聚乳酸/可再生胶原-纤维素复合材料的制备

李双雯，崔永生，张琳，徐丽丽

(1.北华航天工业学院材料工程学院，河北廊坊 065000； 2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 100000)

迄今为止，各种天然高分子，如胶原蛋白(col)、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白、纤维素等，因其可生物降解、可再生、生物相容性好等特性而被广泛研究[1-4]。col是人体中含量最丰富、分布最广泛的蛋白质之一[5]。它是肌腱、骨组织、皮肤、韧带、角膜和许多间质结缔组织的主要组成成分。然而，天然col也存在一些缺陷，如力学性能和热稳定性差，并且天然col在不进行改性的情况下很难满足应用要求。研究发现，通过交联的方法可以显著改善胶原基材料的力学性能，然而会影响胶原的物化性能[6]。随着纳米技术的发展，科学家研究探索更好地改善col力学性能的方法，通过将各类纳米填料与col复合，获得具有更好力学性能的纳米复合材料，扩展了其应用范围[7]。

纤维素是一种线性聚合物，具有丰富的羟基、良好的生物相容性和独特的物理化学性质，例如高结晶度、高保水能力、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等[8-9]。因此，将纤维素与col复合可以改善复合材料的性能。具有高度刚性结构的纤维素材料被加入col基质作为增强剂，符合绿色理念可持续性。胶原/纤维素复合材料由于其优异的物理化学性质，近年来成为生物医用、可降解材料、可再生等领域的一种重要生物基材料[10-12]。

笔者以col和羧基纤维素(CNF)为原料，通过超分子组装制备胶原/纤维素气凝胶，并与聚乳酸(PLA)进行复合制备PLA/(col-CNF)复合体系，对其结构和性能进行了表征。由于col和CNF优异的可降解、可再生性能，笔者将col-CNF气凝胶重新分散后再次冷冻干燥制备三维气凝胶，并研究其与PLA复合后体系的性能。发现溶解再生的PLA/col-CNF复合材料热稳定性和力学性能仍然优异，但比初始PLA/col-CNF复合材料性能稍有下降。

1 实验部分

1.1 主要原材料

col(猪源)：自制；

醋酸：分析纯，北京百灵威科技有限公司；

PLA：Mw为80 000，上海麦克林生化科技股份有限公司；

丙酮：分析纯，北京百灵威科技有限公司；

液氮：廊坊黎明气体有限公司。

1.2 主要设备及仪器

傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪：Tensor 27型，德国Bruker公司；

X射线衍射(XRD)仪：D8 Advanced型，德国Bruker公司；

钩藤立枯病可用3亿CFU/克哈茨木霉菌20～50倍，或10亿个/克枯草芽孢杆菌800～1 000倍，或1%申嗪霉素悬浮剂800～1 000倍，或8%井冈霉素A水剂100～125倍，或10%苯醚甲环唑WG 1 000～2 000倍，或43%戊唑醇悬浮剂2 500～4 000倍，或24%噻呋酰胺悬浮剂500～1 500倍喷雾、灌根或喷淋。

热重(TG)分析仪：TGA 2型，梅特勒托利多科技(中国)有限公司；

差示扫描量热(DSC)仪：DSC200型，日立分析仪器(上海)有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)：S-4800型，日本Hitachi公司；

万能材料力学测试仪：TST-C1007 A型，泰仕特仪器有限公司；

冷冻干燥机：ZLGJ-30型，宁波新芝生物科技有限公司；

真空干燥箱：DZF-100型，郑州长城科工贸有限公司；

超声波清洗器：KQ-50E型，昆山市超声仪器有限公司；

精密电子天平：AL104型，梅特勒-托利多公司。

1.3 制备过程

将通过酶解法制备的col(猪源)与CNF按不同比例进行混合，实验中所采用的col与CNF的质量比分别为9∶1，8∶2，7∶3和5∶5。col和CNF在机械搅拌作用下均匀混合，将混合溶液置于低温环境(4 ℃)下进行凝胶化反应20 h。将凝胶化样品放入液氮环境下定向冷冻，随后将孔隙中充满冰微晶的定向凝胶放置在冷冻干燥机中，被冻结的凝胶在低压环境中冷冻干燥30 h，最终得到col-CNF气凝胶。样品分别记为col-CNF-1，col-CNF-2，col-CNF-3，col-CNF-4。

以丙酮为溶剂，配置质量分数为5%的PLA溶液，通过真空浸渍将col-CNF气凝胶与PLA复合，将浸渍后的样品用滤纸吸除表面多余PLA，并将样品放置在真空烘箱中60 ℃干燥10 h，除去所含溶剂，获得PLA/col-CNF复合体系，研究其性能。干燥后称量复合材料质量，与col-CNF气凝胶对比，发现col-CNF添加比例为(4±0.3)%。

通过超声分散与球磨将col-CNF气凝胶重新溶解，再次冷冻干燥制备气凝胶，获得的再生col-CNF气凝胶也与PLA复合，复合过程完全相同，研究复合体系的性能，归纳再生前后体系性能变化规律。

1.4 结果表征

利用FTIR仪对col-CNF气凝胶进行结构表征。将不同组成的气凝胶样品放置在55°C真空干燥箱中除水，然后与溴化钾充分研磨压片后进行测试。测试范围为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1。

利用SEM对col-CNF的形貌进行观察。由于生物基气凝胶样品的电导率较差，对气凝胶样品进行喷金处理，喷金40 s。

利用XRD仪分析溶解再生前后气凝胶样品的结晶性能。具体测试条件为：CuKα，λ= 0.154 nm，扫描速度为5 °/min，扫描范围为10°～70°。

利用TG仪和DSC仪分析PLA/col-CNF复合材料的热稳定性。将样品放置在55°C真空烘箱中烘干，然后进行测试表征。TG测试条件为：N2保护下，以10 ℃/min的升温速率从30°C升温至800°C，记录样品的升温曲线。DSC测试条件为：以20 ℃/min升温速率从30 ℃升温至350 ℃，记录整个过程中热流随时间变化的曲线。

采用万能电子试验机测试PLA/col-CNF复合材料及溶解再生样品制备的复合材料的压缩回弹性能，分析溶解再生前后样品的力学性能变化规律。设定压缩及回复速率为5 mm/min，环境温度25 ℃，循环圈数为1～100次。

2 结果分析与讨论

2.1 col-CNF气凝胶可再生性能研究

CNF和col都是天然可降解高分子，自然界含量丰富、来源广泛。以CNF和col为原料制备的三维超轻气凝胶具有优异性能。图1是不同col和CNF添加比例制备的超轻气凝胶的红外光谱图，从图1可看出，col-CNF-1在3 310 cm-1处出现—OH伸缩振动吸收峰，随着CNF含量增加，3 310 cm-1附近—OH伸缩振动吸收峰向低波数方向移动。col-CNF-3气凝胶—OH伸缩振动吸收峰出现在3 306 cm-1处，当col和CNF质量比为5∶5时，col-CNF-4气凝胶的—OH伸缩振动吸收峰出现在3 297 cm-1处。这是col分子与CNF间形成分子间氢键造成的[13]，随着CNF含量增加，col与CNF之间的氢键作用增大，—OH伸缩振动吸收峰向低波数方向移动。col-CNF-1气凝胶的C=O (col的酰胺I键)出现在1 654 cm-1处，col的酰胺II键吸收峰出现在1 554 cm-1处。随着CNF添加量的增加，两个吸收峰均发生蓝移，col-CNF-3气凝胶中col的酰胺I键和II键分别出现在1 632 cm-1和1 545 cm-1处。该吸收峰在不同比例col-CNF气凝胶中的移动表明在col和CNF间形成了新的氢键。同时，随着CNF添加量增加，col-CNF-3和col-CNF-4气凝胶在1 630 cm-1左右的吸收峰出现微小变化，很可能是CNF上—OH伸缩振动吸收峰与col的酰胺键重叠造成的结果。

图1 不同col和CNF质量比时超轻气凝胶的FTIR谱图

图2是不同col和CNF添加比例制备的超轻气凝胶照片，从图2可以看出，col-CNF气凝胶呈现白色多孔结构，没有塌陷收缩现象出现。随着CNF添加比例的增多，气凝胶表面孔隙分布更加致密均匀，表面光滑度增加。当col和CNF气凝胶的质量比为7∶3时，所制备的col-CNF-3气凝胶表面平整光滑，且孔隙分布均匀致密，三维骨架网络结构稳定。继续提升纤维素添加量，当col和纤维素的添加比例为5∶5时，col-CNF-4表面仍呈多孔结构且无塌陷回缩现象出现，但是孔隙分布均匀性变差，气凝胶脆性增加。因此选择col和CNF的质量比为7∶3的气凝胶样品研究其可再生性能。

图2 不同col和CNF质量比时超轻气凝胶图片(从左到右比例依次为，col∶CNF=9∶1，8∶2，7∶3，5∶5)

为进一步研究col-CNF气凝胶的可再生性能，将性能最优的col-CNF-3气凝胶进行重新分散。利用超声分散及机械研磨相结合的方式将col-CNF-3超轻气凝胶重新分散于0.5 mol/L的醋酸溶液中，经过凝胶化、液氮定向冷冻及冷冻干燥，可以再次获得三维超轻col-CNF气凝胶，如图3所示。图3a是col-CNF-3气凝胶原样品，图3b是溶解再生后的气凝胶样品，从照片中可以看出，col-CNF-3气凝胶原样品表面光滑致密，没有塌陷及大孔隙聚集的现象出现。溶解再生后的气凝胶样品表面也呈现致密多孔结构，从表面形貌上看其与col-CNF-3气凝胶原样品没有较大差别，证明该col-CNF气凝胶具有优异的可再生性能。

图3 col-CNF-3超轻气凝胶溶解再生前后的对比照片

图4是col-CNF-3气凝胶及其溶解再生后制备的气凝胶样品的XRD图。从图4可以看出，col-CNF-3气凝胶在2θ=27.7°和31.9°出现分别代表CNF(200)和(004)晶面的衍射峰[14]，而在10°到26°间的大的宽峰代表col的半结晶峰，证明col是一种无定形天然高分子[15]。col-CNF-3溶解再生后制备的气凝胶衍射峰位置与col-CNF-3气凝胶基本一致，说明溶解再生没有破坏气凝胶样品的结晶结构。

图4 col-CNF-3气凝胶及其溶解再生后制备气凝胶样品的XRD图

2.2 PLA/col-CNF复合材料的性能研究

进一步将col-CNF-3气凝胶及其溶解再生后制备的气凝胶与PLA复合，制备三维PLA/col-CNF复合材料。由气凝胶与PLA复合制备的三维复合材料非常轻。经自组装、氮冷定向冻、冻干及与聚合物复合后，超轻三维复合体系可以放在花蕊上，花蕊没有任何塌陷或形状变化，如图5所示。

图5 超轻PLA/col-CNF-3复合体系照片

分析研究PLA/col-CNF复合材料的热分解过程是研究其再生性能稳定性的关键，利用TG和DSC分别分析研究了col-CNF-3气凝胶及其溶解再生后制备的气凝胶分别与PLA复合后制备的三维复合材料的热稳定性。图6a是PLA/col-CNF复合材料的TG曲线，从图中可以看出，PLA/col-CNF复合材料的热失重过程分为两个阶段，第一阶段为样品吸附水分的挥发造成的质量损失；第二阶段为col，CNF及PLA的热解造成的质量损失。PLA/col-CNF-3复合材料在116～240 ℃只有约3%的质量损失，说明在这个温度范围内，复合材料仍较稳定，继续升高温度，PLA/col-CNF-3复合材料开始迅速分解，其最大热失重速率(Tm)对应的温度为330.7 ℃，其最终残余质量为35.1 %。从图6b可以看出，对应的DSC曲线上PLA/col-CNF-3复合材料在320.1 ℃处出现了一个小的放热峰，正好同热失重速率转变温度Tm相对应，其焓变为1.12 mW/mg。与PLA/col-CNF-3复合材料相比，重新溶解再生的气凝胶样品与PLA制备的复合材料热稳定性稍有下降，从图6a曲线可以看出，其Tm对应的温度为314.3 ℃，比PLA/col-CNF-3复合材料下降16.4 ℃。重新溶解再生的PLA/col-CNF-3气凝胶复合体系最终残余质量为28.3 %，其DSC曲线在315.2 ℃处出现小的放热峰，焓变为0.99 mW/mg (如图6b所示)。从TG和DSC数据可以看出，重溶再生的PLA/col-CNF复合体系的热稳定性稍有下降，这是由于重新溶解过程中超声分散和球磨都会对col和CNF结构产生不同程度的破坏，最终造成重溶再生的PLA/col-CNF复合材料热稳定性能下降。

图6 PLA/col-CNF复合材料的TG和DSC曲线

进一步对比研究PLA/col-CNF-3复合材料和重溶再生的PLA/col-CNF复合材料的力学性能，探讨再生复合材料性能的稳定性。图7是PLA/col-CNF-3复合材料和重溶再生的PLA/col-CNF复合材料的循环压缩回弹曲线，在此三维生物基复合材料中，CNF构成样品的“骨架”结构，col层状结构与穿插于col片层间的CNF组装形成的基本结构是影响复合材料尺寸稳定性的关键因素，同时也影响着复合材料的压缩回弹性能。从图7a可以看出，PLA/col-CNF-3复合材料的压缩回弹曲线呈闭环，在20 kPa应力下压缩形变为19.78%，且能回复初始状态。经过100圈循环，样品在20 kPa应力作用下压缩形变为19.74%，形变量与初始样品的形变量基本相同。这是由于col与CNF相互穿插粘接形成交联网络(图7a内插图所示：col-CNF-3气凝胶SEM照片)，能够增大制备的三维复合材料的抗压程度和压缩后回复形变能力。同时纤维具有优异柔韧性，当受到压力作用时，片层间纤维可发生弯曲，压力消失后纤维恢复原状，增加了气凝胶的压缩回弹稳定性[16]。图7b是溶解再生的PLA/col-CNF复合材料，与PLA/col-CNF-3复合材料相比，其压缩回弹曲线稳定性稍有下降。溶解再生的PLA/col-CNF复合材料在20 kPa应力作用下压缩形变为19.25%，经过100圈循环，溶解再生的PLA/col-CNF复合材料在20 kPa应力作用下压缩形变为18.11%。这可能是由于溶解再生过程中，对col和CNF的微观结构及性能有一定破坏，造成再生气凝胶力学性能稍有下降。

图7 PLA/col-CNF复合体系的循环压缩回弹曲线

3 结论

通过超分子组装制备了多孔col/CNF气凝胶，再通过真空浸渍法经固化后得到完全填充的PLA/col-CNF复合材料。该复合材料密度低、质量轻、放在鲜花上不会压塌花瓣。复合材料具有优异热稳定性和压缩回弹性，在20 kPa应力下其压缩形变为19.78%，且能回复初始状态。经过100圈循环，样品在20 kPa应力作用下压缩形变为19.74%，形变量与初始样品的形变量基本相同。同时研究发现，多孔col-CNF气凝胶具有优异可再生性能，经过超声分散与球磨可以将气凝胶重新分散在醋酸溶液中，可以重复制备col-CNF气凝胶。由于溶解再生过程中，对col和CNF的微观结构及性能有一定的破坏，利用溶解再生的col-CNF与PLA复合制备的复合材料在20 kPa应力作用下其压缩回弹循环稳定性稍有下降，但并不明显。该可再生生物基复合材料在生物医用、可降解等领域都有潜在应用价值。