应变控制对形状记忆聚氨酯表面微纳结构的影响

张雪莲，潘显超，乔雅茹，韩榕林，王锦峰，邢 娟

1.西南医科大学基础医学院病理生理教研室（泸州646000）；2.西南医科大学药学院药物化学教研室（泸州646000）；3.重庆大学生物工程学院（重庆 400045）

形状记忆聚氨酯（shape memory polyurethane，SMPU）是研究最为广泛的形状记忆材料[1]，外界环境（如光、热、水等）改变可引起材料形状变化[2]。形状记忆能力赋予SMPU 在医学领域特别是在模型制备方面重要的应用价值[3-4]。此外，SMPU 形态变化可对周围组织施加应力刺激，对再生医学至关重要[5]。

SMPU 的形状记忆过程包括赋形、临时形状固定、形状回复等步骤。以热响应SMPU 为例，当环境温度高于玻璃化转变温度（glass temperature，Tg）时，材料易变形。此时施加外力可使材料从原始形状变为临时形状，即为赋形。随后，降低温度至Tg以下，临时形状被固定。当温度再次升至Tg以上，材料即可发生形状回复[1，6]。实际应用过程中，应力松弛或蠕变可能导致临时形状的改变。若采取“应变控制”（即控制其临时性质不变）策略，将材料置于高于Tg-10K的温度下，一段时间后即使温度升至Tg以上，材料也无法完全回复，即获得不同于原始形状与临时形状的“第三形状”。该形状有助于避开金属模型而获得复杂形状，可用于制备特殊形状材料[7]。此外，应变控制引起的不完全回复在4D-打印领域也有重要应用潜力[8]。

SMPU 的形状记忆能力源于特殊的“嵌段共聚物”性质。SMPU 由化学特性不同的软段和硬段嵌段连接而成。由于热力学不相容性，软、硬段彼此分离，硬段聚集形成纳米尺度的微区结构[9]，即SMPU的相分离现象[10]。由于纳米结构可调控人体内的蛋白黏附状态与细胞行为，因此SMPU 表面微纳结构的变化对材料的生物相容性十分关键[11-13]。

研究发现，通过改变软硬段组成及材料制备方法可调节SMPU的相分离结构[14]。此外，课题组前期研究表明，SMPU薄膜的赋形与形状回复阶段均伴随着硬段微区的重组与表面微纳结构的改变[15-16]。然而，目前还未有研究关注赋形与形状回复之间的应变控制对相分离结构的影响。探索应变控制在相分离微纳结构变化中的作用对丰富SMPU 的生物相容性评价体系至关重要，同时也可指导针对特殊应用的SMPU 的设计、优化及加工。

本研究中，借助于原子力显微镜（atom force microscope，AFM）与扫描电镜（scanning electron microscope，SEM），我们考察应变控制对SMPU 相分离微纳结构的影响。研究结果将有助于指导SMPU 的加工以适应具体的医学应用需求。

1 材料和方法

1.1 SMPU薄膜的制备与拉伸赋形

本研究所用SMPU 软段为聚乳酸-聚乙二醇三嵌段共聚物（PDLLA-PEG-PDLLA），硬段为六亚甲基二异氰酸酯（hexamethylene diisocyanate，HDI）与哌嗪（piperazine，PPZ）（图1）[15]。以往研究显示，聚乳酸与聚乙二醇具有良好的生物相容性与生物可降解、可吸收性[17]。HDI 为脂肪类异氰酸酯，链段运动性较强；而PPZ 为小分子环状二元仲胺，其刚性环状结构和扩链形成的脲基可有效提高硬段刚性，增强材料力学性能[18]。DSC检测SMPU的Tg为38.6 ℃。根据前期研究，采用溶液浇铸法制备SMPU薄膜，并以200%的拉伸率对薄膜进行拉伸赋形[15]。方法如下：将薄膜54 ℃（Tg+15 ℃[13]）下静置5 min 后，以20 mm/min 的速度将薄膜拉伸到200%长度。随后，将拉伸薄膜置于25 ℃环境下（低于Tg-10 ℃[5]）2 min，使薄膜形状得到有效固定。最后，去除薄膜两端固定装置，将拉伸薄膜置于室温下，待用。

图1 SMPU化学结构式Figure 1 Chemical structure of SMPU

1.2 应变控制处理

拉伸后，SMPU薄膜Tg为40.6 ℃[16]。为保证不完全回复，将拉伸材料置于高于Tg-10 ℃的环境中。同时，为保证材料在应变控制后依然具有形状回复能力，应变控制温度不宜过高[7]。综上，本实验选择32 ℃作为应变控制处理温度。操作如下：用夹具将拉伸薄膜两端固定在载玻片上，置于32 ℃环境中24 h，薄膜记为“应变控制”。应变控制处理结束后，将环境温度升至41 ℃（Tg以上），去除夹具，待薄膜完成形状回复至长度不再缩短，薄膜记为“应变控制-回复”。观察薄膜形状回复性能并进行结构表征。

此外，以未应变控制处理薄膜为对照组。处理如下：对SMPU 薄膜进行200%的拉伸赋形，待临时形状固定后，直接将薄膜置于41 ℃的环境中自由回复，将薄膜记为“对照-回复”。观察薄膜形状回复并进行结构表征。

1.3 形状回复性能检测

观察薄膜形状回复过程，并计算薄膜的形状回复率（recovery ratio，Rr）。

（L0：原始长度，L1：去除固定装置后长度，L2：回复后长度）

1.4 微纳结构观察与分析

室温下，利用AFM 考察薄膜表面相分离与纳米粗糙度[19]，SEM 观察薄膜表面形貌。注意：AFM 实验时，用otespa探针在轻敲模式下以1 Hz的频率对材料表面进行扫描并采集数据；SEM实验时，需对材料进行喷铂处理以增加薄膜导电性，并在低电压下（2.0 kV）模式下采集图片。

1.5 统计学分析

采用excel 与origin 8.1软件进行数据分析，数据表示为：均数±标准差（）；满足参数检验条件的利用单因素方差分析法进行组间差异考察，P ＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 应变控制对SMPU薄膜形状回复率的影响

观察薄膜形状回复并计算形状回复率，结果如图2所示。经应变控制处理的薄膜的形状回复率（%）为82.34±5.35，明显低于对照回复组（95.94±2.58）。结果表明，本实验所采用的应变控制处理引起薄膜不完全回复，达到预期实验效果。

图2 应变控制对SMPU薄膜形状回复率的影响Figure 2 Effect of strain-control on shape recovery rate of SMPU films

2.2 应变控制对SMPU相分离的影响

AFM 相位图显示SMPU 中可见明显的亮区与暗区，亮区对应硬段聚集而成的微区[19]。前期研究结果显示：在SMPU 薄膜的原始形状中，硬段紧密聚集，形成无序排列的微区结构（图3A中箭头所示），拉伸导致微区结构沿拉伸方向排列（图3A，200%拉伸）[15]。本研究中，我们借助AFM 进一步考察应变控制对薄膜表面相分离微纳结构的影响。结果如图3所示，SMPU的相分离结构在应变控制处理期间无显著变化，即硬段微区依然沿拉伸方向有序排列（图3B中放大区域所示）。然而，形状回复后薄膜表面相分离结构显示，经过应变控制处理的薄膜，在完成形状回复过程后（应变控制-回复），硬段微区的排列依然具有取向性（如扫描范围为2 μm × 2 μm 的视野所示）。而在“对照回复”薄膜中，微区结构排列无序。AFM结果表明，应变控制处理可显著影响形状回复SMPU中硬段微区的排列方式。

图3 应变控制对SMPU薄膜相分离的影响Figure 3 Effect of strain-control on phase separation of SMPU films

由于硬段间较强的内聚能（氢键）作用[20]，原始形状SMPU 薄膜中硬段聚集引起薄膜表面局部突起（图4A，原始形状）[15]。为探究应变控制对形状回复薄膜表面粗糙度的影响，本研究分析了形状回复SMPU 薄膜表面相位图与对应的高度图。结果显示：高度图与相位图中的高亮区域基本吻合（图4A），说明形状回复后薄膜表面突起部位依然由硬段微区组成。通过对扫描范围为10 μm×10 μm的AFM高度图的线平面粗糙度分析可知（图4B），所有SMPU 薄膜的表面粗糙度均在2 nm～4 nm之间，且差异较小。该结果说明：应变控制对形状回复SMPU薄膜表面粗糙度影响较小。

图4 原始形状与形状回复SMPU薄膜表面粗糙度分析Figure 4 Roughness analysis of original and shape recovered SMPU films

2.3 应变控制对SMPU微纳结构的影响

AFM 结果显示，应变控制可影响形状回复SMPU薄膜表面硬段聚集排列方式，从而改变薄膜表面相分离结构。为从微米尺度上进一步观察SMPU 表面形貌，我们对形状回复薄膜进行了SEM检测。结果显示：在SMPU 薄膜表面可见纤维状突起，利用Image J 软件测算纤维长度多为1～3 μm、直径约200～300 nm。由于硬段聚集导致材料局部突出（图4a），因此，纳米纤维主要由硬段组成。前期研究结果显示，拉伸后薄膜表面由于硬段微区的有序排列，纳米纤维延伸方向与拉伸方向一致，其夹角在40°以下的纤维占比50 %以上[15]。为进一步考察形状回复薄膜表面纳米纤维取向能否恢复到原始形状，从SEM 图片中随机选取6 个视野，借助于Image J 软件的角度测算功能测量纳米纤维延伸方向（图5A 中红色虚线所示）与拉伸方向间的夹角并作统计分析，结果如图5B 所示。“对照回复组”薄膜表面取向与原始形状表面无显著差异，纤维呈随机取向分布。而“应变控制-回复”薄膜表面，纤维延伸方向与拉伸方向间的夹角大于40°的纤维比例高达71.97%，其中，夹角在40°～60°之间的纤维占比41.32%。该结果表明：应变控制处理在降低薄膜形状回复率的同时，导致形状回复薄膜表面硬段微区排列的有序性提高。由于硬段的化学性质不同于软段，应变控制回复薄膜表面纳米纤维有序性的提高实际是纳米尺度化学“图案”的有序性提高，即应变控制对薄膜表面纳米结构的影响主要表现为对薄膜表面化学特性的影响。

图5 应变控制对形状回复薄膜表面形貌的影响Figure 5 Effect of strain-control on surface morphology of recovered SMPU films

3 讨论

SMPU具有良好的形状记忆性能，但其优势不仅仅局限于传统的完全形状回复，由不完全回复造成的“第三形状”在医学模型制备与4D材料制备中具有重要应用潜力[8]。应变控制是造成不完全回复的有效途径，因此，探究应变控制是否影响材料表面微纳结构是进一步拓展SMPU在医学领域应用的基础。

SMPU 形状记忆过程中伴随着材料体系内能量的变化，这种变化也是形状回复的基础。如温度敏感型SMPU，当材料其所处温度在Tg以上时，其状态为粘弹态。此时软段具有较强的可塑性，若施加外力即可使软段分子链有序排列，降低材料内的体系熵。临时形状在较低温度下被固定的过程中，伴随着有序排列的软段分子链被“冻结”，以及外力做功而赋予材料的能量被“冻结”。最后，当材料形状回复时，体系内被“冻结”的能量得到释放，软段分子链运动性再次增强并倾向于回到初始状态。该过程促进了材料由临时形状向原始形状的转变，同时也是硬段组装向其初始状态回复的动力[21-23]。综上所述，赋形实际上是赋予材料能量的过程，而形状回复则是释放能量的过程。本研究中，SMPU 薄膜经过应变控制处理后进行形状回复，其形状回复率下降，且硬段微区组装状态无法回复到原始形状中的无序状态（图3），表明材料在应变控制过程中有能量的损失。

本研究中，我们将材料以200%的拉伸率赋形，并在此应变下进行应变控制。据以往研究显示，这种处理方式可能会引起材料内应力松弛现象的出现[24]。而该现象是否发生，很大程度上取决于环境温度[25-26]。若应变控制的SMPU 所处环境温度较高会发生应力松弛，继而引发能量损失[27-29]。其原因在于分子链段，尤其是软段的微观布朗运动。该运动使得软段逐渐改变取向以适应临时形状，最终导致不可回复应变的发生。为避免这种现象发生，需将材料置于Tg-10K 的环境中[7]。本研究中，拉伸后SMPU 薄膜的Tg为40.6 ℃，应变控制温度为32 ℃，且应变控制处理时间相对较长（24 h）。因此，应变控制期间薄膜会消耗能量用于软段缓慢的分子运动，而硬段微区的聚集在该期间内并无显著变化。除应力松弛外，赋形过程中较长硬段微区（数百纳米）的断裂也可能造成能量损失[30]。本研究中，虽然拉伸引起SMPU薄膜中硬段微区重排，但AFM结果显示硬段微区尺寸较小，且拉伸过程未见硬段微区的断裂。据此可推断，本研究中由硬段微区断裂造成能量损失的可能性较小。因此，本研究中薄膜的能量损失与不完全回复主要归因于应变控制处理期间的应力松弛。能量损失同时使形状回复过程中硬段组装回复到初始状态的动力减小，最终表现为形状回复薄膜中硬段微区的有序排列。

综上，应变控制可引起形状记忆高分子材料的能量损失与不完全回复，最终引起形状回复材料相分离微纳结构的改变。相较于传统的静态组织工程材料，SMPU 在医学领域应用的首要优势是其动态的形状回复过程。该过程可在一定程度上对材料周围的组织细胞提供应力刺激，该刺激可促进组织再生修复[31]。然而，需要注意的是，除应力刺激这一物理信号外，材料表面特性本身即可决定材料最终应用情况[32]。对于SMPU来说，由软硬段相分离导致的SMPU材料局部微纳结构可提供化学信号，该信号可对细胞外基质蛋白在材料表面的黏附状态及后续细胞行为调控具有极其重要的影响[33]。因此，在设计形状记忆过程以适应特定生物医学应用时，必须考虑应变控制的潜在影响，尤其是对材料表面微纳结构的影响。

4 结论

本研究从形状记忆聚氨酯的加工及应用角度出发，考察了应变控制对材料相分离微纳结构的影响。研究发现，在相对较高的温度下进行应变控制处理导致材料形状回复率降低约13%。更重要的是，应变控制使形状回复薄膜表面纳米尺度的硬段微区呈有序排列状态，从而引起形状回复聚氨酯表面有序排列的纳米纤维的生成。本研究对充分认识材料加工及应用过程中的各个环节对材料最终应用的影响提供了重要参考。同时，研究结果也为后续深入理解材料-细胞相互作用奠定了理论基础。

（利益冲突：无）