劉曉吉，李文博，張樹江，包廣潔，康宏

(1.蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院生物化工及環(huán)境技術(shù)研究所功能有機(jī)分子化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000;3.西北民族大學(xué)國家民委口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000)

可生物降解高分子聚合體由于具有優(yōu)良的生物相容性、力學(xué)性能和可降解性，在生物科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域如組織工程、藥物載體和體內(nèi)生物信號傳導(dǎo)等方面得到廣泛的運(yùn)用［1-5］。特別是在組織工程領(lǐng)域中，非線性三維網(wǎng)狀高分子聚合體支架的優(yōu)異性能對組織再造產(chǎn)生了極其重要的意義。

靜電紡絲是一種制備組織工程支架的常用方法，具有操作簡便、成本低廉、結(jié)果可控的優(yōu)點(diǎn)，且能直接制備出連續(xù)多孔的三維立體支架，有利于組織工程體系的成功構(gòu)建［6-8］。

本文采用兩種不同摩爾比的原料合成可生物降解聚酯彈性體PGS，并進(jìn)行性能測定和靜電紡絲支架的制備，討論P(yáng)GS運(yùn)用于組織工程支架材料的理化潛力和生物學(xué)可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

丙三醇、癸二酸、四氫呋喃均為分析純;左旋聚乳酸(PLLA，Mn=50 000，Mw=67 000，Mw/Mn＜1.4)，醫(yī)用級;六氟異丙醇(HFIP)，純度＞99%。

PL-GPC220型凝膠滲透色譜儀;RINT2000S型傅里葉變換紅外光譜儀;C2000型接觸角測量儀;CMT4104型電子拉力機(jī);DT-1003型靜電紡絲機(jī);30TMPESEM掃描電鏡。

1.2 聚癸二酸丙三醇酯的合成［9-10］

將丙三醇、癸二酸分別以1∶1，1∶2摩爾比置于三頸瓶中，常壓下通入氮?dú)?，加熱?30℃，維持3 h，減壓脫水1 h，冷卻后真空干燥24 h，得到PGS。

1.3 靜電紡絲［11-12］

將等比合成的PGS和左旋聚乳酸(PLLA)以25∶75質(zhì)量比共混，六氟異丙醇(HFIP)為溶劑，配制成質(zhì)量濃度為25%的溶液，在磁懸浮攪拌器上以250 r/min的速度攪拌24 h，使溶質(zhì)均勻溶解。應(yīng)用靜電紡絲機(jī)，設(shè)置參數(shù)電壓為15 kV，溶液流速為1 mL/h，選用27 G的針頭且針頭距離接收裝置的距離為12 cm，將溶液制備成三維多孔的組織工程支架材料。

1.4 性能測定

1.4.1 凝膠滲透色譜(GPC)分析 將試樣溶于溶劑四氫呋喃，去掉不溶物，剩余物質(zhì)用凝膠滲透色譜儀進(jìn)行分析。

1.4.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析 將1 mg樣品研磨均勻，應(yīng)用壓片機(jī)制成幾乎透明的圓片，使用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析。

1.4.3 親水性能 試樣厚為1 mm，使用接觸角測量儀測量在空氣中試樣表面的靜態(tài)水接觸角。

1.4.4 降解性能 在37℃下，將PGS(1∶1)和PGS(1∶2)各4組分別稱重并將其溶于磷酸鹽緩沖液(PBS)，每36 h換一次液體，每隔5 d取出放置于真空干燥箱中至質(zhì)量恒定，稱重并計算其質(zhì)量損失率。

1.4.5 力學(xué)性能 用電子拉力機(jī)對厚1 mm，寬2 mm啞鈴形試樣進(jìn)行測試，拉伸速度為10 mm/min，拉伸前施加0.5 N的預(yù)壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠滲透色譜分析

2種PGS的凝膠滲透色譜分析見圖1。

圖1 PGS的凝膠滲透色譜(GPC)分析Fig.1 GPC curves of PGS

表1 PGS的凝膠滲透色譜(GPC)分析結(jié)果Table 1 GPC results of sol parts of PGS

如圖1和表1，以1∶1比例的丙三醇和癸二酸合成的PGS相對分子質(zhì)量為1 027 g/mol，而1∶2比例合成的PGS相對分子質(zhì)量為2 277 g/mol，因?yàn)榈缺热廴诰酆闲纬傻腜GS聚合物，存在大量未反應(yīng)的羥基并形成氫鍵，而隨著癸二酸用量的增多，未反應(yīng)的羥基減少，酯化反應(yīng)更加的完全，相對分子質(zhì)量增大?？傮w上來說，由丙三醇癸二酸熔融縮聚法合成的PGS是一個低交聯(lián)聚合體系。

2.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

2種PGS的傅里葉紅外光譜(FTIR)分析見圖2。

由圖2可知，聚合物在約3 500 cm－1處寬吸收峰為羥基締合氫鍵的伸縮振動吸收峰，1 800 cm－1處窄峰為酯羰基的伸展振動吸收峰，通過2個峰的相對強(qiáng)度可以看出，等比聚合的PGS材料含有大量未參與酯化反應(yīng)的羥基，從而締合成為氫鍵;1∶2比例聚合的PGS的羥基吸收峰低矮，而酯羰基的吸收峰高聳，表明這組丙三醇羥基的酯化度加強(qiáng)，游離羥基減少。

圖2 2種PGS的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrum of two kinds of PGS

2.3 親水性能

2種PGS的接觸角測量結(jié)果見表2。

表2 2種PGS的接觸角測量結(jié)果Table 2 Contact angle results of two kinds of PGS

由表2可知，PGS(1∶1)組的接觸角為 38.4°，PGS(1∶2)組為40.5°，2 種 PGS 材料的接觸角都 ＜90°，表明PGS材料是親水的，且隨著癸二酸用量的增加，接觸角增大，親水性降低。原因如下:隨著癸二酸用量增多，聚合度增大，剩余親水的丙三醇羥基基團(tuán)減少，親水性下降，且癸二酸的長碳鏈自身疏水性較高，增多其用量必定降低親水性。所以，PGS(1∶1)的親水性更強(qiáng)。

2.4 降解性能

2種PGS的質(zhì)量損失率曲線見圖3。

由圖3可知，在最初的階段，PGS的質(zhì)量損失率增長較快，到第5 d后，增長逐漸變慢，到達(dá)第10 d，PGS(1∶1)組的曲線更是趨近于平緩，質(zhì)量損失率漸漸穩(wěn)定。由此可見，PGS(1∶1)組更適宜用于制備組織工程支架。

圖3 2種PGS的質(zhì)量損失率曲線Fig.3 Curves of mass loss rate and time of two kinds of PGS

2.5 力學(xué)性能

2種PGS的拉伸測試曲線見圖4。

圖4 2種PGS的拉伸測試曲線Fig.4 The curves for the tensile test of two kinds of PGS

由圖4可知，PGS是一種非線性的彈性材料，彈性模量較低，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，即使不再變化或者輕微增大，應(yīng)變?nèi)匀焕^續(xù)增大，試樣繼續(xù)伸長，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，PGS的這種力學(xué)性能阻礙其作為支架材料應(yīng)用于組織工程，這也是后文應(yīng)用聚乳酸與其共混電紡的主要原因。

2.6 靜電紡絲

聚乳酸被廣泛應(yīng)用于組織工程及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是最早獲得美國FDA認(rèn)證的生物材料。PGS和PLLA兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn):聚乳酸結(jié)構(gòu)中缺乏親水性基團(tuán)，使其材料表面產(chǎn)生了強(qiáng)疏水性，嚴(yán)重地影響了它與細(xì)胞的親和性，使它在某些領(lǐng)域尤其是組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，但是，聚乳酸質(zhì)硬脆，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度;PGS有著優(yōu)良的生物相容性，可紡性，但機(jī)械強(qiáng)度差。本課題組采用PGS和PLLA共混進(jìn)行靜電紡絲，將這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)整合，通過PLLA使支架的力學(xué)性能得到提高，通過PGS使支架材料的彈性模量降低，斷裂伸長率提高，改善支架材料延展性及親水性能，從而獲得綜合性能優(yōu)異的支架材料。

靜電紡絲支架的掃描電鏡圖見圖5。

圖5 靜電紡絲支架的掃描電鏡圖Fig.5 SEM picture of electrostatic spinning scaffords

由圖5可知，靜電紡絲PGS支架表面疏松多孔，結(jié)構(gòu)三維立體，空隙大小在20～100 μm，比較均勻，支架中的孔隙大部分為開放型的結(jié)構(gòu)，是種子細(xì)胞引入以及種子細(xì)胞生長所需養(yǎng)分進(jìn)入和代謝產(chǎn)物排出所必需的通路，能滿足組織工程細(xì)胞的生長需求。支架材料的機(jī)械性能和生物相容性仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

系統(tǒng)地研究了2種不同比例的丙三醇、癸二酸合成的PGS材料的結(jié)構(gòu)性能，等比合成的PGS親水性能良好，降解速率適當(dāng)，且具有一定的熱加工性能，用它和PLLA共混進(jìn)行靜電紡絲，構(gòu)建了三維多孔的組織工程支架，為組織工程的支架材料隊(duì)伍增添了優(yōu)秀的一員，有待于應(yīng)用合成的支架材料構(gòu)建組織工程體系。

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