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聚乳酸梯度功能材料的制备

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梯度功能材料(Functionallygradedmaterials,FGM)是一种新型的非均质复合材料,它一般由两种或两种以上材料复合而成,在制备过程中使组成、结构及孔隙率等要素在材料的某个方向上呈连续变化,从而使材料的性能和功能也呈连续变化,以适应不同环境,实现某种特殊功能,具有比传统复合材料更优异的物理、化学、力学性能。该类材料的特点是,材料组成或其它要素的连续变化使其组织结构也呈连续变化,材料内部无明显界面。聚乳酸(PLA)也称聚丙交酯,是一种可完全生物降解的脂肪族聚酯,经由乳酸缩聚或丙交酯开环聚合得到。由于乳酸分子中含有一个手性碳,因而具有旋光性,PLA包括左旋聚乳酸(PLLA)、右旋聚乳酸(PDLA)、外消旋聚乳酸(PDLLA)等,其中常见的为PLLA和PDLLA。由于PLA具有优良的生物相容性、生物降解性、生物吸收性,被广泛用作骨修复材料、支架材料、牙齿材料、药物缓释材料等。自然界中的骨骼和牙齿等都具有非均匀的梯度结构特质,这种梯度现象是生物在进化过程中采取的一种最优化的材料构成方式。为此,材料研究工作者开始探索利用聚乳酸和其它材料性能的互补性,通过精确的结构设计和恰当的工艺手段制造比均匀材料更适应材料工作环境、更接近自然界梯度结构、更好地满足需要的各种聚乳酸梯度功能材料。

1国内外聚乳酸功能梯度材料的制备

由于FGM的概念最初是应宇宙技术对超耐热材料的要求而产生,所以在过去十几年里,其研究和应用主要集中在金属/陶瓷等无机小分子复合材料领域,相比之下,有关聚合物梯度功能化的研究尚处于起步阶段,更缺乏较系统和深入的理论认识。聚合物种类不同,使其内部形成梯度结构的方法也有所不同。目前,关于聚乳酸梯度材料制备的报道越来越多,其常见的几种制备方法比较如表1所示。

1.1温度梯度场法YaoDG[6]将不相容的两组分PLA和聚苯乙烯(PS)熔融共混,通过设计退火过程的热接触面和温度梯度,使两者产生梯度结构的相分离,利用环己胺将PS溶解,制备了梯度微孔结构的聚乳酸功能材料。ZhangW讨论了模压成型中两种退火方式(接触退火和压缩退火)的几何条件(上下退火板的间距、压缩率)和模具表面材质(不锈钢、聚四氟乙烯及聚二甲基硅氧烷)对PLA和PS共混物相结构及梯度微孔尺寸的影响。结果发现:通过改变模具的表面形态、压缩比、模具的几何尺寸、退火温度和时间可实现材料孔隙的尺寸、孔隙尺寸梯度,甚至密度梯度的控制。WashburnNR[8]将PL-LA放在温度梯度环境下退火,制备了结晶度梯度变化的PLLA材料,并采用原子力显微镜分析了因其结晶度不同产生的纳米尺寸的表面粗糙度的差异。MaHY利用特制的模具,通过温度梯度诱导结晶的方法制备出轴向和径向上具有梯度导向微管结构的小口径PLLA支架材料。模具底部采用不锈钢材质,内置杆和顶部为聚四氟乙烯材料,利用两种材料导热系数的差异在轴向方向形成温度梯度,聚乳酸在轴向温度梯度诱导下产生相分离,制备轴向具有梯度结构的导向微管。而采用不锈钢为壁材,聚四氟乙烯为内置杆材和底材的模具,则在半径方向上形成温度梯度,即可制备径向梯度导向微管的PLLA支架材料。通过聚合物的浓度、热传导温度和不同热传导材料的选择可调控支架材料的微管尺寸和微管的导向方向。

1.2控制反应法TanHP将1,6-己二胺/丙二醇的混合溶液逐渐注入到竖直固定有PLLA膜的试管内,则PLLA膜表面沿竖直方向梯度胺解,引入梯度排列的胺基,并利用戊二醛在胺解的聚乳酸表面固定生物分子胶原,制备了胶原梯度分布的PL-LA支架材料(见图1)。沿胶原梯度增加的方向,其亲水性明显改善,可促进软骨细胞的生长和分化。CaiKY[11]和孔婷婷采用梯度碱水解的方法在PLLA基材表面引入羧基梯度,然后共价偶联胶原蛋白构建胶原蛋白梯度。他们借助接触角仪器、激光扫描共聚焦显微镜表征其-COOH密度梯度和胶原蛋白密度梯度,通过荧光显微镜可观察到明显的胶原蛋白梯度,该材料可用以研究内皮细胞在梯度表面的黏附状态和运动趋化性。WuJD在聚乳酸三维中空支架上采用梯度胺解,并通过戊二醛偶联方法将明胶梯度分布接枝到PLLA材料上。与明胶均匀分布的聚乳酸支架材料相比,梯度支架材料能够更好地提高软骨细胞的黏附和发育能力。BernardoV采用可控浸渍的方法,将竖直放置的无定形PLA薄膜渐近地放入到油浴中制备结晶度梯度变化的PLA薄膜。经生物试验发现,细胞对膜结晶度的反应不同,细胞的分布受PLA膜的球晶空间组织的影响。

1.3组分用量调控法在制备聚乳酸梯度材料中,通过预先控制组分流量形成组分梯度变化。MeredithJC采用微型注射泵将聚己内酯(PCL)溶液以一定速度注入PDLLA溶液中共混,注射器每间隔一段时间抽取共混溶液。将注射器内组成梯度变化的PDLLA/PCL溶液铺展到玻璃板上刮膜后,放置在与组成梯度方向正交的线性温度梯度场中退火,即得到组成梯度和结晶度梯度正交变化的PDLLA/PCL材料(见图2)。通过注射泵的流速、注射器的抽取速度和时间、退火温度梯度等控制组成梯度和结构梯度的变化。SungHJ利用同样的思路制备了组成和结晶度梯度正交分布的聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)/PCL膜,并研究了材料表面性能对血管平滑肌细胞的黏附、聚集、增殖能力的影响,借此确定用于组织工程血管移植的最佳组成和加工条件。SimonJrCG制备了组分梯度变化的PLLA/PDLLA材料,并采用红外显微镜及其图像分析技术表征组分梯度结构,纳米压痕法测定梯度材料的模量,运用自动荧光显微镜法对聚乳酸梯度材料上细胞增殖进行迅速的筛选。SinghM通过控制PLGA微球和PLGA/CaCO3//TiO2复合微球的加入量制备了组分和硬度呈梯度的三维组织PLGA支架。ShiJ采用静电纺丝制备PLGA高孔隙的纤维网,通过控制蛋白质溶液的注入速度在竖直固定的PLGA纤网表面沉积浓度梯度分布的蛋白质。细胞培养发现,具有电纺纳米纤维网和表面蛋白梯度结构可以改善细胞和支架的交互作用,也影响细胞扩散。王晓庆等采用电纺丝双喷头技术制备可由远端向近端降解的梯度输尿管支架,且两种质量比的PLGA/PCL可满足支架管的力学性能要求,并探讨了聚己内酯/聚乳酸-羟基乙酸(PCL/PLGA)梯度可降解输尿管支架的体外降解性能。采用扫描电镜观察支架管的微观结构,发现支架由纳米级纤维构成,具有多孔状结构,尿液可自由通过管壁,即使支架断裂同样不会造成梗阻。顾书英等采用非织针刺层叠法,通过配制不同质量比的聚乳酸/天然纤维组分制备具有梯度结构、全降解、隔热、隔音、降噪的聚乳酸/天然纤维复合材料内饰件,将聚乳酸纤维、天然纤维混合,经阻燃剂处理后均匀梳理,然后铺网成片材,针刺、热成型制得复合纤维毡,其中聚乳酸纤维为中空短纤维。纤维毡具有多层次结构,即:聚乳酸的线性大分子结构、天然纤维的高结晶取向结构;聚乳酸纤维的半开孔式中空结构、天然纤维微纤间孔隙结构和纤维间的空隙结构。这种特殊梯度结构使其具有隔热、隔音和降噪功能,吸震降噪频率范围拓宽,作为运输工具内饰件时,提高了乘客舒适性。通过控制组分配比使材料形成“受迫”梯度。BourbanPE将含有5%β-磷酸三钙(β-TCP)的聚乳酸挤出料放置于模具中心的纸质圆筒内,而含10%β-TCP的PLA挤出粒料放在纸质圆筒外,在超临界CO2发泡前即抽去纸质圆筒,通过控制发泡过程中模具芯部和外部的冷却速度制备TCP组分和孔隙率梯度分布的PLA材料。BühlerM将PLA和玻纤的混合纱线按梯度设计要求卷绕到金属模具框上,加热模压,超临界气体使熔融的PLA纤维发泡制备玻纤含量和孔隙率梯度变化的聚乳酸多孔复合材料。通过设计,玻纤的排布能够控制到毫米范围。

1.4粒子滤出法宋莹通过热压-盐析法,按致孔剂(NaCl)粒径从大到小,将PLA、PCL、羟基磷灰石(HA)、NaCl复合物叠合热压,去离子水洗盐制备孔径梯度分布且具有较高弯曲强度和抗压强度的支架材料。刘玮健[28]采用改进的溶液浇铸/粒子沥滤工艺,将PLLA与不同粒径致孔剂顺序浇注成膜,制备了双层和多层孔径梯度变化的PLLA泡沫支架。扫描电镜观察发现,材料内部界面存在一定的扩散现象,且界面处孔的连通性好,通过调整致孔剂粒子的粒径以及PLLA与致孔剂的比例,可有效地调控支架的孔径、孔隙率、压缩强度等参数。张裕刚等采用溶剂浇铸/真空挥发/粒子沥滤制备了孔径、孔隙率径向梯度变化的PLA多孔支架材料,梯度材料各层的孔径、孔隙率可通过致孔剂用量和粒径的调节进行控制。于潇采用氯化钠为致孔剂,根据需要将10%PLA、80%壳聚糖和10%明胶设计成底部为致密结构,表层为网状结构的梯度孔径支架,比较PLA-壳聚糖-明胶支架对成纤维细胞的粘附效果发现,梯度孔径支架上黏附的细胞明显多于均匀孔径支架,可见梯度孔径支架能提高种子细胞在支架上的接种率。WhitedBM采用双喷头共静电纺丝技术,通过合理控制两喷头位置,制备组成梯度分布的PLLA和聚氧化乙烯(PEO)纤网。将其放入水中去除PEO组分后,置于模拟体液中生物矿化,即可得到表面沉积有磷灰石的孔隙梯度分布的PLLA支架,并采用扫描电子显微镜/X射线能谱联用对其结构进行表征。GongXingH等采用逐级降低氯化钠的粒径和用量分层溶剂浇铸来构造支架的梯度结构,并通过致孔粒子沥析法制备孔隙率大于90%的聚乳酸轴向梯度支架材料,其厚度沿纵向方向约1mm,经TGA结果分析聚乳酸梯度材料内部没有盐粒子和溶剂的存在,此研究为后续制备大孔梯度支架材料提供了参考。ShahrzadGhaffariMosanenzadeh等采用微粒浸出技术结合压缩成型方法,通过将聚乳酸粉末和颗粒混合,并转移到压缩模具里面加热加压,最后将微粒水中浸出烘干,获得多孔梯度结构的泡沫吸音制品。经性能测试表明,其厚度为200~600μm,与均匀结构增强泡沫材料的吸声能力相比,聚乳酸泡沫材料的孔隙率与最大隔音吸收系数均增加20%,其具有良好的性能,达到了特殊领域应用的工程设计要求。

1.5溶解与扩散法AgariY采用溶解与扩散法将PLLA/PEO的氯仿溶液注入放置有PLLA膜的容器中,PLLA在溶液中溶解,两聚合物间相互扩散,通过控制溶剂的温度、扩散时间等获得厚度方向上具有梯度组成的薄膜。制备的PLLA/PEO梯度材料具有比均质共混膜和纯PLLA膜更好的降解性能,其力学性能也比均质共混膜更好。WatanableY利用放电等离子体烧结法制备Ti/NaCl复合材料,然后放入100℃的热水中洗盐,将得到的Ti多孔材料放置于PLLA熔体中,则熔体扩散迁移进孔隙中并呈梯度分布,即形成Ti/PLLA梯度材料,该材料杨氏模量和屈服强度可达到医用金属植入材料的要求。制备的材料具有微结构和性能梯度,可以应用于医疗领域。

1.6叠层法朱兴华和刘洪泽将PLGA50/50和PLGA75/25两组分按不同配比分别浇注成膜,干燥后按成分梯度叠合粘接形成PLGA梯度膜,并讨论在37℃、pH=7.4的磷酸缓冲液体外降解过程中,膜材料的表面形貌、分子量、pH值、失重率、吸水率等,结果表明非均匀的PLGA梯度膜具有比单成分膜及共混膜更加平稳的失重性能。张胜民通过叠层法制备了一种仿生结构的梯度复合支架材料。该叠层梯度复合支架材料为3层或多层多孔结构,由透明质酸、PLGA、PLA、Ⅱ胶原、β-TCP和纳米羟基磷灰石(nano-HA)制成。沿叠层自上而下,无机材料含量梯度递增。叠层梯度支架材料孔径为50~450μm,孔隙率为70%~93%,降解速率可调,力学性能和生物相容性好,能适应软骨细胞共同培养和生长因子或小分子多肽的复合,可用于软骨的同时修复。LiaoSS采用叠层流延成膜的方法制备了3层nano-HA/胶原/PLGA的梯度复合膜,其中膜的一面是含8%nano-HA/胶原的PLGA孔隙膜,可允许细胞生长,另一面是光滑无孔隙的纯PLGA膜,可抑制细胞黏附,中间层则含4%的nano-HA/胶原。复合膜中PLGA组分提供良好的力学性能,nano-HA/胶原赋予生物降解复合材料优异的骨传导性能和生物相容性,可用于引导组织再生的膜材料。WehmllerM制备了具有5层分级结构的头骨再造植入材料。其中外部结构层是不同含量的PLLA、PDLLA和TCP热压而成的4层紧密层,可对头部提供更好的保护作用,而内部层则由PDLLA和碳酸钙经超临界CO2发泡而成,多孔的发泡结构更有利于头骨的生长。

1.7快速成形技术快速成形技术(Rapidprototyping,RP)基于离散-堆积原理,是高柔性的数字化加工方法。该技术是将CT或磁共振成像(MRI)获得的医学断层扫描数据,经三维重构为数字化模型,再应用快速原型技术,制造既具有所需形态,又有适当孔径尺寸和孔隙率的立体结构的支架材料。低温沉积技术。XiongZ采用低温沉积技术将PLLA的二氧六环的液态浆料通过点到点的精确控制,挤压到低温环境中,经冷冻凝固,相分离,冷冻干燥,可以实现3个级别的连续梯度孔隙PLLA/TCP支架的制备。其中,通过结构设计和成型过程得到100μm以上的宏观/三级孔隙,由NaCl颗粒致孔得到10~100μm次级/二级孔隙,由相分离形成10μm以下的微观/一级孔隙。动物体内试验证明,此PLLA/TCP梯度支架有良好的生物相容性、可降解性和骨再生诱导特性。此外,LiuL结合多喷头技术,将多种材料成形到同一结构中,获得了可控的具有梯度生物功能和力学性能的PLGA/TCP梯度支架材料。他们首先利用三维CAD技术将支架模型分层处理,得到支架二维截面数据信息,根据每层的截面数据,多喷头以特定方法生成与该层截面形状一致的薄片,这一过程反复进行,逐层堆积,最终制备出梯度孔隙结构的支架材料。三维打印技术(3Dprinting,3DP)。SherwoodJK等利用TheriForm3DP设备制备了多层骨/软骨三维支架。其典型过程为:将粉末材料铺层,按照零件的截面形状将粘结剂喷涂在粉末材料表面,使粉末材料粘结成形,后处理通过焙烧去除粘结剂。支架上部采用PLGA/PLLA构成的软骨诱导部分,孔隙率为90%,有肉眼可见的交错通道以利于细胞植入;下部是PLGA/TCP的骨诱导部分,孔隙率为55%,以保证临界机械强度的情况下尽可能利于骨内部生成;中间过渡部分是由梯度材料和梯度孔隙构成以防止层间剥离。生物试验结果表明该支架的力学性能可满足体内植入和全关节置换的需要。RoyTD同样采用3DP制备PLGA/TCP微孔梯度分布的支架材料,其中孔隙梯度分布、孔隙大小、孔隙间的通道大小可控,有助于促进新骨的生成和颅骨缺损的愈合。

1.8其它方法WatanableY采用直接挤出法和等通道转角挤压法成功制备了硬度梯度分布的PLLA功能材料,并利用维氏显微硬度仪表征其硬度梯度分布。直接挤出过程中,挤出流体的中间层在拉伸应力下流动,而表层在剪切应力下流动,在挤出材料内部形成取向分布,形成轴向硬度对称分布的PLLA棒材。而采用等通道转角挤压法,通过控制挤出过程中PL-LA的剪切变形的分布可制备硬度梯度倾斜分布的棒材。李志忠将PLA、壳聚糖、胶原3种材料借助超临界二氧化碳反复循环萃取,成功制备三维多孔、双性能的骨-软骨复合梯度支架材料,该支架具有良好的空间结构和细胞相容性,有望成为骨-软骨组织工程的理想支架材料。SchillerC采用热压/气体发泡制备了梯度结构的Ca3(PO4)2/CaCO3/PLA生物降解植入材料。他首先热压降解速率较慢的结晶形PLLA和Ca3(PO4)2组分,使之构成致密的外层,然后在模具中添加降解速率较快的无定形PDL-LA和CaCO3,并通入超临界CO2。相对于结晶型PLLA,CO2会在无定形PDLLA中“浸入”更多,从而使PDLLA和CaCO3组分发泡构成多空的内层,其孔隙范围为200~400μm。致密的外层可避免头皮上的纤维组织长入,并提供必要的机械支持和保护性能,而多孔结构的内层可允许骨细胞的生长。刘海涛将聚乳酸/1,4-二氧六环/水混合溶液加入高速离心旋转的圆柱形聚四氟乙烯模具中以形成浓度梯度,高速旋转的模具迅速浸入液氮中凝固成型,以保持聚合物在溶剂中的浓度梯度,冷冻干燥3天除去溶剂得到具有径向梯度孔隙结构的管状支架材料。徐海星以PLA为基质材料,添加电极化β-TCP,制备均匀分散的电极化β-TCP与PLA芯材,再以静电自组装和偶合交联将透明质酸和壳聚糖及神经生长因子附于芯材表面,制备成分和孔结构双重梯度的三维仿生电极化梯度孔神经导管。利用热致相分离技术和糖模板法可获得定向高通透性、梯度孔结构。该神经导管的梯度孔层由两种不同孔径的多孔层组成,内层β-TCP/PLA层致密,具有纳米级的孔结构,外层CHS/HA自组装层疏松,具有微米级的孔结构。李亚楠等基于热力学非平衡现象,将聚乳酸(PLA)-聚氧化乙烯(PEO)-氯仿溶液置于远离热力学平衡状态的开聚乳酸梯度功能材料的制备与应用研究/牛瑞琴等•放体系中干燥,自组织构筑了PLA-PEO复合体系内部的梯度相分离结构。随着体系远离平衡状态,PLA富集在能量流出的空气侧,PEO则富集在能量流入的底部,膜的组成在能量流动方向上形成梯度分布,并随体系远离平衡状态呈增大的趋势,而热力学平衡状态是影响梯度结构形成的主要因素。DengkeYin等配制了不同聚乳酸百分率的壳聚糖(CH)-聚乳酸(PLA)共聚物,与两种类型的骨胶原共混,采用组合处理技术(包括多层重叠、热熔和冷冻干燥等),来制备组分梯度结构的骨胶原/壳聚糖-聚乳酸支架材料。在支架内部,骨胶原含量的变化从上层到下层与壳聚糖相反。支架呈疏松多孔状结构,具有梯度均匀的孔径大小和孔隙度、梯度膨胀指数和单层压缩模量。骨胶原/壳聚糖(CH)-聚乳酸(PLA)支架在组分、组织和性能上类似于关节软骨细胞外的基质,在关节软骨修复方面具有较好的应用前景。

2聚乳酸梯度材料的应用前景

聚乳酸梯度材料与相同组成的均质材料相比,具有许多特殊和优异的性能。其中聚乳酸梯度材料在药物控制释放系统中有潜在应用,如以疏水的雷帕霉素作为模型药物,制备的PLGA梯度材料作为药物缓释材料载体。医用材料也是聚合物梯度材料应用最为广泛的领域之一。可生物降解的聚乳酸梯度材料主要用于组织工程支架材料,如骨、软骨、肌腱、牙等支架材料。骨骼中骨细胞密度由内层向表层是逐渐增加的,人体骨是由海绵质向致密质逐渐变化的梯度结构,要求骨组织工程支架不能是简单的单一结构。如由4层PLLA、PDLLA和TCP的致密层和1层PDLLA和TCP的发泡层构成的聚乳酸梯度材料可满足对骨组织工程支架的要求。Ca3(PO4)2/CaCO3/PLA材料是具有降解速率较慢的致密外层和降解速率较快的发泡内层的梯度结构,可作为头骨的植入材料。其中聚乳酸梯度材料的三维多孔结构,有助于细胞的生长、养分传输和代谢产物的排放;生物相容性和可降解性好,降解速度和吸收速度可以调控,适应细胞或组织的生长;外部致密层提供一定的力学性能,可满足植入材料的要求。此外对聚乳酸进行表面修饰以形成胶原梯度和明胶梯度,可促进细胞的黏附、增殖和分化,用于软骨组织工程支架材料。还有用于血管移植的组织工程支架和医用植入材料的Ti/PLLA梯度材料等。除此之外,聚乳酸梯度材料还有望应用于工程领域、日常用品等领域。如玻纤含量和孔隙率梯度变化的聚乳酸复合材料除可用于骨移植、组织工程以外,还可以用于日常用品、包装材料等领域。

3结语

尽管目前已有一些方法制备聚乳酸梯度材料,但尚存在一些问题需要进一步研究和解决,主要表现在:(1)大部分为密度梯度和结构梯度的聚乳酸功能材料,而具有其它梯度功能的材料开发目前较少。在制备过程中混合了其它组分,直接影响聚乳酸的生物相容性、生物降解性和可吸收性,如在湿法加工过程中添加的一些有机溶剂,如果不能完全挥发,会对最终的材料有一定的影响。此外,制备工艺不成熟,大多数研究集中在实验室阶段,难以实现大规模工业化生产,并且材料的梯度化程度和梯度化范围难以控制,制备的梯度材料尺寸有一定限制。(2)聚乳酸梯度功能材料是一种新型非均匀材料,国内外目前对聚乳酸梯度功能材料的表征存在一定的问题,尤其是对于其性能与梯度结构的研究甚少,如对于有孔隙的梯度材料,可通过一些方法(如SEM、TG等)来进行表征,而对于无孔隙的梯度材料,对其结构性能的表征不能较精确,这需要在仪器上有一定的改进。(3)限于成本高、材料尺寸和使用场合等多方面因素,聚乳酸梯度功能材料的应用研究还相对薄弱,仅在为数不多的领域得到应用。综上所述均是小尺寸材料,其应用领域有医疗卫生,如仿生骨支架材料、仿生牙齿、仿真皮肤等。因而,如何改善和简化制备工艺,实现规模化生产,制备大尺寸梯度聚乳酸功能材料,开发更精确控制结构梯度分布的技术;加强材料性能和梯度结构关系的理论研究,探索性能和结构的优化设计方法;加强其在更多应用领域的研究,无疑会给聚乳酸材料的研究和应用带来新的契机,具有非常重要的意义。

作者:牛瑞琴 邹汉涛 吴倩 张荣波 单位: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

聚乳酸梯度功能材料的制备责任编辑:杨雪    阅读:人次