POC/PLA生物醫(yī)用材料的制備與性能研究

鄒方東 孫曉霞 王新厚， 2

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620

POC/PLA生物醫(yī)用材料的制備與性能研究

鄒方東1孫曉霞1王新厚1， 2

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620

利用靜電紡絲法在自制的靜電紡絲裝置上制備聚1, 8-辛二醇-檸檬酸酯(POC)/聚乳酸(PLA)生物醫(yī)用材料，并對POC/PLA生物醫(yī)用材料的表面形貌、紅外光譜特征、親水性能、體外降解性能及拉伸力學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維的直徑逐漸下降、親水性逐漸增加、降解速率加快；且POC/PLA生物醫(yī)用材料的拉伸力學(xué)性能發(fā)生了突破性的變化，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量都得到了顯著改善。

POC，PLA，靜電紡絲，生物醫(yī)用材料，表面形貌，紅外光譜，親水性能，體外降解性能，拉伸力學(xué)性能

組織工程是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)原理，研究和開發(fā)具有修復(fù)和改善損傷組織功能的生物替代物的一門新興科學(xué)。組織工程的出現(xiàn)和發(fā)展為組織缺損的修復(fù)和組織的再生提供了一種新的有效方法。組織細(xì)胞、支架和生長因子是組織工程的三大要素，其中支架材料在組織工程中發(fā)揮著核心作用[1]。

制備納米纖維支架的方法有自組裝法[2-3]、相分離法[4-5]及靜電紡絲法[6-7]等。其中，靜電紡絲法由于所紡納米纖維具有高的比表面積和孔隙率，且可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞的生長提供良好的環(huán)境，故而在生物醫(yī)用材料的制備方面具有廣闊的前景。此外，可通過設(shè)計(jì)不同的接收裝置以滿足不同的組織結(jié)構(gòu)的需求。

聚乳酸(PLA)材料具有良好的生物相容性和可降解性，加之對人體無毒等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的制備[8-11]；同時(shí)，它還得到了美國食品和藥物協(xié)會(huì) (FDA)臨床應(yīng)用的認(rèn)可。PLA的降解形式主要是通過親水性酯鍵的裂解而實(shí)現(xiàn)的[12]，降解產(chǎn)物最終以二氧化碳和水的形式從體內(nèi)排出。然而，PLA材料彈性有限(不能承受大的彈性變形)、降解周期可控性差、親水性差，這些都限制了其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

聚1,8-辛二醇-檸檬酸酯(POC)是一種新型的彈性材料，其具有合成單體無毒、供應(yīng)豐富且價(jià)格便宜、合成條件相對溫和、合成時(shí)不需要添加催化劑及交聯(lián)劑、可以通過改變摩爾比及合成條件使POC彈性材料具備可控的部分力學(xué)性能及可調(diào)的降解周期、對多種細(xì)胞都具有固有的表面親和性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到學(xué)者的廣泛關(guān)注[13-14]。但POC彈性材料強(qiáng)力較難以控制，且不能單獨(dú)用于靜電紡絲制備納米纖維。

因此，本課題首先利用1,8-辛二醇與檸檬酸合成了具有生物降解性能的POC，然后與PLA以一定的比例混合溶解于六氟異丙醇中，得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，最后利用靜電紡絲法在自制的靜電紡絲裝置上制備POC/PLA生物醫(yī)用材料，并對該生物醫(yī)用材料的表面形貌、共混性能、親水性能、體外降解性能及拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)材料及儀器

所用試驗(yàn)材料及儀器歸納于表1和表2。

表1 試驗(yàn)材料

表2 試驗(yàn)儀器

2 POC/PLA生物醫(yī)用材料的制備

2.1 POC的合成

按摩爾比1∶1稱取1,8-辛二醇與檸檬酸并投放到三頸圓底燒瓶中，在常壓(101 kPa)、160～165 ℃條件下油浴磁力攪拌15 min，等待反應(yīng)單體1,8-辛二醇與檸檬酸完全熔融；之后，溫度降到140～145 ℃， 熔融反應(yīng)40～60 min直至磁力攪拌困難(接近凝膠點(diǎn))，即得POC；隨后，將POC溶解于無水乙醇中，并在去離子水中沉淀(溶解除去未反應(yīng)的單體)，其中無水乙醇和去離子水的體積比為1∶5；最后，對POC進(jìn)行收集并真空冷凍干燥24 h，得到純化的POC。

2.2 靜電紡絲用POC/PLA溶液的制備

將POC與PLA分別以質(zhì)量比10∶90、 25∶75、 40∶60充分混合并溶解于六氟異丙醇溶劑中，得到質(zhì)量濃度為12 g/mL的POC/PLA溶液。制備質(zhì)量濃度為12 g/mL的純PLA紡絲液用于后續(xù)對比。

2.3 POC/PLA生物醫(yī)用材料的制備

靜電紡絲在自制的靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行。如圖1所示，將上述配制好的POC/PLA溶液轉(zhuǎn)移至10 mL 的注射器內(nèi),并在21G(即內(nèi)徑為0.51 mm) 的平口針頭上加載15 kV的電壓，負(fù)極接地；POC/PLA溶液以1 mL/h的紡絲速率擠出，并在平口針頭處形成泰勒錐，擠出的紡絲液滴在靜電場內(nèi)受電場力牽伸形成納米纖維，并接收于直徑為50.00 mm的包覆鋁箔的圓形滾筒上，其中平口針頭到接收滾筒的距離為120.00 mm。將收集于滾筒上的紡絲膜連同鋁箔一起揭下，置于真空烘箱中烘燥3 h，以去除紡絲膜內(nèi)的殘存溶劑，烘箱溫度設(shè)置為30 ℃。所得纖維膜即為POC/PLA生物醫(yī)用材料。

圖1 靜電紡絲示意

3 POC/PLA生物醫(yī)用材料的表征

3.1 表觀形貌

為評價(jià)POC/PLA生物醫(yī)用材料的表觀形態(tài)與纖維直徑，分別取不同混合比例的POC/PLA生物醫(yī)用材料樣品表面噴金，然后采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察它們的表面形態(tài)，得到樣品的掃描電鏡照片，再利用Image-Pro Plus軟件在掃描電鏡照片上隨機(jī)選取50根纖維，計(jì)算出纖維直徑的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 紅外光譜

為確定POC/PLA生物醫(yī)用材料的成分組成及結(jié)構(gòu)信息，采用NEXUS-670型紅外光譜儀，通過衰減全反射法，在頻率范圍4 000～650 cm-1內(nèi)經(jīng)10次掃描進(jìn)行測定，以表征 POC、PLA及其共混材料的紅外光譜特征。

3.3 親水性能

生物醫(yī)用材料表面的親水性能在一定程度上決定著細(xì)胞的黏附與增殖。為評價(jià)POC/PLA生物醫(yī)用材料的親水性能，采用OCA15EC型接觸角測量儀，在室溫條件下對POC/PLA生物醫(yī)用材料的靜態(tài)接觸角進(jìn)行測試，每個(gè)樣品隨機(jī)測試5個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值。

3.4 體外降解性能

3.4.1 失重率

為了解POC/PLA生物醫(yī)用材料隨時(shí)間在體外降解的失重情況，裁剪正方形試樣(長、寬皆為30.00 mm， 厚度約為0.15 mm)，將其浸泡在100 mL、 pH=7.4的PBS溶液中，于37 ℃條件下分別進(jìn)行4、 8、 12、 16、 20、 24、28 d的體外降解，并計(jì)算出失重率：

式中：W0——試樣的初始質(zhì)量；

Wt——試樣在PBS溶液中降解處理后的質(zhì)量。

3.4.2 體外降解后掃描電鏡測試

為更直觀地觀察POC/PLA生物醫(yī)用材料經(jīng)體外降解后的纖維形態(tài)，分別取不同混合比例的經(jīng)體外降解后的POC/PLA生物醫(yī)用材料樣品表面噴金，采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察其表面形態(tài)，得到樣品的掃描電鏡照片。

3.5 拉伸力學(xué)性能

為評價(jià)POC/PLA生物醫(yī)用材料的拉伸力學(xué)性能，采用XQ-1C型高強(qiáng)高模纖維強(qiáng)力儀測定其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率。將不同混合比例的POC/PLA生物醫(yī)用材料裁剪成長方形試樣(長×寬為50.00 mm× 3.00 mm，厚度約為0.15 mm)，每組5個(gè)試樣，拉伸速度為40 mm/min，得到POC/PLA生物醫(yī)用材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算出其彈性模量。

4 結(jié)果與討論

4.1 表面形貌

不同混合比例的POC/PLA生物醫(yī)用材料的SEM照片如圖2所示：純紡PLA納米纖維的直徑為(885±136) nm，POC/PLA(10/90)納米纖維的直徑為(768±120) nm，POC/PLA(25/75)納米纖維的直徑為(716±122) nm，POC/PLA(40/60)納米纖維的直徑為(592±98) nm。顯然，隨著混紡納米纖維膜中POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維的直徑在逐漸減小。ZHANG等[15]將聚左旋乳酸(PLLA)與聚右旋乳酸(PDLA)進(jìn)行共混電紡，得到的納米纖維的直徑為(529±104) nm，而純紡PLLA納米纖維的直徑為(761±262) nm，說明混紡會(huì)使納米纖維的直徑減小。本課題得出的結(jié)論與其是一致的。

(a) 純紡PLA

(b) POC/PLA(10/90)

(c) POC/PLA(25/75)

(d) POC/PLA(40/60)

4.2 紅外光譜

圖3 不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料及POC的紅外光譜

由圖3還可以明顯看出：隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氫鍵締合羥基的伸縮振動(dòng)峰波數(shù)逐漸減小，并靠近POC中氫鍵締合羥基的伸縮振動(dòng)峰的波數(shù)，但其強(qiáng)度則逐漸增大，這表明POC/PLA生物醫(yī)用材料中增加了羥基，而羥基的含量將影響POC/PLA生物醫(yī)用材料的親水性能；而酯羰基的伸縮振動(dòng)峰波數(shù)和強(qiáng)度并沒有隨POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而發(fā)生比較明顯的變化，因?yàn)镻LA與POC都是酯聚合物。

4.3 親水性能

材料的親水性能通常用接觸角來表征。當(dāng)材料的接觸角處在0.0～90.0°時(shí)，則說明該材料的親水性能較好；當(dāng)材料的接觸角處在90.0°～180.0° 時(shí)，則認(rèn)為該材料的親水性能較差。表3歸納了不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料的接觸角測試結(jié)果。

表3 不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料的接觸角

由表3可以看出：純紡PLA的接觸角為140.1°，顯然其親水性能較差；隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%、 25%、 40%，接觸角依次變?yōu)?31.2°、 61.4°、 43.2°，由此可以推斷POC/PLA生物醫(yī)用材料的親水性能隨著POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而得到了突破性的改善。

4.4 體外降解性能

4.4.1 失重率

不同混合比例的POC/PLA生物醫(yī)用材料的失重率曲線如圖4所示。

圖4 不同混合比例POC/PLA靜電紡絲生物醫(yī)用材料的失重率曲線

由圖4可以明顯看出：在相同的降解時(shí)間內(nèi)，隨著POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，POC/PLA生物醫(yī)用材料的失重率明顯增大。在37 ℃、 pH=7.4的PBS溶液中降解處理28 d后，純紡PLA的失重率為11.62%；隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%、 25%、 40%，其失重率依次為17.50%、 23.42%、 28.34%。這是因?yàn)榻到馑俾手饕懿牧系幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)和親水性能的影響，而失重率越大則降解速率越快。PLA與POC在PBS溶液中的主要降解方式為水解，且部分水解產(chǎn)物可在短時(shí)間內(nèi)溶于水，因此，隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其親水性能逐漸增強(qiáng)，相同的時(shí)間內(nèi)失重率加大，降解速率加快。

4.4.2 體外降解后掃描電鏡

圖5為不同混合比例的POC/PLA生物醫(yī)用材料在PBS溶液中體外降解4 d后的掃描電鏡照片，結(jié)合圖4的失重率曲線可知：由于PLA的疏水性，PLA在PBS溶液中的降解非常緩慢；隨著POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，POC/PLA生物醫(yī)用材料的親水性能逐漸得到改善，因此其降解速率也逐漸加快，其中當(dāng)POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至40%時(shí)，其降解速率最快、降解效果最明顯，圖5(d)中箭頭所指處即為交織點(diǎn)處的降解。

(a) 純紡PLA

(b) POC/PLA(10/90)

(c) POC/PLA(25/75)

(d) POC/PLA(40/60)

4.5 拉伸力學(xué)性能

不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可得到POC/PLA生物醫(yī)用材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量，分別列于表4中。

圖6 不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 不同混合比例POC/PLA生物醫(yī)用材料的拉伸力學(xué)性能

從表4可以看出：未添加POC的純紡PLA納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量分別為(1.65±0.10)MPa、(83.3±3.5)%及(0.31±0.10)MPa。當(dāng)POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%時(shí)，POC/PLA生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能發(fā)生了突破性的變化，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量分別達(dá)到(4.12±0.13)MPa、(147.5±5.1)%和(0.81±0.15)MPa。這主要是因?yàn)樵诩兗廝LA納米纖維膜中，纖維之間是彼此分離，沒有黏結(jié)在一起的，故整體結(jié)構(gòu)受力時(shí)纖維易產(chǎn)生滑移，純紡PLA納米纖維膜斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率及彈性模量相對而言比較小。當(dāng)在PLA中加入POC混紡以后，由于POC具有良好的黏彈性，其會(huì)使彼此分離的纖維通過黏結(jié)點(diǎn)互相交叉黏結(jié)，從而使納米纖維膜的力學(xué)性能發(fā)生突破性的變化，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率及彈性模量都得到顯著增強(qiáng)。隨著POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，POC/PLA生物醫(yī)用材料的斷裂強(qiáng)度和彈性模量繼續(xù)減小，斷裂強(qiáng)度從(4.12±0.13)MPa減小到(2.70±0.10)MPa、彈性模量從(0.81±0.15)MPa減小到(0.60±0.10)MPa，但斷裂伸長率先增大后減小，在POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)達(dá)到最大值(199.9±5.6)%。這主要是因?yàn)樵趯OC/PLA生物醫(yī)用材料進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，在拉伸初始階段，PLA納米纖維主要承擔(dān)著拉伸作用；隨著拉伸的繼續(xù)，無規(guī)排列的PLA納米纖維被逐漸拉直、繃緊并達(dá)到拉伸的屈服點(diǎn)；待POC/PLA生物醫(yī)用材料拉伸曲線過屈服點(diǎn)后，繼續(xù)拉伸則PLA與POC將共同承擔(dān)拉伸作用，直至POC/PLA生物醫(yī)用材料被拉伸斷裂。因此，隨著POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，POC/PLA生物醫(yī)用材料的斷裂強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小。而由于POC具有良好的黏彈性，故POC/PLA生物醫(yī)用材料的斷裂伸長率逐漸增大，并在POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加至40%時(shí)，PLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相應(yīng)減少至60%，但因整個(gè)POC/PLA生物醫(yī)用材料的拉伸過程中PLA始終承擔(dān)著主體作用，因此當(dāng)PLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到一定程度即60%時(shí)，POC/PLA生物醫(yī)用材料的斷裂伸長率也相應(yīng)降至(136.5±4.2)%，但仍高于純紡PLA納米纖維膜。

5 結(jié)論

(1) 利用1, 8-辛二醇與檸檬酸合成了具有生物降解性能的POC彈性材料，并與PLA以一定的質(zhì)量比混合溶解于六氟異丙醇當(dāng)中，得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，最后利用靜電紡絲法在自制的靜電紡絲裝置上成功制備POC/PLA生物醫(yī)用材料。

(2) 隨著POC/PLA生物醫(yī)用材料中POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，靜電紡納米纖維的直徑逐漸減小，親水性逐漸增加，降解速率加快；且POC/PLA生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能發(fā)生了突破性的變化，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量都得到了顯著改善。

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Study on the preparation and properties of POC/PLA biomedical materials

ZouFangdong1,SunXiaoxia2,WangXinhou1, 2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education， Donghua University, Shanghai 201620, China

Poly (1, 8-octanediol-co-citric acid) (POC)/ polylactic acid (PLA) biomedical materials were prepared by the electrospinning method on self-made devices, and their surface appearance, infrared spectra characteristics, hydrophilicity, in-vitro degradation and tensile mechanical properties were studied. The results showed that, with the addition of the mass fraction of POC, nanofibers’ diameter gradually reduced, hydrophilicity gradually increased and degradation rate accelerated; and the tensile mechanical properties of POC/PLA biomedical materials achieved a great breakthrough, and their breaking strength, breaking elongation and elastic modulus were improved significantly.

POC, PLA, electrospinning, biomedical material, surface appearance, infrared spectra characteristic, hydrophilicity, in vitro degradation, tensile mechanical property

2016-10-10

鄒方東，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧徔椆こ?/p>

王新厚，E-mail：xhwang@dhu.edu.cn

TS176.+9

A

1004-7093(2017)03-0015-07