聚乳酸梯度功能材料的制備范文

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梯度功能材料（Functionallygradedmaterials，FGM）是一種新型的非均質復合材料，它一般由兩種或兩種以上材料復合而成，在制備過程中使組成、結構及孔隙率等要素在材料的某個方向上呈連續變化，從而使材料的性能和功能也呈連續變化，以適應不同環境，實現某種特殊功能，具有比傳統復合材料更優異的物理、化學、力學性能。該類材料的特點是，材料組成或其它要素的連續變化使其組織結構也呈連續變化，材料內部無明顯界面。聚乳酸（PLA）也稱聚丙交酯，是一種可完全生物降解的脂肪族聚酯，經由乳酸縮聚或丙交酯開環聚合得到。由于乳酸分子中含有一個手性碳，因而具有旋光性，PLA包括左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）、外消旋聚乳酸（PDLLA）等，其中常見的為PLLA和PDLLA。由于PLA具有優良的生物相容性、生物降解性、生物吸收性，被廣泛用作骨修復材料、支架材料、牙齒材料、藥物緩釋材料等。自然界中的骨骼和牙齒等都具有非均勻的梯度結構特質，這種梯度現象是生物在進化過程中采取的一種最優化的材料構成方式。為此，材料研究工作者開始探索利用聚乳酸和其它材料性能的互補性，通過精確的結構設計和恰當的工藝手段制造比均勻材料更適應材料工作環境、更接近自然界梯度結構、更好地滿足需要的各種聚乳酸梯度功能材料。

1國內外聚乳酸功能梯度材料的制備

由于FGM的概念最初是應宇宙技術對超耐熱材料的要求而產生，所以在過去十幾年里，其研究和應用主要集中在金屬／陶瓷等無機小分子復合材料領域，相比之下，有關聚合物梯度功能化的研究尚處于起步階段，更缺乏較系統和深入的理論認識。聚合物種類不同，使其內部形成梯度結構的方法也有所不同。目前，關于聚乳酸梯度材料制備的報道越來越多，其常見的幾種制備方法比較如表1所示。

1．1溫度梯度場法YaoDG［6］將不相容的兩組分PLA和聚苯乙烯（PS）熔融共混，通過設計退火過程的熱接觸面和溫度梯度，使兩者產生梯度結構的相分離，利用環己胺將PS溶解，制備了梯度微孔結構的聚乳酸功能材料。ZhangW討論了模壓成型中兩種退火方式（接觸退火和壓縮退火）的幾何條件（上下退火板的間距、壓縮率）和模具表面材質（不銹鋼、聚四氟乙烯及聚二甲基硅氧烷）對PLA和PS共混物相結構及梯度微孔尺寸的影響。結果發現：通過改變模具的表面形態、壓縮比、模具的幾何尺寸、退火溫度和時間可實現材料孔隙的尺寸、孔隙尺寸梯度，甚至密度梯度的控制。WashburnNR［8］將PL－LA放在溫度梯度環境下退火，制備了結晶度梯度變化的PLLA材料，并采用原子力顯微鏡分析了因其結晶度不同產生的納米尺寸的表面粗糙度的差異。MaHY利用特制的模具，通過溫度梯度誘導結晶的方法制備出軸向和徑向上具有梯度導向微管結構的小口徑PLLA支架材料。模具底部采用不銹鋼材質，內置桿和頂部為聚四氟乙烯材料，利用兩種材料導熱系數的差異在軸向方向形成溫度梯度，聚乳酸在軸向溫度梯度誘導下產生相分離，制備軸向具有梯度結構的導向微管。而采用不銹鋼為壁材，聚四氟乙烯為內置桿材和底材的模具，則在半徑方向上形成溫度梯度，即可制備徑向梯度導向微管的PLLA支架材料。通過聚合物的濃度、熱傳導溫度和不同熱傳導材料的選擇可調控支架材料的微管尺寸和微管的導向方向。

1．2控制反應法TanHP將1，6－己二胺／丙二醇的混合溶液逐漸注入到豎直固定有PLLA膜的試管內，則PLLA膜表面沿豎直方向梯度胺解，引入梯度排列的胺基，并利用戊二醛在胺解的聚乳酸表面固定生物分子膠原，制備了膠原梯度分布的PL－LA支架材料（見圖1）。沿膠原梯度增加的方向，其親水性明顯改善，可促進軟骨細胞的生長和分化。CaiKY［11］和孔婷婷采用梯度堿水解的方法在PLLA基材表面引入羧基梯度，然后共價偶聯膠原蛋白構建膠原蛋白梯度。他們借助接觸角儀器、激光掃描共聚焦顯微鏡表征其－COOH密度梯度和膠原蛋白密度梯度，通過熒光顯微鏡可觀察到明顯的膠原蛋白梯度，該材料可用以研究內皮細胞在梯度表面的黏附狀態和運動趨化性。WuJD在聚乳酸三維中空支架上采用梯度胺解，并通過戊二醛偶聯方法將明膠梯度分布接枝到PLLA材料上。與明膠均勻分布的聚乳酸支架材料相比，梯度支架材料能夠更好地提高軟骨細胞的黏附和發育能力。BernardoV采用可控浸漬的方法，將豎直放置的無定形PLA薄膜漸近地放入到油浴中制備結晶度梯度變化的PLA薄膜。經生物試驗發現，細胞對膜結晶度的反應不同，細胞的分布受PLA膜的球晶空間組織的影響。

1．3組分用量調控法在制備聚乳酸梯度材料中，通過預先控制組分流量形成組分梯度變化。MeredithJC采用微型注射泵將聚己內酯（PCL）溶液以一定速度注入PDLLA溶液中共混，注射器每間隔一段時間抽取共混溶液。將注射器內組成梯度變化的PDLLA／PCL溶液鋪展到玻璃板上刮膜后，放置在與組成梯度方向正交的線性溫度梯度場中退火，即得到組成梯度和結晶度梯度正交變化的PDLLA／PCL材料（見圖2）。通過注射泵的流速、注射器的抽取速度和時間、退火溫度梯度等控制組成梯度和結構梯度的變化。SungHJ利用同樣的思路制備了組成和結晶度梯度正交分布的聚丙交酯－乙交酯共聚物（PLGA）／PCL膜，并研究了材料表面性能對血管平滑肌細胞的黏附、聚集、增殖能力的影響，借此確定用于組織工程血管移植的最佳組成和加工條件。SimonJrCG制備了組分梯度變化的PLLA／PDLLA材料，并采用紅外顯微鏡及其圖像分析技術表征組分梯度結構，納米壓痕法測定梯度材料的模量，運用自動熒光顯微鏡法對聚乳酸梯度材料上細胞增殖進行迅速的篩選。SinghM通過控制PLGA微球和PLGA／CaCO3／／TiO2復合微球的加入量制備了組分和硬度呈梯度的三維組織PLGA支架。ShiJ采用靜電紡絲制備PLGA高孔隙的纖維網，通過控制蛋白質溶液的注入速度在豎直固定的PLGA纖網表面沉積濃度梯度分布的蛋白質。細胞培養發現，具有電紡納米纖維網和表面蛋白梯度結構可以改善細胞和支架的交互作用，也影響細胞擴散。王曉慶等采用電紡絲雙噴頭技術制備可由遠端向近端降解的梯度輸尿管支架，且兩種質量比的PLGA／PCL可滿足支架管的力學性能要求，并探討了聚己內酯／聚乳酸－羥基乙酸（PCL／PLGA）梯度可降解輸尿管支架的體外降解性能。采用掃描電鏡觀察支架管的微觀結構，發現支架由納米級纖維構成，具有多孔狀結構，尿液可自由通過管壁，即使支架斷裂同樣不會造成梗阻。顧書英等采用非織針刺層疊法，通過配制不同質量比的聚乳酸／天然纖維組分制備具有梯度結構、全降解、隔熱、隔音、降噪的聚乳酸／天然纖維復合材料內飾件，將聚乳酸纖維、天然纖維混合，經阻燃劑處理后均勻梳理，然后鋪網成片材，針刺、熱成型制得復合纖維氈，其中聚乳酸纖維為中空短纖維。纖維氈具有多層次結構，即：聚乳酸的線性大分子結構、天然纖維的高結晶取向結構；聚乳酸纖維的半開孔式中空結構、天然纖維微纖間孔隙結構和纖維間的空隙結構。這種特殊梯度結構使其具有隔熱、隔音和降噪功能，吸震降噪頻率范圍拓寬，作為運輸工具內飾件時，提高了乘客舒適性。通過控制組分配比使材料形成“受迫”梯度。BourbanPE將含有5％β－磷酸三鈣（β－TCP）的聚乳酸擠出料放置于模具中心的紙質圓筒內，而含10％β－TCP的PLA擠出粒料放在紙質圓筒外，在超臨界CO2發泡前即抽去紙質圓筒，通過控制發泡過程中模具芯部和外部的冷卻速度制備TCP組分和孔隙率梯度分布的PLA材料。BühlerM將PLA和玻纖的混合紗線按梯度設計要求卷繞到金屬模具框上，加熱模壓，超臨界氣體使熔融的PLA纖維發泡制備玻纖含量和孔隙率梯度變化的聚乳酸多孔復合材料。通過設計，玻纖的排布能夠控制到毫米范圍。

1．4粒子濾出法宋瑩通過熱壓－鹽析法，按致孔劑（NaCl）粒徑從大到小，將PLA、PCL、羥基磷灰石（HA）、NaCl復合物疊合熱壓，去離子水洗鹽制備孔徑梯度分布且具有較高彎曲強度和抗壓強度的支架材料。劉瑋健［28］采用改進的溶液澆鑄／粒子瀝濾工藝，將PLLA與不同粒徑致孔劑順序澆注成膜，制備了雙層和多層孔徑梯度變化的PLLA泡沫支架。掃描電鏡觀察發現，材料內部界面存在一定的擴散現象，且界面處孔的連通性好，通過調整致孔劑粒子的粒徑以及PLLA與致孔劑的比例，可有效地調控支架的孔徑、孔隙率、壓縮強度等參數。張裕剛等采用溶劑澆鑄／真空揮發／粒子瀝濾制備了孔徑、孔隙率徑向梯度變化的PLA多孔支架材料，梯度材料各層的孔徑、孔隙率可通過致孔劑用量和粒徑的調節進行控制。于瀟采用氯化鈉為致孔劑，根據需要將10％PLA、80％殼聚糖和10％明膠設計成底部為致密結構，表層為網狀結構的梯度孔徑支架，比較PLA－殼聚糖－明膠支架對成纖維細胞的粘附效果發現，梯度孔徑支架上黏附的細胞明顯多于均勻孔徑支架，可見梯度孔徑支架能提高種子細胞在支架上的接種率。WhitedBM采用雙噴頭共靜電紡絲技術，通過合理控制兩噴頭位置，制備組成梯度分布的PLLA和聚氧化乙烯（PEO）纖網。將其放入水中去除PEO組分后，置于模擬體液中生物礦化，即可得到表面沉積有磷灰石的孔隙梯度分布的PLLA支架，并采用掃描電子顯微鏡／X射線能譜聯用對其結構進行表征。GongXingH等采用逐級降低氯化鈉的粒徑和用量分層溶劑澆鑄來構造支架的梯度結構，并通過致孔粒子瀝析法制備孔隙率大于90％的聚乳酸軸向梯度支架材料，其厚度沿縱向方向約1mm，經TGA結果分析聚乳酸梯度材料內部沒有鹽粒子和溶劑的存在，此研究為后續制備大孔梯度支架材料提供了參考。ShahrzadGhaffariMosanenzadeh等采用微粒浸出技術結合壓縮成型方法，通過將聚乳酸粉末和顆粒混合，并轉移到壓縮模具里面加熱加壓，最后將微粒水中浸出烘干，獲得多孔梯度結構的泡沫吸音制品。經性能測試表明，其厚度為200～600μm，與均勻結構增強泡沫材料的吸聲能力相比，聚乳酸泡沫材料的孔隙率與最大隔音吸收系數均增加20％，其具有良好的性能，達到了特殊領域應用的工程設計要求。

1．5溶解與擴散法AgariY采用溶解與擴散法將PLLA／PEO的氯仿溶液注入放置有PLLA膜的容器中，PLLA在溶液中溶解，兩聚合物間相互擴散，通過控制溶劑的溫度、擴散時間等獲得厚度方向上具有梯度組成的薄膜。制備的PLLA／PEO梯度材料具有比均質共混膜和純PLLA膜更好的降解性能，其力學性能也比均質共混膜更好。WatanableY利用放電等離子體燒結法制備Ti／NaCl復合材料，然后放入100℃的熱水中洗鹽，將得到的Ti多孔材料放置于PLLA熔體中，則熔體擴散遷移進孔隙中并呈梯度分布，即形成Ti／PLLA梯度材料，該材料楊氏模量和屈服強度可達到醫用金屬植入材料的要求。制備的材料具有微結構和性能梯度，可以應用于醫療領域。

1．6疊層法朱興華和劉洪澤將PLGA50／50和PLGA75／25兩組分按不同配比分別澆注成膜，干燥后按成分梯度疊合粘接形成PLGA梯度膜，并討論在37℃、pH＝7．4的磷酸緩沖液體外降解過程中，膜材料的表面形貌、分子量、pH值、失重率、吸水率等，結果表明非均勻的PLGA梯度膜具有比單成分膜及共混膜更加平穩的失重性能。張勝民通過疊層法制備了一種仿生結構的梯度復合支架材料。該疊層梯度復合支架材料為3層或多層多孔結構，由透明質酸、PLGA、PLA、Ⅱ膠原、β－TCP和納米羥基磷灰石（nano－HA）制成。沿疊層自上而下，無機材料含量梯度遞增。疊層梯度支架材料孔徑為50～450μm，孔隙率為70％～93％，降解速率可調，力學性能和生物相容性好，能適應軟骨細胞共同培養和生長因子或小分子多肽的復合，可用于軟骨的同時修復。LiaoSS采用疊層流延成膜的方法制備了3層nano－HA／膠原／PLGA的梯度復合膜，其中膜的一面是含8％nano－HA／膠原的PLGA孔隙膜，可允許細胞生長，另一面是光滑無孔隙的純PLGA膜，可抑制細胞黏附，中間層則含4％的nano－HA／膠原。復合膜中PLGA組分提供良好的力學性能，nano－HA／膠原賦予生物降解復合材料優異的骨傳導性能和生物相容性，可用于引導組織再生的膜材料。WehmllerM制備了具有5層分級結構的頭骨再造植入材料。其中外部結構層是不同含量的PLLA、PDLLA和TCP熱壓而成的4層緊密層，可對頭部提供更好的保護作用，而內部層則由PDLLA和碳酸鈣經超臨界CO2發泡而成，多孔的發泡結構更有利于頭骨的生長。

1．7快速成形技術快速成形技術（Rapidprototyping，RP）基于離散－堆積原理，是高柔性的數字化加工方法。該技術是將CT或磁共振成像（MRI）獲得的醫學斷層掃描數據，經三維重構為數字化模型，再應用快速原型技術，制造既具有所需形態，又有適當孔徑尺寸和孔隙率的立體結構的支架材料。低溫沉積技術。XiongZ采用低溫沉積技術將PLLA的二氧六環的液態漿料通過點到點的精確控制，擠壓到低溫環境中，經冷凍凝固，相分離，冷凍干燥，可以實現3個級別的連續梯度孔隙PLLA／TCP支架的制備。其中，通過結構設計和成型過程得到100μm以上的宏觀／三級孔隙，由NaCl顆粒致孔得到10～100μm次級／二級孔隙，由相分離形成10μm以下的微觀／一級孔隙。動物體內試驗證明，此PLLA／TCP梯度支架有良好的生物相容性、可降解性和骨再生誘導特性。此外，LiuL結合多噴頭技術，將多種材料成形到同一結構中，獲得了可控的具有梯度生物功能和力學性能的PLGA／TCP梯度支架材料。他們首先利用三維CAD技術將支架模型分層處理，得到支架二維截面數據信息，根據每層的截面數據，多噴頭以特定方法生成與該層截面形狀一致的薄片，這一過程反復進行，逐層堆積，最終制備出梯度孔隙結構的支架材料。三維打印技術（3Dprinting，3DP）。SherwoodJK等利用TheriForm3DP設備制備了多層骨／軟骨三維支架。其典型過程為：將粉末材料鋪層，按照零件的截面形狀將粘結劑噴涂在粉末材料表面，使粉末材料粘結成形，后處理通過焙燒去除粘結劑。支架上部采用PLGA／PLLA構成的軟骨誘導部分，孔隙率為90％，有肉眼可見的交錯通道以利于細胞植入；下部是PLGA／TCP的骨誘導部分，孔隙率為55％，以保證臨界機械強度的情況下盡可能利于骨內部生成；中間過渡部分是由梯度材料和梯度孔隙構成以防止層間剝離。生物試驗結果表明該支架的力學性能可滿足體內植入和全關節置換的需要。RoyTD同樣采用3DP制備PLGA／TCP微孔梯度分布的支架材料，其中孔隙梯度分布、孔隙大小、孔隙間的通道大小可控，有助于促進新骨的生成和顱骨缺損的愈合。

1．8其它方法WatanableY采用直接擠出法和等通道轉角擠壓法成功制備了硬度梯度分布的PLLA功能材料，并利用維氏顯微硬度儀表征其硬度梯度分布。直接擠出過程中，擠出流體的中間層在拉伸應力下流動，而表層在剪切應力下流動，在擠出材料內部形成取向分布，形成軸向硬度對稱分布的PLLA棒材。而采用等通道轉角擠壓法，通過控制擠出過程中PL－LA的剪切變形的分布可制備硬度梯度傾斜分布的棒材。李志忠將PLA、殼聚糖、膠原3種材料借助超臨界二氧化碳反復循環萃取，成功制備三維多孔、雙性能的骨－軟骨復合梯度支架材料，該支架具有良好的空間結構和細胞相容性，有望成為骨－軟骨組織工程的理想支架材料。SchillerC采用熱壓／氣體發泡制備了梯度結構的Ca3（PO4）2／CaCO3／PLA生物降解植入材料。他首先熱壓降解速率較慢的結晶形PLLA和Ca3（PO4）2組分，使之構成致密的外層，然后在模具中添加降解速率較快的無定形PDL－LA和CaCO3，并通入超臨界CO2。相對于結晶型PLLA，CO2會在無定形PDLLA中“浸入”更多，從而使PDLLA和CaCO3組分發泡構成多空的內層，其孔隙范圍為200～400μm。致密的外層可避免頭皮上的纖維組織長入，并提供必要的機械支持和保護性能，而多孔結構的內層可允許骨細胞的生長。劉海濤將聚乳酸／1，4－二氧六環／水混合溶液加入高速離心旋轉的圓柱形聚四氟乙烯模具中以形成濃度梯度，高速旋轉的模具迅速浸入液氮中凝固成型，以保持聚合物在溶劑中的濃度梯度，冷凍干燥3天除去溶劑得到具有徑向梯度孔隙結構的管狀支架材料。徐海星以PLA為基質材料，添加電極化β－TCP，制備均勻分散的電極化β－TCP與PLA芯材，再以靜電自組裝和偶合交聯將透明質酸和殼聚糖及神經生長因子附于芯材表面，制備成分和孔結構雙重梯度的三維仿生電極化梯度孔神經導管。利用熱致相分離技術和糖模板法可獲得定向高通透性、梯度孔結構。該神經導管的梯度孔層由兩種不同孔徑的多孔層組成，內層β－TCP／PLA層致密，具有納米級的孔結構，外層CHS／HA自組裝層疏松，具有微米級的孔結構。李亞楠等基于熱力學非平衡現象，將聚乳酸（PLA）－聚氧化乙烯（PEO）－氯仿溶液置于遠離熱力學平衡狀態的開聚乳酸梯度功能材料的制備與應用研究／牛瑞琴等•放體系中干燥，自組織構筑了PLA－PEO復合體系內部的梯度相分離結構。隨著體系遠離平衡狀態，PLA富集在能量流出的空氣側，PEO則富集在能量流入的底部，膜的組成在能量流動方向上形成梯度分布，并隨體系遠離平衡狀態呈增大的趨勢，而熱力學平衡狀態是影響梯度結構形成的主要因素。DengkeYin等配制了不同聚乳酸百分率的殼聚糖（CH）－聚乳酸（PLA）共聚物，與兩種類型的骨膠原共混，采用組合處理技術（包括多層重疊、熱熔和冷凍干燥等），來制備組分梯度結構的骨膠原／殼聚糖－聚乳酸支架材料。在支架內部，骨膠原含量的變化從上層到下層與殼聚糖相反。支架呈疏松多孔狀結構，具有梯度均勻的孔徑大小和孔隙度、梯度膨脹指數和單層壓縮模量。骨膠原／殼聚糖（CH）－聚乳酸（PLA）支架在組分、組織和性能上類似于關節軟骨細胞外的基質，在關節軟骨修復方面具有較好的應用前景。

2聚乳酸梯度材料的應用前景

聚乳酸梯度材料與相同組成的均質材料相比，具有許多特殊和優異的性能。其中聚乳酸梯度材料在藥物控制釋放系統中有潛在應用，如以疏水的雷帕霉素作為模型藥物，制備的PLGA梯度材料作為藥物緩釋材料載體。醫用材料也是聚合物梯度材料應用最為廣泛的領域之一。可生物降解的聚乳酸梯度材料主要用于組織工程支架材料，如骨、軟骨、肌腱、牙等支架材料。骨骼中骨細胞密度由內層向表層是逐漸增加的，人體骨是由海綿質向致密質逐漸變化的梯度結構，要求骨組織工程支架不能是簡單的單一結構。如由4層PLLA、PDLLA和TCP的致密層和1層PDLLA和TCP的發泡層構成的聚乳酸梯度材料可滿足對骨組織工程支架的要求。Ca3（PO4）2／CaCO3／PLA材料是具有降解速率較慢的致密外層和降解速率較快的發泡內層的梯度結構，可作為頭骨的植入材料。其中聚乳酸梯度材料的三維多孔結構，有助于細胞的生長、養分傳輸和代謝產物的排放；生物相容性和可降解性好，降解速度和吸收速度可以調控，適應細胞或組織的生長；外部致密層提供一定的力學性能，可滿足植入材料的要求。此外對聚乳酸進行表面修飾以形成膠原梯度和明膠梯度，可促進細胞的黏附、增殖和分化，用于軟骨組織工程支架材料。還有用于血管移植的組織工程支架和醫用植入材料的Ti／PLLA梯度材料等。除此之外，聚乳酸梯度材料還有望應用于工程領域、日常用品等領域。如玻纖含量和孔隙率梯度變化的聚乳酸復合材料除可用于骨移植、組織工程以外，還可以用于日常用品、包裝材料等領域。

3結語

盡管目前已有一些方法制備聚乳酸梯度材料，但尚存在一些問題需要進一步研究和解決，主要表現在：（1）大部分為密度梯度和結構梯度的聚乳酸功能材料，而具有其它梯度功能的材料開發目前較少。在制備過程中混合了其它組分，直接影響聚乳酸的生物相容性、生物降解性和可吸收性，如在濕法加工過程中添加的一些有機溶劑，如果不能完全揮發，會對最終的材料有一定的影響。此外，制備工藝不成熟，大多數研究集中在實驗室階段，難以實現大規模工業化生產，并且材料的梯度化程度和梯度化范圍難以控制，制備的梯度材料尺寸有一定限制。（2）聚乳酸梯度功能材料是一種新型非均勻材料，國內外目前對聚乳酸梯度功能材料的表征存在一定的問題，尤其是對于其性能與梯度結構的研究甚少，如對于有孔隙的梯度材料，可通過一些方法（如SEM、TG等）來進行表征，而對于無孔隙的梯度材料，對其結構性能的表征不能較精確，這需要在儀器上有一定的改進。（3）限于成本高、材料尺寸和使用場合等多方面因素，聚乳酸梯度功能材料的應用研究還相對薄弱，僅在為數不多的領域得到應用。綜上所述均是小尺寸材料，其應用領域有醫療衛生，如仿生骨支架材料、仿生牙齒、仿真皮膚等。因而，如何改善和簡化制備工藝，實現規模化生產，制備大尺寸梯度聚乳酸功能材料，開發更精確控制結構梯度分布的技術；加強材料性能和梯度結構關系的理論研究，探索性能和結構的優化設計方法；加強其在更多應用領域的研究，無疑會給聚乳酸材料的研究和應用帶來新的契機，具有非常重要的意義。

作者：牛瑞琴 鄒漢濤 吳倩 張榮波 單位：武漢紡織大學新型紡織材料綠色加工及其功能化教育部重點實驗室