羟基磷灰石对PLGA力学性能和降解性能的影响

赵　娜，查汪艺,2，马志刚，于佳禾，胡　生

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003；2美的集团武汉制冷设备有限公司,湖北 武汉 430056)



羟基磷灰石对PLGA力学性能和降解性能的影响

赵娜1，查汪艺1,2，马志刚1，于佳禾1，胡生1

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003；2美的集团武汉制冷设备有限公司,湖北 武汉 430056)

摘要：将自制的羟基磷灰石(HA)加入到聚乳酸乙醇酸无规共聚物(PLGA)中，采用干混热压的方法制备了不同比例的HA/PLGA复合材料，并用扫描电镜进行了表征，研究了复合材料的力学性能和降解性能。力学性能研究表明， HA含量为5 wt%时HA/PLGA复合材料拉伸强度最大，较纯PLGA稍有提高；降解实验结果表明，HA的加入使复合材料的失重加剧，加快了PLGA的降解；HA的加入可以提高降解液的pH值，有利于减缓由于酸性降解产物引起的无菌性炎症的发生。

关键词：羟基磷灰石；PLGA；复合材料；降解性能

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA)的化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，其中Ca/P的物质的量之比理论值为1.67。每个单位晶胞含有10个[Ca]2+、6个[PO4]3-和2个[OH]-，形成四面体网络结构，这使得HA结构具有较好的稳定性[1]。HA是人体和脊椎动物骨组织的主要无机组成成分，占人体骨组织的69%以上。人工合成的HA由于其结构、性能和天然的HA很相似，并具有良好的成骨活性和生物相容性，能与人体细胞和骨胶原紧密结合，诱导骨细胞生长和分裂，因此，HA被视为连接人体软组织和硬组织的关键物质，被广泛应用于骨损伤修复。但是，由于HA在组织工程应用中表现出脆性大、易碎、韧性差且不易加工成型等缺陷，限制了其在承力部位的应用[2]。

聚乳酸乙醇酸共聚物(PLGA)是一种生物可降解材料，无毒,可灭菌,具有较好的生物降解性能、生物相容性、生物可吸收性、机械强度、弹性模量和热成型性[3]。PLGA的降解产物乳酸(LA)和乙醇酸(GA)可参与人体的新陈代谢，最终形成水和二氧化碳被排出体外。目前PLGA已被美国FDA批准为可用于人体的药用辅料和医用可降解材料，在生物医学方面起着举足轻重的作用[4]。

如果将HA和PLGA进行复合，将得到一种性能优越的复合材料。韧性较好的高分子材料PLGA将脆性较大的HA包裹起来，克服了HA脆性大、韧性差和不易加工成型等缺陷，而HA较硬，在复合材料中将起到支撑作用，有利于复合材料的强度提高；HA呈弱碱性，可以中和PLGA降解过程中产生的酸性降解产物乳酸和乙醇酸，避免降解介质pH值过快下降，可能对PLGA在体内应用时引起的无菌性炎症有一定缓解作用[5]；同时，HA是人体和脊椎动物骨组织的主要无机组成成分，将HA引入PLGA将有助于提高PLGA的成骨能力和生物相容性，能够将两组分各自所具有的生物可降解性和骨传导性能有机地结合起来，HA还可为骨缺损部分提供优质钙、磷来源[6]。

本研究拟制备一系列HA/PLGA复合材料，并详细研究他们的力学性能和降解性能，以揭示HA对PLGA性能的影响。

1实验部分

1.1原料及仪器

四水硝酸钙(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；磷酸氢二铵(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；PLGA(η=2.3 mPa·s, LA和GA的摩尔比为75∶25)。

扫描电子显微镜(S-3400N，日本日立公司);微机控制电子万能试验机(CMT413，深圳市新三思材料检测有限公司);箱式电炉(SX2，上海申光仪器仪表有限公司);傅里叶变换红外光谱仪(Tensor 27，德国Bruker公司);精密pH计(PHS-W，上海般特仪器有限公司);平板硫化机(XLB-D，扬州市天发试验机械有限公司)。

1.2HA的合成

HA的合成选择沉淀法，参照文献[7]进行。使用傅里叶变换红外光谱仪，采用KBr压片对产品进行分析。

1.3HA/PLGA复合材料的制备

用电子天平称取一定质量的HA和PLGA，将二者混合均匀。用此方法制备一系列HA/PLGA混合物，其中HA含量分别为5 wt%,10 wt%,15 wt%,20 wt%与PLGA混合均匀。将混合均匀的样品倒入模具中，在温度为160 ℃、压力为12 MPa时用平板硫化机热压10 min，取出，待样品冷却得到片状复合材料。

用扫描电子显微镜对5 wt%HA/PLGA复合材料样品淬断面进行形貌分析。

将不同HA含量的片状复合材料样品分别切成样条若干，然后在常温下用电子万能力学试验机对样条进行拉伸测试，拉伸速率为2 mm/min。

1.4HA/PLGA复合材料的降解实验

将HA含量为5wt%的HA/PLGA复合材料和纯PLGA材料制成样条若干，用分析天平称量每片样条的原始质量W，每3片一组，置于pH=7.40的磷酸盐缓冲溶液中，共分12组，在恒温培养箱中70 ℃下进行降解，每隔24 h取出一组样品，用pH计测试磷酸盐缓冲溶液的pH值。

降解后的样条用滤纸吸干表面的水，用分析天平称其质量，记为W1，后放入恒温干燥箱中干燥24 h，取出称其质量，记为W0。

材料的失重率=(W-W0)/W×100%。

材料的吸水率=(W1-W0)/W0×100%。

2结果与讨论

2.1合成羟基磷灰石的红外光谱分析

图1　羟基磷灰石的红外光谱图

2.2HA/PLGA复合材料的微观形貌分析

选择复合材料中力学性能最好的5wt%HA/PLGA复合材料进行微观形貌分析。5 wt%HA/PLGA复合材料淬断面不同放大倍数的扫描电镜图见图2。

图2　5 wt%HA/PLGA复合材料的扫描电镜图

由图2可知，HA颗粒在PLGA基体中分散均匀，HA未出现团聚现象；但可清晰看出，HA颗粒与PLGA基体之间有较为明显的空隙，说明无机物HA与有机物PLGA之间的相容性较差，结合能力较差，使得HA与PLGA两相之间存在较多缺陷，从下文拉伸强度的数据可以看出，这些缺陷将导致复合材料强度的下降和断裂伸长率的减小。

2.3复合材料力学性能分析

不同含量的HA/PLGA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率变化分别如图3、图4所示。

图3　不同含量HA/PLGA复合材料的拉伸强度

由图3可知，纯PLGA具有较大的拉伸强度，达到了36.85 MPa。随着HA的添加，HA含量为5 wt%时，HA/PLGA复合材料的拉伸强度达到了最高，为37.79 MPa，稍微高于纯PLGA材料；随后HA/PLGA复合材料的拉伸强度不断降低，当HA含量为20 wt%时，复合材料的强度仅为10.99 MPa。

HA/PLGA复合材料的断裂伸长率曲线与拉伸强度曲线形状非常相似(见图4)。当HA含量为5 wt%时，复合材料的断裂伸长率达到最大，为2.47%。随着HA含量的增加，复合材料的断裂伸长率逐渐减小，HA含量为20 wt%时，复合材料的断裂伸长率仅为0.47%。

图4　不同含量HA/PLGA复合材料的断裂伸长率

由此可见，少量HA对复合材料的拉伸性能无太大影响，但HA含量超过一定值时，复合材料变脆。这主要是由于HA与PLGA之间的相容性较差，两相之间存在缺陷，相界面之间缺乏较稳定的相互作用力，材料受力时，缺陷部位产生应力集中，使得复合材料界面脆弱，更易发生断裂。HA含量增加，缺陷增多，相界面增多，从而导致断裂伸长率不断下降。

2.4复合材料降解性能考察

选择PLGA和5 wt%的HA/PLGA复合材料在70 ℃温度下进行降解实验，系统考察降解后降解液的pH变化、材料的吸水率和失重率的变化。

降解过程中降解液pH值的变化如图5所示。由图5可知，纯PLGA的降解液pH值变化曲线与HA/PLGA复合材料的降解液pH值变化曲线形状较相似。纯PLGA的降解液pH值在1～4 d变化不大，5～12 d后pH值下降比较显著。复合材料的降解液pH值在1～5 d变化不大，6～12 d后pH明显开始下降。但是复合材料的降解液的pH值在考察范围内始终高于纯PLGA的降解液的pH值，说明HA的加入可以减缓pH值的快速下降。

图5　降解过程中降解液pH值的变化

PLGA降解后的产物为乳酸和乙醇酸，均呈酸性，随着降解时间的延长，更多的降解产物溶解进入降解液，使降解液的pH值不断下降。而复合材料中由于HA的加入，降解过程中中和了一定量的酸性降解产物，因而提高了降解液的pH值。

PLGA和5 wt%的HA/PLGA复合材料降解后的失重率变化如图6所示。由图6可知，纯PLGA在5 d内的失重率变化不明显，从第6 d开始，失重率进入加速增加阶段。HA/PLGA复合材料前5 d的失重率维持在2%左右，明显高于纯PLGA。同样从第6 d开始，失重率进入加速增加阶段。但是复合材料的失重率始终高于PLGA，说明HA的加入加快了复合材料的重量损失速度。

这主要是由于复合材料中存在缺陷，使得降解液的渗入更加容易，导致复合材料的降解在表面和内部同时进行，降解加快。当降解时间很长以后，降解产物分子量已很小，当小到可溶于水时，样品就会出现质量的降低，降解时间越长，低分子量的降解产物含量越大，样品剩余质量越小，使得复合材料的失重率逐渐增加。

图6　降解过程中材料的失重率变化

PLGA和5wt%的HA/PLGA复合材料降解后的吸水率变化如图7所示。由于降解时间的增加，样条降解程度加深，断裂甚至碎成颗粒状，导致无法测试吸水后样品的质量，使得吸水率的数据从第7 d开始不完整。

由图7可知，纯PLGA在1～4 d的吸水率变化不大，从第5 d开始材料的吸水率加速增加。而HA/PLGA复合材料第1 d的吸水率就达到纯PLGA的3倍之多。由此可见，HA的加入导致了HA/PLGA复合材料吸水率的增加。

图7　降解过程中材料的吸水率变化

原因一方面是由于HA和PLGA两相界面之间存在空隙，水分子进入空隙，导致了复合材料吸水严重；另一方面是因为PLGA降解后，降解产物分子链末端为羧基和羟基，都是亲水性基团，降解时间越长，降解产物的羧基和羟基含量也越高，因而吸水率增加。

3结论

本研究用化学沉淀法合成了HA。

采用干混、热压的方法制备了HA/PLGA复合材料，在扫描电子显微镜下对复合材料的形貌进行了分析并对复合材料进行了力学性能和降解性能测试。

经过对复合材料的形貌分析，发现HA颗粒在PLGA基体中分散均匀，无团聚现象。但是，HA颗粒与PLGA基体之间相容性较差，HA与PLGA两相之间出现了清晰可见的缺陷。

力学性能测试的结果表明，PLGA材料力学性能较好，加入5 wt%的HA后，复合材料的力学性能稍微变化，拉伸强度为37.79 MPa，断裂伸长率为2.47%。随着更大量HA的加入，复合材料的拉伸强度逐渐下降，表现出越来越差的力学性能。因此，如何提高HA与PLGA基体界面的结合力是制备高强度HA/PLGA复合材料的关键。

通过对比纯PLGA和HA/PLGA复合材料的降解液pH值的变化看出，HA的加入可以提高降解液的pH值。这是由于HA呈碱性，中和了部分PLGA的降解产物乳酸和乙醇酸，使得降解液pH下降较小，这将有助于减缓由于酸性降解产物引起的无菌性炎症的发生。

由降解实验可以看出HA的加入能够加快HA/PLGA复合材料的体外降解。

总之，大多数HA含量的HA/PLGA复合材料的强度降低，但是HA的加入可以减缓降解液pH值的快速下降，加快PLGA的降解，有利于PLGA在临床应用方面发挥更大的作用。

参 考 文 献

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[3]郑磊,王前,裴国献.可降解聚合物在骨组织工程中的应用进展[J].中国修复重建外科杂志.2000,14(3):200-203.

[4]Peppas NA,Huang Y,Torres-Lugo M,et al.Physicochemical,foundations and structural design of hydrogels in medicine and biology[J].Annual Review of Biomedical Engineering,2000,2(1):9-29.

[5]蒋立新,蒋柳云,马驰,等.新型改性的n-HA与PLGA复合材料的制备及性能研究[J].无机材料学报,2013,28(7):751-756.

[6]陈佑宁,杨小玲,曹蕾,等.聚乳酸/羟基磷灰石复合材料的制备及其性能研究[J].应用化工,2015,44(2):277-280.

[7]门智新,孙奉娄,何翔.沉淀法制备羟基磷灰石反应条件控制研究[J].无机盐工业,2011,43(1):27-29.

(责任编辑吴鸿霞)

收稿日期：2016-03-30

基金项目：湖北省自然科学基金项目面上项目(项目编号：2012FFC020)；湖北理工学院校级科学研究项目(项目编号：11yjz03R)。

作者简介：赵娜，讲师，博士，研究方向：生物可降解医用高分子材料。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.005

中图分类号：O631.2+2

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)03-0022-04

Effect of HA on Mechanical and Degradation Properties of PLGA

Zhao Na1,Zha Wangyi1,2,Ma Zhigang1,Yu Jiahe1,Hu Sheng1

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Wuhan Refrigeration Equipment Co.Ltd.,Midea Group,Wuhan Hubei 430056)

Abstract：Hydroxyapatite (HA) was introduced into Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) to prepare a series of HA/PLGA composites by the method of dry mixing and hot pressing.The mechanical properties and degradation properties of HA/PLGA composites were studied,and the micromorphologies were characterized by SEM.The results indicated that the tensile strength of HA/PLGA composites were the maximum when HA were 5wt%,higher than pure PLGA.The results of degradation properties indicated that HA/PLGA composites degraded more quickly than pure PLGA.Furthermore,pH value changes indicated that additive HA could neutralize acidic degradation products,which may be a solution to the bacteria-free inflammation induced by the acidic products.

Key words：hydroxyapatite；PLGA；composites；properties of degradation