膜表面拭干，空氣中揮干15 s稱重(m2)，在取出后1 min稱重，按下列公式計(jì)算吸水率：吸水率M%=[(m2-m1)/m1]×100%。

2 結(jié)果

2.1 納米銅的表征 圖譜中有3個(gè)衍射峰(見圖1)，2θ分別為43.28°、50.4°、74.2°均為納米銅的特征衍射峰，沒有發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)的衍射峰，是單質(zhì)銅，沒有氧化銅和氧化亞銅的單晶衍射峰。

圖1 納米銅粉的XRD譜圖

掃描電鏡下(見圖2)，可以看出納米銅形態(tài)呈球形，大部分粒徑約300 nm，團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重，納米銅團(tuán)聚的直徑為1 200 nm左右。

圖2 納米銅粉的SEM照片(×3 000)

2.2 納米銅硅膠膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究

2.2.1 XRD分析 硅膠，納米銅硅膠膜的XRD圖(見圖3)，圖3A是空白樣硅膠的XRD圖，可以看出硅膠內(nèi)有少量的晶形結(jié)構(gòu)。圖3B是納米銅硅膠膜的XRD圖，與圖1相比較，可以看出納米銅的衍射峰在膜中沒有受到影響，說明本實(shí)驗(yàn)用于添加到硅膠基體材料中的納米銅沒有受到影響，仍然是硅膠和納米銅的混合物，沒有產(chǎn)生其它新的物相。

2.2.2 SEM分析 不同含量(質(zhì)量比)納米銅的納米銅硅膠膜的掃描電鏡圖(見圖4)，可以看出納米銅濃度為1%時(shí)，在膜中分散較均勻，極少發(fā)生團(tuán)聚，而隨著納米銅濃度的逐漸增加，納米銅由于表面效應(yīng)而出現(xiàn)少許團(tuán)聚現(xiàn)象，當(dāng)納米銅濃度達(dá)到4%時(shí)，膜中納米銅的團(tuán)聚現(xiàn)象就越嚴(yán)重。

A:硅膠的XRD圖譜；B:納米銅硅膠膜的XRD圖譜。

A: 1%納米銅硅膠膜SEM照片；B: 2%納米銅硅膠膜SEM照片； C: 3%納米銅硅膠膜SEM照片；D:4%納米銅硅膠膜SEM照片；(×1 000)。

2.3 納米銅硅膠膜的熱穩(wěn)定性分析 不同納米銅含量(質(zhì)量比)的納米銅硅膠膜的熱失重曲線(見圖5)，選用失重率為5%的溫度作為熱分解起始溫度，并用該熱分解起始溫度來表示膜的熱穩(wěn)定性；隨著納米銅含量的逐漸增加，熱分解起始溫度明顯提高，質(zhì)量損失率減少，膜的熱穩(wěn)定性明顯提高(見表1)。

A:1%納米銅硅膠膜的熱失重曲線；B: 2%納米銅硅膠膜的熱失重曲線；C:3%納米銅硅膠膜的熱失重曲線；D: 4%納米銅硅膠膜的熱失重曲線。

表1 不同納米銅含量的納米銅硅膠膜熱穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)

2.4 納米銅硅膠膜的吸水性能分析 納米銅硅膠膜的吸水性能(見圖6)，可以看出，隨著納米銅含量的增加，材料的吸水性能增加。

2.5 納米銅硅膠膜的力學(xué)性能分析 由圖7可知隨著納米銅含量的增加，納米銅硅膠膜的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)；而其硬度呈增加趨勢(shì)。

圖6 納米銅硅膠膜的吸水性能隨納米銅濃度的變化趨勢(shì)

A:不同納米銅濃度的納米銅硅膠膜的拉伸強(qiáng)度；B: 不同納米銅濃度的納米銅硅膠膜的扯斷伸長(zhǎng)率；C:不同納米銅濃度的納米銅硅膠膜的撕裂強(qiáng)度；D: 不同納米銅濃度的納米銅硅膠膜的硬度。

3 討論

3.1 納米銅硅膠膜的組織與結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米銅在納米銅硅膠膜中保持其原來的晶形結(jié)構(gòu)，說明本實(shí)驗(yàn)用于添加到硅膠基體材料中的納米銅沒有受到影響，仍然是硅膠和納米銅的混合物，沒有產(chǎn)生其它新的物相，理論上推測(cè)，不會(huì)影響納米銅的避孕作用。隨著膜中納米銅含量的增加，納米銅的團(tuán)聚現(xiàn)象越重。這是因?yàn)橐环矫婕{米銅的粒徑小[7]，比表面積大[8]，表面活性高，極不穩(wěn)定，很容易與鄰近的其它原子結(jié)合，使其趨于穩(wěn)定化，所以易團(tuán)聚在一起；另一方面納米銅間存在靜電作用力、范德華作用力及吸附力[9]等特點(diǎn)，使得納米銅極易發(fā)生團(tuán)聚[10]，納米銅在膜中聚集成團(tuán)聚體，使得納米銅的粒徑由納米級(jí)變成微米級(jí)，比表面積和表面能隨之降低，化學(xué)穩(wěn)定性降低，轉(zhuǎn)化率也會(huì)降低，有效利用率受到影響，并且使納米銅不能發(fā)揮納米材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)降低納米銅硅膠膜的避孕效果。

3.2 不同含量納米銅的納米銅硅膠膜的的性能

3.2.1 納米銅硅膠膜的熱穩(wěn)定性分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著納米銅濃度的增加，納米銅硅膠膜的熱穩(wěn)定性明顯提高。納米銅硅膠膜作為一種新型的宮內(nèi)節(jié)育器材料，在制作為成品IUD時(shí)，有兩條途徑選擇，一是一次性成形，即將納米銅和硅膠通過機(jī)械攪拌均勻直接通過注塑或者模壓形式得到成品IUD；二是將納米銅和硅膠通過機(jī)械攪拌均勻制成復(fù)合材料，再將復(fù)合材料加工成成品IUD。無論采取哪種成形方式，在制作成商品IUD的過程中都需要熱加工，而熱加工溫度的選擇尤為重要，溫度過高和溫度過低都會(huì)影響成品IUD的質(zhì)量，故可通過調(diào)整納米銅的比例改變納米銅硅膠膜的熱加工溫度，因此納米銅硅膠膜的熱穩(wěn)定性可為以后制備新型的IUD提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.2.2 納米銅硅膠膜的力學(xué)性能分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著納米銅濃度的增加，膜的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，硬度呈增加趨勢(shì)。納米銅硅膠膜作為一種新型的宮內(nèi)節(jié)育器材料，需長(zhǎng)期放置于人體子宮中，故對(duì)其力學(xué)性能有嚴(yán)格要求。若力學(xué)性能過低會(huì)導(dǎo)致膜易斷裂或撕裂，而納米銅硅膠膜力學(xué)性能與納米銅的粒徑以及分散情況有關(guān)。隨著納米銅硅膠膜中納米銅含量增加，納米銅的分散性較差，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，納米銅的粒徑由納米級(jí)變成微米級(jí)，因而力學(xué)性能受到影響，因此可以通過調(diào)整膜中納米銅的含量以及改善納米銅的分散性來改變其力學(xué)性能，使其達(dá)到醫(yī)用材料的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)納米銅濃度達(dá)到3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.96 mPa，扯斷伸長(zhǎng)率156%，邵氏A硬度58，撕裂強(qiáng)度為18 kN/m,綜合力學(xué)性能達(dá)到醫(yī)用材料的國際標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 納米銅硅膠膜吸水性能分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著納米銅含量的逐漸增加，納米銅硅膠膜的吸水性能呈增加趨勢(shì)。吸水性能增加的原因：一是納米銅本身是親水性物質(zhì)，以及納米銅的尺寸效應(yīng)作用[11]；二是納米銅團(tuán)聚現(xiàn)象存在。納米銅硅膠膜作為一種新型的含銅IUD材料，就是需要它在減少副作用的同時(shí)，能夠釋放出具有增強(qiáng)避孕作用的銅離子，而納米銅硅膠膜中的銅需要與水溶液接觸后才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出銅離子，除了膜表面的銅直接和溶液接觸外，其內(nèi)部的銅需要溶液的滲入，好的吸水性能有利于溶液向材料內(nèi)部的滲入以及銅離子的釋放，因此，材料的吸水性能影響到銅離子的釋放，從而對(duì)IUD的避孕效果造成影響。故吸水能力對(duì)新型宮內(nèi)節(jié)育器避孕效果至關(guān)重要。通過調(diào)整膜中納米銅的含量，改變其吸水性能，為新型宮內(nèi)節(jié)育器的制備提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

因此，納米銅硅膠膜作為一種新型的宮內(nèi)節(jié)育器材料，Cu利用率高，Cu離子可控釋，避免“爆釋”現(xiàn)象的發(fā)生，避免金屬銅與子宮內(nèi)膜直接接觸，解決了現(xiàn)有Cu-IUDs存在的金屬銅和子宮內(nèi)膜直接接觸帶來了副作用的問題，還可以大幅度的減輕現(xiàn)有含銅宮內(nèi)節(jié)育器的出血疼痛等副作用，是一種極具應(yīng)用前景及研究?jī)r(jià)值的新型宮內(nèi)節(jié)育器材料。