纳米La2O3/TPU复合弹性体的制备及生物性能

王 帅，钱洪祥，高 晶，王 宇，贾润萍

（1.上海应用技术大学材料科学与工程学院,上海 201418；2.上海汇得科技股份有限公司,上海 201512；3.上海宇昂新材料科技有限公司,上海 201318）

纳米稀土化合物具有较大的比表面积，容易发生化学反应使其应用范围越来越广泛。稀土化合物特别是轻稀土无毒环保、具有一定抗菌性能，并且一般只需少量即可发挥很强的功效，此外由于其特殊的电子结构，稀土还具有优异的热稳定性，稀土的这些性质为使用稀土化合物改性聚氨酯弹性体提供了理论依据[1]。

纳米La2O3可以用来处理汽车废气、强化材料，也可以用来改性高分子材料[2]。用来制备纳米La2O3的一般有溶胶凝胶[3]、均匀沉淀[4]、水热法等[5]。Ambuken等[6]采用水解搭配热处理的方式制备出纳米La2O3，在制备过程中以反应温度和反应浓度的影响最为显著。在一定温度范围内，反应温度和纳米La2O3尺寸成正比，而在一定浓度范围内，反应浓度和纳米La2O3尺寸成反比，而且会出现严重的团聚问题。加入一些分散剂或者表面活性剂可以改善这种团聚问题。

热塑性聚氨酯弹性体（thermoplastic urethane,TPU）由于结构稳定性和微生物抗性以及蛋白质相似性的分子结构和分子结构，是一种很好的生物材料[7-9]，且已在生物、医学领域有大量的应用，如人造心脏瓣膜[10]，人造血液血管[11]。然而这些应用要求使用的材料有很好的血液相容性和生物相容性，这样才能在体内稳定存在，所以提高生物学性能是一个热门的研究课题[12-14]。初期在高分子材料中引入稀土化合物所带来的独特成效引起了科学家的高度重视[15]。本研究着重选择镧稀土引入到TPU弹性体，通过模板剂对纳米稀土化合物的形貌进行调控，进而将所得纳米稀土通过原位聚合法引入到探讨不同形貌纳米稀土对聚氨酯弹性体作用的机理。并表征了不同形貌的纳米稀土氧化物对TPU生物性能的影响。

1 实验部分

1.1 不同形貌纳米La2O3的制备

针簇状纳米La2O3的合成：主要以树枝状大分子为模板剂结合水热法，将0.2 mol/L的六水硝酸镧（La(NO3)3）和一系列不同浓度的氨水（0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L）溶液50 mL，La(NO3)3溶液放入四口烧瓶并置于超声仪器中，将温度调整在(10±5)℃，用恒压漏斗将将沉淀剂缓慢加入硝酸镧溶液中，以1 mL/min的速度滴加，完成后，在超声仪中继续处理1 h，之后取出。取60 mL白色沉淀，加到高压反应釜里面进行进一步处理，置于140℃环境下加热6 h，将所得样品进行用离心机分离，再用乙醇洗涤若干次，再将样品取出并于140℃烘箱里面干燥2 h，之后于750℃煅烧5 h，研磨，密封保存。

棒状纳米La2O3的合成与上述方法基本相同：将0.2 g树枝状大分子CYD-K100与La(NO3)3溶液同时加入。

花瓣/片状纳米La2O3的合成：将上述0.2 g CYD-K100换成0.2 g树枝状大分子CYD-2004/树枝状大分子G4.0（用少量丙酮溶解），其他基本相同。

1.2 不同形貌纳米La2O3改性TPU的制备

首先取一定量的聚己二酸丁二醇酯二醇和某种形貌纳米La2O3的于100℃下真空搅拌脱水2.5 h；取出纳米La2O3/PBA混合体于烧杯中，依次加入1,4-丁二醇（BDO）和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），快速搅拌均匀待反应引发后，倒入120℃预热的哑铃型硅胶模具中，放入烘箱中固化。之后将样条自然冷却。放置1周，即可进行性能测试。

1.3 性能测试及表征

1.3.1 扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）分析

采用200FEG型FEI扫描电子显微镜（荷兰Quanta公司）对样品进行形貌分析。

1.3.2 红外光谱（fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）分析

采用Nicolet 6700型红外光谱仪（美国Nicolet公司），室温下固体压片法进行FTIR测试。

1.3.3 蛋白质吸附实验

通过蛋白质定量（bicinchoninic acid,BCA）法蛋白浓度定量试剂盒表征材料表面蛋白质吸附量。

1.3.4 噻唑蓝测试

噻唑蓝（thiazolyl blue tetrazolium bromide,MTT）测试是确定样品表面活细胞数量、生长和材料表面毒性的重要手段。原理是根据只有活细胞可以使MTT还原为甲瓒并结晶沉积，再将甲瓒溶于二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide,DMSO）后测量吸收度，即可得知活细胞的相对数量和相对活力。

1.3.5 细胞增殖

激光扫描共聚焦显微镜是一种先进的细胞生物医学分析仪器，可对材料表面细胞形貌、数量等进行观察。

2 分析与讨论

2.1 SEM分析

2.1.1 针簇状纳米La2O3的形貌

由图1可见，看出La2O3纳米粒子基本都呈现针簇状，随着氨水的浓度增加，直到比例达到1:3时，逐渐形成块状。没有添加模板剂的La2O3，团聚现象较为严重。

图1 针簇状n-La2O3的扫描电镜图(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH3·H2OFig.1 SEM images of needle like n-La2O3 synthesized by template assisted precipitation method（a)-(d)0.2,0.4,0.6,0.75 mol/L NH3·H2O

2.1.2 棒状纳米La2O3的形貌

由图2可见，La2O3纳米粒子基本都呈棒状或者针状，随着氨水浓度增加，出现明显的团聚现象。加入模板剂之后纳米La2O3由片状变成棒状且分散比较均匀。图2（c）采用了0.4 mol/L氨水分散最为均匀，且尺寸也更小，其中纳米棒直径为20 nm，长度为1μm因此下文中将选用图2（c）的纳米La2O3纳米棒对聚氨酯弹性体进行改性。

图2 棒状n-La2O3的扫描电镜图(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH 3·H 2OFig.2 SEM imagesof rod like n-La2O3(a)-(d)0.2, 0.4, 0.6, 0.75 mol/L NH3·H2O

2.1.3 片状纳米La2O3的形貌

由图3可见，La2O3纳米粒子随着氨水浓度增加，片层变小，厚度也变薄，但堆积现象严重。图3中的形貌清晰，图3（b）采用了0.4 mol/L氨水分散较为均匀，且尺寸也更小，其中片层厚度约为80 nm，并选用图3（b）的针簇状纳米La2O3对聚氨酯弹性体进行改性。

图3 片状n-La2O3的扫描电镜图(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/LNH3·H2OFig.3 SEM images of flake n-La2O3 (a)-(d)0.2, 0.4,0.6, 0.75 mol/LNH 3·H 2O

2.1.4 花瓣状纳米La2O3的形貌

图4显示La2O3纳米粒子基本都呈现花瓣状，随着氨水的浓度增加，花瓣的数量增多，每片花瓣的也越来越小，越来越闭合，堆叠现象严重。在体系中引入具有纳米空腔和高度发散结构的CYD-2004 PAMAM为模板剂，晶核向外定向生长，反应后将聚酰胺-胺（polyamide amine,PAMAM）模板剂去除，即可得到花瓣状的纳米La2O3。图4（b）花瓣状纳米La2O3样品分散最为均匀，且尺寸也更小，因此将选用图4（b）的花瓣状纳米La2O3对聚氨酯弹性体进行改性。

图4 花瓣状n-La2O3的扫描电镜图(a)～(d)0.2、0.4、0.6、0.75 mol/L NH 3·H 2OFig.4 SEM images of petal like n-La2O3(a)～(d) 0.2,0.4, 0.6,0.75 mol/LNH3·H2O

通过观察TPU及其复合弹性部分图5（a）～（e），可以观察到许多条纹的微观结构，并且由于引入La2O3纳米条纹显着增加了数量，推测这是由于TPU软硬段热力学不相容引起的微相分离的结果，La2O3的微相分离程度提高。此外，引入不同形态结构导致TPU表面变得更为粗糙。SEM观察结果表明，所得La2O3纳米材料通过原位制备的La2O3/TPU复合弹性体，无机颗粒可以有效均匀地分散在聚合物基体中，当TPU纳米粒子为花瓣状时促进TPU微相分离效果最为明显，可能的原因首先是纳米La2O3和聚氨酯硬段具有一定的相互作用，使硬段接近无机颗粒表面，改变聚氨酯材料的结晶形态，使硬段的结晶倾向更容易聚集在一起，促进软硬短间的微相分离。

图5 不同形态结构n-La2O3/ TPU复合弹性体的SEM图Fig.5 SEM images of different morphologiesof n-La2O3/TPU nanocomposites

2.2 FTIR分析

由图6中可见，在3 456 cm-1处出现强峰，在3 608 cm-1、2 928 cm-1、1 485 cm-1、1 376 cm-1和644 cm-1镧的特征吸收带，符合所查文献La2O3的标准谱图。

图6 不同形态结构纳n-La2O3的红外光谱图Fig.6 FTIR spectra of n-La2O3 with different morphologies

图7是4种形貌的纳米La2O3制得的TPU弹性体，TPU的特征峰分别位于3 332 cm-1（N-H）、2 958 cm-1（-CH-）、1 727 cm-1（-O-C=O）、1 701 cm-1（C=O）、1 596 cm-1（C=C），1 530 cm-1（N-H）和1 220 cm-1（C-N）处。当La2O3引入TPU弹性体，在3 332 cm-1的变化峰值波长较短的区域。同时，1 727 cm-1处的峰值强度远小于1 701 cm-1处。而游离羰基（C=O）峰（1 730 cm-1）和-NHCO=中羰基的特征峰（1 701 cm-1）的强弱可以计算TPU的氢键化程度，这种计算可以直观表示聚氨酯弹性体的微相分离程度。

图7 不同形态结构n-La2O3/ TPU复合弹性体的红外谱图Fig.7 FTIR spectra of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

表1给出了计算n-La2O3/TPU复合弹性体的相分离度（degree of phase separation，DPS）值。花瓣状纳米La2O3/TPU的DPS是最好的，La2O3和聚氨酯硬链段之间的相互作用，促进了软段和硬段的聚氨酯的微相分离。

表 1不同形态结构n-La2O3/TPU的DPS值Tab.1 DPS values of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

2.3 蛋白质吸附实验

BCA蛋白质吸附标准曲线（见图8），不同含量的纳米颗粒La2O3对TPU蛋白的吸附，如表2所示。

图8 BCA蛋白质吸附标准曲线Fig.8 Standard curve of BCA protein adsorption

表2 不同形态结构n-La2O3对TPU蛋白质吸附性的影响Tab.2 Effect of nano La2O3 with different morphologieson the TPU’s adsorption of protein

由表2可见，随着n-La2O3的引入，TPU弹性体表面的蛋白质吸附量明显下降，这是由于La2O3与TPU在纳米结构和化学表面的相互作用组成。

2.4 噻唑蓝（methyl thiazolyl tetrazolium, MTT）测试

纳米La2O3对TPU弹性体生物相容性的影响如图9所示。随着纳米La2O3的引入，TPU弹性体复合材料的光吸收值（optical density,OD值）高于纯TPU，表明含镧纳米TPU的相容性较好。当花瓣状纳米La2O3的含量为引入时，OD值最高。这是因为纳米La2O3均匀分散在TPU基体中，有效地改善了TPU的表面性能和微观结构。对于其他形态纳米La2O3的引入，OD值略低，但仍高于具有良好生物相容性的纯TPU弹性体。

图9 不同形态结构n-La2O3/TPU复合弹性体的OD值Fig.9 OD value of different morphologies of n-La2O3/TPU nanocomposites

2.5 细胞形貌观察

图10所示为不同纳米La2O3含量的TPU复合弹性体表面细胞的增殖情况，随着La2O3的引入，材料表面上面细胞的越来越多，因此，纳米La2O3的引入有利于提高TPU材料表面的细胞数量，即更好的细胞相容性。

图10 不同形态结构n-La2O3/TPU复合弹性体的表面细胞增殖的CLSM观察图Fig.10 CLSM observation of surface cell proliferation of different morphologiesof n-La2O3/ TPU composite

3 结语

本文考察了多种形态结构的纳米La2O3对TPU生物性能的影响。研究结果表明，纳米La2O3的形态结构对TPU性能影响的强弱顺序为：花瓣状＞棒状＞片状＞针簇状。随着纳米La2O3的引入，蛋白吸吸附量明显降低，OD值和细胞相容性也有显著提高，显示出优良的血液相容性和生物相容性。主要源于花瓣状的纳米La2O3具有较大的比表面积和较高的表面活性，能够更好的与TPU弹性体结合。未来在此基础上可进一步开展深入研究，从而进一步提高TPU的血液相容性和生物相容性，使TPU在生物材料方面有着更加广阔的应用。