羟基磷灰石的表面改性及其对聚柠檬酸酯基复合材料的影响

邓嘉城,吉亚丽

(东华大学,上海 201620)

聚柠檬酸酯由于简单的制备工艺、良好的生物相容性、可控的力学性能与降解速率已被越来越多的科研人员研究[1-3]。然而聚柠檬酸酯在力学强度方面的不足限制了其在多方面的应用,通过添加增强材料如n-HA[4]、碳纳米管[5]和甲壳素[6]能够明显提高其力学性能。HA是人体骨组织的主要成分,其表面存在丰富的羟基和钙离子,通过形成氢键以及钙离子的螯合作用与聚柠檬酸酯存在着一定的相容性,并且在体内能够释放钙离子和磷酸根离子,对骨细胞的生长与繁殖具有促进作用。Yang等[7]将质量分数40%～65%的HA与POC混合并加工成骨螺钉,随着n-HA含量的增加复合材料的压缩强度和杨氏弹性模量也逐渐增大。然而n-HA表面活性官能团十分有限,这限制了其与有机基体的紧密结合。通过聚乳酸(PLA)、柠檬酸(CA)、丹宁酸(TA)等表面改性剂对n-HA进行表面改性,能增加n-HA表面活性官能团的数量,从而进一步提高粒子与有机相的相容性。Guo等[8]利用TA对n-HA进行表面改性,随后将改性粒子与POC进行复合,制备出的材料的抗压强度最高为(323.0±21.3) MPa,与n-HA/POC复合材料相比提高了40%,并且具有良好的生物相容性与抗菌性能。程思敏等[9]分别采用CA和硬脂酸对n-HA进行表面改性,与PLA共混制备出了具有良好压缩模量的n-HA/PLA复合材料。本实验分别采用CA与TA对n-HA进行表面改性,并将n-HA和改性粒子与POC进行复合,通过力学测试、溶胀溶胶测试以及水接触角测试结果对比n-HA、HCA及THA粒子的掺入对POC力学性能的增强效果、交联程度以及亲疏水性的变化。

1 实验部分

1.1 主要试剂

纳米羟基磷灰石,纯度大于96%,直径40 nm,南京埃普瑞纳米材料有限公司;一水合柠檬酸,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;1,8-辛二醇,分析纯,上海蓝润化学有限公司;无水乙醇,分析纯,昆山金城试剂有限公司;丹宁酸,分析纯,国药基团化学试剂有限公司;盐酸,分析纯,平湖化学试剂厂;三(羟甲基)氨基甲烷(记为Tris),分析纯,国药基团化学试剂有限公司。

1.2 POC预聚体的制备

在氮气的保护下,将物质的量比为1∶1的一水合柠檬酸和1,8辛二醇加入三口烧瓶中并在160 ℃油浴中加热搅拌,待混合物熔融后温度调至140 ℃继续反应直到临近凝胶点得到POC预聚体(Pre-POC)。然后用适量乙醇溶解Pre-POC,加入适量去离子水搅拌并静置1 d后倒出上层清液得到下层Pre-POC,重复上述步骤3次,最后烘干得到澄清透明的Pre-POC。

1.3 m-HA粒子的制备

1.3.1 CHA粒子的制备

将适量n-HA分散于无水乙醇中搅拌预热0.5 h,随后在300 r/min转速下反应2 h,将分散液离心后得到下层固体并置于55 ℃烘箱中反应24 h,然后将固体样品反复研磨成粉末,在80 ℃的真空固化箱中干燥24 h得到CHA粉末。

1.3.2 THA粒子的制备

分别配置0.1 mol/L的Tis溶液和HCl溶液,按照特定的比例配置pH值为8.5的Tris-HCl缓冲溶液。将TA充分溶解于50 mL Tris-HCl缓冲溶液,将20 g HA超声分散于100 mL的Tris-HCl缓冲溶液,随后混合TA溶液和HA分散液并加入50 mL Tris-HCl缓冲溶液,在600 r/min的转速下室温搅拌24 h得到THA分散液。将THA分散液以9 000 r/min离心3 min,弃置上清液并加入水搅拌使THA颗粒重新分散,重复上述过程5～6次直至上层清液无色,表明完全除去未反应的TA分子,随后将THA颗粒冷冻干燥1 d,并反复研磨至均匀大小。

1.4 POC/m-HA复合物的制备

将质量分数20%的Pre-POC乙醇溶液与质量分数20%的m-HA超声分散液以1∶9体积比例混合均匀,搅拌24 h后倒入培养皿中充分烘干,随后在80 ℃的真空固化箱中反应6 d得到POC/m-HA复合物。

1.5 测试与表征

利用美国热电公司Nicolet 8700型红外光谱表征HA、CHA和THA中的官能团,采用透射法,仪器分辨率为4 cm-1,扫描次数为32,扫描范围3 600～600 cm-1;采用德国Bruker公司的D8 Advance型原位电化学测试X射线衍射仪测定HA、CHA和THA的晶体结构;利用德国Zeiss公司 GeminiSEM 560型热场发射扫描电子显微镜测试了HA、CHA和THA的粒子形态;利用上海恒驭仪器有限公司的HY-941型电脑式拉压力试验机测试了POC及POC/m-HA复合物的力学性能,样条形状为哑铃型(长度为28.11 mm,最窄处宽度为2.70 mm),拉伸速度设置为10 mm/min,每个样条分别平行测试5次,取平均值;裁剪1 cm×1 cm充分干燥的POC及POC/m-HA复合物薄膜,称量其初始质量并记为m0,在37 ℃用去离子水浸泡一定时间后擦拭表面多余水分,称重记为m1,根据公式S=(m1-m0)/m0×100%计算出其溶胶含量,每组样品平行测量3次,取平均值;裁剪1 cm×1 cm充分干燥的POC及POC/m-HA复合物薄膜,称量其初始质量并记为M0,在37 ℃用无水乙醇浸泡一定时间后用去离子水洗净,烘干至恒重,该质量记为M1,根据公式S=(M0-M1)/M0×100%计算出其溶胶含量,每组样品平行测量3次,取平均值。采用德国Datephysics公司的OCA40型光学视频接触角测量仪测试POC及POC/m-HA复合物的静态水接触角,用微量注射器将3 μL水滴到样品表面并对水滴形貌拍照,测定水滴两侧接触角且取平均值,每个样品平行测试5次,取平均值。

2 结果与讨论

2.1 m-HA粒子的形貌与结构表征

图1为HA、CHA和CHA的场发射扫描电镜图。从图中可以判断HA、CHA、THA粒子均为棒状结构,长度为100～400 nm,宽度为30～60 nm,粒子的大小均为纳米级别,具有较高的比表面积。一般来讲,由于布朗运动的影响,纳米尺寸的粒子相较于微米尺寸的粒子更不容易沉淀,且纳米尺寸的粒子由于比表面积大于微米尺寸的粒子,因此相同质量下官能团数目更多,其在基体中的分散性以及相容性会更好。

(a)HA;(b)CHA;(c)THA。

图2为THA、CHA、HA、TA和CA的红外光谱图。1 035,962和469 cm-1分别为HA中的PO43-的反对称伸缩振动、对称伸缩振动和对称变角振动吸收峰,567 cm-1为HA中的PO43-和HPO43-多个吸收峰重叠的结果。1 610,1 533,1 448,1 334 cm-1为芳环骨架振动吸收峰,873和758 cm-1为芳环的C-H面外弯曲振动吸收峰,1 614,1 448 cm-1出现了芳香骨架振动吸收峰,这些都是TA的特征吸收峰,证明TA成功添加到HA中[10-11]。与HA相比较,THA和CHA分别在1 710和1 703 cm-1出现了新的吸收峰,可能为TA的酯基和CA的羧基吸收峰,这也证明TA和CA成功添加到HA中[8]。

图2 HA、CHA、THA的红外光谱图

图3为HA、CHA和THA的XRD谱图,CHA、THA、HA在2θ=25.8°(002),28°(102),28.9°(210),31.8°(211),32.1°(112),32.9°(300),34°(202),39.8°(310),46.7°(222),49.4°(213)均出现羟基磷灰石的特征衍射峰,其中(211)、(112)、(300)是羟基磷灰石的三强峰[12-13],并且三者在XRD光谱中无明显差异,说明TA和CA在n-HA的表面修饰对n-HA的晶体结构几乎无影响。

图3 HA、CHA和THA的XRD谱图

2.2 POC/m-HA复合物的力学测试

表1为POC/m-HA复合物的力学性能测试结果。由表可知POC/m-HA的拉伸强度和杨氏模量均高于POC,这是因为m-HA粒子具有较高的模量和强度,并且粒子表面的活性官能团与POC基体有着较强的结合力,起着应力传递的作用且有利于承担较大的载荷[14]。CHA/POC与THA/POC改性粒子复合物的拉伸强度和杨氏模量均高于HA/POC复合物的,这是因为经过CA或TA改性后n-HA表面的活性官能团数量明显增加,与POC基体产生了更加紧密的键合,这使得POC分子链在粒子表面不易产生滑移,从而提高了材料的拉伸强度和杨氏模量。THA/POC复合物的拉伸强度和杨氏模量略强于CHA/POC,这可能是因为TA分子表面的活性官能团数量多于CA分子,TA改性后使得n-HA表面获得了更多的位点与POC进行交联,使得THA与POC之间的结合更加紧密,因此在力学性能方面有着更优秀的表现。

表1 POC及POC/m-HA力学性能测定

2.3 POC/m-HA复合物乙醇中溶胶含量测试

溶胶含量是反映高分子聚合物交联程度的一个重要指标,溶胶含量越低,说明聚合物的交联程度越高。表2是POC/m-HA复合物在乙醇中72 h的溶胶含量测定,按溶出物均为POC预聚体,与加入的预聚体总量相比,HA/POC、CHA/POC和THA/POC复合物溶出物的占比依次是4.76%±0.09%,2.41%±0.09%和2.64%±1.50%,均低于POC的12.01%±1.24%,这反映了m-HA粒子在POC基体中起着交联的作用,提高了POC聚合物的交联程度。CHA/POC和THA/POC改性粒子复合物的溶胶含量低于HA/POC的,这也反映了改性后n-HA粒子表面的活性官能团与POC基体结合更加紧密。

表2 POC及POC/m-HA乙醇中72 h溶胶含量测定

2.4 POC/m-HA复合物水中溶胀度测定

溶胀是高分子聚合物在溶剂中体积发生膨胀的现象,对于交联聚合物,溶胀度是有限的并且大小与聚合物的交联密度有关,因此聚合物的溶胀度可以反映其交联密度。表3是POC及POC/m-HA水中72 h溶胀度的测试结果, POC、POC/HA、POC/CHA、POC/THA的溶胀度分别为18.23%±0.33%,15.69%±0.75%,13.04%±0.57%和10.34%±2.52%。HA/POC、CHA/POC和THA/POC的溶胀度均比POC的小,这是由于粒子在POC中起着交联的作用,阻碍了水分子进入交联网格中,有效降低了复合物在水中的溶胀程度。CHA/POC和THA/POC的溶胀度均小于HA/POC,这也反映了改性粒子复合物具有更高的交联程度,这与上述溶胶含量的分析结果一致。

表3 POC及POC/m-HA水中72 h溶胀度测定

亲水性的表面往往有利于细胞的黏附、生长和增殖,因此材料的水接触角是生物医用材料的一个关键性能。表4是POC和POC/m-HA复合物静态水接触角的测定结果。POC、POC/HA、POC/CHA和POC/THA的接触角分别为(94.31±1.47)°,(94.58±3.51)°,(108.2±2.24)°和(89.92±2.87)°。CHA的加入使POC的接触角变大,这是由于CHA表面存在的羧基或羟基与POC分子链的羧基或羟基发生酯化反应,生成了疏水的酯基。THA的加入使得POC的接触角变小,这是由于THA表面具有大量亲水官能团酚羟基,而THA是依靠氢键及配位键与POC结合且无疏水基团的产生。值得注意的是,TA分子带有大量亲水的酚羟基以及少量疏水的酯基,改性HA后既带来了亲水官能团又带来了疏水官能团,但由于TA的酚羟基位于分子表面而酯基位于内部,因此TA的改性整体表现为提高了HA的亲水性。

表4 POC及POC/m-HA复合物的静态接触角

3 结论

1)POC/m-HA在拉伸强度、杨氏弹性模量和交联程度方面均高于POC弹性体,这是由于m-HA粒子表面的活性官能团与POC基体具有一定的相容性,有利于材料承担更大的载荷,同时m-HA提高了POC的交联程度,有效降低了材料的溶胀程度和溶胶含量。

2)POC/CHA和POC/THA在拉伸强度、弹性模量和交联程度方面均高于POC/HA。这是因为经过CA和TA改性后,n-HA粒子表面的活性基团数量增加,与POC基体的结合更加紧密,因此表现出更优异的力学性能与更高的交联程度。

3)对于改性粒子复合物,POC/在力学性能及溶胀度方面明显优于POC/CHA,在溶胶含量方面与POC/CHA无明显差异。这是因为TA分子比CA分子有着更多的活性官能团,改性粒子与POC结合一方面是依靠HA表面钙离子的络合,另一方面依靠表面活性官能团与POC形成的氢键或化学键,故拥有更多活性官能团的THA与POC结合得更加紧密。

4)POC/THA的水接触角低于POC弹性体,而POC/CHA的水接触角高于POC弹性体。这是因为THA的掺入带来了大量亲水的酚羟基,提高了材料的亲水性,而CHA与POC反应会生成疏水的酯基,降低了材料的亲水性。