聚-L-乳酸及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、聚-L-乳酸(PLLA)因其良好的生物相容性和可生物降解性，已應(yīng)用于骨科替代材料等領(lǐng)域，但由于存在炎癥反應(yīng)和不具有生物活性、無骨傳導(dǎo)能力等問題，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。目前對(duì)PLLA材料的研究熱點(diǎn)之一是通過與玻璃陶瓷復(fù)合，實(shí)現(xiàn)其生物降解可控性和生物活性的有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于不同的植入環(huán)境。 本文主要制備了具有超高分子量的聚-L-乳酸，通過采用纖維模壓成型的方法獲得了具有高強(qiáng)度的PLLA材料，并對(duì)PLIA等溫結(jié)晶和非等溫結(jié)晶進(jìn)行了深入的

2、理論研究。同時(shí)通過將PLLA和生物玻璃(BG)復(fù)合、成型，制備了具有生物活性和可降解性的復(fù)合材料，研究了生物玻璃改性與含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步研究了PLLA和PLLA/BG的體外降解行為。此外采用體外細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)試驗(yàn)對(duì)PLLA/BG復(fù)合材料進(jìn)行了生物學(xué)評(píng)介。 首次合成了具有超高重均分子量的PLLA。以L-乳酸為原料制備L-丙交酯(LLA)，采用水洗-重結(jié)晶法純化LLA，結(jié)果表明，采用水洗.重結(jié)晶法可得到高純度的L

3、LA，其收率達(dá)40.6％，比傳統(tǒng)的重結(jié)晶法提高約12.1％。采用開環(huán)聚合法在140℃，單體與催化劑摩爾比([M]/[I])為12000，聚合時(shí)間為24小時(shí)的最佳工藝條件下制備的PLLA重均分子量達(dá)102.4×104，分子量分布窄，其分布系數(shù)為1.16。 改進(jìn)傳統(tǒng)溶液紡絲技術(shù)，首次提出了稀溶液沉析紡絲的新方法。采用稀溶液沉析紡絲方法制備了PLLA纖維，利用纖維取向模壓技術(shù)制備了高強(qiáng)度的PLLA材料，并研究了成型工藝對(duì)材料力學(xué)性能的

4、影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)PLLA溶液濃度為0.05g·mL-1時(shí)，用稀溶液沉析紡絲可制得取向性能較好的具有多孔結(jié)構(gòu)的PLLA纖維。將PLLA纖維在溫度185℃，壓力130MPa的條件下模壓成型，材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)238.8+6.5MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)127.54±3.5MPa，其力學(xué)性能比傳統(tǒng)成型方法大幅度提高。 系統(tǒng)深入地研究了PLLA的等溫和非等溫結(jié)晶行為。非等溫結(jié)晶結(jié)果表明，PLLA在低的降溫速率(2℃·min-1)下的結(jié)晶在1

5、18℃伴隨有結(jié)晶區(qū)域的轉(zhuǎn)變。玻璃化溫度和結(jié)晶度隨著降溫速率的降低而增大。隨著降溫速率的降低，球晶尺寸增大，當(dāng)降溫速率大于10℃·-min-1時(shí)，PLLA接近為無定形材料。當(dāng)PLLA在90℃-140℃等溫結(jié)晶時(shí)，Avrami指數(shù)為n=3.01±0.13，表明PLLA以球晶方式生長(zhǎng)。利用Hoffman-Lauritzen理論對(duì)PLLA的等溫結(jié)晶機(jī)理進(jìn)行了分析，研究表明結(jié)晶RegimeⅡ和Regime Ⅲ的轉(zhuǎn)變溫度為118℃左右，成核常數(shù)Kg

6、(Ⅱ)和Kg(Ⅲ)分別為6.025×105K-2和1.307×106K2，且Kg(Ⅲ)/Kg(Ⅱ)為2.17，接近2，與LH理論一致。 采用溶膠一凝膠法制備了CaO-SiO2-P2O5生物玻璃，并進(jìn)行了體外活性實(shí)驗(yàn)(invitro)。生物玻璃具有典型的介孔結(jié)構(gòu)，介孔分布較窄，孔徑小于10 nm。經(jīng)模擬體液(SBF)浸泡后，在生物玻璃表面有一層碳酸羥基磷灰石顆粒(0.5-10 μm)生成，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物活性。 　　　采用

7、蒸發(fā)溶劑的方法制備了PLLA/BG薄膜，并采用模壓成型的方法首次制備了PLLA/BG復(fù)合生物材料，通過控制生物玻璃的含量實(shí)現(xiàn)對(duì)PLLA/BG復(fù)合材料初始強(qiáng)度的調(diào)控。同時(shí)對(duì)PLLA/BG薄膜進(jìn)行了體外生物活性研究；以3-氨丙基.三甲氧基硅烷(APS)作為偶聯(lián)劑，對(duì)生物玻璃進(jìn)行了表面改性，并考察了APS改性和生物玻璃含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，PLLA/BG薄膜在SBF中浸泡3天后在表面生成了碳酸羥基磷灰石的棒狀晶體，具有擇

8、優(yōu)生長(zhǎng)現(xiàn)象，14天后，在復(fù)合材料的表面同時(shí)有棒狀晶體和HCA層生成，表現(xiàn)出較好的生物活性。生物玻璃表面經(jīng)APS處理后，顆粒分散均勻，同時(shí)改善了其在PLLA基質(zhì)中的分散性，提高了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，生物玻璃含量為10wt％時(shí)，PLLA/BG材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)153.9±8.8MPa。PLLLA/BG復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨生物玻璃含量的增大而下降，但其抗彎模量隨之而升高。隨著生物玻璃含量的增加，PLLA/BG材料逐步具有典型脆性斷裂的

9、特征。 系統(tǒng)研究了PLLA和PLLA/BG材料在PBS中的降解行為，并首次得出了PLLA/BG降解的動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果表明，PLLA和PLLA/BG材料的吸水率、失重率隨降解的進(jìn)行逐漸增加，而PBS溶液的pH值、材料的力學(xué)性能和相對(duì)分子量則呈降低趨勢(shì)，分子量分布逐漸變寬，但PLLA/BG復(fù)合材料比PLLA變化較慢。PLLA的熔融溫度、熔化焓和結(jié)晶度隨降解的進(jìn)行都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。PLLA的降解屬于本體水解，呈“雙態(tài)降解”規(guī)

10、律。生物玻璃的存在并未改變PLLA的降解機(jī)理，但減緩了酸對(duì)PLLA的催化降解作用。兩種材料的降解均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，37℃時(shí)，PLLA和PLLA/BG在PBS中的降解速率常數(shù)分別為9.2×10-3day-1和6.4×10-3day-1。 采用體外細(xì)胞試驗(yàn)和體內(nèi)試驗(yàn)對(duì)PLLA/BG復(fù)合材料進(jìn)行了細(xì)胞毒性和生物相容性評(píng)介，同時(shí)考察了PLLA/BG復(fù)合材料與組織界面的成骨能力，并成功地進(jìn)行了兔子股骨髁間骨折試驗(yàn)。結(jié)果表明，PLLA/