趙　娜，查汪藝,2，馬志剛，于佳禾，胡　生

(1湖北理工學院 化學與化工學院，湖北 黃石 435003；2美的集團武漢制冷設備有限公司,湖北 武漢 430056)

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羥基磷灰石對PLGA力學性能和降解性能的影響

趙娜1，查汪藝1,2，馬志剛1，于佳禾1，胡生1

(1湖北理工學院 化學與化工學院，湖北 黃石 435003；2美的集團武漢制冷設備有限公司,湖北 武漢 430056)

摘要：將自制的羥基磷灰石(HA)加入到聚乳酸乙醇酸無規(guī)共聚物(PLGA)中，采用干混熱壓的方法制備了不同比例的HA/PLGA復合材料，并用掃描電鏡進行了表征，研究了復合材料的力學性能和降解性能。力學性能研究表明， HA含量為5 wt%時HA/PLGA復合材料拉伸強度最大，較純PLGA稍有提高；降解實驗結果表明，HA的加入使復合材料的失重加劇，加快了PLGA的降解；HA的加入可以提高降解液的pH值，有利于減緩由于酸性降解產(chǎn)物引起的無菌性炎癥的發(fā)生。

關鍵詞：羥基磷灰石；PLGA；復合材料；降解性能

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)的化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，其中Ca/P的物質的量之比理論值為1.67。每個單位晶胞含有10個[Ca]2+、6個[PO4]3-和2個[OH]-，形成四面體網(wǎng)絡結構，這使得HA結構具有較好的穩(wěn)定性[1]。HA是人體和脊椎動物骨組織的主要無機組成成分，占人體骨組織的69%以上。人工合成的HA由于其結構、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，能與人體細胞和骨膠原緊密結合，誘導骨細胞生長和分裂，因此，HA被視為連接人體軟組織和硬組織的關鍵物質，被廣泛應用于骨損傷修復。但是，由于HA在組織工程應用中表現(xiàn)出脆性大、易碎、韌性差且不易加工成型等缺陷，限制了其在承力部位的應用[2]。

聚乳酸乙醇酸共聚物(PLGA)是一種生物可降解材料，無毒,可滅菌,具有較好的生物降解性能、生物相容性、生物可吸收性、機械強度、彈性模量和熱成型性[3]。PLGA的降解產(chǎn)物乳酸(LA)和乙醇酸(GA)可參與人體的新陳代謝，最終形成水和二氧化碳被排出體外。目前PLGA已被美國FDA批準為可用于人體的藥用輔料和醫(yī)用可降解材料，在生物醫(yī)學方面起著舉足輕重的作用[4]。

如果將HA和PLGA進行復合，將得到一種性能優(yōu)越的復合材料。韌性較好的高分子材料PLGA將脆性較大的HA包裹起來，克服了HA脆性大、韌性差和不易加工成型等缺陷，而HA較硬，在復合材料中將起到支撐作用，有利于復合材料的強度提高；HA呈弱堿性，可以中和PLGA降解過程中產(chǎn)生的酸性降解產(chǎn)物乳酸和乙醇酸，避免降解介質pH值過快下降，可能對PLGA在體內應用時引起的無菌性炎癥有一定緩解作用[5]；同時，HA是人體和脊椎動物骨組織的主要無機組成成分，將HA引入PLGA將有助于提高PLGA的成骨能力和生物相容性，能夠將兩組分各自所具有的生物可降解性和骨傳導性能有機地結合起來，HA還可為骨缺損部分提供優(yōu)質鈣、磷來源[6]。

本研究擬制備一系列HA/PLGA復合材料，并詳細研究他們的力學性能和降解性能，以揭示HA對PLGA性能的影響。

1實驗部分

1.1原料及儀器

四水硝酸鈣(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；磷酸氫二銨(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；PLGA(η=2.3 mPa·s, LA和GA的摩爾比為75∶25)。

掃描電子顯微鏡(S-3400N，日本日立公司);微機控制電子萬能試驗機(CMT413，深圳市新三思材料檢測有限公司);箱式電爐(SX2，上海申光儀器儀表有限公司);傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor 27，德國Bruker公司);精密pH計(PHS-W，上海般特儀器有限公司);平板硫化機(XLB-D，揚州市天發(fā)試驗機械有限公司)。

1.2HA的合成

HA的合成選擇沉淀法，參照文獻[7]進行。使用傅里葉變換紅外光譜儀，采用KBr壓片對產(chǎn)品進行分析。

1.3HA/PLGA復合材料的制備

用電子天平稱取一定質量的HA和PLGA，將二者混合均勻。用此方法制備一系列HA/PLGA混合物，其中HA含量分別為5 wt%,10 wt%,15 wt%,20 wt%與PLGA混合均勻。將混合均勻的樣品倒入模具中，在溫度為160 ℃、壓力為12 MPa時用平板硫化機熱壓10 min，取出，待樣品冷卻得到片狀復合材料。

用掃描電子顯微鏡對5 wt%HA/PLGA復合材料樣品淬斷面進行形貌分析。

將不同HA含量的片狀復合材料樣品分別切成樣條若干，然后在常溫下用電子萬能力學試驗機對樣條進行拉伸測試，拉伸速率為2 mm/min。

1.4HA/PLGA復合材料的降解實驗

將HA含量為5wt%的HA/PLGA復合材料和純PLGA材料制成樣條若干，用分析天平稱量每片樣條的原始質量W，每3片一組，置于pH=7.40的磷酸鹽緩沖溶液中，共分12組，在恒溫培養(yǎng)箱中70 ℃下進行降解，每隔24 h取出一組樣品，用pH計測試磷酸鹽緩沖溶液的pH值。

降解后的樣條用濾紙吸干表面的水，用分析天平稱其質量，記為W1，后放入恒溫干燥箱中干燥24 h，取出稱其質量，記為W0。

材料的失重率=(W-W0)/W×100%。

材料的吸水率=(W1-W0)/W0×100%。

2結果與討論

2.1合成羥基磷灰石的紅外光譜分析

圖1　羥基磷灰石的紅外光譜圖

2.2HA/PLGA復合材料的微觀形貌分析

選擇復合材料中力學性能最好的5wt%HA/PLGA復合材料進行微觀形貌分析。5 wt%HA/PLGA復合材料淬斷面不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖見圖2。

圖2　5 wt%HA/PLGA復合材料的掃描電鏡圖

由圖2可知，HA顆粒在PLGA基體中分散均勻，HA未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象；但可清晰看出，HA顆粒與PLGA基體之間有較為明顯的空隙，說明無機物HA與有機物PLGA之間的相容性較差，結合能力較差，使得HA與PLGA兩相之間存在較多缺陷，從下文拉伸強度的數(shù)據(jù)可以看出，這些缺陷將導致復合材料強度的下降和斷裂伸長率的減小。

2.3復合材料力學性能分析

不同含量的HA/PLGA復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率變化分別如圖3、圖4所示。

圖3　不同含量HA/PLGA復合材料的拉伸強度

由圖3可知，純PLGA具有較大的拉伸強度，達到了36.85 MPa。隨著HA的添加，HA含量為5 wt%時，HA/PLGA復合材料的拉伸強度達到了最高，為37.79 MPa，稍微高于純PLGA材料；隨后HA/PLGA復合材料的拉伸強度不斷降低，當HA含量為20 wt%時，復合材料的強度僅為10.99 MPa。

HA/PLGA復合材料的斷裂伸長率曲線與拉伸強度曲線形狀非常相似(見圖4)。當HA含量為5 wt%時，復合材料的斷裂伸長率達到最大，為2.47%。隨著HA含量的增加，復合材料的斷裂伸長率逐漸減小，HA含量為20 wt%時，復合材料的斷裂伸長率僅為0.47%。

圖4　不同含量HA/PLGA復合材料的斷裂伸長率

由此可見，少量HA對復合材料的拉伸性能無太大影響，但HA含量超過一定值時，復合材料變脆。這主要是由于HA與PLGA之間的相容性較差，兩相之間存在缺陷，相界面之間缺乏較穩(wěn)定的相互作用力，材料受力時，缺陷部位產(chǎn)生應力集中，使得復合材料界面脆弱，更易發(fā)生斷裂。HA含量增加，缺陷增多，相界面增多，從而導致斷裂伸長率不斷下降。

2.4復合材料降解性能考察

選擇PLGA和5 wt%的HA/PLGA復合材料在70 ℃溫度下進行降解實驗，系統(tǒng)考察降解后降解液的pH變化、材料的吸水率和失重率的變化。

降解過程中降解液pH值的變化如圖5所示。由圖5可知，純PLGA的降解液pH值變化曲線與HA/PLGA復合材料的降解液pH值變化曲線形狀較相似。純PLGA的降解液pH值在1～4 d變化不大，5～12 d后pH值下降比較顯著。復合材料的降解液pH值在1～5 d變化不大，6～12 d后pH明顯開始下降。但是復合材料的降解液的pH值在考察范圍內始終高于純PLGA的降解液的pH值，說明HA的加入可以減緩pH值的快速下降。

圖5　降解過程中降解液pH值的變化

PLGA降解后的產(chǎn)物為乳酸和乙醇酸，均呈酸性，隨著降解時間的延長，更多的降解產(chǎn)物溶解進入降解液，使降解液的pH值不斷下降。而復合材料中由于HA的加入，降解過程中中和了一定量的酸性降解產(chǎn)物，因而提高了降解液的pH值。

PLGA和5 wt%的HA/PLGA復合材料降解后的失重率變化如圖6所示。由圖6可知，純PLGA在5 d內的失重率變化不明顯，從第6 d開始，失重率進入加速增加階段。HA/PLGA復合材料前5 d的失重率維持在2%左右，明顯高于純PLGA。同樣從第6 d開始，失重率進入加速增加階段。但是復合材料的失重率始終高于PLGA，說明HA的加入加快了復合材料的重量損失速度。

這主要是由于復合材料中存在缺陷，使得降解液的滲入更加容易，導致復合材料的降解在表面和內部同時進行，降解加快。當降解時間很長以后，降解產(chǎn)物分子量已很小，當小到可溶于水時，樣品就會出現(xiàn)質量的降低，降解時間越長，低分子量的降解產(chǎn)物含量越大，樣品剩余質量越小，使得復合材料的失重率逐漸增加。

圖6　降解過程中材料的失重率變化

PLGA和5wt%的HA/PLGA復合材料降解后的吸水率變化如圖7所示。由于降解時間的增加，樣條降解程度加深，斷裂甚至碎成顆粒狀，導致無法測試吸水后樣品的質量，使得吸水率的數(shù)據(jù)從第7 d開始不完整。

由圖7可知，純PLGA在1～4 d的吸水率變化不大，從第5 d開始材料的吸水率加速增加。而HA/PLGA復合材料第1 d的吸水率就達到純PLGA的3倍之多。由此可見，HA的加入導致了HA/PLGA復合材料吸水率的增加。

圖7　降解過程中材料的吸水率變化

原因一方面是由于HA和PLGA兩相界面之間存在空隙，水分子進入空隙，導致了復合材料吸水嚴重；另一方面是因為PLGA降解后，降解產(chǎn)物分子鏈末端為羧基和羥基，都是親水性基團，降解時間越長，降解產(chǎn)物的羧基和羥基含量也越高，因而吸水率增加。

3結論

本研究用化學沉淀法合成了HA。

采用干混、熱壓的方法制備了HA/PLGA復合材料，在掃描電子顯微鏡下對復合材料的形貌進行了分析并對復合材料進行了力學性能和降解性能測試。

經(jīng)過對復合材料的形貌分析，發(fā)現(xiàn)HA顆粒在PLGA基體中分散均勻，無團聚現(xiàn)象。但是，HA顆粒與PLGA基體之間相容性較差，HA與PLGA兩相之間出現(xiàn)了清晰可見的缺陷。

力學性能測試的結果表明，PLGA材料力學性能較好，加入5 wt%的HA后，復合材料的力學性能稍微變化，拉伸強度為37.79 MPa，斷裂伸長率為2.47%。隨著更大量HA的加入，復合材料的拉伸強度逐漸下降，表現(xiàn)出越來越差的力學性能。因此，如何提高HA與PLGA基體界面的結合力是制備高強度HA/PLGA復合材料的關鍵。

通過對比純PLGA和HA/PLGA復合材料的降解液pH值的變化看出，HA的加入可以提高降解液的pH值。這是由于HA呈堿性，中和了部分PLGA的降解產(chǎn)物乳酸和乙醇酸，使得降解液pH下降較小，這將有助于減緩由于酸性降解產(chǎn)物引起的無菌性炎癥的發(fā)生。

由降解實驗可以看出HA的加入能夠加快HA/PLGA復合材料的體外降解。

總之，大多數(shù)HA含量的HA/PLGA復合材料的強度降低，但是HA的加入可以減緩降解液pH值的快速下降，加快PLGA的降解，有利于PLGA在臨床應用方面發(fā)揮更大的作用。

參 考 文 獻

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(責任編輯吳鴻霞)

收稿日期：2016-03-30

基金項目：湖北省自然科學基金項目面上項目(項目編號：2012FFC020)；湖北理工學院校級科學研究項目(項目編號：11yjz03R)。

作者簡介：趙娜，講師，博士，研究方向：生物可降解醫(yī)用高分子材料。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.005

中圖分類號：O631.2+2

文獻標識碼：A

文章編號：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