聚乳酸/羥基磷灰石復合材料微球的制備及表征

柳志偉，閆旭瑾，余夢婷，劉 凡，鄢國平

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430205

噴霧干燥法是通過將乳液噴入熱干燥介質，使其從流體狀態轉變為干燥粉末的技術，是醫藥和食品等工業常用的一種物料干燥方法，具有生產成本低、工藝簡單和可連續化大規模生產等優點［1-3］。

聚乳酸［poly（L-lactic acid），PLA］是一種具有良好生物相容性、低毒性和可生物降解的生物醫用高分子材料，已廣泛應用為骨、軟骨、人造皮膚和周圍神經修復等組織工程領域的載體［4-6］，也是被美國食品藥品監督管理局認可進入臨床使用的生物材料。PLA 微球可用做蛋白球載體、基因載體以及藥物載體，也在骨組織工程等方面得到了廣泛應用［7-9］。由于PLA 的降解產物呈現一定的酸性，導致其植入物在體內產生炎癥等副作用，限制了其在生物醫學領域的應用［10］。近年來，許多改性PLA 基復合材料得到了較大的發展，各種陶瓷材料如碳酸鈣、磷酸鈣、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等已被用于制備PLA 基復合材料。其中HA 作為人體骨基質的主要成分，具有良好的生物相容性和骨誘導性，通常可用作為骨修復材料的填充物［11］。

傳統注塑成型需要特定的模具，難以制備復雜結構的零部件［12］，PLA 微球可適用于激光選區燒結（selective laser sintering，SLS）成型技術，3D打印出個性化精細的器件［13-14］，則更能突顯其在生物醫學方面的優勢。目前關于PLA 基復合材料的SLS 成型技術研究相對較少，雖然林坷升等［11］和Zhang 等［15］將 聚 乳 酸/羥 基 磷 灰 石 復 合 材 料（PLA/HA）應用于SLS 技術，但只是將兩種材料簡單共混，未深入研究其性能。本文利用噴霧干燥技術制備不同質量分數PLA/HA 復合材料微球，并對其進行微觀形貌和結構表征，進一步研究HA質量分數對熱穩定性能的影響，以期望拓展PLA在生物醫用領域的應用。

1 實驗部分

1.1 化學試劑與材料

1.1.1 主要化學試劑 PLA（Mn：19×104，武漢海山科技有限公司）；HA（20 nm，北京德科島金公司）；二氯甲烷和溴化鉀（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.1.2 實驗設備 強磁力攪拌器（98-2，鞏義市予華儀器有限責任公司）；電子天平（BSA224S-CW，北京賽多利斯儀器系統有限公司）；噴霧干燥儀（ZY-8000，上海紫裕生物科技有限公司）；傅里葉紅外光譜儀（Nicolet Impact 420，美國Thermo Fischer 公司）；差示掃描量熱儀（200 F3，德國耐馳儀器制造有限公司）；熱重分析儀（TGA 55，美國TA 公司）；掃描電子顯微鏡（Gemini 300，德國蔡司公 司）；X- 射 線 衍 射 儀（D8 ADVANCE，美 國Thermo Fischer 公 司）；X 射 線 光 電 子 能 譜 儀（ESCALAB 250 Xi，美國Thermo Fischer公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合材料的制備 稱取一定質量的PLA放入500 mL 單口燒瓶中，加入300 mL 二氯甲烷，磁力攪拌，待到固體完全溶解后，加入適量的HA，充分攪拌后將其旋干，制備含有不同HA 質量分數的PLA/HA 復合材料。將復合材料溶液通過蠕動泵作用引入離心式噴霧干燥塔，進行噴霧干燥，收集所得復合材料粉末。

1.2.2 結構表征與性能測試 紅外光譜儀采用型Nicolet Impact 420 進行測試：掃描波數范圍為4 000～400 cm-1；差示掃描量熱測試采用200 F3 型差示掃描量熱儀：N2氣氛中，按10 K/min 的速率先由-90 ℃升溫至110 ℃，再降溫至-90 ℃，然后升溫至110 ℃，以消除熱歷史減小誤差，氣體流速為50 mL/min；熱重測試使用TGA 55 型熱重分析儀：氮氣保護，以10 ℃/min 的速率從30 ℃加熱至600 ℃。

復合材料的微觀形態采用Gemini 300 型掃描電子顯微鏡進行測試；結晶性能采用D8 型X 射線衍射儀進行測試，測試條件：掃描速度3（°）/min，掃描范圍5°～50°；元素分析采用ESCALAB 250 Xi型X 射線光電子能譜儀。

2 結果與討論

2.1 PLA/HA 復合材料結構表征

圖1 為PLA/HA 復合材料的結構表征圖譜，由圖1（a）復合材料傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrum，FT-IR）可知，3 450cm-1處 是 羥 基（-OH）的 伸縮 振 動 峰，568 、610 和1 080 cm-1處是PO43-基團振動峰為HA 的特征峰。從PLA/HA 的紅外圖譜分析可知，在3 449 cm-1處為-OH 的伸縮振動吸收峰；在1 181、1 060 cm-1處為-C-O-C-伸縮振動峰；在1 245 cm-1處為-CH- 對應的彎曲振動峰；在1 749 cm-1處為C=O 伸縮振動的特征吸收峰，隨著HA 質量分數的增加，該峰發生了紅移，波數由1 751 cm-1減小 到1 748 cm-1，同時在564、615 和1 080 cm-1處出現的PO43-基團振動峰均證明已成功制備了PLA/HA 復合材料。

從PLA/HA 復合材料的X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）圖譜［圖1（b）］可以看出，PLA/HA復合材料的衍射峰包含羥基磷灰石衍射峰（標為“◆”的圖形符號）和無定型寬峰（標為“●”的圖形符號）。由于PLA/HA 復合材料采用HA 與PLA 的物理共混方法制備，其主要衍射峰并未發生化學變化，則表明其結晶能力也未發生變化，因此在同等條件下，PLA 高分子基體的相對含量隨HA 質量分數的增加而逐漸降低，故而無定型寬峰也呈現減弱的趨勢。 反之，PLA/HA 復合材料在26°和32.2°分別歸屬羥基磷灰石（002）和（001）晶面的衍射峰呈現逐漸增強的趨勢，進一步證明了復合材料微球已成功制備。

圖1（c）為PLA/HA 復合材料的X 射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）圖，可以看到復合材料在285 eV 和532 eV 位移處的C 1s 吸收峰和O 1s 吸收峰均較為明顯。加入HA后的復合材料在347 eV 和132 eV 位移處有Ca 2p和P 2p 吸收峰。結合XPS 寬掃描中C 1s、O 1s、Ca 2p 和P 2p 吸收峰的強度，可以大致估算出元素C、O、Ca 和P 在復合材料中的相對含量，并計算出C 與O 的原子個 數 比 值 如 表1 所 示，PLA/HA 復 合材料的C/O 的原子個數的比值與理論比值相近，證明了復合材料已成功制備。

圖1 PLA/HA 復合材料結構表征圖：（a）FT-IR 圖，（b）XRD 圖，（c）XPS 圖Fig. 1 Structural characterization of PLA/HA composite materials：（a）FT-IR spectra，（b）XRD patterns，（c）XPS spectra

表1 復合材料元素相對含量Tab. 1 Relative element contents of composites

2.2 不同比例PLA/HA 復合材料微觀形貌分析

圖2 為PLA/HA 復合材料微球的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖，由圖2可以看出，噴霧干燥得到的微球主要呈現為干癟、不規則的形狀，在微球表面均密布著清晰可見的微孔，在PLA/HA 復合材料中有白色細小顆粒的羥基磷灰石附著在微球表面，且隨著HA 質量分數的增加，白色小顆粒的數量也逐漸增多，在PLA/25%HA 復合材料微球表面出現了HA 小規模聚集的現象，進一步驗證了成功制備出復合材料微球。

圖2 PLA/HA 復合材料微球的SEM 圖Fig. 2 SEM images of PLA/HA composite microspheres

復合材料微球表面密布大量的微孔，當其應用于骨組織工程時，不僅有利于細胞的黏附和生長，同時還可以作為藥物控制釋放的載體，在抗癌抗菌方面有良好的應用前景。在理論上，多孔結構的存在可以在其受到壓縮時吸收能量，并且可以起到一定的緩沖作用而降低孔隙結構的快速崩塌［16-18］。

用Nano Measurer 軟件對PLA/HA 復合材料微球的SEM 圖進行粒徑分布統計，并對所得數據進行擬合得到PLA/HA 復合材料的粒徑分布圖，如圖3 所示，可以看出PLA 高分子材料微球的粒徑主要分布在5～10 μm，PLA/10%HA 復合材料微球主要分布在6～11 μm，PLA/25%HA 復合材料微球主要分布在5～10 μm。總體上來看，HA 的加入對復合材料微球的粒徑分布影響不大，可能是由于HA 在高分子基體中的團聚對其產生了抑制作用。

圖3 PLA/HA 復合材粒徑分布圖Fig. 3 Particle size distribution of PLA/HA composites

2.3 熱穩定性能分析

圖4 為PLA/HA 復合材料熱穩定性能圖，從復合材料的示差掃描量熱圖［圖4（a）］可以發現，PLA 高分子材料的玻璃化轉變溫度為47.2 ℃；PLA/10%HA 復合材料中PLA 的玻璃化轉變溫度為41.6 ℃；PLA/25%HA 復合材料中PLA 的玻璃化轉變溫度為63.7 ℃。可以看出，隨著HA 的添加量逐漸提高，復合材料的玻璃化轉變溫度呈現先降低后升高的趨勢，說明適量HA 的加入提升了復合材料的耐熱性，可能是由于多孔結構的存在阻礙了分子鏈的運動，使其玻璃化轉變溫度略有降低，但是隨著HA 質量分數的繼續增加，HA 在高分子基體內的團聚使得鏈段運動的內阻力增大，松弛時間也增加，故而使復合材料的玻璃化轉變溫度顯著升高。

圖4 PLA/HA 復合材料熱學性能圖：（a）示差掃描量熱曲線，（b）熱失重曲線Fig. 4 Thermal performance of PLA/HA composite materials：（a）differential scanning calorimetry curves，（b）thermogravimetric loss curves

圖4（b）為PLA/HA 復合材料的熱失重曲線，從圖4（b）中可以看出PLA/HA 復合材料的熱穩定性優于純PLA 高分子材料，純PLA 高分子材料在219.4 ℃時開始降解，在435.6 ℃時降解結束；PLA/10%HA 復合材料在241.4 ℃時開始降解，在476.8 ℃時降解結束；PLA/25%HA 復合材料在253.7 ℃時開始降解，在493.1 ℃時降解結束。因此，HA 的加入提升了PLA/HA 復合材料的熱穩定性，并且隨著HA 質量分數的增加，復合材料的熱穩定性逐漸升高，可能是由于復合材料中高分子基體與填料在混合過程中存在氫鍵和范德華力的相互作用，導致其熱穩定性有所增加。

3 結 論

本文通過共混制備了PLA/HA 復合材料，采用噴霧干燥技術制得PLA/HA 復合材料微球，復合材料的紅外光譜、X 射線衍射譜圖均證明PLA/HA 復合材料微球的成功制備，且復合材料微球呈現多孔狀，其粒徑主要分布在5～11 μm 的范圍。熱穩定性能測試結果表明，HA 加入提升了復合材料的熱穩定性能。因此PLA/HA 復合材料微球兼具PLA 和HA 的優點，彌補了單一材料的不足，有望在3D 打印骨修復植入物和藥物控制釋體系等領域具有良好的應用前景。