2016, Vol. 37
2. 上海理工大学 机械工程学院, 上海 200093 ;
3. 微创骨科有限责任公司, 上海 201318
2. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China ;
3. Shanghai Micro Port Orthopedics Company with Limited Liability, Shanghai 201318, China
人体因先天畸形、外伤和炎症等造成的骨缺损数不胜数,骨修复材料需求很大,因此,骨修复材料的研究成为全球热点[1-2].目前骨折内固定器多采用以金属器械为代表的生物惰性材料.但由于其硬度过高易引起重建骨的再次骨折,且需要进行2次手术,增加了病人的痛苦,使金属器械的应用受到了很大的限制.聚左旋乳酸(PLLA)具有良好的生物降解性能和生物相容性,且易于加工成型,PLLA已被美国食品和药物管理局批准用于生物医学的各个领域.用PLLA制备的可降解骨折内固定器械,具有弹性模量与人骨匹配、可完全降解吸收等优点,近年来成为研究的热点[3-4].但是纯PLLA也存在降解产物呈酸性、易引起人体无菌性反应、初始力学性能不足以用于皮质骨内固定和降解速率过快等缺点[5].在PLLA中加入β-磷酸三钙(β-tricalcium phasphate,β-TCP),可以调节PLLA的降解速率,且β-TCP降解产物呈碱性,可以中和PLLA降解后的酸性产物[6-8].而且,用β-TCP和PLLA制备出的复合材料,符合用两种材料分别模拟天然骨的羟基磷灰石和胶原制备仿骨材料的设想,用于骨折内固定,使植入体与人骨形成化学键性结合,达到良好的固定效果[9].因此将β-TCP和PLLA复合制备成复合材料具有广阔的应用前景.
本文采用溶液共混法制备纯PLLA和β-TCP/PLLA复合材料(以下简称复合材料),用热压机将纯PLLA和复合材料模压成型.然后将纯PLLA和复合材料分别置于模拟体液中,考察两者的降解性能.
1 试 验 1.1 试验材料β-TCP(分析纯,质量分数≥96.0%);二氯甲烷(分析纯),均购自国药集团化学试剂有限公司.PLLA,黏均相对分子质量Mη=6.0×105,美国Nature works LLC制造.文献[10]来配置模拟体液.
1.2 复合材料的制备采用溶液共混法制备复合材料,将β-TCP加入到二氯甲烷中,配成体积分数为10%的悬浮液,超声分散30 min;然后将其加入含PLLA体积分数为10%的二氯甲烷溶液中,继续超声分散1 h;将共混液倒入蒸发皿延流成膜,待溶剂完全挥发后,放入60 ℃真空干燥箱中干燥48 h,得到β-TCP质量分数分别为0(以纯PLLA作为对比)、10%、20%、30%和40%的复合材料.然后将复合材料膜剪成小颗粒,放入模具,在热压机上(温度190 ℃、压力2 MPa)预热5 min,使复合材料充分融化,然后保持温度190 ℃不变,加压至5 MPa,保压5 min后,冷却成型,制得80 mm×10 mm×2 mm的样品.
1.3 复合材料的降解试验设计将配置好的模拟体液放入水浴锅中,保持温度在(36.5±0.5)℃,将制备好的复合材料放入该模拟体液降解3个月,每2周取样1次,测量复合材料弯曲强度、拉伸强度和PLLA相对分子质量的变化.
1.4 表征方法对所制备的复合材料样品在ZWICK 2.5 kN万能材料试验机上进行3点弯曲和拉伸性能测试,样品尺寸均为80 mm×10 mm×2 mm,每组6个样品.弯曲性能测试加载速度为2 mm/min,跨度为60 mm;拉伸性能测试加载速度为2 mm/min.用Quanta FEG 450型扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断面的形貌,复合材料样品经冲击断裂形成断裂面,喷金处理后观察.采用TQ-811型旋转式在线黏度计测量PLLA的黏度η,再求出PLLA的黏均相对分子质量Mη.公式为
| $\eta =KM_{\eta }^{\alpha }$ | (1) |
式中:K为黏度计的校正常数;α为相对分子质量常数.
2 结果与讨论 2.1 β-TCP含量对复合材料力学性能的影响复合材料的力学性能取决于填料自身的聚集态、填料相在基体中的分散程度、填料与基体间的界面结合强度以及基体材料自身力学特性等多种因素.本试验中,β-TCP作为填料来使用,主要力学性能取决于PLLA.为了得出β-TCP的最佳含量,试验制备了β-TCP质量分数分别为0(以纯PLLA作为对比)、10%、20%、30%、40%的复合材料作对比.对所有复合材料分别进行弯曲和拉伸性能测试,所得数据如表 1所示.并绘制成β-TCP质量分数对复合材料力学性能的影响曲线,如图 1和图 2所示.
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表 1 复合材料的力学性能 Tab. 1 Mechanical properties of the composites |
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图 1 β-TCP含量对复合材料弯曲和拉伸强度的影响 Fig. 1 Effect of β-TCP mass fraction on the bending and tensile strength of the composites |
由表 1可以看出,少量β-TCP(质量分数为10%)的加入可以使复合材料的弯曲强度和拉伸强度增大;随着β-TCP的进一步加入,复合材料的弯曲强度和拉伸强度均减小;而复合材料的弯曲模量随着β-TCP加入量的增多逐渐增大.这是因为少量β-TCP的加入可以相对均匀地分散在基体中,复合材料受力时,β-TCP颗粒可以阻碍PLLA大分子的移动,从而使复合材料的强度增大;而随着β-TCP的进一步加入,会导致PLLA不能形成很好的连续相,造成一些断面等缺陷,从而使复合材料的强度降低.其次β-TCP和PLLA,前者为亲水材料,后者为疏水材料,导致两者的界面结合不够牢固.β-TCP硬而脆,在PLLA中加入β-TCP必然导致复合材料的弹性模量增加,由2.5 GPa增大到5.6 GPa,处于自然骨模量(7.0～25.0 GPa)范围内.
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图 2 β-TCP含量对复合材料弯曲模量的影响 Fig. 2 Effect of β-TCP mass fraction on the flexural modulus of the composites |
从图 1和图 2可以看出,随着β-TCP在复合材料中含量的增加,复合材料的弯曲强度和拉伸强度都呈明显的下降趋势.这是由于β-TCP的加入会进一步破坏PLLA分子结构的连续性,而且随着β-TCP含量增加,强极性的β-TCP更容易团聚,且微粒间不能“固化”,使复合材料强度降低.
2.2 降解后复合材料强度和PLLA相对分子质量图 3为体外降解时复合材料弯曲强度的变化曲线.可以看出,降解后不同β-TCP含量的复合材料的弯曲强度均有所降低,但降幅不同,所有材料在前6周弯曲强度衰减较快,第6～12周弯曲强度衰减趋缓.β-TCP质量分数分别为0、10%、20%、30%、40%的复合材料的弯曲强度在6周后分别衰减60.3%、42.4%、46.0%、48.1%和49.6%,纯PLLA体外降解时弯曲强度衰减明显快于复合材料.第12周时复合材料的弯曲强度仍有17.8～32.4 MPa,高于松质骨的(11.5±2.1)MPa,满足松质骨骨折内固定的要求.
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图 3 体外降解时复合材料弯曲强度的变化 Fig. 3 Variation of bending strength of the composites during vitro degradation process |
图 4是降解时β-TCP质量分数为20%的复合材料中PLLA相对分子质量的变化.
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图 4 复合材料中PLLA相对分子质量随降解时间的变化 Fig. 4 Variation of PLLA molecular weight of the composites with degradation time |
从图 4中可以看出,在最初的4周里,PLLA相对分子质量下降很快,开始时为600 672,4周后下降到342 680.第4～8周,PLLA相对分子质量下降速度稍慢,到第8周时,相对分子质量为26 470.第8～12周,PLLA相对分子质量下降速度缓慢,第12周PLLA相对分子质量降至244 320.这是因为PLLA 属于聚酯,聚酯的降解速度取决于其水解速度.开始阶段复合材料吸水膨胀,造成大量PLLA环链被打断成小分子链单体,分子链上的每个单体都有可能被水解,因此降解速度较快,相对分子质量快速下降.随着PLLA的降解,β-TCP粒子开始溶于水,其中的钙离子从复合材料中游离出来和链端的羧基形成离子链,自由链端的羧基浓度减少,自催化降解速度减小,使PLLA降解速度降低.
2.3 降解后复合材料的微观组织图 5是复合材料体外降解时的SEM照片.图 5(a)、(b)和(c)分别是β-TCP质量分数为10%的复合材料降解第4周、8周和12周的SEM照片.体外降解第4周，复合材料断面上出现一些被模拟体液侵蚀后留下的孔洞,这主要是PLLA中的链端羟基自催化水解,属于简单的本体水解,模拟体液的扩散和应力共同作用导致复合材料的强度快速降低,这与复合材料体外降解过程中的强度测试结果一致;体外降解第8周,复合材料断面出现更多的孔洞,且较大的孔洞周围又出现一些小孔,这些是模拟体液进一步扩散和PLLA发生本体水解的结果;体外降解第12周,复合材料断面上出现大量孔洞,且这些孔洞相互连成网状.
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图 5 复合材料体外降解后断面SEM照片 Fig. 5 SEM images of the composites after vitro degradation |
图 5(d)、(e)和(f)分别是β-TCP质量分数为20%的复合材料降解第4周、第8周和第12周的SEM照片.其降解过程和β-TCP质量分数为10%的复合材料大体相同.体外降解第4周,断面上出现一些PLLA本体水解留下的孔洞;体外降解第8周,断面上孔洞增多,且大的孔洞周围出现新的小孔洞;体外降解第12周,断面上出现大量孔洞,且这些孔洞连成网状.
3 结 论(1) 少量β-TCP(质量分数为10%)的加入可以使复合材料弯曲强度和拉伸强度增大.随着β-TCP量的进一步增加,复合材料的弯曲强度和拉伸强度均减小;而复合材料的弯曲模量随着β-TCP加入量的增加逐渐增大.β-TCP质量分数为10%的复合材料的弯曲强度达到97.3 MPa,拉伸强度达到68.3 MPa,弹性模量达到3.1 GPa,满足松质骨骨折内固定的要求.
(2) β-TCP质量分数为20%的复合材料在最初的4周里,PLLA相对分子质量下降很快;第4～8周,PLLA相对分子质量下降速度稍慢;第8～12周,PLLA相对分子质量下降速度缓慢.降解后不同β-TCP含量的复合材料的弯曲强度均有所降低,但降幅不同,所有材料在前6周的弯曲强度衰减较快,第6～12周的强度衰减趋缓.纯PLLA体外降解时,弯曲强度衰减明显快于复合材料;第12周时,复合材料的弯曲强度仍有17.8～32.4 MPa,高于松质骨的(11.5±2.1)MPa,满足松质骨骨折内固定的要求.
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