PDMS-BG-TiO2 有機無機生物雜化材料的制備和性能研究*

陳 莖，薛 敏，李學坤，石 奇，李蓓蓓

（西安文理學院，陜西 西安 710065）

骨骼是人體的支架，擔負著支持、維護、承重、造血、貯鈣和代謝等功能，并且擁有很強的再生及自我修復本領，但沒法修復由于創(chuàng)傷、傳染、天生發(fā)育不良等種種緣由導致的大面積骨缺損和因為人均壽命增長而導致的骨質松散，因而常常需要采取外科手術進行骨移植的醫(yī)治[1-3]。目前，人工合成的骨移植物如羥基磷灰石、生物玻璃磷酸三鈣等已應用于臨床，但這類材料質脆、體內降解速率難以控制且臨床醫(yī)生不易將它們切割成一定的形狀[4,5]。因此，需要開發(fā)類似于人體骨骼的高生物活性的新型骨替代或骨修復材料。

近些年來，一種新型有機改性的硅酸鹽陶瓷材料越來越引起人們的注意，這種材料是采用化學方法將有機高分子與無機硅酸鹽經過化學反應以分子水平貫穿于無機物的網絡結構中，形成了一種有機無機雜化生物活性材料體系，這種材料兼具有機無機兩種材料的優(yōu)點，即具有無機材料較好的生物活性和有機材料柔韌性高等優(yōu)點[6-9]。Tsuru 等通過實驗發(fā)現(xiàn)，將二價鈣鹽加入這種雜化材料體系中，再將制備的材料置入一種模擬人體體液的溶液中培養(yǎng)一段時間，發(fā)現(xiàn)材料表面將會形成類似骨組織的羥基磷灰石結構，骨組織就是通過這層礦物質與材料緊密結合起來[10,11]。實驗發(fā)現(xiàn)Ti-OH 或者Si-OH 功能基團會促進有機無機雜化材料表面羥基磷灰石形成，陳奇等將鈦摻入到生物活性玻璃中用于提高材料的力學性能，同時發(fā)現(xiàn)鈦的加入還會影響雜化材料的表面形貌[12-16]。本課題組采用溶膠凝膠法已經成功制備了基于PDMS-BG 系列有機無機生物雜化材料[17,18]，但是制備的PDMS-BG 有機無機雜化生物材料具有制備周期長和容易破裂的缺點，為了進一步提高雜化材料的成型能力、生物活性和機械性能，本實驗將研究加入不同含量的異丙醇鈦對試樣成型能力和生物活性的影響，制備具有不同形狀、高生物活性的有機無機雜化生物塊體材料，將來可能用作一種新型骨修復材料或用于醫(yī)藥載體材料。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

正硅酸乙酯（TEOS,Si（OC2H5）4））、Ca（NO3）2·4H2O、HCl（37%）、異丙醇鈦（TiPT，Ti（OCH（CH3）2）4）、溶劑異丙醇、THF 和其他試劑均為分析純，科密歐化學試劑公司；羥基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS，HO[-Si（CH3）2O-]nH,Mn=1100，AR 上海阿拉丁試劑有限公司）。

采用德國Bruker OPUS 80V 型傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）測試在SBF 中培養(yǎng)前后樣品的組成和結構；采用日本（JEOL）生產的S-4800 型場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）表征培養(yǎng)前后樣品的表面形貌，并用能譜儀表征在SBF 培養(yǎng)前后樣品表面的Ca、P、Si和C 的含量；實驗中的XRD 圖譜用日本（Rigaku）生產型號為D/max-2400X 射線儀來進行測定。

1.2 試樣的制備

1.2.1 PDMS-BG-TiO2有機無機雜化材料的制備 將一定量的正硅酸乙酯加入異丙醇和THF 的共混溶劑中，充分攪拌15min。15min 后，滴加適量的HCl進行催化反應。反應2h 后，滴加一定量的聚二甲基硅氧烷攪拌15h 后制備成溶液1（待用）。然后稱取一定量的Ca（NO3）2，加入水和異丙醇使其充分溶解。將此溶液滴入制備好的溶液1 中，充分攪拌1h。反應1h 后，分別按照正硅酸乙酯∶異丙醇鈦=6∶1、9∶1、12∶1、15∶1 的量滴加異丙醇鈦，并充分攪拌15h 獲得透明溶膠。將獲得的溶膠倒入玻璃培養(yǎng)皿中用保鮮膜密封3 層，放入烘箱60℃下烘干，烘干即得到無裂縫的PDMS-BG-TiO2塊體材料。

1.2.2 體外生物活性培養(yǎng) 生物活性材料植入人體內后，材料表面通過形成生態(tài)碳酸羥基磷灰石（HCA）與骨組織產生化學鍵合，實現(xiàn)生物材料的活性固定。為了檢測所制備生物活性玻璃產品的生物學性能，選擇一種離子濃度和人體血漿相似的模擬體液（Simulated body fluid，簡稱SBF）來研究制備產品的生物活性。SBF 模擬體液是模擬人體血漿離子濃度的水溶液，是由各類無機鹽溶于水配制而成的。其離子的濃度和人體血漿中各離子的離子濃度相似，平常用于體外模擬實驗，見表1[10]。

表1 模擬體液及人體血漿的離子濃度（mM）Tab.1 Simulated body fluid and human plasma ion concentration

2 結果與討論

由溶膠凝膠法可制備圖1 所示的無裂縫的PDMS-BG-TiO2塊體材料。溶膠凝膠法的最大特點是制備周期較長，材料在烘干過程中容易破裂，因此，合理控制烘干溫度是制備完整材料的必要條件之一，將樣品置于60℃的烘箱干燥制得不同形狀的塊體材料，見圖1。

圖1 PDMS-BG-TiO2 塊體材料Fig.1 Scheme and photos of the flexible PDMS-BG-TiO2 hybrid bioceramic

由圖1 可知，由于加入了異丙醇鈦可使制備周期由14d 縮短至5d。其中，圓柱狀材料在烘干期間呈現(xiàn)透明狀，但材料性能不穩(wěn)定，部分試樣容易斷裂，可能是受熱不均造成的。圓片狀材料可能由于與空氣接觸面積大，受熱比較均勻，得到的材料性能穩(wěn)定，幾乎未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

2.1 不同含量異丙醇鈦對溶膠-凝膠的影響

用不同配比的正硅酸乙酯/異丙醇鈦（摩爾比）進行實驗，并對其分析。結果見表2。

表2 不同比例的正硅酸乙酯與異丙醇鈦對溶膠成型的影響Tab.2 Influence of different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide on sol forming

由表2 可知，不同含量的異丙醇鈦對凝膠的影響程度不同。當正硅酸乙酯與異丙醇鈦的比例越來越大時，熱處理后可得到無裂縫的塊體材料，實驗發(fā)現(xiàn)正硅酸乙酯與異丙醇鈦為12∶1 時，容易制備無破裂的塊體材料，這可能是因為形成部分較強的Si-O-Ti 交聯(lián)鍵，使得制備的三維網絡結構凝膠更加穩(wěn)定不容易發(fā)生破裂。

2.2 PDMS-BG-TiO2 塊體材料表面形貌和結構的表征

圖2 為有機無機雜化塊體材料PDMS-BG-TiO2試樣（12∶1）的FTIR 譜圖。

圖2 PDMS-BG-TiO2 塊體材料的FTIRFig.2 FTIR of PDMS-BG-TiO2 hybrids sample (12∶1)biomineralization capability before soaking in SBF

由圖2 可知，800 和850cm-1紅外吸附帶分別屬于Si-C、Si-OH 對稱彎曲振動模型，1080cm-1屬于Si-O-Si 非對稱振動伸縮模型。900cm-1左右的吸收峰是由Si-O-Ti 對稱彎曲振動模型。1260 和1390cm-1分別屬于Si-CH3和C-H 對稱彎曲振動模型。

由圖3 試樣的X-射線衍射圖譜可知，塊體材料是較為典型的生物活性玻璃的無定形結構，所有不同含量異丙醇鈦水解后生成的TiO2并沒有明顯的晶相峰出現(xiàn)，可能是SiO2抑制了TiO2的晶型轉變[19]。

圖3 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2塊體材料的XRD 圖Fig.3 XRD patterns of the hybrid bioceramics before soaking in SBF，the different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide

圖4（A～D）是PDMS-BG-TiO2塊體材料在含有不同比例時的表面形貌，所有材料的表面形貌未見明顯區(qū)別，表面比較光滑，正硅酸乙酯與TiO2比例為12∶1 時表面最為光滑平整。圖4（E）是PDMSBG-TiO2塊體材料（12∶1）的EDS 圖，材料表面主要是Si 和O 元素以及少量的Ti 和Ca 元素。

圖4 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 塊體材料的SEM 圖及EDS 圖Fig.4 SEM imagines of the PDMS-BG-TiO2 hybrid bioceramic surfaces before soaking in SBF and EDS

2.3 PDMS-BG-TiO2 塊體材料體外生物活性的研究

為了測定有機-無機改性的塊體材料形成類骨羥基磷灰石的生物活性，將材料置入模擬體液SBF培養(yǎng)3d 后，分別檢測其體外羥基磷灰石的形成能力。圖5（A～D）顯示了不同配比（6∶1、9∶1、12∶1、15∶1）TiO2的試樣在模擬體液（SBF 溶液）中培養(yǎng)3d 后的表面形貌。

圖5 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 塊體材料在模擬體液3d 的SEM 圖的EDS 圖譜Fig.5 SEM images of the hybrid bioceramic surfaces after soaking in SBF for 3 days and EDS

從圖5 中可以看出，與培養(yǎng)前的表面形態(tài)相比（圖4A～D），所有樣品表面在與SBF 溶液反應后均發(fā)生了較為明顯的變化，有大量的沉積物出現(xiàn)，并且在配比為12∶1 時的材料表面沉積的顆粒最多。通過后面的XRD、FTIR 光譜以及EDS 圖譜分析這些生成的球狀和片狀的顆粒可確認為羥基磷灰石顆粒。圖5C 樣品（即12∶1）表面形成的羥基磷灰石是最多的，這是因為鈦羥團Ti-OH 和硅羥團Si-OH 都有利于羥基磷灰石的形成，當異丙醇鈦和聚二甲基硅氧烷發(fā)生水解、縮合反應形成三維網絡結構后，材料表面存在很多的硅羥團和鈦羥團，增加了材料的生物活性。但隨著鈦含量的增加，使得材料的致密程度增加，材料中的孔結構和比表面積反而減少，降低了生物活性，因此，試樣12∶1 形成羥基磷灰石的能力要比9∶1 的稍強[18]。圖5（E）是PDMS-BG-TiO2塊體材料試樣（12∶1）的EDS 圖譜，材料表面出現(xiàn)較多的Ca元素和P 元素（相比于圖4）。

為了確定PDMS-BG-TiO2塊體材料的表面磷灰石層的結構與物相組成，對試樣與SBF 溶液反應后進行了XRD 分析，見圖6。

圖6 不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 塊體材料在模擬體液3d 的XRD 圖Fig.6 Patterns of the hybrid bioceramics after soaking in SBF for 3 days：pure PDMS-BG and the different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide

在SBF 溶液中反應3d 后，所有配比下處理的試樣，其XRD 圖譜發(fā)生了較大的變化，即出現(xiàn)了特征衍射峰，將這些特征峰與標準的PDF 卡片進行對比發(fā)現(xiàn)，對應于晶體的羥基磷灰石衍射峰（JCPDS-09-0432），圖譜中2θ=26°、31°、49°分別對應羥基磷灰石的（002）、（211）、（213）衍射晶面[17]。其中配比為12∶1 和15∶1 在31°和42°時出現(xiàn)的峰都較為明顯。

圖7 為PDMS-BG-TiO2試樣（12∶1）在體液培養(yǎng)3d 后的FTIR 圖譜。

圖7 PDMS-BG-TiO2 塊體材料試樣（12∶1）在SBF 體液培養(yǎng)3d 的FTIR 圖Fig.7 FTIR of PDMS-BG-TiO2 hybrids sample (12∶1)biomineralization capability after soaking in SBF for 3d

由圖7 可以看出，通過與反應前的紅外光譜相比較，在SBF 中反應3d 后，試樣在562 和603cm-1處出現(xiàn)了新的雙肩峰吸收帶（和圖2 對照），這兩個吸收帶和晶型磷灰石中的P-O 彎曲振動相對應；1400 和1480cm-1出現(xiàn)了微弱的吸收峰，由此可以說明，與SBF 反應3d 以后，試樣表面形成了碳酸羥基磷灰石，說明了雜化材料具有良好的體外磷灰石形成能力，并且配比為12∶1 的樣品具有更快速且更強的磷灰石形成能力。

結合XRD、FTIR 和SEM 圖譜可以得出，有機無機雜化材料PDMS-BG-TiO2具有較好的生物活性，即表面易生成羥基磷灰石[20-23]。生物材料是否具有較好的生物活性是由材料在模擬體液中能否形成足量的Si-OH 基團和Ti-OH 基團決定的，隨著材料表面的Si-OH 基團和Ti-OH 基團增加，產生羥基磷灰石的成核位的數(shù)量也在增加。根據(jù)前面的XRD 圖譜以及FTIR 光譜，含量配比（異丙醇鈦∶正硅酸乙酯）為6∶1、9∶1、12∶1、15∶1 的雜化材料均具有形成磷灰石的能力，并且配比為12∶1 的雜化材料具有更強的磷灰石形成能力。

3 結論

由溶膠-凝膠法成功制備了PDMS-BG-TiO2有機無機雜化材料，研究了不同含量異丙醇鈦影響凝膠制備成型能力和生物活性性能。結果顯示，不同比例（6∶1、9∶1、12∶1、15∶1）的正硅酸乙酯和異丙醇鈦制得PDMS-BG-TiO2雜化材料，在SBF 溶液中培養(yǎng)3d 后，通過SEM 圖可以看出，培養(yǎng)后的所有材料表面都生成羥基磷灰石層。結合FTIR 和XRD 圖譜可以確定培養(yǎng)后的PDMS-BG-TiO2有機無機雜化材料都具有活性，并且正硅酸乙酯和異丙醇鈦之比為12∶1 時，所制的雜化材料成型能力和生物活性性能較好。制備的PDMS-BG-TiO2有機無機雜化材料可能會成為一種新型的骨修復或骨替代材料，亦或藥物載體材料。