羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶在模拟体液中的力学性能

周金生, 周 莉*,欧阳君君, 范志恒, 罗仲宽, 刘 波 ，周兆平，邱渭遥

(1.深圳大学 化学与化工学院, 广东 深圳 518060; 2. 深圳大学 深圳国家生化工程技术开发中心，广东 深圳 518060)

羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶在模拟体液中的力学性能

周金生1, 周 莉1*,欧阳君君1, 范志恒1, 罗仲宽1, 刘 波1，周兆平2，邱渭遥2

(1.深圳大学 化学与化工学院, 广东 深圳 518060; 2. 深圳大学 深圳国家生化工程技术开发中心，广东 深圳 518060)

从仿生学角度出发，将自制的人工角膜支架材料羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖(n-HA/PVA/CS)浸泡在模拟体液中，对材料的含水率及力学性能进行了测试，并利用扫描电镜、X射线衍射仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪及热重分析仪研究了材料在模拟体液中的形貌、晶体结构、元素组成及热稳定性. 结果表明，在模拟体液中，n-HA/PVA/CS复合水凝胶的含水率为80%～86%，具有较高的拉伸强度，能承受正常眼压，且热稳定性较好. 在浸泡后期，n-HA/CS/PVA复合材料对Ca2+的吸附和释放达到动态平衡；而其表面含有微量的纳米羟基磷灰石沉积，有利于纤维细胞的长入.

羟基磷灰石；水凝胶；人工角膜支架材料；模拟体液；力学性能

角膜移植是治疗各种角膜病的有效方法. 但角膜供体来源困难，所以研制人工角膜成为最终挽救和恢复患者视力的有效方法[1]. 人工角膜是用异质成型材料取代常温角膜组织而制成的一种特殊屈光装置，通过手术植入患眼. 人工角膜分成中心光学部分和裙边支架两部分，光学中心是用以替代病变后阻碍眼球光学通路的浑浊角膜，裙边支架对稳定和支持光学中心有重要作用, 其材料的组织相容性，是影响人工角膜植入成败的关键因素[2-5].

纳米羟基磷灰石(n-HA)具有良好的生物相容性和生物活性,纤维血管等软组织能长入有孔的羟基磷灰石中，因此被广泛应用于组织工程支架材料. 但是羟基磷灰石强度低,脆性大,难以承受术中术后一般的外力，因此许多专家制造了羟基磷灰石与有机高分子聚合物的复合材料[6-7]. 聚乙烯醇(PVA) 水凝胶是高分子水凝胶的一种. 由于 PVA 水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外，还具有毒性低、机械性能优良(高弹性模量和高的机械强度) 、吸水性强和生物相容性好等优点，因而备受青睐，在许多领域极具开发潜力[8-9]. 壳聚糖(CS)具有良好的抑菌性能和生物相容性，且无毒性、无刺激性，可明显提高其生物相容性以及抑菌性，已广泛应用于生物医学领域[10]. 本研究采用冷冻-解冻、溶盐致孔法制得了多孔纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖 (n-HA/ PVA/CS)人工角膜复合支架材料，并从仿生学的角度对其在模拟体液中的各种性能进行了研究.

1 实验材料及方法

1.1 试剂与仪器

本实验使用的试剂和仪器如表1和表2所示.

表1 实验试剂表Table 1 Reagents

表2 实验设备Table 2 Laboratory apparatus

1.2 多孔支架材料和模拟体液的制备

称取一定量的PVA，常压下于90 ℃溶于DMSO中；加入适量致孔剂NaCl，再加入适量n-HA和CS，搅拌使其混合均匀，将其倒入模具中，经过多次冷冻-解冻成型；最后用去离子水浸泡.

模拟体液按照文献[11]制备.

1.3 测试方法

1.3.1 含水率的测定

将被测凝胶试样置于各溶液中浸泡4周后取出，用滤纸擦干表面的水分后称重，得凝胶试样的重量W1，然后将凝胶试样在真空干燥后称重，得干样的重量W2. 用下式进行含水率计算：

含水率Cw=(W1-W2)/W1×100%

1.3.2 力学性能测试和TG分析

将裁剪成10 mm×40 mm×0.3 mm，测试距离为20 mm，拉伸速度为20 mm/min. 用万能电子拉力机测试其力学性能，包括拉伸强度，断裂伸长率等.

将真空干燥后的粉末试样用德国STA409PC同步热分析仪进行热重分析. 热重分析样品量为10 mg，升温速率为10 ℃/min，氮气气氛，流量为100 mL/min，测试范围为25～600 ℃.

1.3.3 浸泡液中Ca2+浓度测定

将试样裁剪成40 mm×15 mm×0.40 mm的n-HA/PVA/CS水凝胶试样，浸泡在模拟体液中,分别于1、2、3、4周后取液，用ICP检测各溶液中Ca2+的含量变化.

1.3.4 X射线衍射分析和扫描电镜分析

将真空干燥后的试样，用XRD仪进行晶态分析. 将冷冻干燥后的样品，对其表面进行扫描电镜观察.

2 结果与讨论

2.1 含水率

表3为n-HA/PVA/CS复合水凝胶(各组分质量分数：CS 25%，n-HA 25%，PVA 50%)在模拟体液中浸泡不同时间的含水率. 从表中可以看出，n-HA/PVA/CS复合水凝胶的含水率随着浸泡时间的增加并没有明显变化. 复合水凝胶有很高的含水率，这是因为聚乙烯醇含有亲水基-OH，链中羟基间能形成氢键结构. 聚乙烯醇分子链间通过氢键和微晶区形成三维网络，能吸收大量的水分，纯聚乙烯醇水凝胶含水率可以达到75%[12]. 同时壳聚糖分子中含有大量的-OH、-NH2等亲水基团，分子间也能形成氢键，因此加入壳聚糖能使复合水凝胶的含水率增加. 高含水率的水凝胶可保持角膜湿润，并有一定的柔韧性，可避免因机械压力引起人工角膜手术失败.

表3 模拟体液中浸泡不同时间复合水凝胶的含水率Table 3 Water content of the composite hydrogel with different soaking time in simulated body fluid

2.2 力学性能

图1(a)(b)(c)分别为壳聚糖含量(质量分数)为10%，25%，40%的n-HA/PVA/CS复合水凝胶(PVA含量为50%)的拉伸强度曲线图. 可以看出，随着浸泡时间的改变，三种不同CS含量的复合水凝胶的拉伸强度并无明显的波动，拉伸强度在0.60～0.75 MPa之间，能承受正常人眼压. 同时从图中可以看出，随着壳聚糖含量的增加，水凝胶的拉伸强度逐步下降. 这说明与n-HA相比，壳聚糖与PVA聚合物的结合能力较差，粉末颗粒易团聚，不能很好地分散在凝胶中，造成材料受力不均匀，力学性能降低. 因此壳聚糖的加入不利于人工角膜力学性能的提高.

2.3 浸泡液中Ca2+浓度测定

图2是壳聚糖含量为25%(PVA含量为50%)的复合水凝胶在模拟体液浸泡过程中溶液Ca2+离子浓度的变化情况. 可以观察到，初期Ca2+减少速度很快,到后期逐渐平缓. 说明在模拟体液中，n-HA/PVA/CS复合水凝胶能诱导Ca2+的沉积. 可能是由于壳聚糖含有大量极性基团，当n-HA/PVA/CS复合水凝胶被放入模拟体液中时会发生吸水溶胀，Ca2+会置换溶胀n-HA/PVA/CS复合水凝胶膜表面中的水分子，并且产生相互排斥现象使其有足够空间与n-HA降解产生的HPO42-相互作用得到HA. 而当浸泡后期吸附和释放达到动态平衡后, Ca2+浓度变化就不再明显.

图1 浸泡时间与拉伸强度的关系Fig.1 The relationship between tensile strength of the composite hydrogel and soaking time

图2 模拟体液中Ca2+离子浓度随浸泡时间的变化Fig.2 Variation of Ca2+concentration in simulated body fluid for different soaking time

2.4 X射线衍射分析

n-HA晶体在衍射角25.9°、31.8°、34.1°、46.7°和49.5°有较强的衍射峰. 图3是壳聚糖含量为25%的复合水凝胶浸泡前和浸泡后2周和4周的XRD衍射图，从图上可以看出，浸泡后n-HA的衍射峰降低，这可能是因为新生成的羟基磷灰石生成速度比复合材料中n-HA降解速度慢，浸泡2周和4周样品的峰强度变化不大，说明降解与新生已基本达到了动态平衡.

2.5 同步热力学分析(TG-DTA)

图4为壳聚糖含量为25%(PVA含量为50%)的n-HA/PVA/CS复合水凝胶及其三种组分的TG图.n-HA/PVA/CS复合水凝胶从室温到100 ℃，失重较快，迅速达到78 % ，在这个阶段主要是水分的蒸发. 对于纯PVA和CS在250～350 ℃之间的失重可能与PVA的碳链分解和CS的分解燃烧有关系，因此在这一阶段，n-HA/PVA/CS复合水凝胶的失重主要是由于PVA和CS的失重引起的. 由此可见，在模拟体液的浸泡下，n-HA/PVA/CS复合水凝胶具有较高稳定性.

图3 复合水凝胶浸泡前后的 XRD对照图Fig.3 XRD patterns of pre-soaked and post-soaked composite hydrogel

图4 n-HA/PVA/CS复合水凝胶及其组分的TG图Fig.4 The TG patterns of the composite hydrogel and elementary substances

2.6 扫描电镜分析

图5为壳聚糖含量为25%(PVA含量为50%)的复合水凝胶浸泡前后的表面SEM图，与浸泡前的样品相比,在模拟体液中浸泡4 周后的样品表面有沉积物出现，刚好与前面的XRD分析推测相同，在模拟体液的浸泡过程中，n-HA/PVA/CS复合水凝胶表面有磷灰石沉积物出现.

A浸泡前 B浸泡4周后

3 结论

通过研究可以得到如下结论: (1)浸泡环境下，复合水凝胶的含水率在80%～86%，具有较好的蓄水性和柔韧性. (2)材料具有较好的拉伸强度(0.60～0.75 MPa)，能承受正常人眼压. (3)TG数据显示材料在浸泡环境下具有较好的稳定性. (4)在浸泡初期, 由于n-HA/PVA/CS复合水凝胶能吸附Ca2+，模拟体液中Ca2+离子含量下降较快. 而当浸泡后期吸附和释放达到动态平衡后, Ca2+浓度变化就不再明显. (5)X 射线衍射图谱和 SEM图研究表明,浸在模拟体液中的支架表面有磷灰石沉积物出现，复合材料表面的多孔羟基磷灰石有利于纤维血管等软组织生长，能增加材料的生物相容性.

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Mechanicpropertiesofnano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/
chitosancompositehydrogelinsimulatedbodyfluid

ZHOU Jinsheng1, ZHOU Li1*, OUYANG Junjun1, FAN Zhiheng1, LUO Zhongkuan1,
LIU Bo1, ZHOU Zhaoping2, QIU Weiyao2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China；
2.BiochemicalCenter,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China)

From the perspective of bionics, nano-hydroxyapatite/polyvinylalcohol/chitosan (n-HA/PVA/CS) composite hydrogel as a homemade artificial cornea scaffold material was soaked in simulated body fluid, and its water content and mechanic properties were tested. The surface morphology, crystal structure, elemental composition and thermal stability of the material were studied by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and thermogravimetric analysis. Results show thatn-HA/PVA/CS composite hydrogel soaked in the simulated body fluid exhibits a water content of about 80%-86%, and it has high tensile strength as well as good thermal stability while it can bear normal intraocular pressure. Moreover, in the post-soaking period,n-HA/PVA/CS composite hydrogel undergoes a dynamic equilibrium of adsorbing and releasing Ca2+, while a trace amount ofn-HA precipitate on the composite surface is helpful for fibroblast ingrowth.

hydroxyapatite; hydrogel; skirt of artificial cornea; simulated body fluid; mechanic properties

2013-12-03.

深圳市科技创新委科技攻关项目(JSGG20120614164013545).

周金生(1986-), 男, 研究方向为生物医用材料.*

, E-mail:zhouLi_2050@163.com.

O 646

A

1008-1011(2014)03-0288-05