卵磷脂修飾改性聚乳酸微球的制備及表征

(福建師范大學 化學與材料學院, 福建省先進材料化工基礎重點實驗室, 福建 福州 350007)

聚乳酸是高分子材料中最有發(fā)展前景的一種材料。良好的生物相容性，它在人體的降解產(chǎn)物也是無毒安全的，因此聚乳酸材料受到了人們極大的關注。在國內外各領域一些高分子材料被聚乳酸所替代[1-3]。它可以制備成聚乳酸微球和手術縫合線等醫(yī)用材料。由于聚乳酸含有大量的酯基，制備出的微球存在疏水性強、生物活性低的性能缺點，目前國內外對聚乳酸改性的方法有共混改性、復合改性。劉淑瓊等[4]將聚乳酸和聚乙烯吡咯烷酮進行混合，得到聚乳酸/聚乙烯吡咯烷酮復合材料，研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯吡咯烷酮的加入使得聚乳酸的親水性得到了提高。Davachi 等[5]發(fā)現(xiàn)往聚乳酸/淀粉/聚己內酯共混物中摻入羥基磷灰石可以有效改善材料的親水性。上述改性是一種簡單的物理改性方法，經(jīng)常會出現(xiàn)共混不均勻現(xiàn)象，使得聚乳酸復合材料表面親疏水不均勻。本文利用氨解結合乳化及熱致相分離的技術制備改性微球，將親水性氨基接枝到聚乳酸中，使聚乳酸微球的親水性得到了提高。卵磷脂是細胞膜中的主要成分，它含有親水性的磷酸根基團，是一種親水性物質。由于卵磷脂中含有酯基，賴氨酸改性微球上的氨基可以通過氨基化反應進攻酯基，使得酯基斷開，從而使卵磷脂的親水性基團接枝到改性微球上，使改性微球的親水性得到進一步提高。另外納米纖維結構的微球具有強吸附性能，所以改性微球的表面會被卵磷脂包裹，從而進一步提高改性微球的親水性。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

聚乳酸：分子量10 × 104；1,4-二氧六環(huán)：分析純；丙三醇：分析純；卵磷脂：分析純；Sartorious SQP型電子天平；SHP-1500型低溫生化培養(yǎng)箱；FD-1A-50型冷凍干燥； SHA-C 型恒溫水浴振蕩器；DW-FL90型超低溫冷凍存貯箱。

1.2 實驗過程

1.2.1 改性聚乳酸微球制備

以賴氨酸為改性劑制備改性聚乳酸納米纖維微球。聚乳酸于60 ℃下溶解于1,4-二氧六環(huán)溶劑中形成均相溶液，往均相溶液中添加一定濃度的賴氨酸溶液，在給定的溫度下氨解反應一段時間后得到改性聚乳酸溶液。往溶液中滴加甘油分散劑，在強力攪拌下形成均勻、穩(wěn)定的乳液，將此乳液置于一定的溫度下進行冷凍相分離。待乳液中的聚乳酸液滴完全固化成微球，用二次蒸餾水抽提洗去1,4 -二氧六環(huán)和甘油，過濾、洗滌、冷凍干燥后得到賴氨酸改性聚乳酸微球。觀察賴氨酸溶液的濃度、用量、氨解反應的溫度、時間以及凝膠化溫度等實驗條件對制備的微球表面形貌、結構以及親水性能的影響，確定出最佳的制備工藝條件為：賴氨酸溶液的質量百分數(shù)為25%，氨解反應的溫度為80 ℃，氨解反應的時間為60 min，賴氨酸溶液的質量百分數(shù)為10%，凝膠化溫度為-15 ℃，在此條件下制備出納米纖維微球。

1.2.2 卵磷脂修飾改性微球的制備

準確稱取最佳制備工藝條件下制備的改性微球于離心管中，加入一定濃度的卵磷脂溶液浸泡微球，室溫下震蕩吸附一定的時間(2、5、8、11 h)后過濾、冷凍干燥即可得到經(jīng)卵磷脂修飾改性的微球。研究卵磷脂溶液的濃度、浸泡吸附的時間對微球形貌、親水性的影響。

1.3 測試與表征

通過掃描電鏡觀察卵磷脂修飾改性微球的表面形貌和纖維結構。用導電膠把微球黏在銅臺上，樣品噴金，噴金后的樣品放入掃描電鏡內，掃描電鏡電壓調至5 kV，電流調至20 μA。通過傅里葉變換紅外光譜確定改性微球里的特征官能團。將KBr和樣品混合研磨，壓片機壓片。通過X 射線光電子能譜測試改性微球N元素的含量。X 射線源為 Al Kα 線， 工作電壓為 25 kV，分析室壓強為 5×10-7Pa。通過水接觸角的測定可判斷改性微球親疏水性。微球用壓片機壓成薄片，接觸角儀里針頭的水以一定的速度滴出落在其微球表面形成液滴。

2 結果與討論

2.1 卵磷脂修飾改性聚乳酸微球制備條件的探討

2.1.1 卵磷脂溶液濃度的影響

分別在不同質量百分數(shù)(0%、0.4%、0.7%、1.0%、1.3%)的卵磷脂溶液中浸泡改性微球，震蕩吸附5 h后得到的微球形貌如圖1所示。由圖1可看出，當卵磷脂濃度為0%時，微球表面沒有包覆卵磷脂，可以明顯看到改性微球的納米纖維結構；用質量百分數(shù)為0.4%的卵磷脂溶液浸泡后得到的微球表面包覆上了一些卵磷脂；當質量百分數(shù)增大到0.7%時，微球已被包覆了大半，只剩少數(shù)纖維孔洞可以看到;當卵磷脂溶液質量百分數(shù)繼續(xù)增大到1.0%時，微球已經(jīng)完全被卵磷脂所包覆；當質量百分數(shù)繼續(xù)增加到1.3%時，微球表面出現(xiàn)了褶皺，說明卵磷脂已經(jīng)過量包覆微球。圖2為用不同濃度的卵磷脂溶液浸泡后所得微球靜態(tài)水接觸角的測定結果。如圖2所示，當質量百分數(shù)從0%增大到1.0%時，卵磷脂水接觸角不斷減小，減小的幅度較大，而當質量百分數(shù)從1.0%增加到1.3%時，水接觸角減小的幅度有所減小。卵磷脂溶液濃度對微球親水性能產(chǎn)生影響的主要原因是卵磷脂中含氨基，當卵磷脂的濃度比較低時，氨解程度較小，氨解后改性微球表面引入的親水基團較少，所以親水性較差。當卵磷脂的濃度增大時，氨解程度增大，氨解后改性微球表面引入的親水基團變多，所以親水性較好。綜合卵磷脂包裹微球形貌和親水性能的分析確定比較適宜的卵磷脂溶液質量百分數(shù)為1.0%。

圖1 采用不同質量百分數(shù)卵磷脂溶液修飾改性的微球的掃描電鏡圖Fig.1 SEM of modified microspheres modified with different concentrations of lecithin

圖2 卵磷脂溶液濃度對微球親水性的影響Fig.2 Effects of lecithin concentration on the hydrophilicity of the microspheres

2.1.2 卵磷脂溶液浸泡時間的影響

往一定量的改性PLA微球中加入濃度為1.0%的卵磷脂溶液，置于搖床中進行震蕩吸附，浸泡不同的時間(0、2、5、8、11 h)后進行過濾、冷凍干燥即可得到卵磷脂修飾改性的聚乳酸微球。經(jīng)卵磷脂溶液浸泡不同的時間后所得微球的形貌如圖3所示。

圖3 采用不同浸泡時間制備的卵磷脂修飾改性微球的掃描電鏡圖Fig.3 SEM micrographs of lecithin-modified microspheres prepared with different soaking time

由圖3可以看出，當浸泡卵磷脂0 h時，微球表面沒有包覆卵磷脂，可以明顯看到改性微球的納米纖維結構；當浸泡卵磷脂2 h時得到的改性微球表面已包覆上了一些卵磷脂層；當時間增大到5 h時，微球表面已經(jīng)完全被卵磷脂所包覆；當浸泡卵磷脂時間增大到8 h時，微球表面開始出現(xiàn)褶皺，說明此時吸附已過量；當浸泡時間繼續(xù)增大到11 h時，微球表面出現(xiàn)大量過剩的卵磷脂，說明卵磷脂已經(jīng)過量包覆改性微球。圖4為在卵磷脂溶液中浸泡不同的時間后所得微球的靜態(tài)水接觸角測定結果。由圖4可見，當浸泡時間從0 h增大到5 h時，水接觸角值不斷減小，減小的幅度較大，之后繼續(xù)延長浸泡時間，接觸角值減小的幅度逐漸減小。卵磷脂溶液浸泡時間對微球親水性能產(chǎn)生影響的主要原因是卵磷脂中含氨基，當卵磷脂溶液浸泡時間較短時，氨解程度較小，氨解后改性微球表面引入的親水基團較少，所以親水性較差。當卵磷脂溶液浸泡時間增加時，氨解程度增大，氨解后改性微球表面的親水基團變多，所以親水性較好。綜合分析卵磷脂包裹微球形貌和親水性能，確定卵磷脂修飾改性微球的時間為5 h。

圖4 卵磷脂的浸泡時間對改性微球親水性的影響Fig.4 Effects of soaking time of lecithin on the hydrophilicity of the modified microspheres

2.2 卵磷脂修飾改性聚乳酸微球支架的表征

2.2.1 紅外吸收光譜分析

圖5為聚乳酸微球(a)、改性聚乳酸微球(b)、卵磷脂修飾改性聚乳酸微球(c)、卵磷脂(d)的紅外光譜圖分析。聚乳酸微球在3 461 cm-1處出現(xiàn)端羥基的特征吸收峰，2 998.7 cm-1和2 947.2 cm-1處為C—H的伸縮振動吸收峰，1 756.8 cm-1處為C==O的伸縮振動吸收峰，1 186.7 cm-1、1 103.6 cm-1為酯基中C—O—C的伸縮振動引起的吸收峰。改性聚乳酸微球的紅外光譜圖與聚乳酸微球相比多了兩個新的吸收峰，1 562 cm-1為N—H 的彎曲振動吸收峰，1 625 cm-1為仲酰胺—CO—NH—中的羰基(C==O)特征伸縮振動吸收峰。此外，在3 450 cm-1處還出現(xiàn)了一個中等強度的寬吸收峰，此峰為賴氨酸改性之后引入的—NH2、—COOH與聚乳酸分子中的端—OH、—COOH吸收峰相互重疊的結果。紅外吸收光譜的分析證實了聚乳酸分子與賴氨酸分子之間發(fā)生了氨解反應，賴氨酸分子通過形成的酰胺鍵接枝在了聚乳酸分子鏈上。在卵磷脂修飾改性聚乳酸微球的紅外吸收光譜曲線上，1 562 cm-1處的特征吸收峰為N—H 的彎曲振動吸收峰，1 625 cm-1處為仲酰胺—CO—NH—中羰基(C==O)的伸縮振動吸收峰，2 920.6 cm-1為CH2伸縮振動吸收峰，1 751.0 cm-1為C==O振動吸收峰，1 458.2 cm-1為CH2反對稱伸縮吸收峰，1 220.5 cm-1為P==O伸縮振動吸收峰，1 085.5 cm-1為P—O—C伸縮振動吸收峰，966.2 cm-1為 C—C—N伸縮振動吸收峰。通過對比賴氨酸改性聚乳酸微球(b)、卵磷脂修飾改性聚乳酸微球(c)和卵磷脂(d)三者的紅外光譜圖可見，卵磷脂修飾改性聚乳酸微球(c)的紅外譜圖與賴氨酸改性微球的紅外譜圖不完全一樣，它出現(xiàn)了一些卵磷脂(d)的特征峰，說明卵磷脂已經(jīng)成功接枝到改性聚乳酸微球上。

圖5 PLA、改性/修飾PLA和卵磷脂紅外圖Fig.5 FTIR of PLA、malifial-PLA and lecilhin

2.2.2 X 射線光電子能譜分析

圖6為賴氨酸改性聚乳酸微球和卵磷脂修飾改性聚乳酸微球的XPS譜圖。通過比較6(a) 和6(b)可知，賴氨酸改性聚乳酸微球的譜圖中含有C1s、O1s 和N1s的特征峰。從其 N1s 的高分辨率 XPS 光譜圖(圖6(a′))可知其 N1s 吸收峰的結合能位置在399.64 eV左右。與賴氨酸改性聚乳酸微球相比，經(jīng)卵磷脂進一步修飾改性后的微球除了含有C1s、O1s和N1s的特征峰之外，還出現(xiàn)了P2p的特征峰(結合能為133.22 eV)，而且N1s的特征峰有所增強。從其N1s的高分辨率XPS光譜圖(圖6(b′))可以發(fā)現(xiàn)，此峰發(fā)生了明顯的分裂，兩峰分別出現(xiàn)在結合能為402.21 eV和399.89 eV處，這是因為卵磷脂接枝到改性微球上，在改性微球上引入了卵磷脂中的含磷基團和新的含氮基團。XPS的表征結果進一步證明在賴氨酸改性聚乳酸微球上成功接枝了卵磷脂。

(a)賴氨酸改性PLA微球的全譜圖

(a′)賴氨酸改性PLA微球的N1s高分辨率光譜圖

(b)卵磷脂修飾改性PLA微球的全譜圖

(b′)卵磷脂修飾改性PLA微球的 N1s 高分辨率光譜圖

(b″)卵磷脂修飾改性PLA微球的 P2p高分辨率光譜圖圖6 賴氨酸改性PLA微球和卵磷脂修飾改性PLA微球的XPS譜圖Fig.6 XPS spectrum of lysine-modified PLA microspheres and lecithin-modified PLA microspheres

2.2.3 水接觸角分析

圖7所示為改性微球和卵磷脂修飾改性微球的水接觸角測試圖，由圖7可以看出，卵磷脂修飾改性微球親水性能得到了進一步的提高，其原因主要是改性微球通過卵磷脂溶液的浸泡，卵磷脂成功接枝到改性微球上，由于卵磷脂中含有親水性基團，進一步提高了改性微球的親水性。

圖7 改性微球和卵磷脂修飾改性微球的水接觸角測試圖Fig.7 Water contact angle tests of modified microspheres and lecithin-modified microspheres

3 結論

制備卵磷脂修飾改性聚乳酸微球的較佳工藝條件為：卵磷脂溶液的質量百分數(shù)為1%，浸泡時間為5 h。此條件下制備的微球具有良好的親水性能。另外通過紅外吸收光譜分析和X 射線光電子能譜分析得出卵磷脂已經(jīng)成功接枝到改性微球上，從水接觸角分析得出，通過卵磷脂修飾后的改性微球親水性得到了進一步提高。