聚癸二酸甘油酯/生物活性玻璃/GR 复合材料制备与性能

韩浩瀛，尚志福，张毅，张文哲，李雨泽，郭赢繁，刘增辉，施惠红，张秀成

(东北林业大学化学化工与资源利用学院，哈尔滨 150040)

人体皮肤受到大面积创伤时，常需要通过皮肤移植修复治疗，然而，适合自体移植的皮源缺乏，异体皮移植存在免疫排斥等问题。在临床医学上，亟需能够满足要求的皮肤组织修复材料[1]。目前，以天然材料、聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等为基体制备的皮肤组织修复材料只起到支撑和填充的作用，仍然存在亲水性差、降解缓慢以及降解导致的局部酸性感染等缺点[2–7]。因此获得一种具有良好亲水性、一定力学强度并能促进皮肤快速愈合的修复材料具有重要的现实意义。

聚癸二酸甘油酯(PGS)有良好的韧性、降解性和生物相容性，其降解产物可被机体自行排除，满足软组织工程的基本生物医学要求，是一种极具潜力的合成医用高分子材料[8–12]。目前，采用PGS 与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合而成的支架材料可促进皮肤成纤维细胞胶原的形成[13]。含有纳米粘土的PGS/PCL 纳米复合材料用于软组织工程在细胞粘附和增殖方面甚至可以与培养基相媲美[14]。PGS 共聚乙二醇(PEG)与明胶混合制备的水凝胶能促进细胞增殖和扩散[15]。PGS 和聚羟基丁酸酯(PHB)的纳米复合材料能促进间质干细胞的成骨分化[16]。但是，纯PGS 也存在亲水性较差、力学性能较低等问题，不利于直接用于组织修复工程[17–18]。

石墨烯(GR)、生物活性玻璃(BG)等具有增强聚合物材料力学性能、生物相容性和亲水性等作用。其中，GR 因其优异的力学性能、良好的生物相容性和细胞粘附性、较低的生物毒性等在生物医用领域已得到广泛的应用。Evlashin 等[19]发现添加GR的PCL 支架与未添加的相比表现出优异的韧性和耐久性，GR 的添加可有效诱导细胞增殖。Behrouz等[20]发现聚多巴胺(PDA)表面改性的GR 可改善细胞粘附和细胞增殖并有效提高复合材料的弹性模量。Lin 等[21]研究发现BG 与聚己内酯的复合纤维支架可有效地提高复合膜的亲水性，也有利于人体皮肤成纤维细胞的增殖。Day 等[22]还发现BG 能够促进血管的生成；另外，BG 中特定离子对伤口愈合过程具有积极作用[23]。Zhao 等[24]将BG 添加到纤维蛋白胶中，发现BG 可增强复合水凝胶的力学强度，以及可促进骨的形成。可见，GR 和BG 均可显著改善复合材料的力学性能、亲水性和细胞粘附性。但目前还没有关于GR 和BG 增强PGS 的研究。

以癸二酸和甘油为原料通过共聚法合成了聚癸二酸甘油酯预聚体(pPGS)，通过热交联法制备了PGS/BG/GR 复合材料，研究了BG，GR 对PGS/BG/GR 复合材料的力学性能、亲水性等影响，获得了具有足够强度、极佳亲水性的可用于皮肤修复工程的生物医用材料。

1 实验部分

1. 1 主要原材料

癸二酸、正硅酸乙酯(TEOS)：纯度≥98%，上海麦克林生化科技有限公司；

磷酸三乙酯(TEP)：分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；

甘油：纯度≥99.5%，天津市天力化学试剂有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇：分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；

十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)：分析纯，福晨(天津)化学试剂有限公司；

三乙醇胺(TEA)：分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；

四水硝酸钙(CN)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

GR：工业级，南京先丰纳米有限公司。

1．2 主要仪器及设备

傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪：Spectrum-400型，美国Perkin Elmer 有限公司；

接触角测量仪：DSA100 型，德国KRUSS 公司；

扫描电子显微镜(SEM)：EM-30plus 型，韩国COXEM 公司；

可变温控制拉伸实验台：TST-350 型，英国Linkam Scientific 公司；

热重(TG)分析仪：STA 449 型，德国NETZSCH公司；

差示扫描量热(DSC) 仪：Diamond 型，美国Perkin Elmer 有限公司；

X 射线衍射(XRD)仪：XRD-6100 型，日本岛津公司。

1．3 复合材料的制备

(1) pPGS 的合成。

在三口烧瓶中加入物质的量之比为1 ∶1 的甘油和癸二酸，在180℃、通氮气(流量0.1 m³/h)的条件下，搅拌反应2 h 得到混合物。将混合物溶于无水乙醇，透析袋(3500Da)透析，除去未反应的甘油和癸二酸和低分子反应物得到pPGS。

(2) BG 的合成。

采用溶胶-凝胶法，在烧瓶中加入8.7 mL 无水乙醇、2.5 g CTAC，64.8 mL 去离子水、4.6 g TEA后，置于60℃水浴加热搅拌均匀后滴加7.3 mL TEOS，滴加后搅拌30 min，再滴加0.558 g TEP，搅拌25 min 水解完全，再添加1.546 g CN，搅拌反应2 h 后冷却至室温，取反应混合物高速离心(11 000 r/min)去上清液，无水乙醇洗涤凝胶状沉淀物3～4 次[19，22]。将所获得的凝胶产物放入干燥箱中150℃下干燥2 h，将干燥后的干凝胶研磨，于650℃马弗炉中煅烧5 h，获得BG。

(3) PGS/BG 复合材料的制备。

将BG 按照占pPGS/BG 总质量分数为0，1%，2%，3%，4% 的 加 入 量 分 别 加 入 到45% (W/V)的pPGS 乙醇溶液中，连续搅拌3 h。将溶液超声30 min，使溶液混合均匀。将混合物浇铸至6.5 cm×6.5 cm 的聚四氟乙烯模具中。在150℃真空条件下交联5 h，得到PGS/BG 复合材料片材，将此片材置于乙醇中洗涤12 h，除去未交联的pPGS。

(4) PGS/GR/BG 复合材料的制备。

在三口烧瓶中加入物质的量之比为1 ∶1 的甘油和癸二酸以及不同质量分数的GR 和BG，在180 ℃、通氮气(流量0.1 m³/h)的条件下，搅拌反应2 h得到混合物。将混合物浇铸在聚四氟乙烯模具上平流成膜，置于150℃真空干燥箱交联5 h，将此片材置于乙醇中洗涤12 h，除去未交联的pPGS，得到PGS/GR/BG 复合材料。复合材料中各组分配方列于表1。

表1 复合材料各组分配方表(质量分数) %

1．4 表征与性能测试

FTIR 分析：分辨率为2 cm–1，扫描波数为4 000～500 cm–1；

SEM 观察：液氮淬断试样，断面喷金处理，工作电压12.5 kV，在不同放大倍率下观察样品微观形貌；

创业价值观是指个人对创业重要性的认识，以及个人所拥有的创业憧憬、创业能力和资源积累意愿并通过社会责任感等因素共同作用而形成的稳定的价值取向。一个大学生将来会不会走上创业之路、选择哪个行业创业以及如何进行创业等诸多方面都与其所拥有的创业价值观有关，因此，培育大学生正确的创业价值观显得尤为重要，然而大学生正确价值观的培育在大部分湖北省属高校的创业课程中并没有得到充分体现。对于大学生创业价值观的教育可以通过引导大学生树立创业理想、激发创业动机、培养企业家精神等3个方面进行培育，这需要老师收集大量的案例，通过理论教学和案例教学引导大学生树立正确的创业价值观。

拉伸性能：按照GB/T 1040.2–2008 测试，拉伸速率为10 mm/min；

应力- 应变：采用张应力测试热台测试试样的应力- 应变曲线，试样尺寸为30 mm ×8 mm×0.6 mm，拉伸速度20 μm/s；

接触角测试：在室温条件下，采用液滴法测量样品与水的接触角；

TG 分析：取试样5～10 mg，在氮气条件下，以10℃/min 的升温速率从50℃加热到700℃；

DSC：氮气气氛，流速为20 mL/min，以3℃/min 的升温速率从–10℃加热到30℃，在此温度下维持3 min 消除试样的热历史后，以3℃/min 冷却到–10℃。再以3℃/min 的升温速度从–10℃加热至30℃，记录样品的DSC 曲线；

XRD：工作电压为36 kV，电流为20 mA，选择CuKa 射线，λ ＝0.154 06 nm，扫描步宽为0.02°，扫描速度为10°/min，扫描范围2θ ＝10°～80°。

2 结果与讨论

2．1 FTIR 及XRD 分析

图1 为BG，PGS，PGS/BG 及PGS/GR/BG 复合材料的FTIR 及XRD 谱图。由图1 可见，2 930，2 857 cm–1处为PGS，3#样品和9#样品的亚甲基吸收峰，1 740 cm–1处为酯羰基中碳氧双键的伸缩振动 吸 收 峰，1 463 cm–1及1 458 cm–1处 为—CH2面内弯曲振动峰。这表明PGS，PGS/BG 和PGS/BG/GR 存在共聚物PGS 的聚酯结构。而3#样品，9#样品在1 242 cm–1处的P=O 伸缩振动峰、1 084 cm–1处的Si—O—Si 非对称伸缩振动峰、798 cm–1处的 Si—O 对称伸缩振动峰以及583，461 cm–1处的 P—O 和Si—O—Si 弯曲振动吸收峰与纯BG 一致，说明BG 以填料的形式与PGS 复合为共混物。

图1 BG，PGS，PGS/BG 及PGS/GR/BG 复合材料的FTIR 与XRD 谱图

由图1b 可见，PGS 在2θ=19.8°处出现明显的宽衍射峰，说明PGS 属于增结晶聚合物。在与掺杂了BG 的材料相比后发现，掺杂BG 的PGS/BG 复合材料的峰强度明显下降，这是由于BG 是典型的非晶态玻璃结构，导致复合材料在固化过程中结晶性降低。此外在掺杂了GR 的PGS/GR 复合材料中可以明显观察到在2θ=26.38°附近存在GR 的强特征峰，并且PGS 的衍射峰强度得到了明显的增强。

2．2 SEM 分析

图2 PGS，BG，PGS/BG/GR 复合材料的SEM 照片(放大2 000 倍)

2．3 力学性能分析

(1) BG 添加量对PGS 力学性能的影响。

PGS/BG 的拉伸性能如图3 所示。由图3 可见，纯PGS 的断裂伸长率为178.40%，随着BG 含量的增加，PGS/BG 复合材料的断裂伸长率逐渐降低。纯PGS 的拉伸强度为0.35 MPa。随着BG 的不断加入，PGS/BG 复合材料的拉伸强度先增大后减小。当BG 质量分数为2%时PGS/BG 复合材料的拉伸强度较纯PGS 的提高了34%，此时PGS/BG 复合材料的拉伸性能达到最佳。

图3 PGS/BG 复合材料的拉伸性能

图4 为PGS/BG 复合材料的拉伸弹性模量。由图4 可见，纯PGS 的拉伸弹性模量为0.2 MPa，当BG 质量分数低于3%时，BG 对PGS 起到了明显的增强作用，拉伸弹性模量显著提高。图5 为PGS/BG 复合材料的应力-应变曲线。由图5 可见，PGS/BG 复合材料为韧性断裂。当BG 质量分数小于2%时，PGS/BG 复合材料的应变虽有所降低，但其应力和拉伸弹性模量均提高。这是由于BG 为刚性粒子作为增强相，与PGS 分子链间发生了相互作用的结果。随着BG 添加量的增加，BG 纳米填料在PGS 内易产生团聚，复合使材料在受到拉伸力作用时产生应力集中，复合材料的力学性能下降。

图4 PGS/BG 复合材料的拉伸弹性模量

图5 PGS/BG 复合材料的应力-应变曲线

(2) GR 添加量对PGS/BG 复合材料力学性能的影响。

虽然BG 的加入改善了PGS 的力学性能，但PGS/BG 复合材料的拉伸强度仍然较低，因此，通过GR 增强PGS/BG 复合材料的力学性能，从而得到力学性能更加优异的复合材料。图6 为PGS/BG/GR 复合材料的拉伸性能。PGS/BG 的拉伸强度随GR 的增加而逐渐提高。这是由于GR 具有良好的力学性能，在受到外部拉伸作用时能够有效地传递应力，从而对复合材料起到了良好的增强效果。在受到拉伸载荷作用下，因GR 的拉伸弹性模量远大于聚合物基体的拉伸弹性模量，GR 受力发生断裂消耗部分能量，使得PGS/BG/GR 复合材料的拉伸弹性模量随GR 的增多而增大(如图7 所示)。图8为PGS/BG/GR 的应力-应变曲线，GR 的加入对复合材料的应力起到了明显的增强作用，但并未改变其断裂方式，复合材料仍具有较好的韧性。当BG质量分数为2%，GR 质量分数为5%时，PGS/BG/GR 复合材料的拉伸强度为纯PGS 的3.57 倍、拉伸弹性模量为PGS 的5.5 倍。这种较高力学强度的生物相容性复合材料在生物医用领域也有着良好的应用前景。

图6 PGS/BG/GR 复合材料的拉伸性能

图7 PGS/BG/GR 复合材料的拉伸弹性模量

图8 PGS/BG/GR 的应力-应变曲线

2．4 接触角

PGS，BG 及PGS/BG/GR 复合材料与水的接触角测试结果列于表2。试样的亲水性可以依据其与水的接触角进行评价，PGS 的接触角为74.4°，亲水性较弱。PGS 与BG 复合后，随着BG 含量的增加，PGS/BG 复合材料的接触角逐渐减小，当BG 质量分数为4%时，其接触角已经降到了31.1°。BG 的添加有效地提高了PGS/BG 复合材料的亲水性。此外，GR 的加入也能有效地减小PGS 的接触角，当GR 的质量分数达到5%时，接触角降到了44.7°。同时在材料中加入BG 和GR 时，对材料亲水性的改变起到协同作用，在添加质量分数5%的GR 基础上再加入2%的BG 时，接触角为30.7°，较纯PGS 降低了58.7%接近2/3，这将有利于PGS/BG/GR 对组织液的吸收，满足创面修复材料的需要。

表2 PGS 及其复合材料接触角 (°)

2．5 TG 分析

图9 为PGS 和PGS/BG，PGS/BG/GR 复 合 材料的TG 和DTG 曲线。

图9 PGS，PGS/BG 和PGS/GR/BG 复合材料的TG 和DTG 曲线

由图9 可见，PGS/BG 复合材料的初始分解温度和最大分解速率温度较纯PGS 有所提高。当BG质量分数为3%时，PGS/BG 复合材料的初始分解温度比纯PGS 材料的369℃提高了8℃。最大分解速率温度与纯PGS 相差不大。这是由于BG 为高耐热纳米无机材料(产物在650℃煅烧5 h)，加入BG 使PGS 在前期加热过程中表面脱水，后期的部分成炭层与BG 填料共同起到隔热、隔氧的作用，也使得高温阶段的残炭率有所增加，说明BG 填料使PGS/BG 复合材料的热稳定性提高。在材料中加入GR 之后，当BG 质量分数为2%，GR 质量分数为5%时，PGS/BG/GR 复合材料的最大热失重速率温度几乎不变，但残炭率明显提升，这是由于加入GR后促进了PGS 的高温成炭，使复合材料的高温热稳定性提高。

2．6 DSC 分析

图10 为PGS 及其复合材料的DSC 二次升温曲线图。结晶焓(ΔHm)及最大结晶速率温度(Tc)经计算列于表3。从图10 可以发现，纯PGS 具有一定的结晶性，当加入质量分数2%的BG 后，使得PGS/BG 的Tc向低温方向移动，且PGS/BG 的ΔHm减小，结晶度稍有降低。这是由于BG 的加入一定程度上限制了PGS 分子链的运动，使得PGS 分子链有序排列更加困难，从而ΔHm下降；而GR 片层间存在大量的滑移层，同时，在升温过程中由于GR自身热导率较高，当加入质量分数为5%的GR 后，PGS/GR 复合材料内部分子链运动速率较快，复合材料可在较低温下结晶，更易形成有序结构，导致ΔHm提高，Tc向低温方向移动。PGS 与BG，GR 二者复合后，PGS/BG/GR 复合材料的ΔHm较纯PGS变化不大，但Tc降低至–3.09℃。

图10 PGS 及其复合材料的DSC 曲线

表3 PGS 及其复合材料结晶性能

3 结论

(1) BG，GR 可以有效地提高PGS 的力学性能，当BG 质量分数为2%、GR 质量分数为5%时，PGS/BG/GR 复合材料的力学性能达到最佳，其拉伸强度为纯PGS 的3.57 倍、拉伸弹性模量为PGS 的5.5 倍。

(2) GR 与BG 的协同作用能改善PGS 的亲水性，BG 质量分数为2%、GR 质量分数为5%时，PGS/BG/GR 复合材料的接触角较纯的PGS 降低了58.7%。

(3) BG 质量分数为2%、GR 质量分数为5%时，PGS/BG/GR 复合材料的最大热失重速率温度几乎不变，但残炭率明显增加，GR 使PGS/BG/GR 复合材料的高温热稳定性提高。同时，PGS/BG/GR 复合材料的最大结晶速率温度降低至–3.09℃，PGS/BG/GR 复合材料的结晶焓较PGS 变化不大。