纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶的结构与性质研究

王宏丽,陈风雷,李 智,辛 莹

(成都医学院药学院,四川成都 610083)

0 引 言

关节软骨的损伤和病变是骨科临床常见疾病,由于关节软骨组织自身修复能力极其有限,导致患者在软骨损伤和缺失后往往不能自行修复,因而其修复和功能重建是临床外科十分重要的研究课题之一[1].组织工程化软骨,具有取材方便,无免疫排斥反应等优点,一直是关节软骨缺损修复的研究热点,其中材料的选择是组织工程化软骨研究的关键[2-3].目前,在组织工程化软骨材料的选择中,人们多选用与软骨生物力学性能相近的高弹性材料,如硅橡胶、聚氨酯、聚乳酸等作为原料[4-5].其中,硅橡胶不仅易磨损,而且易吸收体液中的油性物质而短期老化失效;作为需长期使用的植入材料,聚氨酯的降解性能有待进一步改进,其固化剂二异氰酸酯的水解产物又是一种潜在的致癌物质.

近年来,利用聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)水凝胶作为人工软骨植入材料引起了科研人员的重视[6].PVA水凝胶具有类似天然软骨的多微孔组织,内含大量的水,是一种可渗透材料.在载荷作用下, PVA材料中挤出的液体被卷吸可作为润滑剂,其高含水性和表面结构与天然软骨组织非常相似[7].在透明质酸润滑条件下,PVA水凝胶与人关节软骨具有相似的摩擦学特性[8].与大多数合成材料一样, PVA水凝胶虽然无毒,但缺乏生物活性,不能与骨组织形成生物性结合,无法实现与骨的长久固定.羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)是自然骨中主要的无机矿物成分,具有良好的生物相容性与生物活性,能够与骨组织形成生物键合而被广泛用于人体硬组织修复中,但其脆性较大,常与聚合物复合以提高其韧性和机械加工性能[9].研究发现,海藻酸钠(SA)溶液在钙离子存在时可通过离子交联反应形成交联的海藻酸钙聚合物,具有良好的亲水性,营养物质易于渗透扩散,并且可在生物体内降解生成甘露糖醛酸和葡萄糖醛酸单体,在生物医学领域有着广泛的用途[10-11].据此,本研究综合3种组分材料的优点,制备了一种n-HA/PVA/SA三元复合水凝胶材料,以期用于软骨的修复和替换.

1 实 验

1.1 材 料

实验所用材料包括:海藻酸钠(黏度=600 mPa. S,食用级),由青岛晶岩生物制品公司提供;n-HA晶体浆液由本实验室自制[12];PVA(分子量=125,999,分析纯)和CaCl2(分析纯)均由成都科龙化学试剂公司提供.

1.2 复合水凝胶制备

取适量PVA溶于90℃以上去离子水中配制成浓度为10 wt%的PVA水溶液.将温度控制在50℃,按n-HA/PVA/SA不同比例称取各组分,加入SA粉末,继续搅拌2 h.然后将n-HA浆料加入到上述混合溶液中,70℃搅拌2 h后加入3 mL 3 wt%的CaCl2溶液,在800 rpm转速下强烈搅拌20 min.脱泡后,将复合液倒入模具中,冷冻成型(温度为-25℃,时间为6～12 h),然后将试样于室温下放置3 h解冻.上述冷冻、解冻过程反复进行5次得到复合水凝胶试样.

1.3 样品测试

1.3.1 含水率.

用滤纸吸去复合水凝胶试样表面的水分后称重,得复合水凝胶试样的湿重W1,然后将该试样真空干燥后再称重,得复合水凝胶试样的干重W2.复合水凝胶的含水率(Cw)计算式为,

1.3.2 燃烧实验.

将真空干燥后的复合水凝胶试样取3个平行样品置入马弗炉中,于大气环境下在800℃烧结4 h,完全燃烧其中的有机物,将残留物(HA)称重,记为W3,n-HA在复合水凝胶试样中的百分含量(Wn-HA)用下式计算,

1.3.3 扫描电子显微镜(SEM)观察.

设计意图：让学生知道酒精脱色的原理和掌握酒精脱色方法；不用明火水浴加热酒精，消除可能因操作不当引发火灾的安全隐患；恒温在酒精沸点之下加热，避免酒精因沸腾飞溅出来意外伤到学生；全班共用一套仪器集中脱色，可以节省仪器、简化操作、便于课堂管理和安全监控。

试样经冷冻干燥后,表面均匀喷涂厚度大约为10μm的金膜,用扫描电子显微镜(JSM-5900LV,日本)对样品表面形貌和断面的微观形貌进行观察.

1.3.4 傅里叶变换红外光谱(IR)分析.

将制备的复合水凝胶试样碾磨、真空干燥、过200目筛后,用红外光谱仪(Nicolet-170SX FTIR,PE公司),在波长4 000 cm-1～400 cm-1范围对试样所含基团进行分析.

1.3.5 X射线衍射(XRD)分析.

将真空干燥后的复合水凝胶试样粉末,用XRD射线衍射仪(Cu靶,石墨单色器)(DX-2500型,丹东)对样品进行晶态分析,扫描管电流/管电压为40 kV/ 25 mA.

1.3.6 干凝胶吸水率的测定.

2 结果与讨论

2.1 均一性分析

2.1.1 含水率(Cw).

从实验所制备的复合水凝胶试样中,随机取3种,每种分为A、B、C 3份,分别测定其含水率,结果如表1所示.

表1 复合水凝胶试样的含水率(Cw)

从表1数据可看出,水份在复合水凝胶试样中含量均一.

2.1.2 燃烧实验.

从实验所制备的复合水凝胶试样中,随机取3种,每种分为A、B、C 3份,按前述方法进行燃烧实验,结果如表2所示.

表2 复合水凝胶试样燃烧实验中n-HA的百分含量

从表2数据可看出,在复合水凝胶试样中,n-HA在材料不同部位的含量基本恒定,表明n-HA在复合水凝胶中分布均一,没有发生相分离.

2.2 SEM观察

n-HA/PVA/SA复合水凝胶试样的SEM扫描结果如图1所示.

图1 n-HA/PVA/SA复合材料的SEM扫描照片

图1(a)是实验所制备的比例为40/40/20的n-HA/PVA/SA复合水凝胶试样冷冻干燥后的表面不同放大倍数的SEM照片,(b)是其纵切面的SEM照片.从图1中可以看出,复合材料中无机相n-HA均匀地分散在SA和PVA形成的有机基质中,2种有机相相互交织在一起形成网状结构,无明显界面.图1在微观上显示了3相间分散均匀,相容良好,试样具有大量类似天然软骨的孔隙结构,孔的贯通性良好.该结构不仅利于细胞的粘附与生长,而且可为细胞进行物质交换提供通道,使其具有较好的生物相容性.同时,实验还发现,复合水凝胶试样在载荷作用下,液体可以渗入和挤出,从材料中挤出的液体被卷吸作为润滑剂.

2.3 IR分析

SA、PVA、n-HA及其复合材料试样的红外光谱如图2所示.

图2 各组分及复合材料试样的红外光谱

图2(a)是纯SA的红外光谱,在波长3 430 cm-1处附近的强峰是SA中-OH的伸缩振动峰.这个峰在复合材料(见图2(d))中移动到波长3 416 cm-1处,说明复合材料中SA的羟基与PVA中的羟基之间可能形成了氢键.波长1 625 cm-1和1 419 cm-1处的峰分别为SA中-COO-的不对称伸缩振动和对称伸缩振动.在复合材料中,由于SA的G单元中的-COO-和Ca2+之间形成蛋壳结构,峰向高频方向移动到波长1 619 cm-1和1 422 cm-1处.从图2(b)中可以看出,PVA羟基的伸缩振动峰从波长3 445 cm-1移动到3 416 cm-1处,PVA在波长2 925 cm-1和850 cm-1附近的峰均没有发生位移,说明复合材料中所含的PVA羟基之间发生了氢键键合,而其他基团均没有发生变化.从图2中还发现,SA和PVA中的-OH峰均发生了移动,显示n-HA/PVA/SA复合材料中分子间和分子内可能有氢键的存在,氢键的存在很大程度上提高了材料的机械性能.

2.4 XRD分析

SA、n-HA、PVA及其复合材料试样的XRD图谱如图3所示.

图3 各组分及复合材料试样的XRD图谱

SA是一种非晶态的高聚物,在图3(a)中,2θ= 13.5°和21.8°处是SA的2个弥散宽峰,但该峰在复合材料中出现得不明显.在图3(b)中,2θ=19.3°处出现了PVA的特征峰,但在复合材料中,这2种高分子的特征峰都大幅减弱,这可能是n-HA、SA和PVA分子间存在相互作用,在界面上形成了新的化学键合.此外,n-HA的空间位阻效应也可能破坏了SA和PVA分子链的排列方式,从而影响了高分子的结晶程度,2θ=25.9°,31.8°,32.2°,32.9°,34°和39.8°属于HA的(002),(211),(112),(300),(202)和(310)晶相,在形成复合物后没有发生明显改变.

2.5 吸水率测定

图4为含SA为20%,PVA和HA含量不同的5种干凝胶试样的吸水率测定结果.

图4 干凝胶试样的吸水率

由图4可看出,随PVA含量增加,水凝胶复合材料的吸水率逐渐升高.这是因为PVA的增加使有机网络空间变大,所能容纳的水分子增多.一般而言,人体各个部位的软骨含水率各不相同,但含水率大致在60%～90%之间[13],而本研究制备的复合水凝胶材料的含水率完全可以控制在这个范围内.

3 结 论

本研究采用溶液共混法制备了n-HA/PVA/SA三元复合水凝胶材料.实验表明:该复合材料各组分基团间存在相互作用,各组分相容性良好,具有较高的均一性;可通过调控各组分的比例来调节复合材料的吸水率;由于SA可作为活性分子和药物的载体,且具有可降解性,将其复合入材料中,为制备既可暂时替代又可缓释药物并引导软骨再生的生物材料提供了一种新的思路.

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