PDMS-BG-TiO2 有机无机生物杂化材料的制备和性能研究*

陈 茎，薛 敏，李学坤，石 奇，李蓓蓓

（西安文理学院，陕西 西安 710065）

骨骼是人体的支架，担负着支持、维护、承重、造血、贮钙和代谢等功能，并且拥有很强的再生及自我修复本领，但没法修复由于创伤、传染、天生发育不良等种种缘由导致的大面积骨缺损和因为人均寿命增长而导致的骨质松散，因而常常需要采取外科手术进行骨移植的医治[1-3]。目前，人工合成的骨移植物如羟基磷灰石、生物玻璃磷酸三钙等已应用于临床，但这类材料质脆、体内降解速率难以控制且临床医生不易将它们切割成一定的形状[4,5]。因此，需要开发类似于人体骨骼的高生物活性的新型骨替代或骨修复材料。

近些年来，一种新型有机改性的硅酸盐陶瓷材料越来越引起人们的注意，这种材料是采用化学方法将有机高分子与无机硅酸盐经过化学反应以分子水平贯穿于无机物的网络结构中，形成了一种有机无机杂化生物活性材料体系，这种材料兼具有机无机两种材料的优点，即具有无机材料较好的生物活性和有机材料柔韧性高等优点[6-9]。Tsuru 等通过实验发现，将二价钙盐加入这种杂化材料体系中，再将制备的材料置入一种模拟人体体液的溶液中培养一段时间，发现材料表面将会形成类似骨组织的羟基磷灰石结构，骨组织就是通过这层矿物质与材料紧密结合起来[10,11]。实验发现Ti-OH 或者Si-OH 功能基团会促进有机无机杂化材料表面羟基磷灰石形成，陈奇等将钛掺入到生物活性玻璃中用于提高材料的力学性能，同时发现钛的加入还会影响杂化材料的表面形貌[12-16]。本课题组采用溶胶凝胶法已经成功制备了基于PDMS-BG 系列有机无机生物杂化材料[17,18]，但是制备的PDMS-BG 有机无机杂化生物材料具有制备周期长和容易破裂的缺点，为了进一步提高杂化材料的成型能力、生物活性和机械性能，本实验将研究加入不同含量的异丙醇钛对试样成型能力和生物活性的影响，制备具有不同形状、高生物活性的有机无机杂化生物块体材料，将来可能用作一种新型骨修复材料或用于医药载体材料。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

正硅酸乙酯（TEOS,Si（OC2H5）4））、Ca（NO3）2·4H2O、HCl（37%）、异丙醇钛（TiPT，Ti（OCH（CH3）2）4）、溶剂异丙醇、THF 和其他试剂均为分析纯，科密欧化学试剂公司；羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS，HO[-Si（CH3）2O-]nH,Mn=1100，AR 上海阿拉丁试剂有限公司）。

采用德国Bruker OPUS 80V 型傅里叶红外光谱仪（FT-IR）测试在SBF 中培养前后样品的组成和结构；采用日本（JEOL）生产的S-4800 型场发射扫描电镜（FE-SEM）表征培养前后样品的表面形貌，并用能谱仪表征在SBF 培养前后样品表面的Ca、P、Si和C 的含量；实验中的XRD 图谱用日本（Rigaku）生产型号为D/max-2400X 射线仪来进行测定。

1.2 试样的制备

1.2.1 PDMS-BG-TiO2有机无机杂化材料的制备 将一定量的正硅酸乙酯加入异丙醇和THF 的共混溶剂中，充分搅拌15min。15min 后，滴加适量的HCl进行催化反应。反应2h 后，滴加一定量的聚二甲基硅氧烷搅拌15h 后制备成溶液1（待用）。然后称取一定量的Ca（NO3）2，加入水和异丙醇使其充分溶解。将此溶液滴入制备好的溶液1 中，充分搅拌1h。反应1h 后，分别按照正硅酸乙酯∶异丙醇钛=6∶1、9∶1、12∶1、15∶1 的量滴加异丙醇钛，并充分搅拌15h 获得透明溶胶。将获得的溶胶倒入玻璃培养皿中用保鲜膜密封3 层，放入烘箱60℃下烘干，烘干即得到无裂缝的PDMS-BG-TiO2块体材料。

1.2.2 体外生物活性培养 生物活性材料植入人体内后，材料表面通过形成生态碳酸羟基磷灰石（HCA）与骨组织产生化学键合，实现生物材料的活性固定。为了检测所制备生物活性玻璃产品的生物学性能，选择一种离子浓度和人体血浆相似的模拟体液（Simulated body fluid，简称SBF）来研究制备产品的生物活性。SBF 模拟体液是模拟人体血浆离子浓度的水溶液，是由各类无机盐溶于水配制而成的。其离子的浓度和人体血浆中各离子的离子浓度相似，平常用于体外模拟实验，见表1[10]。

表1 模拟体液及人体血浆的离子浓度（mM）Tab.1 Simulated body fluid and human plasma ion concentration

2 结果与讨论

由溶胶凝胶法可制备图1 所示的无裂缝的PDMS-BG-TiO2块体材料。溶胶凝胶法的最大特点是制备周期较长，材料在烘干过程中容易破裂，因此，合理控制烘干温度是制备完整材料的必要条件之一，将样品置于60℃的烘箱干燥制得不同形状的块体材料，见图1。

图1 PDMS-BG-TiO2 块体材料Fig.1 Scheme and photos of the flexible PDMS-BG-TiO2 hybrid bioceramic

由图1 可知，由于加入了异丙醇钛可使制备周期由14d 缩短至5d。其中，圆柱状材料在烘干期间呈现透明状，但材料性能不稳定，部分试样容易断裂，可能是受热不均造成的。圆片状材料可能由于与空气接触面积大，受热比较均匀，得到的材料性能稳定，几乎未出现破裂现象。

2.1 不同含量异丙醇钛对溶胶-凝胶的影响

用不同配比的正硅酸乙酯/异丙醇钛（摩尔比）进行实验，并对其分析。结果见表2。

表2 不同比例的正硅酸乙酯与异丙醇钛对溶胶成型的影响Tab.2 Influence of different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide on sol forming

由表2 可知，不同含量的异丙醇钛对凝胶的影响程度不同。当正硅酸乙酯与异丙醇钛的比例越来越大时，热处理后可得到无裂缝的块体材料，实验发现正硅酸乙酯与异丙醇钛为12∶1 时，容易制备无破裂的块体材料，这可能是因为形成部分较强的Si-O-Ti 交联键，使得制备的三维网络结构凝胶更加稳定不容易发生破裂。

2.2 PDMS-BG-TiO2 块体材料表面形貌和结构的表征

图2 为有机无机杂化块体材料PDMS-BG-TiO2试样（12∶1）的FTIR 谱图。

图2 PDMS-BG-TiO2 块体材料的FTIRFig.2 FTIR of PDMS-BG-TiO2 hybrids sample (12∶1)biomineralization capability before soaking in SBF

由图2 可知，800 和850cm-1红外吸附带分别属于Si-C、Si-OH 对称弯曲振动模型，1080cm-1属于Si-O-Si 非对称振动伸缩模型。900cm-1左右的吸收峰是由Si-O-Ti 对称弯曲振动模型。1260 和1390cm-1分别属于Si-CH3和C-H 对称弯曲振动模型。

由图3 试样的X-射线衍射图谱可知，块体材料是较为典型的生物活性玻璃的无定形结构，所有不同含量异丙醇钛水解后生成的TiO2并没有明显的晶相峰出现，可能是SiO2抑制了TiO2的晶型转变[19]。

图3 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2块体材料的XRD 图Fig.3 XRD patterns of the hybrid bioceramics before soaking in SBF，the different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide

图4（A～D）是PDMS-BG-TiO2块体材料在含有不同比例时的表面形貌，所有材料的表面形貌未见明显区别，表面比较光滑，正硅酸乙酯与TiO2比例为12∶1 时表面最为光滑平整。图4（E）是PDMSBG-TiO2块体材料（12∶1）的EDS 图，材料表面主要是Si 和O 元素以及少量的Ti 和Ca 元素。

图4 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 块体材料的SEM 图及EDS 图Fig.4 SEM imagines of the PDMS-BG-TiO2 hybrid bioceramic surfaces before soaking in SBF and EDS

2.3 PDMS-BG-TiO2 块体材料体外生物活性的研究

为了测定有机-无机改性的块体材料形成类骨羟基磷灰石的生物活性，将材料置入模拟体液SBF培养3d 后，分别检测其体外羟基磷灰石的形成能力。图5（A～D）显示了不同配比（6∶1、9∶1、12∶1、15∶1）TiO2的试样在模拟体液（SBF 溶液）中培养3d 后的表面形貌。

图5 含有不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 块体材料在模拟体液3d 的SEM 图的EDS 图谱Fig.5 SEM images of the hybrid bioceramic surfaces after soaking in SBF for 3 days and EDS

从图5 中可以看出，与培养前的表面形态相比（图4A～D），所有样品表面在与SBF 溶液反应后均发生了较为明显的变化，有大量的沉积物出现，并且在配比为12∶1 时的材料表面沉积的颗粒最多。通过后面的XRD、FTIR 光谱以及EDS 图谱分析这些生成的球状和片状的颗粒可确认为羟基磷灰石颗粒。图5C 样品（即12∶1）表面形成的羟基磷灰石是最多的，这是因为钛羟团Ti-OH 和硅羟团Si-OH 都有利于羟基磷灰石的形成，当异丙醇钛和聚二甲基硅氧烷发生水解、缩合反应形成三维网络结构后，材料表面存在很多的硅羟团和钛羟团，增加了材料的生物活性。但随着钛含量的增加，使得材料的致密程度增加，材料中的孔结构和比表面积反而减少，降低了生物活性，因此，试样12∶1 形成羟基磷灰石的能力要比9∶1 的稍强[18]。图5（E）是PDMS-BG-TiO2块体材料试样（12∶1）的EDS 图谱，材料表面出现较多的Ca元素和P 元素（相比于图4）。

为了确定PDMS-BG-TiO2块体材料的表面磷灰石层的结构与物相组成，对试样与SBF 溶液反应后进行了XRD 分析，见图6。

图6 不同含量TiO2 的PDMS-BG-TiO2 块体材料在模拟体液3d 的XRD 图Fig.6 Patterns of the hybrid bioceramics after soaking in SBF for 3 days：pure PDMS-BG and the different ratios of ethyl orthosilicate and titanium dioxide

在SBF 溶液中反应3d 后，所有配比下处理的试样，其XRD 图谱发生了较大的变化，即出现了特征衍射峰，将这些特征峰与标准的PDF 卡片进行对比发现，对应于晶体的羟基磷灰石衍射峰（JCPDS-09-0432），图谱中2θ=26°、31°、49°分别对应羟基磷灰石的（002）、（211）、（213）衍射晶面[17]。其中配比为12∶1 和15∶1 在31°和42°时出现的峰都较为明显。

图7 为PDMS-BG-TiO2试样（12∶1）在体液培养3d 后的FTIR 图谱。

图7 PDMS-BG-TiO2 块体材料试样（12∶1）在SBF 体液培养3d 的FTIR 图Fig.7 FTIR of PDMS-BG-TiO2 hybrids sample (12∶1)biomineralization capability after soaking in SBF for 3d

由图7 可以看出，通过与反应前的红外光谱相比较，在SBF 中反应3d 后，试样在562 和603cm-1处出现了新的双肩峰吸收带（和图2 对照），这两个吸收带和晶型磷灰石中的P-O 弯曲振动相对应；1400 和1480cm-1出现了微弱的吸收峰，由此可以说明，与SBF 反应3d 以后，试样表面形成了碳酸羟基磷灰石，说明了杂化材料具有良好的体外磷灰石形成能力，并且配比为12∶1 的样品具有更快速且更强的磷灰石形成能力。

结合XRD、FTIR 和SEM 图谱可以得出，有机无机杂化材料PDMS-BG-TiO2具有较好的生物活性，即表面易生成羟基磷灰石[20-23]。生物材料是否具有较好的生物活性是由材料在模拟体液中能否形成足量的Si-OH 基团和Ti-OH 基团决定的，随着材料表面的Si-OH 基团和Ti-OH 基团增加，产生羟基磷灰石的成核位的数量也在增加。根据前面的XRD 图谱以及FTIR 光谱，含量配比（异丙醇钛∶正硅酸乙酯）为6∶1、9∶1、12∶1、15∶1 的杂化材料均具有形成磷灰石的能力，并且配比为12∶1 的杂化材料具有更强的磷灰石形成能力。

3 结论

由溶胶-凝胶法成功制备了PDMS-BG-TiO2有机无机杂化材料，研究了不同含量异丙醇钛影响凝胶制备成型能力和生物活性性能。结果显示，不同比例（6∶1、9∶1、12∶1、15∶1）的正硅酸乙酯和异丙醇钛制得PDMS-BG-TiO2杂化材料，在SBF 溶液中培养3d 后，通过SEM 图可以看出，培养后的所有材料表面都生成羟基磷灰石层。结合FTIR 和XRD 图谱可以确定培养后的PDMS-BG-TiO2有机无机杂化材料都具有活性，并且正硅酸乙酯和异丙醇钛之比为12∶1 时，所制的杂化材料成型能力和生物活性性能较好。制备的PDMS-BG-TiO2有机无机杂化材料可能会成为一种新型的骨修复或骨替代材料，亦或药物载体材料。