《武汉工程大学学报》 2021年05期
525-528
出版日期：2021-10-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
聚乳酸/羟基磷灰石复合材料微球的制备及表征
喷雾干燥法是通过将乳液喷入热干燥介质，使其从流体状态转变为干燥粉末的技术，是医药和食品等工业常用的一种物料干燥方法，具有生产成本低、工艺简单和可连续化大规模生产等优点［1-3］。聚乳酸［poly（L-lactic acid），PLA］是一种具有良好生物相容性、低毒性和可生物降解的生物医用高分子材料，已广泛应用为骨、软骨、人造皮肤和周围神经修复等组织工程领域的载体［4-6］，也是被美国食品药品监督管理局认可进入临床使用的生物材料。PLA微球可用做蛋白球载体、基因载体以及药物载体，也在骨组织工程等方面得到了广泛应用 ［7-9］。由于PLA的降解产物呈现一定的酸性，导致其植入物在体内产生炎症等副作用，限制了其在生物医学领域的应用［10］。近年来，许多改性PLA基复合材料得到了较大的发展，各种陶瓷材料如碳酸钙、磷酸钙、羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等已被用于制备PLA基复合材料。其中HA作为人体骨基质的主要成分，具有良好的生物相容性和骨诱导性，通常可用作为骨修复材料的填充物 ［11］。传统注塑成型需要特定的模具，难以制备复杂结构的零部件［12］，PLA微球可适用于激光选区烧结（selective laser sintering，SLS）成型技术，3D打印出个性化精细的器件［13-14］，则更能突显其在生物医学方面的优势。目前关于PLA基复合材料的SLS成型技术研究相对较少，虽然林坷升等［11］和Zhang等［15］将聚乳酸/羟基磷灰石复合材料（PLA/HA）应用于SLS技术，但只是将两种材料简单共混，未深入研究其性能。本文利用喷雾干燥技术制备不同质量分数PLA/HA复合材料微球，并对其进行微观形貌和结构表征，进一步研究HA质量分数对热稳定性能的影响，以期望拓展PLA在生物医用领域的应用。1 实验部分1.1 化学试剂与材料1.1.1 主要化学试剂 PLA（Mn：19×104，武汉海山科技有限公司）；HA（20 nm，北京德科岛金公司）；二氯甲烷和溴化钾（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。1.1.2 实验设备 强磁力搅拌器（98-2，巩义市予华仪器有限责任公司）；电子天平（BSA224S-CW，北京赛多利斯仪器系统有限公司）；喷雾干燥仪（ZY-8000，上海紫裕生物科技有限公司）；傅里叶红外光谱仪（Nicolet Impact 420，美国Thermo Fischer公司）；差示扫描量热仪（200 F3，德国耐驰仪器制造有限公司）；热重分析仪（TGA 55，美国TA公司）；扫描电子显微镜（Gemini 300，德国蔡司公司）；X-射线衍射仪（D8 ADVANCE，美国Thermo Fischer公司）；X射线光电子能谱仪（ESCALAB 250 Xi，美国Thermo Fischer公司）。1.2 实验方法1.2.1 复合材料的制备 称取一定质量的PLA放入500 mL单口烧瓶中，加入300 mL二氯甲烷，磁力搅拌，待到固体完全溶解后，加入适量的HA，充分搅拌后将其旋干，制备含有不同HA质量分数的PLA/HA复合材料。将复合材料溶液通过蠕动泵作用引入离心式喷雾干燥塔，进行喷雾干燥，收集所得复合材料粉末。1.2.2 结构表征与性能测试 红外光谱仪采用型Nicolet Impact 420进行测试：扫描波数范围为4 000~400 cm-1；差示扫描量热测试采用200 F3型差示扫描量热仪：N2气氛中，按10 K/min的速率先由-90 ℃升温至110 ℃，再降温至-90 ℃，然后升温至110 ℃，以消除热历史减小误差，气体流速为50 mL/min；热重测试使用TGA 55型热重分析仪：氮气保护，以10 ℃/min的速率从30 ℃加热至600 ℃。复合材料的微观形态采用 Gemini 300 型扫描电子显微镜进行测试；结晶性能采用D8型X射线衍射仪进行测试，测试条件：扫描速度3 （°）/min，扫描范围5°~50°；元素分析采用ESCALAB 250 Xi型X射线光电子能谱仪。2 结果与讨论2.1 PLA/HA复合材料结构表征图1为PLA/HA复合材料的结构表征图谱，由图1（a）复合材料傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrum，FT-IR）可知，3 450 cm-1处是羟基（-OH）的伸缩振动峰，568、610和1 080 cm-1处是PO43-基团振动峰为HA的特征峰。从PLA/HA的红外图谱分析可知，在3 449 cm-1处为-OH的伸缩振动吸收峰；在1 181、1 060 cm-1处为-C-O-C-伸缩振动峰；在1 245 cm-1处为-CH-对应的弯曲振动峰；在1 749 cm-1处为C=O伸缩振动的特征吸收峰，随着HA质量分数的增加，该峰发生了红移，波数由1 751 cm-1减小到1 748 cm-1，同时在564、615和1 080 cm-1处出现的PO43-基团振动峰均证明已成功制备了PLA/HA复合材料。从PLA/HA复合材料的X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱［图1（b）］可以看出，PLA/HA复合材料的衍射峰包含羟基磷灰石衍射峰（标为“◆”的图形符号）和无定型宽峰（标为“●”的图形符号）。由于PLA/HA复合材料采用HA与PLA的物理共混方法制备，其主要衍射峰并未发生化学变化，则表明其结晶能力也未发生变化，因此在同等条件下，PLA高分子基体的相对含量随HA质量分数的增加而逐渐降低，故而无定型宽峰也呈现减弱的趋势。反之，PLA/HA复合材料在26°和32.2°分别归属羟基磷灰石（002）和（001）晶面的衍射峰呈现逐渐增强的趋势，进一步证明了复合材料微球已成功制备。图1（c）为PLA/HA复合材料的X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）图，可以看到复合材料在285 eV和532 eV位移处的C 1s吸收峰和O 1s吸收峰均较为明显。加入HA后的复合材料在347 eV和132 eV位移处有Ca 2p和P 2p吸收峰。结合XPS宽扫描中C 1s、O 1s、Ca 2p和P 2p吸收峰的强度，可以大致估算出元素C、O、Ca和P在复合材料中的相对含量，并计算出C与O的原子个数比值如表1所示，PLA/HA复合材料的C/O的原子个数的比值与理论比值相近，证明了复合材料已成功制备。表1 复合材料元素相对含量Tab. 1 Relative element contents of composites[样品 原子数分数 / % C/O原子个数比 C 1s Ca 2p O 1s P 2p PLA 62.35 / 37.65 / 1.66 PLA/10%HA 61.64 0.24 38.07 0.22 1.62 PLA/25%HA 50.55 0.39 38.71 0.36 1.31 ]2.2 不同比例PLA/HA复合材料微观形貌分析图2为PLA/HA复合材料微球的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）图，由图2可以看出，喷雾干燥得到的微球主要呈现为干瘪、不规则的形状，在微球表面均密布着清晰可见的微孔，在PLA/HA复合材料中有白色细小颗粒的羟基磷灰石附着在微球表面，且随着HA质量分数的增加，白色小颗粒的数量也逐渐增多，在PLA/25%HA复合材料微球表面出现了HA小规模聚集的现象，进一步验证了成功制备出复合材料微球。复合材料微球表面密布大量的微孔，当其应用于骨组织工程时，不仅有利于细胞的黏附和生长，同时还可以作为药物控制释放的载体，在抗癌抗菌方面有良好的应用前景。在理论上，多孔结构的存在可以在其受到压缩时吸收能量，并且可以起到一定的缓冲作用而降低孔隙结构的快速崩塌［16-18］。[PLA/25%HA][PLA/10%HA][PLA][10 μm][1 μm][500 nm][×1 000][×10 000][×17 000]图2 PLA/HA复合材料微球的SEM图Fig. 2 SEM images of PLA/HA composite microspheres用Nano Measurer软件对PLA/HA复合材料微球的SEM图进行粒径分布统计，并对所得数据进行拟合得到PLA/HA复合材料的粒径分布图，如图3所示，可以看出PLA高分子材料微球的粒径主要分布在5~10 μm，PLA/10%HA复合材料微球主要分布在6~11 μm，PLA/25%HA复合材料微球主要分布在5~10 μm。总体上来看，HA的加入对复合材料微球的粒径分布影响不大，可能是由于HA在高分子基体中的团聚对其产生了抑制作用。[-3 2 7 12 17 22Particle size / μm][4035302520151050-5][Distribution density / %][PLAPLA/10%HAPLA/25%HA]图3 PLA/HA复合材粒径分布图Fig. 3 Particle size distribution of PLA/HA composites2.3 热稳定性能分析图4为PLA/HA复合材料热稳定性能图，从复合材料的示差扫描量热图［图4（a）］可以发现，PLA高分子材料的玻璃化转变温度为47.2 ℃；PLA/10%HA复合材料中PLA的玻璃化转变温度为41.6 ℃；PLA/25%HA复合材料中PLA的玻璃化转变温度为63.7 ℃。可以看出，随着HA的添加量逐渐提高，复合材料的玻璃化转变温度呈现先降低后升高的趋势，说明适量HA的加入提升了复合材料的耐热性，可能是由于多孔结构的存在阻碍了分子链的运动，使其玻璃化转变温度略有降低，但是随着HA质量分数的继续增加，HA在高分子基体内的团聚使得链段运动的内阻力增大，松弛时间也增加，故而使复合材料的玻璃化转变温度显著升高。[-80 -50 -20 10 40 70 100t / ℃][Relative enthalpy change][PLA/10%HA][PLA][PLA/25%HA][PLA][PLA/10%HA][PLA/25%HA][Mass retention rate / %][1301109070503010-10][0 100 200 300 400 500 600t / ℃][ b ][ a ]图4 PLA/HA复合材料热学性能图：（a）示差扫描量热曲线，（b）热失重曲线Fig. 4 Thermal performance of PLA/HA composite materials：（a）differential scanning calorimetry curves，（b）thermogravimetric loss curves图4（b）为PLA/HA复合材料的热失重曲线，从图4（b）中可以看出PLA/HA复合材料的热稳定性优于纯PLA高分子材料，纯PLA高分子材料在219.4 ℃时开始降解，在435.6 ℃时降解结束；PLA/10%HA复合材料在241.4 ℃时开始降解，在476.8 ℃时降解结束；PLA/25%HA复合材料在253.7 ℃时开始降解，在493.1 ℃时降解结束。因此，HA的加入提升了PLA/HA复合材料的热稳定性，并且随着HA质量分数的增加，复合材料的热稳定性逐渐升高，可能是由于复合材料中高分子基体与填料在混合过程中存在氢键和范德华力的相互作用，导致其热稳定性有所增加。3 结 论本文通过共混制备了PLA/HA复合材料，采用喷雾干燥技术制得PLA/HA复合材料微球，复合材料的红外光谱、X射线衍射谱图均证明PLA/HA复合材料微球的成功制备，且复合材料微球呈现多孔状，其粒径主要分布在5~11 μm的范围。热稳定性能测试结果表明，HA加入提升了复合材料的热稳定性能。因此PLA/HA复合材料微球兼具PLA和HA的优点，弥补了单一材料的不足，有望在3D打印骨修复植入物和药物控制释体系等领域具有良好的应用前景。