不同溶剂对聚吡咯/涤纶材料抗凝血性能的影响

陈 莹， 王鸿达， 李宥宣(1.北京服装学院 材料科学与工程学院， 北京 100029； 2.北京服装学院 服装材料研究开发与评价北京市重点实验室， 北京 100029； 3.北京服装学院 北京市纺织纳米纤维工程技术研究中心, 北京 100029)

心血管疾病正日益威胁着人类的健康，而血管移植是解决血管疾病的有效方法。由于涤纶材料具有(PET)优良的力学性能和应用于大中口径人造血管时较好的生物稳定性，PET仍是该领域受到高度关注的材料之一[1,2]；但其生物相容性则需进一步提高。优异的抗凝血性已成为心血管材料表面生物功能化的要求，也是进一步发展与应用的关键[3]。目前，材料表面特征优化及改性已成为提高其血液相容性的重要途径[4]。抗凝血高分子生物材料的表面设计包括微相分离结构、亲(疏)水性表面、负电荷表面、生物活性分子化表面、内皮细胞化表面、两性离子化表面等[5]。

聚吡咯(PPy)除具有良好的导电性外，还具有良好的生物相容性，已用于刺激神经细胞、骨细胞再生、血管移植以及体外肝脏的培植等组织工程学领域[6-7]。刘成珪等[8]使用电化学工作站(Corrtest)制备聚吡咯涂层，并对涂层后的材料进行血液相容性测试，结果表面材料的血液相容性得到提高。凡建平等[9]在钛表面进行原位聚合涂层聚吡咯，对体外的血液相容性进行测试，并用聚四氟乙烯材料作为平行对照组。结果表明，聚吡咯涂层的血液相容性与聚四氟乙烯材料相当，并且其血液相容性明显优于不进行涂层的钛材料表面，证明聚吡咯涂层能有效改善材料的血液相容性。Collier等[10]利用PPy膜与双分子层薄膜(PPy/HA)进行动物实验，将这2种材料植入小鼠肚囊当中，2周后观察植入物周围有丰富的血管生成，同时发现PPy/HA周围的血管管径更大，由此可证明PPy的电活化特性能促进血管生成。

综上所述，将PPy通过原位聚合的方式涂层在PET表面，可改变织物与血液的界面相互作用，提高PET材料的血液相容性，更有利于其应用于人造血管材料。本文利用不同溶剂制备具有不同表面形态和性能的PPy颗粒及薄膜，以期提高PET表面的抗凝血性能。

1 实验部分

1.1 试样准备

选择2种白色PET机织物用于原位聚合，其织物规格如表1所示。织物1为平纹组织，织物2为经重平组织。原位聚合用试样大小为10 cm×10 cm。

表1 PET织物规格参数表Tab.1 Fabric specification parameters

将上述织物先用4%的草酸在60 ℃水浴条件下清洗，以去除在织造过程中织物表面上的铁锈等杂质，接着使用10 g/L的NaOH溶液在70 ℃条件下清洗织物，以去除织物表面的污渍。

1.2 试样碱处理

为增加聚吡咯在织物表面的镀膜均匀性和牢固性，将清洗后的PET织物在90 ℃的40 g/L的NaOH溶液中处理40 min，取出后清洗烘干至质量恒定。

1.3 原位聚合反应

1.3.1水溶液中的原位聚合反应

先用容量瓶配制好0.03 mol/L的对甲苯磺酸溶液，将PET放入对甲苯磺酸溶液中在33 ℃的条件下保温1 h，再取出放入恒温干燥箱中烘干待用。接着将烘干后的PET放入0.6 mol/L的吡咯(Py)溶液中常温静置2 h，使2种材料表面充分吸收吡咯。静置结束后，加入一定浓度的 FeCl3·6H2O 溶液，并用玻璃棒搅拌，充分混匀，再将其放入0 ℃的低温环境中反应3 h。反应结束后，先用2%的乙醇溶液清洗，再用去离子水洗涤，直到洗涤的液体澄清透明后将样品放入恒温干燥箱中进行烘干处理。本文实验中也考察了不同浓度的氧化剂FeCl3·6H2O对聚吡咯涂层的影响。

1.3.2聚吡咯的制备

以这一反应体系中乙腈与水的体积比1∶9为例，配制50 mL的乙腈(ACN)和450 mL的蒸馏水混合溶剂，量取4.3 mL吡咯，将量好的吡咯倒入混合溶液中形成混合溶液，将该混合溶液倒入500 mL的蒸馏瓶中，放入冰浴磁力搅拌，降温后加入4.3 g 2-氨基苯酚-4-磺酸(APS)，反应10 h后用蒸馏水抽滤2～3次，于50 ℃干燥24 h得到黑色聚吡咯粉末产物记为A1。另外分别控制腈/水体积比为0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、 7∶3 得到产物记为A0、A1、A2、A3、 A4、 A5、 A6、 A7。

1.3.3在CTAB/水溶液中制备聚吡咯产物

以反应体系中十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/Py的量比等于1∶2为例，称取6.875 g CTAB 将其溶于250 mL水中，磁力搅拌15 min后，加入2.5 mL吡咯，待混合溶液降温到零度，用分液漏斗将溶解的10.5 g APS 缓慢滴入烧瓶中，冰浴静置24 h即得到黑色聚吡咯粉末产物，另外改变体系中CTAB/Py的量比等于1∶5和1∶10。

1.4 测试与表征

1.4.1表面电阻

使用EST121数字超高电阻、微电流测量仪测试PPy复合交织物(PPy/PET/PTT织物)的表面电阻值，每块织物在不同的位置测试5次。

1.4.2K/S值

采用DATA COLOR DC500分光测色仪测试PPy/PET织物的K/S值，K/S值越大，固体试样表面色深度越深，表示聚合复合材料效果越好；K/S值越小，表面色深度越浅，效果越差。

1.4.3动态凝血实验

取血：取健康小白鼠血液，立即用抗凝管接住，抗凝管中血液与枸橼酸钠的体积比为9∶1，盖上盖子密封，冷藏保存。

抗凝全血吸光度的测定：取抗凝全血0.25 mL加入小烧杯，取50 mL蒸馏水注入烧杯中摇晃均匀，根据测定出的最大吸收波长540 nm，使用722型分光光度计测试此波长下的吸光度，这一吸光度为抗凝全血的吸光度Iw，将其作为吸光度的对照值。

抗凝血程度计算：将各种处理样的织物放入100 mL烧杯的底部中心，在37 ℃恒温水浴条件下保温5 min后，用注射器向织物上滴下0.25 mL抗凝全血，保温处理10 min后，向血液中注入0.02 mol/L的氯化钙水溶液0.2 mL，开始计时，摇晃烧杯l min，使当中的血液和氯化钙溶液可以充分混合，盖好烧杯，在5、15、30、45 min时，将各烧杯取出并加入 50 mL的蒸馏水，持续摇晃烧杯10 min，取上清液，用722型分光光度计在最大波长处(540 nm)测量各组样品的吸光度，每个吸光度测量3次，并取其平均值。

抗凝血程度(BCI)的计算公式为

BCI=(Is/Iw)×100%

式中：Is为血液、氯化钙溶液与样品接触一定时间后的吸光度值；Iw为血液与50 mL蒸馏水混合后液体的吸光度值。

2 结果与讨论

2.1 溶剂对PPy/PET微观形貌的影响

图1示出溶剂为水时，吡咯与FeCl3·6H2O量比为1∶2，制备的PPy/PET织物的SEM 照片。可以看出，织物1表面形成一层较为光滑的镀膜并附有颗粒，织物2表面也形成了一层聚吡咯镀膜，但其中有少部分镀膜脱落，并有大小形状不规则的颗粒吸附在表面。2种织物上吡咯形态的不同有可能是因为织物组织结构的不同，经纬纱粗细的不同导致。

图1 溶剂为水时PPy/PET织物的SEM照片(×1 000)Fig.1 SEM images of PPy/PET fabrics with water as solvent (×1 000). (a)Fabric 1;(b)Fabric 2

图2示出不同腈水比条件下所形成PPy复合PET织物的聚吡咯成膜情况。由图2(a)、(b)可看出：在腈/水体积比为1∶9时织物1表面形成一层较为光滑的镀膜并附有少量颗粒，颗粒分布较为均匀；织物2表面形成较为粗糙的聚吡咯镀膜，并有大小形状不规则的颗粒吸附在表面。由图2(c)、(d)可看出，在腈水比为3∶7时织物1表面形成光滑的聚吡咯镀膜带有少量的分布不均的颗粒；织物2形成较为粗糙的聚吡咯镀膜并有明显的薄膜脱落情况产生，带有形状大小不一的颗粒吸附在表面；相比来说织物1在同条件下成膜效果更好。由图2(e)和2(f)可看出；在腈/水比为7∶3时织物1表面形成粗糙的聚吡咯镀膜，带有大量的分布不均的颗粒；织物2形成非常粗糙的聚吡咯镀膜，并有大片形状大小不一的颗粒吸附在表面；腈水比浓度过高对织物聚吡咯成膜稳定性有影响，腈水比较小的情况下聚吡咯成膜情况更好。

图3示出在不同CTAB/PPy 比例条件下所形成PPy复合PET的SEM照片。由图3(a)、(b)可看出：在CTAB/Py量比为1∶2时织物1的表面可形成光滑的聚吡咯镀膜并附有颗粒；织物2则形成粗糙的聚吡咯薄膜，表面伴有薄膜脱落和大小分布不均匀的颗粒。由图3(c)、(d)可看出：在CTAB/Py量比为1∶5时所形成的织物1表面形成比较光滑的聚吡咯薄膜并附有不规则颗粒；织物2则形成粗糙的聚吡咯薄膜，表面伴有薄膜脱落和大小分布不均匀的片状残留物。当CTAB与Py质量比为1∶2时所得的聚吡咯成膜情况更好。

图3 溶剂为CTAB和水时PPy/PET织物的SEM照片(×1 000)Fig.3 SEM images of PPy/PET fabrics with CTAB/water as solvent (×1 000).(a) n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 of fabric of 1; (b) n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 of fabric of 2; (c) n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 of fabric of 1; (d) n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 of fabric of 2

从上述结果都可看出，不同溶剂条件下得到的聚吡咯的成膜效果，织物1要比织物2 更为光滑且颗粒较小和均匀。2种织物成膜效果差距之大也许和织物结构、织物经纬纱密度、纱线粗细有关。织物1为平纹组织，织物2为经重平组织，相比来说织物1更为轻薄，且所用纱线更细，在同条件下成膜效果相对好。在不同溶剂中可得到具有不同表观性能的聚吡咯涂层，且在不同比例的混合溶剂中所得聚吡咯涂层的表观性能也不相同。

2.2 不同添加剂对织物K/S值的影响

表2示出不同浓度氧化剂Fed3·6H2O对织物K/S值的影响。可以看出，随着氧化剂用量的增加，K/S值先增加后减小，织物2的表观深度相比于1更好。2种织物表观深度最优的数据都是出现在氧化剂与吡咯量比为1∶2时。2种织物的K/S值随着氧化剂的增加先增大后减小，这是因为随着氧化剂的增加，体系的氧化电势升高，过高的氧化电势导致聚吡咯出现过度氧化的情况，过度氧化使得PPy分子链上的载流子的迁移通路受到破坏。

表2 氧化剂与吡咯比例不同对织物K/S值的影响Tab.2 K/S value under different FeCl3·6H2O and Py ratio

图4示出不同乙腈和水的比例对织物K/S值的影响。可以看出：2种织物随着腈水比数值的增加，K/S值增加；A0～A3织物2表观深度略低于织物1，之后织物2的表观深度高于织物1，2种织物的K/S值都是在腈/水比为2∶8到3∶7之间时大幅度增加之后增加，趋势趋于平稳。

图4 不同腈水比对织物K/S值的影响Fig.4 Influence of ACN/water ratio on K/S value

表3示出不同浓度CTAB/水溶液对K/S值的影响。可以看出，随着CTAB/Py比例值的减小，2种织物的表观深度均呈下降趋势，织物2下降平缓，织物1受CTAB/Py比例影响较大。

表3 不同比例CTAB/水溶液对织物K/S值的影响Tab.3 Influence of CTAB/water ratio on K/S value

织物表面的表观深度K/S值可反映织物表面所形成的聚吡咯的质量变化，这是因为聚吡咯为黑色，而原织物为白色，随着织物表面聚吡咯原位聚合的进行，聚吡咯聚合的量越多，织物的黑色越深，所以表观深度会变大。从上述K/S值的变化可看出，在不同溶剂和在不同比例的混合溶剂中可得到具有不同表观深度的聚吡咯涂层。在水溶液中得到的表观深度最小。织物2由于是重平组织，且纱线较粗，织物表面原位聚合合成聚吡咯的质量较织物1大，但根据SEM结果可知其表面成膜形态没有织物1光滑，因此抗凝血性能分析选择织物1。

2.3 抗凝血程度分析

图5示出在不同溶剂及氧化剂条件下合成的6种PPy/PET织物分别在5、15、30、45 min时的抗凝血程度。可以看出6种织物抗凝血程度都随着时间的增长逐渐下降。不同溶剂及溶剂的混合比例对于抗凝血程度都具有影响n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 时所得织物的抗凝血程度最好。未经原位聚合处理的PET织物1 因抗凝血程度较小，在5、15、30、45 min时分别为39.29%、31.99%、15.62%和12.85%。由此可知在经过聚吡咯涂层之后，PET织物的抗凝血程度有了大幅提高。在n(CTAB)∶n(Py)=1∶2 时5 min时所制得的试样抗凝血程度提高了140%。

图5 不同聚合条件下PPy/PET织物的抗凝血程度Fig.5 BCI of PPy/PET fabrics with different polymerization condition

图6示出6种样品所对应的K/S值与5 min 时抗凝血程度的关系图。可以看出，随着K/S值的增加，抗凝血程度没有一致的变化规律，也就是说抗凝血程度几乎不受织物上聚吡咯质量的影响。

图6 K/S值对抗凝血程度的影响Fig.6 Influence of K/S value on BCI

3 结 论

1) 织物成膜效果与织物组织结构参数有关。在不同溶剂中可得到具有不同表观性能的聚吡咯涂层，且在不同比例的混合溶剂中所得聚吡咯涂层的表观性能也不相同。

2) 在不同溶剂和在不同比例的混合溶剂中可得到具有不同表观深度的聚吡咯涂层。在水溶液中得到的表观深度最小。在腈水混合溶剂中，随着腈/水比值的增大，K/S值越大，在腈/水比为1∶9时所得聚吡咯复合织物的聚吡咯镀膜最光滑。

3) 经过聚吡咯涂层后，PET织物的抗凝血程度有了大幅提高。在n(CTAB)∶n(Py)=1∶2等于 5 min，所制得的试样抗凝血程度提高了140%。抗凝血程度几乎不受织物上聚吡咯质量的影响。而与织物上聚吡咯的微观形态及表面性能有关，需要进一步通过透射电子显微镜、亲疏水性等测试来表征。

FZXB

[1] KUMAR A, NUNE K C, MURR L E, et al. Biocompatibility and mechanical behavior of three-dimensional scaffolds for biomedical devices: process-structure-property paradigm[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(1):20-45.

[2] GIOL E D, UNGER R, VLIERBERGHE S V, et al. Surface-modified PET for cardiovascular applications: preliminary biocompatibility studies[C]∥Biomaterials, Tissue Engineering & Medical Devices International Conference. Biommed:[s.n], 2014:87-88.

[3] 张明华, 郑海燕. 抗凝血生物材料的血液相容性[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(8):1505-1512.

ZHANG Minghua，ZHENG Haiyan. Hemocompatibility of anticoagulant biomaterials[J]. China Tissue Function Study, 2013, 17(8):1505-1512.

[4] 何艳平, 马德春, 李磊,等. 人工血管材料血液相容性及表面改性[J]. 中国组织工程研究,2015(8):1272-1276.

HE Yanping, MA Dechun, LI Lei, et al. Cytocompatibility and surface modification of artificial vascular materials[J]. China Tissue Function Study, 2015(8):1272-1276.

[5] 袁江, 黄小波, 林思聪,等. 抗凝血高分子生物材料的表面设计[J]. 高分子通报, 2012(11):12-17.

YUAN Jiang, HUANG Xiaobo, LIN Sicong, et al. Surface design of anticoagulant polymeric biomate-rials[J]. Polymer Bulletin, 2012(11):12-17.

[6] 陈莹, 李永霞, 唐劲天,等. 聚吡咯/涤纶单丝的稳定性分析[J]. 纺织学报, 2014,35(11): 1-5.

CHEN Ying, LI Yongxia, TANG Jintian, et al. Stability of PPy/PET monofilaments[J]. Journal of Textile Research, 2014,35(11): 1-5.

[7] 李永霞,周蓉,陈莹,等. 聚吡咯/涤纶单丝的制备及性能[J]. 纺织学报, 2014,35(1):6-12.

LI Yongxia, ZHOU Rong, CHEN Ying, et al. Preparation and properties of PPy/PET monofila-ments[J]. Journal of Textile Research, 2014,35(1):6-12.

[8] 刘成珪，谢艾妮，凡建平，等．钛表面聚吡咯涂层的体外及体内血液相容性研究[J]．华中科技大学学报(医学版)，2011，40(2)：125-130．

LIU Chenggui, XIE Aini, FAN Jianping, et al. In vitro and in vivo cytocompatibility of PPy coated Ti[J]．Journal of Huazhong University of Science and Technology: Medical Sciences, 2011，40(2)：125-130.

[9] 凡建平.聚吡咯涂层用于人工心血管装置的钛基材料表面改性的实验研究 [D]．武汉：华中科技大学，2010：1-30．

FAN Jianping. Experimental study of surface modification of PPy coated on Ti material used for artificial vascular device [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technolog,2010：1-30

[10] COLLIER J H，CAMP J P，HUDSON T W，et al．Synthesis and characterization of polypyrrole-hyaluronic acid composite biomaterials for tissue engineering applications[J]．Journal of Biomedical Materials Research，2000，50(4)：574．