PLLA-TMC微球增強磷酸鈣骨水泥的制備與性能研究

米 霜, 邢璐瑤, 陳棟梁, 熊成東, 魯 越, 李 慶*

(1. 中國科學院 成都有機化學研究所，四川 成都 610041； 2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 四川輕化工大學 材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

磷酸鈣骨水泥(CPC)是近年來最受歡迎的無機骨水泥材料之一，具有生物可降解、生物相容性好、原位固化且不放熱，塑性能力強等優(yōu)點[1-3]，完美克服了聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(PMMA)單體毒性，與固化放熱和硫酸鈣骨水泥的降解快等缺點[4-5]。磷酸鈣骨水泥又稱為松質(zhì)骨水泥，具有力學強度低，基質(zhì)過于致密的缺點[6-7]。為了改善磷酸鈣骨水泥的力學缺陷，研究人員主要開發(fā)了3種途徑：纖維增強、微球增強、雙相固化[8-10]。其中纖維增強CPC被認為是最為有效且簡單的增強方式，但會影響磷酸鈣骨水泥在微創(chuàng)手術的注射性能。雙相固化增強，即聚合單體交聯(lián)的雙凝磷酸鈣骨水泥體系增強，在聚合過程中會殘留具有毒性的高分子單體。添加一定量的微球，CPC的力學性能即能有明顯提高。

聚乳酸包含聚-L-旋乳酸(PLLA)和聚-D-旋乳酸(PDLA)以及聚-D/L-乳酸(PDLLA)，具有優(yōu)異的生物相容性、生物可降解性以及力學性能，在藥物釋放、外科手術縫合線、心血管支架、骨修復領域等具有廣泛地運用。但是聚乳酸韌性差，易結(jié)晶且酸性降解容易引發(fā)炎癥等問題限制了其運用[11-13]。聚三亞甲基碳酸酯PTMC作為生物可降解材料，具有非常好的生物相容性、不生成酸性降解產(chǎn)物、并且韌性好[14]。有學者為了結(jié)合PLLA與PTMC兩種材料的優(yōu)點，采用共聚、共混等方式得到具有生物相容性好、力學強度適中的可降解二元共聚物[15-16]。

本文以左旋丙交酯(L-LA)和三亞甲基碳酸酯(TMC)為原料，辛酸亞錫為催化劑，采用本體聚合法制備了不同單體配比的二元無規(guī)共聚物(PLTMC64， PLTMC73和PLTMC82)，其結(jié)構和性質(zhì)經(jīng)1H NMR, FT-IR, GPC和DCS等表征。采用水包油法將3種二元PLLA-TMC共聚物制成平均直徑約50 μm的微球,以5wt%含量加入到磷酸鈣骨水泥中進行固化時間與力學性能測試。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker Avance 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑和內(nèi)標)；Thermo Fisher Nicolet 6700型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；Waters 1515型凝膠滲透色譜；DSC Q20型差式掃描量熱儀；DSA10型接觸角分析儀；AMRAY 1000B型掃描電子顯微鏡；SANSCMT4503型萬能力學試驗機。

左旋丙交酯(L-LA)和三亞甲基碳酸酯(TMC)，深圳市玻璃生物材料有限公司，粉狀，醫(yī)用級，純度>99.5%；辛酸亞錫，Sigma公司；二氯甲烷，廣東光華科技股份有限公司，分析純；聚乙烯醇，成都科隆化學品有限公司，純度>98.0%；其余所用試劑均為分析純。

1.2 制備

(1) PLLA-TMC 的制備通法

以質(zhì)量比60/40、 70/30、 80/20為LA和TMC的投料比，辛酸亞錫為催化劑(0.05wt%)，脫氣后，于140 ℃反應50 h。產(chǎn)物用二氯甲烷溶解后，用無水乙醇沉淀得到純化的聚合物，于37 ℃真空干燥至恒重。3種產(chǎn)物分別命名為PLTMC64、 PLTMC73和PLTMC82。

(2) PLLA-TMC微球的制備通法

分別稱取PLTMC64、 PLTMC73和PLTMC82 2.0 g加入二氯甲烷58.86 mL中，配制成2.5wt%的聚合物溶液(油相)；配制質(zhì)量分數(shù)為0.05wt%的PVA溶液作為表面活性劑(水相)；將上述聚合物溶液倒入靜置的900 mL 0.05wt%的PVA溶液后，快速攪拌24 h。溶劑完全揮發(fā)后，過濾，真空干燥得PLLA-TMC二元共聚物微球。

(3) PLLA-TMC微球增強磷酸鈣骨水泥支架的制備

骨水泥固相為 95wt%的α-Ca3(PO4)2和5wt%的二元共聚物微球(PLTMC64、PLTMC73和PLTMC82)，液相為2.4wt% Na2HPO4溶液。將固化液與固體粉末按0.5 mL/g比例混合后，迅速用藥匙調(diào)和均勻，填入(φ6 mm×12 mm)石英玻璃模具中，于37 ℃， 100%濕度的恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護，記錄固化時間。養(yǎng)護3 d后進行力學測試和SEM分析。

1.3 顯著性差異分析

所有數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標準差形式呈現(xiàn)，并用one-way anova單因素方差分析進行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

圖1為3種PLLA-TMC二元共聚物的FT-IR譜圖。由圖1可知，2920 cm-1處紅外特征峰為LA單體中-CH和-CH3以及TMC單體中-CH2的C—H鍵的伸縮振動吸收峰；1759 cm-1處紅外特征峰為LA與TMC單體中C=O鍵的伸縮振動峰；1275 cm-1和1185 cm-1處紅外特征峰為LA和TMC 單體中C—O鍵和C—O—C鍵的伸縮振動峰[16]。

ν/cm-1

圖 2PLTMC64、 PLTMC73和PLTMC82的SEM照片

為了進一步探討3種二元共聚物的性質(zhì)，測定了其1H NMR譜圖(圖略)、GPC譜圖(圖略)、DSC曲線(圖略)和接觸角。分析可知，3種共聚物的分子量都均在20萬以上(235876， 244481， 270643 g/mol)。 3種共聚物均為無規(guī)共聚物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為25.7， 28.3， 44.0 ℃。 PLTMC82的親水性最好，接觸角為77.17°。

2.2 PLLA-TMC微球微觀形態(tài)

實驗中所得微球直徑為50 μm左右(圖2)。由圖2可知，3種微球表面光滑，未出現(xiàn)海島分離或相分離現(xiàn)象。

2.3 PLLA-TMC微球增強磷酸鈣骨水泥支架的性能

將PLTMC64、 PLTMC73和PLTMC82微球分別以5wt%含量與α-TCP粉末混合，制成骨水泥支架，命名為CPC-64、 CPC-73和CPC-82。對照組為100wt%α-TCP，命名為CPC。

圖3 CPC、 CPC-64、 CPC-73和CPC-82微球增強骨水泥支架的固化時間

圖4 CPC、 CPC-64、 CPC-73和CPC-82微球增強骨水泥支架的力學性能

(1) 固化時間

由圖3可知，摻雜微球延長了骨水泥的凝固時間，這可能是微球阻礙了α-TCP的水化過程，妨礙了骨水泥的晶體(羥基磷灰石)生長。LA含量越高，聚合物強度越高，即PLTM82微球的強度比PLTM64微球高，固化時間縮短。

(2) 力學性能

圖4為4種骨水泥支架的壓縮強度與壓縮模量。由圖4可知，添加PLLA-TMC二元共聚物微球作為增強相時，骨水泥支架的壓縮強度和模量均顯著提高。其中CPC-73骨水泥支架壓縮強度能達到22 MPa左右，是CPC的2倍，且其壓縮模量提高到了1.5 GPa左右。微球增強骨水泥的作用可能是外界施加力的過程中，骨水泥與微球之間的滑動摩擦吸收了能量，使骨水泥支架力學性能增強[8]。

(3) 微觀形態(tài)

增強磷酸鈣骨水泥的力學性能，不僅與骨水泥基體和微球強度有關，也與骨水泥基體與微球之間相互作用力有關[10]。圖5為CPC-64、 CPC-73和CPC-82骨水泥支架的SEM照片。由圖5可知，微球與骨水泥基體之間銜接緊密，有利于外界能量由基體向增強相微球的傳遞，從而增強骨水泥的力學性能。此外，還發(fā)現(xiàn)3種二元共聚物微球表面都有骨水泥顆粒粘附，即PLLA-TMC二元共聚物和磷酸鈣骨水泥之間有非常強的粘附力。

圖5 CPC-64、 CPC-73和CPC-82微球增強骨水泥支架的SEM照片

以左旋丙交酯(L-LA)和三亞甲基碳酸酯(TMC)為原料，辛酸亞錫為催化劑，采用本體聚合法合成了不同單體配比的二元無規(guī)共聚物(PLTMC6， PLTMC73和PLTMC82)。采用W/O法將PLLA-TMC共聚物制備成平均直徑約50 μm的微球,并以5wt%含量加入到磷酸鈣骨水泥中進行固化時間與力學性能測試。結(jié)果表明，添加PLTMC73微球為增強相時，骨水泥壓縮強度增至22 MPa左右，且壓縮模量能達到1.5 GPa。 SEM圖顯示，骨水泥與微球之間有較好的親和性。