聚(1,8-辛二醇-柠檬酸)-co-Pluronic F127生物弹性体的制备与表征

王 辛,吉亚丽

(东华大学a. 纤维材料改性国家重点实验室;b. 材料科学与工程学院,上海201620)

聚(1,8-辛二醇-柠檬酸)-co-Pluronic F127生物弹性体的制备与表征

王 辛a,b,吉亚丽a,b

(东华大学a. 纤维材料改性国家重点实验室;b. 材料科学与工程学院,上海201620)

通过Pluronic F127、柠檬酸和1,8-辛二醇的一步熔融缩聚反应制备得到了可降解的生物弹性体聚(1,8-辛二醇-柠檬酸)-co-F127,并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热分析(DSC)、静态水接触角、体外降解、单轴拉伸试验、血小板黏附等分析测试方法对弹性体的结构和性能进行了表征,探讨F127质量分数对弹性体性能的影响.研究结果表明,F127被成功引入到了弹性体网络结构中,它的引入降低了弹性体的玻璃化转变温度,提高了弹性体的亲水性和体外降解速度,而且其水溶胀性表现出一定的温敏特征,同时,弹性体在湿态下的力学性能得到了较大改善,而且血小板黏附和溶血试验也表明弹性体具有更好的血液相容性.

Pluronic F127;柠檬酸;1,8-辛二醇;生物弹性体

人体许多软组织都具有弹性体特征,根据力学性能适应性要求,替换或修复这些组织需要研制与其力学性能相匹配的可降解生物弹性体材料.2004年,文献[1]首次通过柠檬酸和1,8-辛二醇熔融缩聚得到了一种网络型的聚柠檬酸酯(POC)弹性体,由于所用单体无毒、制备过程不添加任何有毒物质、反应条件温和、后期成型简单,而且可通过控制反应物的配比以及固化条件调节其力学性能和降解周期,并且生物学评价也比较好,所以POC是一种非常有潜力的软组织工程材料.此后,一些研究工作通过选择不同的二醇单体或引入第三种单体来调节柠檬酸酯类弹性体的力学性能或其他性能.文献[2]采用不同脂肪链长的二醇单体,研究发现,随二醇单体脂肪链长的增加,弹性体的柔性增大,当将不饱和单体引入到POC中时,可得到双交联结构的POC弹性体,扩大了弹性体力学性能的范畴.文献[3]采用不同相对分子质量的聚乙二醇作为二醇单体,得到了能快速降解的聚乙二醇柠檬酸(PEC)弹性体.文献[4]中将1,2-丙二醇、癸二酸与柠檬酸共缩聚得到了低吸水率的聚癸二酸丙二醇柠檬酸酯(PPSC)弹性体.文献[5]将癸二酸引入到弹性体中可调控弹性体的表面润湿性.Pluronic F127(下文简称“F127”)是一种典型的两亲性共聚物,被广泛应用于组织工程材料领域[6].F127具有良好的生物相容性和蛋白抗性,利用其亲/疏水平衡作用,能够减少种子细胞的流失和死亡,提高细胞在支架上的存活率,而且F127还具有抑制蛋白吸附和血小板粘连的能力[7].本文将F127大分子作为共聚单体,通过与1,8-辛二醇、柠檬酸熔融共缩聚反应制备一种新的弹性体,以期改善POC弹性体的力学性能及生物性能.

1 试 验

1.1 试剂

柠檬酸: 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;1,8-辛二醇: 分析纯,上海卓瑞化工有限公司;F127: 分析纯,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;戊二醛溶液25%: 生物试剂,国药集团化学试剂有限公司;脱纤维兔全血: 青岛康大生物科技.其他试剂均为市售分析纯.

1.2 POC-co-F127弹性体的制备

在氮气保护下,固定柠檬酸和1,8-辛二醇的摩尔比为1.1∶1.0,加入不同质量分数的F127,置于165 ℃油浴中加热并搅拌,待混合物熔融后,将温度降至140 ℃反应一段时间,将所得预聚体用少量去离子水溶解后倒入不锈钢模具中进行冷冻干燥,然后在80 ℃下真空固化3 d,得到POC-co-F127弹性体.当加入的F127质量分数分别为10%,20%,30%时,所得到的弹性体分别记为POC-co-10F127、POC-co-20F127、POC-co-30F127.反应过程如图1所示.

图1 POC-co-F127弹性体的合成示意图Fig.1 Schematic representation of POC-co-F127 elastomer

1.3 结构与性能表征

采用衰减全反射法在美国热电公司的Nicolet 8700型红外光谱仪上测定弹性体的红外光谱,扫描范围4 000～400 cm-1.在德国耐驰仪器公司的204F1型差示扫描量热仪上测定DSC曲线,氮气气氛下,以40 ℃/min的速度升温至150 ℃,恒温5 min,再以10 ℃/min的速度降温至-70 ℃,再以10 ℃/min的速度升温至150 ℃.在美国英斯特朗公司的Instron-5969型电子万能材料试验机上测试弹性体的拉伸性能,将弹性体制成50 mm×5 mm 的样条,分别做干态和湿态下的力学性能测试,湿态下的测试是将样条在去离子水中浸泡3 h后测其厚度,并以10 mm/min速度进行拉伸.在德国Datephysics公司的OCA40型光学视频接触角测量仪上测量弹性体的静态水接触角.体外降解试验是将充分干燥的弹性体制成尺寸为1.5 mm×15 mm×2 mm、质量为m0的样品,将其浸泡在30 mL、37 ℃的磷酸缓冲液(PBS)中,一定时间后取出,用去离子水充分洗涤,干燥至恒重,记为mX,失重率=(m0-mX)/m0×100%,每组试验做4个平行测试.溶胀度测定是将充分干燥的弹性体制成尺寸为1.5 mm×15 mm×2 mm、质量为m1的样品,放入30 mL的去离子水中,一定时间后取出,拭去表面水,称取质量为m2,溶胀度=(m2-m1)/m2×100%,分别在12,25,37,45和53 ℃下测其溶胀度,每组试样做4个平行测试.血小板黏附试验是将弹性体用PBS反复漂洗后,浸入富含血小板的兔抗凝全血中,再经生理盐水漂洗、戊二醛固定、酒精脱水,最后在日立S-3000 N型扫描电子显微镜(SEM)下观察表面血小板黏附情况.溶血试验是将弹性体洗净后浸泡于10 mL 0.9%的NaCl溶液中24 h,倾去浸泡液,重新加入0.9%的NaCl溶液于37 ℃恒温30 min,再加入稀释兔血0.1 mL(0.5 mL兔抗凝全血+0.5 mL 0.9%的NaCl溶液),于37 ℃恒温1 h,离心后吸取上层清液,在美谱达UV-1200型紫外可见分光光度计上测定540 nm处吸光度.阳性对照用蒸馏水10 mL加稀释兔血0.1 mL,阴性对照用0.9%的NaCl溶液10 mL加稀释兔血0.1 mL,保温条件和测定方法与样品组相同.溶血率=(X1-X3)/(X2-X3)×100%,其中,X1为试样的吸光度值,X2为阳性对照的吸光度值,X3为阴性对照的吸光度值.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图2 弹性体的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of elastomers

2.2 差示扫描量热分析

图3是弹性体的DSC曲线.由图3可知,在温度-70～150 ℃内没有出现明显的熔融峰或结晶峰,说明弹性体中不存在结晶相.所有弹性体的玻璃化转变温度(tg)均在0 ℃以下,因此该类弹性体在生理温度(37 ℃)应用时处于高弹态.随着F127质量分数的增大,弹性体的tg呈现降低的趋势,而且呈线性相关. 这是由于F127的分子链较长,当其参与构建网络结构时,导致弹性体的交联密度降低,交联点间分子链的运动能力增强,从而导致弹性体的tg较低.

图3 弹性体的DSC曲线Fig.3 DSC profile of elastomers

2.3 溶胶含量及溶胀分析

以乙醇为溶剂测定弹性体的溶胶含量,结果如表1所示.由表1可知，弹性体的溶胶含量为15% ～23%,而且随着F127质量分数的增加,弹性体的溶胶含量逐渐增大,说明在聚合过程中,F127的存在在一定程度上影响了酯化反应的程度,从而影响了交联程度.室温下(约24 ℃)弹性体在去离子水中的溶胀度与时间的关系曲线如图4所示.由图4可知,20 h后弹性体基本达到溶胀平衡,且随着F127质量分数的增加,弹性体的平衡溶胀度增大,但除了POC-co-30F127的平衡溶胀度较高,达到90%,其他弹性体的平衡溶胀度均在40%以内,所以POC-co-30F127表现出较好的尺寸稳定性,适合用于组织工程支架材料.在不同温度下弹性体浸泡3 d后,测定弹性体的平衡溶胀度如图5所示.由图5可知,随着温度的升高,POC-co-F127的平衡溶胀度降低,而POC的平衡溶胀度略微增加,初步证明在湿态环境中POC-co-F127的尺寸具有温度敏感性.

表1 弹性体的溶胶含量
Table 1 Sol content of elastomers

弹性体POCPOC-co-10F127POC-co-20F127POC-co-30F127溶胶含量/%15.4±0.817.2±0.619.6±2.023.1±1.3

图4 弹性体的溶胀结果图Fig.4 Swelling degree of elastomers

图5 弹性体的平衡溶胀度-温度变化曲线Fig.5 Balanced swelling degree -temperature curves of elastomers

2.4 表面亲水性分析

静态水接触角是用来表征材料的亲/疏水性的一种常用方法,通常认为材料的水接触角为0°～90°时,说明该材料的亲水性较好.对于亲水性好的材料,植入人体后有利于组织细胞在其表面的黏附和增殖.表2是弹性体的水接触角测量结果,其变化范围为38°～84°,表明弹性体均表现为亲水性.随着F127质量分数的增加,弹性体的水接触角逐渐减小,表明引入亲水的F127有利于改善弹性体的亲水性,其主要机理是F127含有较多的醚键,而醚键具有较强的亲水性.

表2 弹性体的静态水接触角
Table 2 Water-contact-angles of elastomers

弹性体POCPOC-co-10F127POC-co-20F127POC-co-30F127水接触角/(°)84.2±5.076.2±8.056.0±13.038.6±16.0

2.5 体外降解研究

弹性体在PBS中的降解失重曲线如图6所示.由图6可知,在测试周期内,随着F127质量分数的增加,弹性体的降解速率增快,其中,POC-co-10F127、POC-co-20F127和POC-co-30F127分别在10,7和5星期内完全降解,而POC降解12星期后的失重率仅为55.7%.由于POC类弹性体的降解属于酯基的水解降解,所以当将F127引入到弹性体网络结构中时,弹性体的亲水性和吸水性得到较大提高,而且交联密度也有所降低,从而加快了体外降解速度.

图6 弹性体的失重曲线Fig.6 Weight loss curves of elastomers

2.6 力学性能分析

为更好地体现弹性体在体内的力学性能,本文采用去离子水浸泡之后测量弹性体力学性能.图7和表3分别为弹性体在干态、湿态下的应力-应变曲线和对应的断裂强度、弹性模量和断裂伸长率数值.由图7和表3可知： 随着F127质量分数的增加,干态弹性体的断裂强度和弹性模量逐渐增加,而断裂伸长率呈明显的降低趋势;湿态弹性体的断裂强度和弹性模量随F127质量分数的增加逐渐增加,而断裂伸长率变化不大.因为F127 的引入可有效改善弹性体的力学性能,其中POC-co-20F127弹性体的综合力学性能最佳.

(a) 干态

(b) 湿态

表3 干态、湿态弹性体的断裂强度、弹性模量、断裂伸长率Table 3 Tensile strength,elasticity modulus,elongation of elastomers in dry and wet condition

2.7 血液相容性

材料表面血小板的黏附和活化是导致凝血的重要因素,因此,通过对材料表面血小板的黏附试验可评价材料的抗凝血性能.图8为黏附血小板的弹性体的SEM图.由图8可知,POC和POC-co-10F127表面黏附血小板的量没有明显变化,但是POC-co-20F127表面黏附血小板的量明显减少,而POC-co-30F127表面几乎没有血小板黏附,说明F127的存在使得弹性体具有更好的抗凝血性.

图8 血小板黏附后的弹性体SEM照片Fig.8 SEM photographs of elastomers after platelet adhesion

溶血试验主要是通过材料与血红细胞在体外接触过程中,测定红细胞溶解和血红蛋白游离程度,从而对材料的体外溶血性能进行评价.标准规定,溶血率小于5%时不会发生溶血.不同弹性体的溶血率试验结果如表4所示.由表4可知,试验所测的所有弹性体的溶血率都小于5%,因此它们均符合医用材料对溶血率的要求,而且,随着F127质量分数的增加,弹性体溶血率有一定程度的减小,所以引入F127可有效改善弹性体的溶血性能.

表4 不同弹性体的溶血率
Table 4 Hemolysis ratio of elastomers

名称吸光度值溶血率/%阳性对照组0.552±0.010阴性对照组0.590±0.024POC0.454±0.0953.58POC-co-10F1270.462±0.1043.37POC-co-20F1270.474±0.0673.05POC-co-30F1270.478±0.1352.95

3 结 语

通过Pluronic F127、柠檬酸和1,8-辛二醇的一步熔融缩聚将F127成功引入到弹性体网络结构中.F127的引入,明显降低了弹性体的玻璃化转变温度,提高了弹性体的亲水性和体外降解速率,而且,由于F127本身具有温敏性,它的存在使弹性体的水溶胀性也表现出一定的温敏特征.F127的引入在一定程度上改善了POC的力学性能,当F127的质量分数为20%时,得到的弹性体的综合力学性能相对较好.同时由于F127本身具有较好的血液相容性特征,所以POC-co-F127弹性体也表现出较好的血液相容性.

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Preparation and Characterization of Poly (1,8-Octanediol-Citric Acid)-co-Pluronic F127 Bioelastomer

WANGXina,b,JIYa-lia,b

(a. State Key Laboratory for Modification of Chemical Fiber and Polymer Materials;b. College of Materials Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

The poly(1,8-octanediol-citric)(POC)-co-F127 degradable bioelastomers were prepared by one-step melt polycondensation of Pluronic F127,citric acid and 1,8-octanediol and characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR),differential scanning calorimetry (DSC),static water-contact-angle measurement,in vitro degradation,uniaxial tensile test and platelet adhesion test. The effect of F127 mass fraction on the properties of the elastomer was explored. The result showed that F127 was successfully incorporated into the POC-co-F127 networks,decreasing the glass transition temperature of the elastomer and increasing the hydrophilicity and in vitro degradation rate. Simultaneously,the swelling capacity of POC-co-F127 showed a property of thermo-sensitive,and the mechanical properties under wet condition were improved a lot. Platelet adhesion and hemolysis tests showed that POC-co-F127 exhibited a better blood compatibility.

Pluronic F127;citric acid;1,8-octanediol;bioelastomer

1671-0444 (2016)05-0641-06

2015-06-25

国家自然科学基金资助项目(51303024)

王 辛(1988—)，女，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为生物弹性体.E-mail：wangxin9547@126.com 吉亚丽(联系人)，女，副研究员，E-mail：jiyali@dhu.edu.cn

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