新型改性的n-HA与PLGA复合材料的制备及性能研究
蒋立新1,2, 蒋柳云1, 马驰1,2, 韩崇涛1,2, 徐莉娟1,2, 熊成东1
1. 中国科学院 成都有机化学研究所, 成都 610041
2. 中国科学院大学, 北京 100049
蒋柳云, 副研究员. E-mail:jlytxg@163.com

蒋立新(1987-), 男, 硕士研究生. E-mail:jlx198765@126.com

摘要

采用硅烷偶联剂(KH550)和L-丙交酯LLA联合接枝处理的新方法对纳米羟基磷灰石(n-HA)进行表面改性, 然后将其与聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)作不同比例复合(n-HA为3wt%、10wt%、20wt%及30wt%), 得到改性n-HA/PLGA复合材料(g-n-HA/PLGA)。将其与未改性n-HA及未改性n-HA/PLGA复合材料作对比检测。结果表明, 该联合处理方法是n-HA进行表面接枝改性的新型有效方法。且改性处理后的n-HA与未改性处理的n-HA相比, 能更好地在PLGA基体中分散均匀, 并能提高PLGA结晶能力和PLGA的力学性能。当改性处理后的n-HA添加量为10wt%时, 其复合材料抗弯强度和拉伸强度分别比未改性n-HA/PLGA提高14.4%和11.3%。该新型g-n-HA/PLGA复合材料有望用作骨折固定材料。

关键词: 纳米羟基磷灰石; 表面改性; 复合材料; PLGA
中图分类号:R318   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2013)07-0751-06
Preparation and Characterization of Nano-hydroxyapatite/PLGA Composites with Novel Surface-modified Nano-hydroxyapatite
JIANG Li-Xin1,2, JIANG Liu-Yun1, MA Chi1,2, HAN Chong-Tao1,2, XU Li-Juan1,2, XIONG Cheng-Dong1
1. Chengdu Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
2. Graduated University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

Nano-hydroxyapatite (n-HA) was modified by a new method of combining silane coupling reagent (KH550) with surface-grafting L-lactide LLA. Then, the surface-modified n-HA (g-n-HA) was introduced into poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) to prepare a series of g-n-HA/PLGA composites with the concentration of 3wt%, 10wt%, 20wt% and 30wt%. The properties of the g-n-HA/PLGA composites were characterized and compared with PLGA and n-HA/PLGA composites. The results show that n-HA is successfully modified by KH550 and L-LA. The g-n-HA particles could disperse more uniformly in PLGA matrix and promote PLGA to crystallize. The obtained g-n-HA/PLGA composites has better mechanical properties than those of n-HA/PLGA composites with the same amount of n-HA. Moreover, the bending and tensile strength of g-n-HA/PLGA composite containing 10wt% g-n-HA are 14.4% and 11.3% which is higher than that of pure PLGA, respectively. Therefore, the g-n-HA/PLGA composite is promising for bone fracture internal fixation material in future.

Keyword: nano-hydroxyapatite (n-HA); surface modification; composite; PLGA

聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)是由L-丙交酯和乙交酯两种单体共聚合而成的高分子共聚物, 是目前常用的骨折固定材料, 但单纯的PLGA材料作为骨折固定材料在临床应用中仍然存在一些缺点, 如力学强度不足, 降解酸性产物过多, 且缺乏成骨活性。 随着纳米技术的出现, 将无机纳米粒子添加于PLGA基体中以改善其固有的缺陷已成为研究热点[ 1, 2]

纳米针状羟基磷灰石(n-HA)微晶在形态、晶体结构和结晶度上与人体骨组织的磷灰石相似, 具有良好的生物相容性和骨传导性, 是公认的性能良好的骨修复材料[ 3]。但由于n-HA粒子粒径小极易团聚、亲水性好, 不易与疏水性PLGA基体界面相容, 导致复合材料力学性能不佳, 因而需要对n-HA粒子表面进行改性[ 4]。近年来, 有关 n-HA的表面改性有聚多酸、硅烷偶联剂和十二烷醇等[ 5, 6, 7], 其中丙交酯接枝处理效果较好[ 8, 9], 即利用n-HA表面的羟基引发丙交酯开环聚合, 得到表面接枝有聚乳酸的n-HA, 从而改善其与PLGA复合的界面相容性。但通常将n-HA直接与丙交酯接枝时, 由于亲水性n-HA在疏水性溶剂中很难均匀稳定分散, 且n-HA本身表面的-OH活性不高, 因而不利于接枝反应, 以致复合后的材料力学性能不能有效提高, 尤其是n-HA以高含量复合时抗弯强度获得提高的报道甚少, 而抗弯强度是骨折固定材料的一个重要力学性能指标, 因而有必要探索n-HA的新型改性法以获得PLGA抗弯强度能有效提高的复合材料。

本研究采用新的改性方法对n-HA粒子进行表面处理, 即先将n-HA用硅烷偶联剂(KH550)处理, 再与丙交酯接枝处理, 一方面可以改善n-HA接枝前的表面疏水性, 以防止其团聚, 另一方面也可利用KH550的-NH2引发丙交酯开环聚合, 以改善其接枝反应。将上述改性得到的n-HA以不同比例与PLGA复合, 以纯PLGA及未改性的n-HA/PLGA复合材料作为对照, 考察该新型改性法处理的n-HA在PLGA基体中的分散性、复合材料的热力学性能和力学性能。

1 材料和方法
1.1 原材料

n-HA粒子长径为100~120 nm, 短径为20~40 nm, PLGA(95/05)分子量为3.6×105~3.9×105, 均由本实验室自制; γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550), 四川晨光工程设计院; L-丙交酯, Purac公司; 辛酸亚锡, 美国Sigma公司; 其它试剂都为分析纯。

1.2 n-HA的表面改性

将10 g n-HA超声分散于60 mL乙醇和水的混合液中, 加入含2 g KH550的50 mL乙醇和水(9:1)混合的水解液, 用NaOH溶液调节pH为9~10, 70℃下反应8 h, 离心并用热水洗涤3遍, 产物于130℃下真空干燥8 h, 记为KH550-n-HA。将KH550-n-HA超声分散于100 mL二甲苯中, 加入0.05 g 辛酸亚锡催化剂, 于氮气保护下138℃反应2 h后, 再加入100 mL含10 g丙交酯的二甲苯溶液, 继续反应18 h, 用二氯甲烷离心洗涤5遍, 于50℃下真空干燥24 h。最终改性产物记为g-n-HA。

1.3 g-n-HA/PLGA复合材料的制备

将g-n-HA粉末于二氯甲烷和乙醇混合液中超声分散后, 按质量分数分别为3wt%、10wt%、20wt%、30wt%的量加入PLGA的二氯甲烷溶液中, 超声搅拌4 h后用大量无水乙醇沉淀。将沉淀过滤并用无水乙醇洗涤3遍, 40℃真空干燥备用。复合材料记为g-n-HA/PLGA。同时按以上过程制备一系列同比例n-HA未经改性的n-HA/PLGA复合材料用于对比研究。

1.4 测试与表征

将KH550-n-HA、g-n-HA和n-HA粉末用美国Nicolet公司(6700)红外光谱仪进行测试; 将g-n-HA和n-HA粉末用X SAM-800型XPS对样品表面元素状态进行分析, 用Perkin-Elmer 7型热重分析仪在N2气氛中以10℃/min速率从室温升至700℃, 测定样品失重率; 用JEM-100CX型电子显微镜和直观照片分别观察形貌及其在疏水性溶剂中的分散稳定性。

将g-n-HA/PLGA与n-HA/PLGA复合材料加工成型后, 取样品断面喷金后在扫描电子显微镜(SEM, S-520, 日本HITACHI公司)下观察其微观结构; 用差示扫描量热仪(DSC, Q20, 美国TA instruments公司)测试复合材料及纯PLGA的热力学性能; 采用万能材料试验机(SANSCMT4503, 中国深圳SANS公司)对复合材料及纯PLGA按GB/T1042-92标准测试弯曲及拉伸性能, 每个样品测5个平行样取平均值。

2 结果与讨论
2.1 n-HA的改性

2.1.1 IR分析

图1为n-HA、KH550-n-HA及g-n-HA的红外光谱图。从图可知, 未改性的n-HA(图1a)特征峰有PO43- 吸收峰(962.0、1038.7、1091.5、471.8、565.1以及602.7 cm-1)和-OH吸收峰(3570.1及630.6 cm-1); 另外在1452和1413 cm-1还出现双峰, 属CO32-反对称伸缩峰, 表明CO32-进入 HA晶格, 与文献报道相一致[ 10]。对于KH550-n-HA样品(图1b), 相比于n-HA, PO43- 吸收峰无明显变化, 而3570.1以及630.6 cm-1处的-OH吸收峰变弱, 且在2931.8 cm-1处出现C-H伸缩振动峰, 在3422.8 和692.3 cm-1处分别出现了-NH2的N-H的伸缩振动峰和弯曲振动峰, 表明KH550与n-HA之间存在化学键合作用, 即KH550已接枝在n-HA表面。g-n-HA样品(图1c)显示依然出现n-HA特征峰, 但692.3 cm-1的-NH2的N-H峰发生了轻微的偏移, 同时在2984.9、2938.2和2880.2 cm-1处出现更强的C-H伸缩振动峰, 且在1751.7 cm-1处出现酯羰基吸收峰[ 11, 12], 证明聚乳酸已接枝于n-HA表面, 且改性后的g-n-HA其主要化学组分并未发生改变。由此证明采用KH550和LLA联合处理法可对n-HA有效接枝。

图1 n-HA改性前后的红外光谱图Fig. 1 IR spectra of n-HA before and after modification(a) n-HA; (b) KH550-n-HA; (c) g-n-HA

2.1.2 XPS能谱分析

为进一步确证其接枝改性成功, 采用XPS对n-HA与g-n-HA进行了表面化学元素分析。图2表1分别给出了改性前后的全扫描XPS能谱图和元素含量。从图可以看出, 改性前主要有Ca、P、O及C元素, 改性后还出现了Si、N元素, 证明KH550已接枝于n-HA表面; 从元素含量变化也可看出g-n-HA中新增了Si和N元素, 且C元素含量比改性前明显提高, 证明KH550和聚乳酸已成功接枝于n-HA表面[ 6], 这与红外分析结果一致。

图2 n-HA经表面改性前后的全扫描XPS能谱图Fig. 2 XPS spectra of n-HA before and after modification(a)n-HA; (b) g-n-HA

表1 表面改性前后n-HA粒子的元素分析(at%) Table 1 Contents of different elements of n-HA particles before (n-HA) and after (g-n-HA) modification(at%)

2.1.3 TGA测试

图3热失重曲线显示n-HA的失重率为4.703%, 这主要是由于n-HA表面的水分、结晶水以及HA晶格中的水造成的, 与文献报道数据基本一致[ 13]。而g-n-HA的失重率为8.097%, 结合前面IR及XPS分析, 分析其失重主要是由接枝的KH550及聚乳酸在升温过程中燃烧造成的, 由此更定量说明该新型接枝改性确已在n-HA表面发生。

图3 n-HA改性前后的TGA曲线Fig. 3 TGA curves of HA before and after modification(a) n-HA; (b) g-n-HA

2.1.4 分散性观察

图4图5是考察改性后n-HA在疏水性溶剂二氯甲烷中分散性的结果, 图4为n-HA和g-n-HA的TEM照片。照片显示n-HA改性后形貌尺寸略有变大, 为表面接枝包覆引起。从图5可看出, n-HA在30 min内已从二氯甲烷中逐渐沉淀完全, 而g-n-HA则在2 h内仍然保持良好的分散。这说明经表面改性的g-n-HA分散性明显改善, 将有助于其与PLGA在二氯甲烷溶液中进行均匀复合[ 14]

图4 n-HA改性前后的TEM照片Fig. 4 TEM micrographs of HA before and after modification(a) n-HA; (b) g-n-HA

图5 改性前后的n-HA 在二氯甲烷中分散不同时间点的照片Fig. 5 Photographs of n-HA (a) and g-n-HA (b) dispersed in dichloromethane at different stages

2.1.5 改性机理分析

通过以上分析, 该新型改性机理推测如下: 首先是偶联剂KH550在碱性水溶液中主要发生如下反应:H2N(CH2)3Si(OCH3)3 + H2O→H2N(CH2)3Si(OH)3 + CH3OH

由于n-HA浆料具有较大的比表面积, 在溶液中其表面存在很多悬空键, 有大量活性中心, 可与水解后的偶联剂反应。其偶联结合方式有两种[ 6]: 第一种是Si-OH与n-HA上的-OH、HPO42-、PO43-基团形成强的化学键; 第二种可能是硅羟基或氨基与n-HA表面的-OH、HPO42-形成氢键。但由于产物经水热洗涤过多遍, 结合以上IR分析结果推测该新型改性可能以第一种结合方式为主, 即KH550连接在n-HA表面后, 再利用其末端氨基引发L-LA的开环聚合。整个改性过程如图6所示。

图6 n-HA表面改性的示意图Fig. 6 Illustration for the surface modification of n-HA

2.2 复合材料

2.2.1 SEM观察

由于纳米粒子在高聚物基体中的微观结构与复合材料的力学强度紧密相关, 故本研究观察了复合材料断面SEM形貌(图7)。从照片可知, 未经改性的n-HA纳米粒子在基质中的团聚现象严重(图中箭头所示), 且界面结合较差; 而改性处理后的g-n-HA粒子则具有更好的分散性和界面结合。n-HA采用直接接枝后含量为15wt%时在PLLA中的分散会出现大块团聚[ 15]。相比之下, 本研究中的g-n-HA分散性明显改善, 说明所探索的新型改性方法能有效改善n-HA在PLGA中的分散性及界面相容性。

图7 n-HA/PLGA复合材料的断裂面SEM照片Fig. 7 Fracture surfaces of n-HA/PLGA composites(a)-(d): n-HA/PLGA; (A)-(D):g-n-HA/PLGA

2.2.2 DSC分析

对材料的DSC分析可以从微观上了解其结晶性能。表2数据显示, 复合材料的熔点 Tm和玻璃化温度 Tg都比纯PLGA低; 熔融焓 △Hm和结晶度 Xc都随着n-HA含量的增加呈递增趋势, 且添加相同量的n-HA时, g-n-HA/PLGA复合材料的 △Hm Xc都比n-HA/PLGA的大。这一方面是由于添加的n-HA起到了异相成核作用[ 16], 加快了PLGA成核的速度, 另一方面是由于加入n-HA后基质链段可以吸附在其表面有序排列, 提高结晶速率, 从而使结晶能力增强; 同时经改性的n-HA表面接枝的PLLA链段能更有效地与基质PLGA链段相互穿插缠绕, 使得界面结合强度增加, 从而使基质链段更易于吸附于n-HA粒子表面成核结晶, 此外, 改性后的n-HA粒子在PLGA基体中更好的分散性也可提高复合材料的结晶能力。显然, 复合材料结晶能力的提高也有利于其力学性能的提高。

表2 HA/PLGA复合材料的热力学性能 Table 2 Thermal properties of HA/PLGA nano-composites determined by DSC

2.2.3 力学性能测试

对于骨折固定材料来说, 材料的初始力学性能是临床应用中重要的指标。图8给出了两类复合材料的抗弯强度及拉伸强度随n-HA含量变化的曲线图。从图可知, n-HA/PLGA复合材料的抗弯强度和拉伸强度比不添加n-HA的纯PLGA要低, 且添加量越高, 强度越低, 未体现出纳米粒子对PLGA力学性能提高的效果。而g-n-HA/PLGA复合材料在添加量不超过10%时, 抗弯强度和拉伸强度均有提高, 当添加量为10wt%时达到最高值, 其抗弯强度和拉伸强度分别比不添加n-HA的PLGA提高了14.4%和11.3%。与文献报道相比[ 15], 本研究制备的g-n-HA添加量可更高, 力学性能增强效果也更明显, 可满足松质骨固定力学性能的要求。但添加量过高时, 力学性能反而比纯PLGA低, 这与纳米粒子增强聚合物力学性能的一般规律相符。

图8 HA/PLGA复合材料的力学强度Fig. 8 Mechanical properties of HA/PLGA composites(a) Bending strength; (b) Tensile strength

3 结论

1) 基于KH550的偶联剂作用及提供-NH2与丙交酯开环聚合的特性, 采用联合接枝处理法对n-HA进行了表面改性, 经各种表征证实该联合处理法能有效对n-HA进行表面接枝, 是一种新型n-HA改性方法。

2) 将新型改性法处理得到的g-n-HA以不同质量比与PLGA复合后, 与未经改性的n-HA/PLGA复合材料相比, 前者更能在PLGA基体中均匀分散, 更有效提高PLGA结晶能力和力学性能。

3) 当改性得到的g-n-HA添加量达10wt%时, g-n-HA/PLGA复合材料抗弯强度及拉伸强度分别比纯PLGA提高了14.4%和11.3%, 有望用作骨折固定材料。

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