聚(1,8-辛二醇-檸檬酸)-co-Pluronic F127生物彈性體的制備與表征

王 辛,吉亞麗

(東華大學a. 纖維材料改性國家重點實驗室;b. 材料科學與工程學院,上海201620)

聚(1,8-辛二醇-檸檬酸)-co-Pluronic F127生物彈性體的制備與表征

王 辛a,b,吉亞麗a,b

(東華大學a. 纖維材料改性國家重點實驗室;b. 材料科學與工程學院,上海201620)

通過Pluronic F127、檸檬酸和1,8-辛二醇的一步熔融縮聚反應制備得到了可降解的生物彈性體聚(1,8-辛二醇-檸檬酸)-co-F127,并利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、差示掃描量熱分析(DSC)、靜態水接觸角、體外降解、單軸拉伸試驗、血小板黏附等分析測試方法對彈性體的結構和性能進行了表征,探討F127質量分數對彈性體性能的影響.研究結果表明,F127被成功引入到了彈性體網絡結構中,它的引入降低了彈性體的玻璃化轉變溫度,提高了彈性體的親水性和體外降解速度,而且其水溶脹性表現出一定的溫敏特征,同時,彈性體在濕態下的力學性能得到了較大改善,而且血小板黏附和溶血試驗也表明彈性體具有更好的血液相容性.

Pluronic F127;檸檬酸;1,8-辛二醇;生物彈性體

人體許多軟組織都具有彈性體特征,根據力學性能適應性要求,替換或修復這些組織需要研制與其力學性能相匹配的可降解生物彈性體材料.2004年,文獻[1]首次通過檸檬酸和1,8-辛二醇熔融縮聚得到了一種網絡型的聚檸檬酸酯(POC)彈性體,由于所用單體無毒、制備過程不添加任何有毒物質、反應條件溫和、后期成型簡單,而且可通過控制反應物的配比以及固化條件調節其力學性能和降解周期,并且生物學評價也比較好,所以POC是一種非常有潛力的軟組織工程材料.此后,一些研究工作通過選擇不同的二醇單體或引入第三種單體來調節檸檬酸酯類彈性體的力學性能或其他性能.文獻[2]采用不同脂肪鏈長的二醇單體,研究發現,隨二醇單體脂肪鏈長的增加,彈性體的柔性增大,當將不飽和單體引入到POC中時,可得到雙交聯結構的POC彈性體,擴大了彈性體力學性能的范疇.文獻[3]采用不同相對分子質量的聚乙二醇作為二醇單體,得到了能快速降解的聚乙二醇檸檬酸(PEC)彈性體.文獻[4]中將1,2-丙二醇、癸二酸與檸檬酸共縮聚得到了低吸水率的聚癸二酸丙二醇檸檬酸酯(PPSC)彈性體.文獻[5]將癸二酸引入到彈性體中可調控彈性體的表面潤濕性.Pluronic F127(下文簡稱“F127”)是一種典型的兩親性共聚物,被廣泛應用于組織工程材料領域[6].F127具有良好的生物相容性和蛋白抗性,利用其親/疏水平衡作用,能夠減少種子細胞的流失和死亡,提高細胞在支架上的存活率,而且F127還具有抑制蛋白吸附和血小板粘連的能力[7].本文將F127大分子作為共聚單體,通過與1,8-辛二醇、檸檬酸熔融共縮聚反應制備一種新的彈性體,以期改善POC彈性體的力學性能及生物性能.

1 試 驗

1.1 試劑

檸檬酸: 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;1,8-辛二醇: 分析純,上海卓瑞化工有限公司;F127: 分析純,西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司;戊二醛溶液25%: 生物試劑,國藥集團化學試劑有限公司;脫纖維兔全血: 青島康大生物科技.其他試劑均為市售分析純.

1.2 POC-co-F127彈性體的制備

在氮氣保護下,固定檸檬酸和1,8-辛二醇的摩爾比為1.1∶1.0,加入不同質量分數的F127,置于165 ℃油浴中加熱并攪拌,待混合物熔融后,將溫度降至140 ℃反應一段時間,將所得預聚體用少量去離子水溶解后倒入不銹鋼模具中進行冷凍干燥,然后在80 ℃下真空固化3 d,得到POC-co-F127彈性體.當加入的F127質量分數分別為10%,20%,30%時,所得到的彈性體分別記為POC-co-10F127、POC-co-20F127、POC-co-30F127.反應過程如圖1所示.

圖1 POC-co-F127彈性體的合成示意圖Fig.1 Schematic representation of POC-co-F127 elastomer

1.3 結構與性能表征

采用衰減全反射法在美國熱電公司的Nicolet 8700型紅外光譜儀上測定彈性體的紅外光譜,掃描范圍4 000～400 cm-1.在德國耐馳儀器公司的204F1型差示掃描量熱儀上測定DSC曲線,氮氣氣氛下,以40 ℃/min的速度升溫至150 ℃,恒溫5 min,再以10 ℃/min的速度降溫至-70 ℃,再以10 ℃/min的速度升溫至150 ℃.在美國英斯特朗公司的Instron-5969型電子萬能材料試驗機上測試彈性體的拉伸性能,將彈性體制成50 mm×5 mm 的樣條,分別做干態和濕態下的力學性能測試,濕態下的測試是將樣條在去離子水中浸泡3 h后測其厚度,并以10 mm/min速度進行拉伸.在德國Datephysics公司的OCA40型光學視頻接觸角測量儀上測量彈性體的靜態水接觸角.體外降解試驗是將充分干燥的彈性體制成尺寸為1.5 mm×15 mm×2 mm、質量為m0的樣品,將其浸泡在30 mL、37 ℃的磷酸緩沖液(PBS)中,一定時間后取出,用去離子水充分洗滌,干燥至恒重,記為mX,失重率=(m0-mX)/m0×100%,每組試驗做4個平行測試.溶脹度測定是將充分干燥的彈性體制成尺寸為1.5 mm×15 mm×2 mm、質量為m1的樣品,放入30 mL的去離子水中,一定時間后取出,拭去表面水,稱取質量為m2,溶脹度=(m2-m1)/m2×100%,分別在12,25,37,45和53 ℃下測其溶脹度,每組試樣做4個平行測試.血小板黏附試驗是將彈性體用PBS反復漂洗后,浸入富含血小板的兔抗凝全血中,再經生理鹽水漂洗、戊二醛固定、酒精脫水,最后在日立S-3000 N型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察表面血小板黏附情況.溶血試驗是將彈性體洗凈后浸泡于10 mL 0.9%的NaCl溶液中24 h,傾去浸泡液,重新加入0.9%的NaCl溶液于37 ℃恒溫30 min,再加入稀釋兔血0.1 mL(0.5 mL兔抗凝全血+0.5 mL 0.9%的NaCl溶液),于37 ℃恒溫1 h,離心后吸取上層清液,在美譜達UV-1200型紫外可見分光光度計上測定540 nm處吸光度.陽性對照用蒸餾水10 mL加稀釋兔血0.1 mL,陰性對照用0.9%的NaCl溶液10 mL加稀釋兔血0.1 mL,保溫條件和測定方法與樣品組相同.溶血率=(X1-X3)/(X2-X3)×100%,其中,X1為試樣的吸光度值,X2為陽性對照的吸光度值,X3為陰性對照的吸光度值.

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖2 彈性體的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of elastomers

2.2 差示掃描量熱分析

圖3是彈性體的DSC曲線.由圖3可知,在溫度-70～150 ℃內沒有出現明顯的熔融峰或結晶峰,說明彈性體中不存在結晶相.所有彈性體的玻璃化轉變溫度(tg)均在0 ℃以下,因此該類彈性體在生理溫度(37 ℃)應用時處于高彈態.隨著F127質量分數的增大,彈性體的tg呈現降低的趨勢,而且呈線性相關. 這是由于F127的分子鏈較長,當其參與構建網絡結構時,導致彈性體的交聯密度降低,交聯點間分子鏈的運動能力增強,從而導致彈性體的tg較低.

圖3 彈性體的DSC曲線Fig.3 DSC profile of elastomers

2.3 溶膠含量及溶脹分析

以乙醇為溶劑測定彈性體的溶膠含量,結果如表1所示.由表1可知，彈性體的溶膠含量為15% ～23%,而且隨著F127質量分數的增加,彈性體的溶膠含量逐漸增大,說明在聚合過程中,F127的存在在一定程度上影響了酯化反應的程度,從而影響了交聯程度.室溫下(約24 ℃)彈性體在去離子水中的溶脹度與時間的關系曲線如圖4所示.由圖4可知,20 h后彈性體基本達到溶脹平衡,且隨著F127質量分數的增加,彈性體的平衡溶脹度增大,但除了POC-co-30F127的平衡溶脹度較高,達到90%,其他彈性體的平衡溶脹度均在40%以內,所以POC-co-30F127表現出較好的尺寸穩定性,適合用于組織工程支架材料.在不同溫度下彈性體浸泡3 d后,測定彈性體的平衡溶脹度如圖5所示.由圖5可知,隨著溫度的升高,POC-co-F127的平衡溶脹度降低,而POC的平衡溶脹度略微增加,初步證明在濕態環境中POC-co-F127的尺寸具有溫度敏感性.

表1 彈性體的溶膠含量
Table 1 Sol content of elastomers

彈性體POCPOC-co-10F127POC-co-20F127POC-co-30F127溶膠含量/%15.4±0.817.2±0.619.6±2.023.1±1.3

圖4 彈性體的溶脹結果圖Fig.4 Swelling degree of elastomers

圖5 彈性體的平衡溶脹度-溫度變化曲線Fig.5 Balanced swelling degree -temperature curves of elastomers

2.4 表面親水性分析

靜態水接觸角是用來表征材料的親/疏水性的一種常用方法,通常認為材料的水接觸角為0°～90°時,說明該材料的親水性較好.對于親水性好的材料,植入人體后有利于組織細胞在其表面的黏附和增殖.表2是彈性體的水接觸角測量結果,其變化范圍為38°～84°,表明彈性體均表現為親水性.隨著F127質量分數的增加,彈性體的水接觸角逐漸減小,表明引入親水的F127有利于改善彈性體的親水性,其主要機理是F127含有較多的醚鍵,而醚鍵具有較強的親水性.

表2 彈性體的靜態水接觸角
Table 2 Water-contact-angles of elastomers

彈性體POCPOC-co-10F127POC-co-20F127POC-co-30F127水接觸角/(°)84.2±5.076.2±8.056.0±13.038.6±16.0

2.5 體外降解研究

彈性體在PBS中的降解失重曲線如圖6所示.由圖6可知,在測試周期內,隨著F127質量分數的增加,彈性體的降解速率增快,其中,POC-co-10F127、POC-co-20F127和POC-co-30F127分別在10,7和5星期內完全降解,而POC降解12星期后的失重率僅為55.7%.由于POC類彈性體的降解屬于酯基的水解降解,所以當將F127引入到彈性體網絡結構中時,彈性體的親水性和吸水性得到較大提高,而且交聯密度也有所降低,從而加快了體外降解速度.

圖6 彈性體的失重曲線Fig.6 Weight loss curves of elastomers

2.6 力學性能分析

為更好地體現彈性體在體內的力學性能,本文采用去離子水浸泡之后測量彈性體力學性能.圖7和表3分別為彈性體在干態、濕態下的應力-應變曲線和對應的斷裂強度、彈性模量和斷裂伸長率數值.由圖7和表3可知： 隨著F127質量分數的增加,干態彈性體的斷裂強度和彈性模量逐漸增加,而斷裂伸長率呈明顯的降低趨勢;濕態彈性體的斷裂強度和彈性模量隨F127質量分數的增加逐漸增加,而斷裂伸長率變化不大.因為F127 的引入可有效改善彈性體的力學性能,其中POC-co-20F127彈性體的綜合力學性能最佳.

(a) 干態

(b) 濕態

表3 干態、濕態彈性體的斷裂強度、彈性模量、斷裂伸長率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導致凝血的重要因素,因此,通過對材料表面血小板的黏附試驗可評價材料的抗凝血性能.圖8為黏附血小板的彈性體的SEM圖.由圖8可知,POC和POC-co-10F127表面黏附血小板的量沒有明顯變化,但是POC-co-20F127表面黏附血小板的量明顯減少,而POC-co-30F127表面幾乎沒有血小板黏附,說明F127的存在使得彈性體具有更好的抗凝血性.

圖8 血小板黏附后的彈性體SEM照片Fig.8 SEM photographs of elastomers after platelet adhesion

溶血試驗主要是通過材料與血紅細胞在體外接觸過程中,測定紅細胞溶解和血紅蛋白游離程度,從而對材料的體外溶血性能進行評價.標準規定,溶血率小于5%時不會發生溶血.不同彈性體的溶血率試驗結果如表4所示.由表4可知,試驗所測的所有彈性體的溶血率都小于5%,因此它們均符合醫用材料對溶血率的要求,而且,隨著F127質量分數的增加,彈性體溶血率有一定程度的減小,所以引入F127可有效改善彈性體的溶血性能.

表4 不同彈性體的溶血率
Table 4 Hemolysis ratio of elastomers

名稱吸光度值溶血率/%陽性對照組0.552±0.010陰性對照組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 結 語

通過Pluronic F127、檸檬酸和1,8-辛二醇的一步熔融縮聚將F127成功引入到彈性體網絡結構中.F127的引入,明顯降低了彈性體的玻璃化轉變溫度,提高了彈性體的親水性和體外降解速率,而且,由于F127本身具有溫敏性,它的存在使彈性體的水溶脹性也表現出一定的溫敏特征.F127的引入在一定程度上改善了POC的力學性能,當F127的質量分數為20%時,得到的彈性體的綜合力學性能相對較好.同時由于F127本身具有較好的血液相容性特征,所以POC-co-F127彈性體也表現出較好的血液相容性.

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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

國家自然科學基金資助項目(51303024)

王 辛(1988—)，女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為生物彈性體.E-mail：wangxin9547@126.com 吉亞麗(聯系人)，女，副研究員，E-mail：jiyali@dhu.edu.cn

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