PLA/PCL/HL560生物基醫(yī)用復(fù)合可降解材料的制備與性能

肖世偉，李亞楠，李楊

(1.貴州省人民醫(yī)院，貴陽 550002； 2.貴州中醫(yī)藥大學(xué)藥用礦物與資源開發(fā)研究中心，貴陽 550025；3.貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴陽 550003)

近年來，隨著可持續(xù)綠色發(fā)展主題的提出和不斷出現(xiàn)的環(huán)境問題，利用可再生資源開發(fā)生物可降解聚合物來替代傳統(tǒng)石油基塑料已成為全球共識(shí)，因此，生物可降解材料引起了人們的廣泛關(guān)注[1–2]。其中生物醫(yī)用材料聚乳酸(PLA)作為可人體植入的降解材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性、親水性和抗菌性成為研究熱點(diǎn)[3–4]。然而PLA具有加工范圍窄和脆性大的缺陷，限制了其在特殊領(lǐng)域如柔性醫(yī)用材料(輸尿管等)的規(guī)模化應(yīng)用[5]。因此，在保持其生物可降解性和生物相容性的同時(shí)，調(diào)整PLA的各種特性(如韌性等)是非常必要的。

為了克服PLA固有的缺點(diǎn)，將其與聚己內(nèi)酯(PCL)[6]、聚己二酸丁酯-對(duì)苯二甲酸丁酯[7]、聚羥基烷烴酸酯[8]、聚琥珀酸丁酯[9]等可生物降解聚酯共混是最常用的提高加工性能和韌性的方法。其中PCL同樣為人體醫(yī)用植入材料，且具有較好的柔韌性、生物相容性和生物可降解性，可用于醫(yī)用造型材料、手術(shù)縫合線、控釋藥物載體和組織培養(yǎng)基架[10–11]。但PCL存在強(qiáng)度低的問題，而將PLA與PCL共混不僅能增強(qiáng)兩者各自的優(yōu)勢(shì)還能彌補(bǔ)缺點(diǎn)，因此PLA/PCL共混具有現(xiàn)實(shí)意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值[12–13]。另外，水在人體中含量約為60%～70%[14]。作為人體用生物醫(yī)用材料，合適的親水性十分重要。親水性差會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞親和力和粘附力降低，易引起活體宿主的炎癥反應(yīng)[15]。伍林招等[15]利用熱致相分離法結(jié)合冷凍干燥法以3-氨基-1，2-丙二醇為原料使PLA的水接觸角降低至70°左右。詹世平等[16]采用親水性單體與疏水PLA進(jìn)行可控自由基聚合的方法以提高PLA的親水性。然而上述制備方法復(fù)雜，不易大批量工業(yè)化生產(chǎn)。筆者采用聚酯類親水劑HL560母粒對(duì)PLA/PCL進(jìn)行改性，探究HL560和PCL含量的變化對(duì)所得改性材料綜合性能的影響，并評(píng)價(jià)了改性材料的降解行為。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PLA：2003D，美國Nature work公司；

PCL：Capa 6800，美國蘇威公司；

聚酯類親水劑HL560：德國巴斯夫股份有限公司；

氫氧化鈉：分析純，重慶川東化工有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

平行雙螺桿擠出機(jī)：TSSK-3540型，成都普瑞橡塑機(jī)械有限公司；

塑料注塑機(jī)，PL860/290型，無錫海天機(jī)械有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：Q/IMVPI12006型，上?，槴\實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

傅立葉變換紅外光譜(FTIR)儀：AES0400911型，美國尼高力公司；

熱重(TG)分析儀：Q50型，美國TA公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：Q10型，美國TA公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)：UTM4204X型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

微機(jī)控制熱變形維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)：VTM1300型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

熔體流動(dòng)速率(MFR)測(cè)定儀：MTM1000型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：PTM7000型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

接觸角測(cè)量儀：JC2000D5A型，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

首先取一定量的PLA，PCL和親水劑HL560在鼓風(fēng)干燥箱中干燥處理，其中PLA和親水劑HL560在80℃下干燥處理6 h，PCL在50℃下干燥處理4 h，取出待用。將干燥后的原料按照表1配方混合均勻，利用雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒。擠出機(jī)加工溫度和模頭溫度為120，160，160，170，170，175，175，180，180，180℃，轉(zhuǎn) 速 為120 r/min。將得到的顆粒料烘干注塑成標(biāo)準(zhǔn)試樣，注塑溫度設(shè)定為130，160，170，180℃，注塑壓力為120 MPa。

表1 試樣制備配方表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.4 性能測(cè)試與表征

FTIR測(cè)試：將樣品熱壓成片使用衰減全反射(ATR)法進(jìn)行FTIR分析，光譜分辨率4 cm–1，掃描32次，掃描波數(shù)測(cè)量范圍400～4 000 cm–1。

MFR測(cè)試：采用MFR測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，溫度為180℃，砝碼質(zhì)量2.16 kg。

力學(xué)性能測(cè)試：拉伸性能按GB/T 1040–1992進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min；彎曲性能按GB/T 9341–2008 進(jìn)行測(cè)試，彎曲速率為2 mm/min；缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843–2008 進(jìn)行測(cè)試，擺錘能量為2.75 J。

熱變形溫度測(cè)試：按照GB/T1634.2–2004，利用微機(jī)控制熱變形維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的熱變形溫度，采用的彎曲應(yīng)力為0.45 MPa。

DSC測(cè)試：取樣品6～10 mg，N2氣氛，氣體流量40 mL/min；先將樣品快速加熱至200℃，并在此溫度下保持5 min消除熱歷史；以10℃/min的速率冷卻至-70℃，恒溫3 min，再以10℃/min的速率將樣品加熱至200℃，記錄結(jié)晶和熔融曲線。

TG測(cè)試：采用TG分析儀進(jìn)行測(cè)試，N2氛圍，氣體流量50 mL/min；每次稱量8～10 mg樣品，以10℃/min的速率從室溫升溫至600℃。

水接觸角測(cè)試：將注塑機(jī)制備的拉伸樣條在60℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥3 h，用無水乙醇清洗表面，待酒精揮發(fā)后，利用接觸角測(cè)量儀測(cè)量其親疏水性，每次水滴的體積為4 μm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能及耐熱性能分析

純PLA及PLA改性材料的綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，添加親水劑HL560后，P0-5的柔順性和韌性相比P0-0 (純PLA)增加，即斷裂伸長率增大、缺口沖擊強(qiáng)度增強(qiáng)，但是材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量略有下降。而添加PCL后，材料的韌性和斷裂伸長率隨著PCL含量的增加而逐漸增大。P25-5和P30-5的斷裂伸長率分別為16.6%和20.1%，分別比純PLA (5.9%)提高181.4%和240.7%。隨著分子鏈柔順性的增加(即隨著PCL含量增加)，其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。值得注意的是，材料的彎曲彈性模量隨著PCL含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且均比純PLA(1 934.1 MPa)提高明顯，其中P15-5最大為2 826.5 MPa，比純PLA增加46.1%。彎曲彈性模量增大的原因可能是分子鏈之間的酯交換作用形成了交聯(lián)結(jié)構(gòu)。材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨著PCL含量的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，P25-5和P30-5的缺口沖擊強(qiáng)度分別為11.1 kJ/m2和11.2 kJ/m2，分別比純PLA (3.2 kJ/m2)提高246.9%和250.0%。但是通過誤差分析可知，P30-5的數(shù)據(jù)均勻性相對(duì)較差。綜合分析可知，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的親水劑HL560和25%的PCL改性PLA的效果相對(duì)最佳，可以獲得綜合力學(xué)性能較高的改性材料(P25-5)。

圖1 純PLA及PLA改性材料的綜合力學(xué)性能

對(duì)純PLA及改性材料進(jìn)行熱變形測(cè)試，分析其耐熱性能，結(jié)果如圖2所示。圖2結(jié)果表明，隨著HL560的引入，材料的熱變形溫度明顯下降，P0-5的熱變形溫度(54.6℃)比純PLA (56.4℃)降低1.8℃。而隨著PCL含量的增加，改性材料的熱變形溫度進(jìn)一步下降。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，15%，20%，25%和30% PCL的改性材料的熱變形溫度分別為51℃，50℃，49.7℃，49.4℃和48.9℃，分別比純PLA降低5.4℃，6.4℃，6.7℃，7.0℃，7.5℃，表明分子鏈柔順性的增加對(duì)材料的熱變形溫度不利。但是在人體的適用溫度范圍內(nèi)(45℃)不會(huì)發(fā)生變形，材料依然具有很強(qiáng)的醫(yī)學(xué)適用性。

圖2 純PLA及PLA改性材料熱變形測(cè)試的溫度-位移曲線

2.2 MFR分析

親水劑HL560和PCL含量的變化對(duì)材料的可加工性有重要影響，因此，測(cè)試了純PLA與改性材料的MFR，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，純PLA的MFR僅 為3.0 g/10 min，表 明PLA在180℃下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)性和可加工性能較差。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的親水劑HL560后，P0-5的MFR增加到4.1 g/10 min，表明親水劑HL560改善了材料的可加工性能。而含PCL的復(fù)合材料的MFR隨PCL含量的增加呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)，表明PCL的加入使PLA分子鏈的柔順性增加，進(jìn)而改善PLA的流動(dòng)性和可加工性能。這歸結(jié)于PLA和PCL的酯交換反應(yīng)，使分子間作用力減弱，黏流溫度降低。

圖3 純PLA及改性PLA材料的MFR

2.3 FTIR分析

材料性能的變化源于結(jié)構(gòu)的改變，用FTIR測(cè)試分析純PLA，HL560，PCL與PLA改性材料的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，親水劑HL560母粒和PLA的FTIR譜圖基本相似，僅在2 750～3 100 cm–1和1 750 cm–1左 右 存 在 差 異。PLA在3 000.1 cm–1處出現(xiàn)—CH3的伸縮振動(dòng)峰，而HL560上并未出現(xiàn)，表明HL560分子結(jié)構(gòu)上沒有—CH3。但HL560的—CH2與—CH伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于PLA，表明其分子鏈上含有更高含量的—CH2與—CH。另外HL560的譜圖中在1 731.7 cm–1處出現(xiàn)了酯基的峰位，但是比純PLA (1 752.2 cm–1)低了20.5 cm–1，這是由于誘導(dǎo)效應(yīng)造成的，當(dāng)碳原子上連接電負(fù)性較小的—CH2基團(tuán)，碳氧雙鍵上面的電子云就會(huì)向遠(yuǎn)離碳原子和氧原子中心的方向移動(dòng)，鍵長變長，峰的位置會(huì)向低波數(shù)移動(dòng)。這表明HL560分子鏈上酯基的附近連接了更多了柔性—CH2基團(tuán)。三者共混后，P25-5的FTIR曲線上的特征峰基本變化不大，只是酯基的伸縮振動(dòng)峰變寬，表明三種組分發(fā)生了酯交換反應(yīng)。

圖4 純PLA，HL560，PCL與PLA改性材料的FTIR譜圖

2.4 熱穩(wěn)定性分析

材料具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性才有長期服役的可能，用TG分 析 純PLA，HL560，PCL與PLA改性材料的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，HL560，PLA和PCL的起始熱分解溫度分別為208℃，286℃和232℃，而改性材料的起始熱分解溫度均超過280℃，表明體系中HL560相和PCL相的熱穩(wěn)定性得到了大幅提高。由圖5b知，PCL含量的增加使材料的起始熱分解溫度向低溫方向移動(dòng)，表明高含量的PCL對(duì)熱穩(wěn)定性不利，這和熱變形測(cè)試結(jié)果一致。另外，改性材料中PLA相和HL560相的最大熱分解溫度并未出現(xiàn)明顯偏移，表明PCL含量的變化對(duì)PLA和HL560熱穩(wěn)定性影響不大。

圖5 純PLA，HL560，PCL與改性PLA材料的TG及DTG曲線

值得注意的是，改性材料中PCL相的最大熱分解溫度隨著PCL含量的增加明顯向高溫方向偏移，從369℃增加到382℃，并且在低PCL含量時(shí)峰型不明顯。另外，當(dāng)PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，改性材料中PLA相熱分解曲線的前半部分斜率出現(xiàn)了明顯的變化，當(dāng)PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%和30%時(shí)，在313℃左右出現(xiàn)了一個(gè)分解峰，而PLA與HL560共混的試樣P0-5并未出現(xiàn)該分解峰，表明該分解峰是由于PCL與HL560發(fā)生酯交換反應(yīng)生成新的小分子量聚酯造成的，這也是高含量PCL下PCL相最大熱分解溫度明顯升高的原因。以上結(jié)果表明，PCL含量的增加雖然會(huì)降低改性材料的起始熱分解溫度，但對(duì)PLA和HL560熱穩(wěn)定性影響較小，且全部改性材料的起始熱分解溫度遠(yuǎn)大于純PCL，有助于拓寬其熱加工范圍。

2.5 結(jié)晶行為分析

用DSC探究純PLA，HL560，PCL與PLA改性材料的結(jié)晶行為，結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知，PLA在降溫過程未出現(xiàn)結(jié)晶峰，而PCL的結(jié)晶峰出現(xiàn)在26.4℃，在低溫方向還有一個(gè)與26.4℃主峰十分接近的分裂峰，HL560則出現(xiàn)3個(gè)結(jié)晶峰，分別為8.4℃，57.8℃和103.2℃，由此推測(cè)其分子鏈可能由三元共聚物組成。PLA與HL560共混后，HL560的結(jié)晶明顯被抑制，峰強(qiáng)度變?nèi)醯耐瑫r(shí)向低溫方向移動(dòng)，其中一個(gè)結(jié)晶峰由103.2℃變?yōu)?5.5℃，另外兩個(gè)低溫方向上結(jié)晶峰在共混物中甚至不可見。由圖6b可知，PLA在熔融過程中發(fā)生了冷結(jié)晶，其冷結(jié)晶溫度為116.8℃，PLA和PCL的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為58.9℃和-44.3℃，熔融溫度分別為51.5℃和149.1℃。PLA與HL560共混后，PLA熔融過程的冷結(jié)晶溫度由116.8℃變?yōu)?10.6℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由58.9℃變?yōu)?6.5℃。酯交換反應(yīng)產(chǎn)生的新的分子鏈起到了成核作用，使分子鏈的柔順性增加，促進(jìn)了PLA的結(jié)晶。

由圖6c和圖6d可知，引入PCL后，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)看不到改性材料中PCL相的結(jié)晶峰和熔融峰，表明PLA對(duì)PCL的結(jié)晶也有抑制作用。隨著PCL含量的繼續(xù)增加，改性材料在14.1℃和34.8℃處出現(xiàn)了2個(gè)分裂的結(jié)晶峰，且PCL含量越高峰型越強(qiáng)，而HL560相在75.5℃位置的峰基本不變；在熔融過程中，隨PCL含量增加，改性材料中PLA相的冷結(jié)晶峰(位于110.6℃附近)向高溫方向移動(dòng)，以上表明PCL含量的增加對(duì)HL560結(jié)晶影響不大，卻能抑制PLA的結(jié)晶。另外，隨PCL含量的增加，改性材料中PCL相的熔融焓面積增加，但是PCL熔融峰位置(位于40.5℃和52.4℃附近)和PLA熔融峰位置(位于148.1℃附近)基本未發(fā)生變化。以上結(jié)果表明，PCL和HL560含量的變化僅對(duì)改性材料的結(jié)晶性能有影響，但是對(duì)材料中各組分的熔融溫度影響不大。

圖6 純PLA，PCL，HL560與PLA改性材料的DSC曲線

2.6 親水性分析

作為人體醫(yī)用植入材料，合適的親水性是十分必要的。通過水接觸角來表征材料的親疏水性，結(jié)果如圖7所示，其中接觸角大于90°為疏水材料，小于90°為親水材料。由圖7可知，純PLA的水接觸角為78.0°，是弱親水性材料。加入親水劑HL560后，水接觸角下降至73.0°，較純PLA降低5°，親水性增加。隨著PCL含量的增加，改性材料的接觸角呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中P20-5水接觸角最低為56.4°，比純PLA降低21.6°，HL560和PCL的協(xié)同作用使改性材料的親水性大幅增加。

圖7 純PLA及PLA改性材料的水接觸角

2.7 降解行為評(píng)價(jià)

PLA和PCL均為生物可降解材料，因此探究HL560和PCL對(duì)改性材料降解行為的影響十分重要?？紤]到材料在堿性環(huán)境(如輸尿管等)中的應(yīng)用，將尺寸為20 mm×4 mm×10 mm的樣品置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液中，模擬在堿環(huán)境中材料的降解行為[2，17]，結(jié)果如圖8所示。

圖8 PLA改性材料樣品在堿溶液中的降解行為

PLA是一種降解速率很低的材料，據(jù)報(bào)道，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液中放置10 d，其形態(tài)基本不會(huì)發(fā)生變化，質(zhì)量損失率不超過10%[2]。由圖8可知，改性材料在堿溶液中靜置8 d形態(tài)基本未發(fā)生變化，而P0-5在第八天與其它樣品有明顯的差異，其一部分樣品彎曲懸浮于溶液中，不再沉于底部，表明其確實(shí)發(fā)生了降解，主要降解行為為內(nèi)部的崩解而不是表面刻蝕。其它改性材料仍沉在底部則表明材料在短時(shí)間內(nèi)具有一定的耐堿性，有助于其在堿性環(huán)境中的應(yīng)用。將第五天的樣品烘干后發(fā)現(xiàn)，材料降解后的表面顏色表現(xiàn)出差異，其中P10-5和P15-5最接近原始樣品的顏色(乳白色)，降解程度相對(duì)較低，隨著PCL含量的增加樣品顏色逐漸接近PLA的淡黃色，結(jié)果表明HL560可能促進(jìn)了PLA的降解，而低含量的PCL抑制改性材料的降解，高含量的PCL則有助于改性材料的降解。另外，降解后樣品顏色的變化說明，堿溶液優(yōu)先對(duì)改性材料中的PCL相進(jìn)行降解。

改性材料樣品降解過程中的質(zhì)量損失率如圖9所示。由圖9可知，只添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HL560改性PLA材料P0-5的質(zhì)量損失率在第八天達(dá)到62.2%，酯交換反應(yīng)使分子間作用力減弱，更容易被堿溶液滲透體系降解，這也是其在堿溶液中懸浮起來的原因。而添加PCL后改性材料質(zhì)量損失率均大幅下降，在放置8 d后，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30% PCL的樣品質(zhì)量損失率分別為41.1%，35.0%，36.8%，41.9%和37.5%。加入PCL和HL560反而使改性材料降解率下降，這可能是形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。但整體而言，所有改性材料的降解速率均快于純PLA。

圖9 PLA改性材料降解后的質(zhì)量損失率變化曲線

3 結(jié)論

(1)親水劑HL560和PCL的協(xié)同作用使PLA改性材料的綜合力學(xué)性能得到增強(qiáng)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% PCL和5% HL560的改性材料的彎曲彈性模量比純PLA提高46.1%，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% PCL和5% HL560的改性材料的斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度分別比純PLA提高240.7%和250%。分子鏈柔順性的增加使材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度有一定程度下降。材料的可加工性能隨著PCL含量的增加而逐漸增強(qiáng)。

(2)引入HL560和PCL能增加PLA的親水性，其中P0-5和P20-5的水接觸角分別比純PLA降低5°和21.6°，兩者的協(xié)同作用使改性材料的親水性大幅增加。堿溶液中降解行為表明，HL560改性PLA材料的降解速率大幅增加，降解8 d后質(zhì)量損失率為62.2%，添加PCL后，三種組分形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使降解程度下降，質(zhì)量損失率均不超過42%，但降解速率均高于純PLA，降解優(yōu)先針對(duì)于PCL，機(jī)理為內(nèi)部崩解。這為PLA/PCL/HL560在醫(yī)用領(lǐng)域如輸尿管支架的應(yīng)用提供了支持。

(3) PCL含量增加使改性材料的起始熱分解溫度下降，但改性材料的起始熱分解溫度均高于280℃。PLA和HL560的共混會(huì)抑制HL560的結(jié)晶，促進(jìn)PLA的結(jié)晶。引入PCL后，改性材料中PLA相的冷結(jié)晶溫度向高溫方向偏移，結(jié)晶被抑制。