不同溶剂对医用聚氨酯/壳聚糖粉体共混膜结构的影响

左丹英，徐卫林，王 琰

(武汉纺织大学 新型纺织材料绿色加工及其功能化教育部重点实验室，湖北 武汉，430073)

壳聚糖是一种资源丰富的天然大分子，具有良好生物相容性、生物可降解性，但其吸水性极强，形成的纤维或膜材料的湿态机械强度差，作为医用材料其应用受到限制[1-2]。将壳聚糖与其他聚合物进行共混改性既能保持壳聚糖特有的优异性能，又能得到壳聚糖单纯使用时所没有的综合性能[3-4]。生物医用聚氨酯具有良好的力学性能、性能可控和生物相容性，是获准临床应用的生物材料之一[5]。近年来，壳聚糖/医用聚氨酯共混膜作为人造皮肤、敷料、人造血管用多孔支架材料的研究引起人们广泛兴趣[6-7]。壳聚糖和聚合物共混膜或支架一般采用壳聚糖溶液和聚合物溶液共混制备相转化膜[8]，但是，由于壳聚糖只溶于稀有机酸水溶液中，而水是绝大多数聚合物溶液的沉淀剂，因此，此方法极大地限制了壳聚糖在共混溶液中的含量。为此，本文作者拟采用相转化法制备壳聚糖粉体/聚氨酯复合支架，考察不同溶剂对制膜体系的热力学稳定性以及共混膜结构和性能的影响，这对进一步开发聚氨酯组织工程支架材料具有一定的意义。

1 实验部分

1.1 原材料

(1) 壳聚糖粉末(CSP)，上海邦成化工有限公司生产，医药级，脱乙酰度在90%以上，黏均相对分子质量为54，平均粒径为78.08 µm。

(2) 原料壳聚糖粉末，经自制设备[9]，将其研磨成平均粒径为4.11 µm的微米级粉末。

(3) 生物医用聚氨酯(BPU)，DOW Chemical公司生产，型号为Pellethane®2363-80AE，呈固体颗粒状。

(4) 溶剂N, N－二甲基乙酰胺(DMAc)，N, N－二甲基甲酰胺(DMF)和1,4－二氧六环(Do)，均购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯。

1.2 共混溶液的制备及凝胶值的测定

将一定比例的 CSP和 BPU及溶剂的混合物于60 ℃加热搅拌溶解，直至得到均匀的溶液为止。将此溶液进行真空脱泡、冷却，备用。采用浊度法测定不同体系的凝胶值[10](凝胶值是指使15 g共混溶液发生凝胶时所需要的非溶剂水的质量)。

1.3 共混膜的制备

采用浸没沉淀法制备CSP/BPU多孔材料。在自制的玻璃模具上采用延流法将共混溶液刮制成膜，随后将模具放入非溶剂浴(水浴)中得到共混膜；最后，将共混膜在蒸馏水中浸泡24 h后晾干。

1.4 共混膜材料的表征

1.4.1 孔隙率测试

CSP的密度 ρc为 0.942 g/cm3, BPU 的密度 ρp为1.12 g/cm3。理论密度计算式为：

式中：ρ多孔膜的理论密度(g/cm3)；w(CSP)为CSP质量分数；w(BPU)为BPU质量分数。

实际密度测量值计算式为：

式中：ρ′为多孔膜的实际密度(g/cm3)；l，h和t分别为多孔膜的长度、宽度和厚度(cm)。

多孔膜的孔隙率P可由下式计算：

1.4.2 透湿汽性能测试

共混膜的水蒸气透过速率采用倒杯法测量，测量气流采用干燥高纯氮气，流量为2 000 cm3/min，实验测试温度为30 ℃。

1.4.3 溶胀度测试

将质量为m1的共混膜试片(长×宽为20 mm×30 mm)用去离子水浸泡，每隔一定时间取出，用滤纸小心吸干表面水，称其质量m2，按下式计算溶胀度Q，对每个样品测量3次，结果取平均值。

1.4.4 SEM分析

将待测样品在无水乙醇中浸泡12 h后取出晾干，在液氮中脆断后将其表面和截面喷金，采用扫描电子显微镜(FEI，SIRion200)观察共混膜的形态结构。加速电压为15 kV。

1.4.5 力学性能测试

剪取长为10 cm、宽为1 cm的膜样条，在万能材料强力测试仪(INSTRON5560，USA)上进行拉伸试验。拉伸速率为100 mm/min，夹具之间距离为10 mm。对每个样品测量10次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 溶剂不同时共混溶液的热力学性质

当配比 w(CSP)/w(BPU)固定在 30:70，固含量为15%时，随着所用溶剂的不同，溶液体系的凝胶值差异较大。图1显示了15 g 3种溶剂（DMF，DMAc和DO）的铸膜液发生凝胶时所需要的非溶剂量。3种体系的凝胶值从大至小分别为DO体系、DMAc体系和DMF体系，说明这3种制膜体系的稳定性依次降低。其原因可用如表1所示的溶解度来解释：溶剂与非溶剂水的溶解度差(δt-W-δt-S)越小，说明溶剂与非溶剂的亲和性越好，铸膜液发生凝胶时需要的非溶剂就越少，体系越不稳定[10]。表1显示3种体系的δt-W-δt-S从大至小对应的溶液体系分别为DO体系、DMAc体系和DMF体系，因此，3种溶剂体系的铸膜液发生凝胶所需非溶剂的量从大到小分别为DMF体系、DMAc体系和DO体系；另一方面，聚合物与溶剂的亲和性也影响体系的热力学性质，聚合物与溶剂的溶解度参数差(δt-S-δt-P)越大，表明溶剂与聚合物的相容性越差，溶液体系发生相分离所需要的非溶剂的含量就越少。3种体系的δt-S-δt-P依DMF体系、DMAc体系和DO体系的顺序减小(表1)，说明铸膜液体系的稳定性依这个顺序增强，使体系发生热力学相分离的非溶剂含量依次增加，这与实际测得的凝胶值相吻合。

图1 不同溶剂时铸膜液的凝胶值Fig.1 Coagulation values of casting solutions with different solvents

表1 溶剂、水和聚氨酯的溶解度及其相互溶解度之差Table1 Solubility parameters of solvents, water and polyurethane and solubility difference with each other

2.2 不同溶剂对CSP/BPU共混膜结构的影响

以 DMAc，DMF和 DO为溶剂，相对应的w(CSP)/w(BPU)共混膜编号为a，b和c。表2所示为3种膜的孔隙率P、平衡溶胀度Q和水蒸气透过速率。从表2可见：3种膜的孔隙率、平衡溶胀度和水蒸气透过速率从大至小分别为：a，b和 c。3种共混膜表面和断面的SEM照片见图2。从图2可以看出：当溶剂由DMAc变为DMF和DO时，膜的上表面结构越来越致密(图2(a1)，(b1)和(c1))；3种膜的下表面均为多孔结构，图2(a2)，(b2)和(c2)所示的孔径依次减小；3种膜的断面形貌差别很大，a膜断面中大孔发展充分，贯穿于整个断面(图(a3))，b膜的断面胞腔状结构向大孔结构转变，大孔结构占据整个断面的一半(图2(b3))；以而DO为溶剂时，c膜断面呈现致密结构(图2(c3))。从电镜照片可推断：当溶剂由DMAc变为DMF和DO时，所得膜的上表面越来越致密，下表面孔径减小，断面大孔的发展越来越受到抑制，因此，a，b和c这3种膜的孔隙率依次减小，这与测试结果一致。

在膜材料化学组成相同的情况下，溶胀度主要受膜孔隙率的影响，孔隙率越大，溶胀度越大。3种膜的孔隙率以DMAc，DMF和DO的顺序依次降低，因此，溶胀度 Q也依次降低(见表2)。在多孔材料中，水蒸气透过机理有2种：孔中的水蒸气透过的机理主要是扩散原理，水蒸气透过速率主要取决于孔径、曲率等；支架材料中致密层中的水蒸气透过服从溶解扩散原理，水分子先溶胀进入支架材料分子链之间，然后，在支架两侧的浓度差或压力差下扩散出来。溶解-扩散过程的透湿速率主要取决于材料的性质，材料与透过物的亲和性越高，溶解进入支架中的透过物分子就越多，最终的透过量就越大[11]。3种溶剂制备的膜材料组成相同，而且3种膜均为多孔膜，所以，水蒸气透过的传递机理应该是扩散原理，即湿气透过速率的主要影响因素是膜的孔隙率。3种膜的孔隙率以DMAc，DMF和DO的顺序依次降低，所以，所得3种膜的水蒸气透过速率依次减小。

表2 不同溶剂时共混膜的性质Table2 Properties of blend membranes prepared from different solvents

表3 不同溶剂时CSP/BPU共混膜的力学性能Table3 Mechanical properties of membranes prepared from different solvents

将共混膜作为支架，膜需要达到一定的强度。表3所示为3种膜的拉伸性能。从表3可见：这3种膜的弹性模量、断裂强度、断裂伸长率和断裂能由小到大的顺序为DMAc，DMF和DO。因为以DO为溶剂时，成膜速度最慢，因而形成的膜最致密，孔隙率最小，故以DO为溶剂时的力学性能最好；DMAc成膜速度较快，形成的孔较大，孔隙率也较高，故以DMAc为溶剂时的力学性能最差；而 DMF的成膜速度居于DMAc和DO的成膜速度之间，因而其力学性能也居于这二者之间。但是，这3种溶剂所制备的共混膜均使聚氨酯膜具有优良的力学性能。

图2 不同溶剂时CSP/BPU共混膜的扫描电镜照片Fig.2 SEM photos of CSP/BPU blend membranes prepared from different solvents

2.3 成膜过程分析

膜结构主要受铸膜液体系的热力学性质及其成膜动力学过程的影响，体系热力学稳定性越好以及传质扩散越慢，则分相速度就越小，越容易生成较致密的膜；反之，生成多孔膜[10]。3种制膜体系的热力学稳定性从强至弱分别为：DO体系、DMAc体系和DMF体系。所以，从热力学性质角度看，膜的孔隙率从大至小分别为DMF，DMAc和DO，与实际测试结果(从大至小分别为DMAc，DMF和DO)不符。

影响膜结构的另一个因素是成膜动力学过程，即溶剂/非溶剂相互扩散速度。在皮层形成的第1步即可认为聚合物处于一种实际的稳定状态，只有溶剂和非溶剂进行相互交换过程。定性地用溶剂、非溶剂的相互扩散系数的调和平均值(Dm)来表示溶剂和非溶剂的扩散速度(见式(4))[12]。而溶剂在非溶剂中的扩散系数()和非溶剂在溶剂中的扩散系数()可以由下式计算[13]。

3种溶剂和非溶剂水的物理参数见表 4。据式(4)和(5)，3种溶剂/非溶剂体系的相互扩散系数见表5。从溶剂/非溶剂的相互扩散系数 Dm看，成膜时溶剂/非溶剂相互扩散速度从大到小的顺序为 DMF体系、DO体系和DMAc体系。相互扩散速度大，沉淀越容易，分相越易发生，从而膜的结构容易呈现多孔(高孔隙)。因此，单纯从扩散动力学角度来分析，形成膜的孔隙率从大至小应该是：b，c和a，这个顺序依然与实测结果(从大至小顺序为a，b和c)不符。

表4 溶剂与水在25 ℃时的物理参数Table4 Physical parameters of solvents and water at 25 ℃

表5 溶剂与非溶剂体系的相互扩散系数Table5 Mutual diffusion coefficient of solvents and nonsolvent

从以上热力学性质与动力学扩散过程的分析结果可以看出：针对不同的制膜体系，膜的结构和形态的主要控制因素可以是热力学性质或动力学扩散过程或者两者都有[14]。对于DO体系，主要是热力学性质控制成膜过程，因为DO与水的亲和性很高，尽管它们之间相互扩散的速率较高(Dm=13.55)，但是，此成膜体系分相速度仍较低，表现出延时分相，生成了致密的膜，膜的孔隙率最小。而对于DMF和DMAc 2个体系，主要控制因素是动力学扩散过程。皮层的生成阻碍了亚层和凝固浴的相互传质，即非溶剂扩散进入亚层的含量大于溶剂扩散出亚层的含量，此时，亚层中的溶剂损失很小，聚合物浓度几乎没变，皮层下方的一部分成分迅速地进入液液分相区，生成了贫、富两相，贫相核分布在连续的富相中。如果在亚层内，溶剂向非溶剂扩散系数大于非溶剂向溶剂扩散的系数，说明从贫相核前沿铸膜液向核扩散的溶剂含量大于贫相核向核前沿铸膜液扩散的非溶剂含量，这正是大孔发展所需要的，生成的膜具有大孔，孔隙率较高。若，则贫相核前沿铸膜液的稳定性下降，也将发生分相，这样就阻止了已经生成的核继续长大，于是，亚层容易生成海绵状或胞腔状的孔结构，使膜的孔隙率较低。高于越多，膜的中大孔结构越小。表5中最后一列列出了DMAc和DMF体系的2个扩散系数之比，可以看出：DMF体系的扩散系数之比要大于DMAc体系的扩散系数之比，这说明 DMF体系更易生成孔隙率降低的胞腔状结构，而DMAc易生成较高孔隙率的大孔结构。

3 结论

(1) DMAc，DMF和DO这3种溶剂体系铸膜液的凝胶值从大至小分别为 DO体系、DMAc体系和DMF体系，说明这3种体系铸膜液耐凝胶能力依次下降，即热力学稳定性下降，倾向于发生瞬时分相。

(2) 3种体系的亚层分相速度按照 DMAc，DMF和 DO的顺序减小，成膜分相速度愈快，生成的膜的孔隙率愈高，因此，这3种溶剂体系所制备的膜的孔隙率和表面孔径按照DMAc，DMF和DO的顺序依次减小，相对应的膜的溶胀度、透湿性也按照DMAc，DMF和 DO的顺序依次减小，并且其力学性能依次提高。

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