摩爾比對(duì)三元共聚物和GBR膜的性能影響*

劉陽，趙瑾，董浩，王憲朋，馬麗霞，朱愛臣，王傳棟，張衛(wèi)平，王勤

（山東省藥學(xué)科學(xué)院，山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250101）

1 引 言

種植牙作為牙齒缺失修復(fù)的首選方法得到越來越多的臨床應(yīng)用。然而，種植區(qū)骨量不足是種植牙失敗的主要原因，引導(dǎo)骨再生技術(shù)（guided bone regeneration，GBR）能夠有效地解決該問題。1989年Dahlin首次將GBR膜應(yīng)用于種植牙手術(shù)并獲得了較好的牙槽骨再生效果［1］。其原理是將GBR膜置于軟組織和骨缺損之間建立生物屏障，阻止牙齦結(jié)締組織細(xì)胞和上皮細(xì)胞進(jìn)入骨缺損區(qū)，允許有潛在生長(zhǎng)能力、遷移速度較慢的成骨細(xì)胞優(yōu)先進(jìn)入骨缺損區(qū)，同時(shí)保護(hù)血凝塊，減緩覆蓋組織的壓力，實(shí)現(xiàn)缺損區(qū)的骨組織修復(fù)性再生，提高種植牙修復(fù)的成功率。

可吸收性膜材料是近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，主要有天然生物材料和合成高分子材料。天然生物材料以膠原為主［2－6］，其生物相容性好、引導(dǎo)骨組織再生能力強(qiáng)，但抗張強(qiáng)度較小，應(yīng)用過程中易發(fā)生塌陷而失去空間支撐力，另外膠原存在免疫源性等潛在風(fēng)險(xiǎn)，且來源以及類型較多，引發(fā)的機(jī)體反應(yīng)也不盡相同。

聚丙交酯是一種生物可降解合成高分子材料，具有生物相容性好、機(jī)械性能強(qiáng)及易成型等優(yōu)點(diǎn)。Vernino、Magnsson等研究了該材料用于GBR膜取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［7－11］，但膜的降解時(shí)間偏長(zhǎng)、降解速度與骨組織生長(zhǎng)速率不匹配，影響了其進(jìn)一步的應(yīng)用。Robert等對(duì)不同分子量的聚丙交酯共混物進(jìn)行了研究［2］，雖然降解速率可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，但膜材料的韌性不足，而且致密膜結(jié)構(gòu)缺乏細(xì)胞識(shí)別的位點(diǎn)，因而不利于細(xì)胞粘附，對(duì)組織的引導(dǎo)再生效果不太理想。

基于上述問題，本研究在聚丙交酯中引入聚乙交酯（PGA）和聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）鏈段，形成（丙交酯－乙交酯－三亞甲基碳酸酯）三元共聚物（PLGTMC）并制備成GBR膜，用于改善材料和膜的理化性能，為后續(xù)GBR膜體內(nèi)外降解及動(dòng)物試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料和試劑

丙交酯（外消旋，DLLA）、乙交酯（GA）、三亞甲基碳酸酯（TMC）：自制，純度不低于99.5%；辛酸亞錫：純度95%，美國(guó)Sigma－Aldrich有限公司；三氯甲烷：色譜純，美國(guó)JT.Baker試劑有限公司；二氧六環(huán)、甲醇和二氯甲烷為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

2.2 共聚物的合成

準(zhǔn)確稱量不同摩爾比的三種單體，置于真空反應(yīng)瓶中，加入單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.1%的辛酸亞錫，抽真空至70 Pa后在150℃油浴中磁力攪拌反應(yīng)20 h。反應(yīng)結(jié)束后，用二氯甲烷將產(chǎn)物溶解，加入甲醇沉淀純化，將產(chǎn)物置于50℃真空干燥箱中干燥48 h，得到共聚物固體。

2.3 表征與測(cè)試

使用德國(guó)Bruker公司 Avance 400 MHz型核磁共振儀，以氘代三氯甲烷為溶劑，測(cè)定共聚物的1H－NMR；美國(guó)Waters2414型凝膠滲透色譜儀（GPC）測(cè)定共聚物的分子量（Mw）及分子量分布系數(shù)（Mw／Mn），三氯甲烷作為流動(dòng)相，聚苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn)品，測(cè)試溫度 30℃，流動(dòng)相流速 1.0 ml／min；日本島津DSC60差示掃描量熱儀測(cè)定共聚物熱性能，升溫速率10℃／min，溫度范圍－40℃～200℃；采用稱重計(jì)算法，測(cè)到GBR膜孔隙率；使用國(guó)產(chǎn)孔徑分析儀（PSDA－20），以泡點(diǎn)法測(cè)定GBR膜孔徑；日本島津AGS－H電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試共聚物和GBR膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率，速率分別為500 mm／min和50 mm／min，測(cè)試溫度25℃。

2.4 GBR膜的制備

分別稱取一定質(zhì)量的共聚物，配制成質(zhì)量比濃度20%的二氧六環(huán)和乙醇混合溶液，在水平板上涂覆成膜，并置于低溫設(shè)備中真空干燥成型，得到所需的GBR膜。

3 結(jié)果與討論

3.1 共聚物結(jié)構(gòu)表征

設(shè)計(jì)合成四種不同摩爾比的PLGTMC共聚物，圖1是其核磁氫譜圖，從圖中可以看到與聚合物質(zhì)子相對(duì)應(yīng)的特征峰。其中，1.5～1.6 ppm為聚合物中丙交酯單元的甲基質(zhì)子峰；2.0 ppm是聚合物中三亞甲基碳酸酯單元中間位置的亞甲基質(zhì)子峰，4.2～4.3 ppm是三亞甲基碳酸酯單元臨近氧原子的兩個(gè)亞甲基質(zhì)子峰；4.5～4.8 ppm是乙交酯單元的亞甲基質(zhì)子峰；4.9～5.2 ppm區(qū)域?yàn)榫酆衔锉货卧械拇渭谆|(zhì)子特征峰。

圖1 PLGTMC共聚物的核磁共振氫譜Fig 1 1 H－NMR spectra of PLGTMC terpolymers

根據(jù)各單元特征峰面積計(jì)算共聚物組成，共聚物組成與單體投料摩爾比基本一致（見表1）。此外，表1中的共聚物產(chǎn)率均在90%以上，同時(shí)具有較高的分子量，共聚物Mw達(dá)到20萬左右，且分子量分布較窄，多分散指數(shù)（Mw／Mn）均在1.5～1.7之間，說明共聚單體都參與了聚合反應(yīng)并加入到聚合物鏈中，且共聚物分子量分布較為均勻。

表1 不同摩爾比的PLGTMC共聚物Table 1 PLGTMC terpolymers w ith various feed monomer ratios

3.2 共聚物熱性能

PLGTMC的DSC曲線見圖2。樣品1～樣品4共聚物均只有一個(gè)Tg，未出現(xiàn)熔融吸熱峰，這可能是由于共聚物結(jié)晶性主要取決于含量較多DLLA或TMC鏈段，兩者均為無定形態(tài)。

隨TMC含量增加，共聚物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）逐步降低，由47.4℃降至 －13.8℃，這是因?yàn)門MC中有3個(gè)移動(dòng)性強(qiáng)的CH2基團(tuán)，使TMC分子鏈柔性較大。而隨著TMC含量的增加，共聚物鏈柔性也逐漸增大，鏈段更容易運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致共聚物的Tg逐漸下降，這也與聚合物和GBR膜的力學(xué)性能變化相吻合。

圖2 PLGTMC的DSC譜圖Fig 2 DSC spectrum of PLGTMC

3.3 共聚物結(jié)晶性能

圖3 PLLGC共聚物的XRD圖譜Fig 3 XRD patterns of PLLGC terpolymers

PLGTMC共聚物結(jié)晶性由XRD測(cè)定（見圖3），可見共聚物均呈現(xiàn)彌散性衍射峰，為無定形態(tài)聚合物，該結(jié)果與共聚物的DSC熱力學(xué)性能相一致。隨著TMC含量增大，其衍射峰位置由PDLLA的15.9°逐漸變化為 PTMC的20.9°［12］，且樣品4較樣品3峰型更為突出，有近似于結(jié)晶的趨勢(shì)，這可能是局部TMC較長(zhǎng)鏈段形成的規(guī)則排列所致。

3.4 GBR膜孔隙率及平均孔徑

GBR膜孔隙率和平均孔徑分別采用稱重計(jì)算法及泡點(diǎn)法測(cè)定。見表2，相同聚合物溶液濃度、相同制備工藝條件下，不同摩爾比共聚物制得的GBR膜平均孔徑及孔隙率基本一致。

GBR膜中的微孔是聚合物溶液中的二氧六環(huán)在低溫條件中結(jié)晶，結(jié)晶真空升華后的孔隙形成微孔。當(dāng)聚合物溶液濃度一致時(shí)，單位體積GBR膜中形成的二氧六環(huán)晶體體積也大致相同，升華后微孔的體積即GBR膜的孔隙率也基本一致；當(dāng)GBR膜制備工藝相同時(shí)，二氧六環(huán)結(jié)晶溫度、晶體生長(zhǎng)速率基本一致，形成尺寸分布也基本一致的晶體，升華后的孔隙大小即GBR膜的平均孔徑也基本一致。

經(jīng)前期試驗(yàn)優(yōu)化篩選，當(dāng)冷凍溫度為－35℃、聚合物質(zhì)量比濃度為20%時(shí)，不同摩爾比的共聚物均可得到孔隙率約為70%、平均孔徑為8～9 um的GBR膜。

表2 GBR膜的孔徑和孔隙率Table 2 The average pore diamete and porosity of the GBR membrane

3.5 共聚物和GBR膜力學(xué)性能

見表3，共聚物摩爾比顯著影響其力學(xué)性能，隨著TMC含量的增加，共聚物鏈段更容易運(yùn)動(dòng)，其拉伸強(qiáng)度迅速下降，斷裂伸長(zhǎng)率則是顯著升高，共聚物的最大拉伸強(qiáng)度可達(dá)54.9 MPa，最大斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)到將近600%。尤其是樣品3與樣品4，其Tg遠(yuǎn)低于室溫，共聚物由玻璃態(tài)變化為高彈態(tài)，兩者的斷裂伸長(zhǎng)率明顯升高，拉伸強(qiáng)度顯著降低，使其表現(xiàn)為粘性的橡膠樣行為。

表3 共聚物和GBR膜的力學(xué)性能Table 3 Themechanics properties of the copolymer and GBR membrane

GBR膜由共聚物經(jīng)低溫干燥成型制成，其內(nèi)部存在大量微孔，所以拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率均低于對(duì)應(yīng)的共聚物，但其變化規(guī)律與共聚物保持一致。

4 結(jié)論

（1）通過本體開環(huán)聚合方法，在辛酸亞錫催化下合成了DLLA／GA／TMC不同摩爾比的三元共聚物，其組成與設(shè)計(jì)相符，分子量較高，分子量分布比較均勻。

（2）相同聚合物溶液濃度、相同制備工藝條件下，不同摩爾比共聚物可以制得平均孔徑及孔隙率基本一致的GBR膜。

（3）隨TMC含量增加，三元共聚物Tg及拉伸強(qiáng)度逐漸降低，結(jié)晶性和斷裂伸長(zhǎng)率有所增加。

（4）TMC含量在25%左右時(shí)，GBR膜斷裂伸長(zhǎng)率較含量10%時(shí)增加100%，柔韌性增加的同時(shí)仍保持足夠的拉伸強(qiáng)度，有望應(yīng)用于動(dòng)物及臨床試驗(yàn)。