（材料学专业论文）mdi扩链聚乳酸及其复合材料的制备、结构与性能.pdf

摘要 摘要 本论文以辛酸亚锡为催化剂，用丙交酯开环聚合法制各了粘均分子量为3 3 1 0 4 的聚( d ，l ) 一乳酸( p d l l a ) 。从化学改性的角度出发，利用异氰酸酯( n c o ) 基团的反应特性，以m d i 为反应性单体，采用原位反应增容技术制备了p d l l a 生物陶瓷粉体t m d i 复合材料，并尝试用插层改性法制备蒙脱土( m m t ) 插层 p d l l a 纳米复合材料。从成型加工的角度出发，根据固态挤出原理设计了一套模 压挤出设备，通过模压挤出强迫p d l l a 的分子链或链段发生有效取向，达到提 高p d l l a 力学性能的目的。 化学改性提高p d l l a 分子量的研究结果表明：m d i 扩链法可有效的提高 p d l l a 的分子量；二段聚合法和二胺扩链法都会不同程度地引起p d l l a 的分子 量降低；采用原位聚合法合成p d l l a 生物陶瓷粉体复合材料时，h a 粉体的制各 方法对p d l l a 的分子量有较大的影响。 m d i 扩链制备的p d l l a h a m d i 复合材料的力学性能显著提高，p d l l a 与h a 基体问的界面结合力和相容性显著改善。与p d l l a 相比，弯曲强度提高 了将近一倍，弯曲模量提高了3 4 ；与p d l l a h a 相比，弯曲强度和弯曲模量 均提高了将近3 0 。而且m d i 的用量对p d l l a h a m d i 复合材料的力学性能也 有较大影响，当m d i 中所含- n c o 基团与p d l l a 中所含o h 基团的摩尔比为1 ： 1 时，所得p d l l a h a m d i 复合材料的力学性能最好，弯曲强度达6 8 4 m p a ，弯 曲模量达2 2 8 1 5 m p a 。f t - i r 、t g a 和d s c 等手段证明了m d i 既可与p d l l a 发 生化学作用，也可与h a 发生化学作用，揭示了m d i 扩链的原位增容机理。 模压挤出成型条件对p d l l a 及其复合材料力学性能影响较大，在模压温度 和挤出温度为1 0 0 、模压时间为4 5 m i n ，挤出前塑化时间为4 5 m i n ，模口长度为 1 0 m m 时，p d l l a 和p d l l a h a m d i 复合材料可获最佳力学性能。 p d l l a h a m d i 复合材料断面形貌及蚀刻试样表面形貌的结果显示， p d l l a h a m d i 复合材料的横截面里现大量的纤维尾端，纵向分裂面呈现刷子状 的高度取向的纤维结构，成纤方向与纵轴相同，表明模压挤出成型能迫使p d l l a h a m d i 复合材料的分子链沿外力作用方向发生取向，形成纤维自增强的结构。 用插层改性法制备蒙脱土( m m t ) 插层p d l l a 纳米复合材料的结果表明： 尽管m m t 的层间距由2 5 8 r i m 增大到3 0 0 n m 以上，但所制得复合材料的弯曲强 度和弯曲模量均有所降低，因此，如何利用蒙脱土提高聚乳酸及其复合材料的力 学性能还有待进一步研究。 关键词：聚( d ，l 乳酸) ；羟基磷灰石；复合材料；模压挤出；m d i 扩链； 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，p o l y ( d ，l l a c t i d e ) ( p d l l a ) 、v i t hv i s c o s i t ym o l e c u l a rw e i g h t3 3x 10 4v c a s s y n t h e s i z e db yo p e n i n gr i n gp o l y m e r i z a t i o no fd ，l - l a c t i d ei nt h ep r e s e n c eo fs t a n n o u s ( i i ) o c t o a t e f r o mc h e m i c a lm o d i f i c a t i o np o i n to f v i e w , m e t h y l e n e d i p h e n y ld i i s o c y a n a t e ( m d i ) w a ss e l e c t e da sr e a c t i v em o n o m e rt o p r e p a r ep d l l a h a f m d ic o m p o s i t e sb yt h ei n - s i t u r e a c t i o n c o m p a t i b i l i t ym e t h o da c c o r d i n gt or e a c t i v ec h a r a c t e r i s t i co fd i i s o c y a n a t e ( - n c g r o u p m o n t m o r i l l o n i t e ( m m t ) i n t e r c l a t i o nm e t h o dw a sa t t e m p t e dt op r e p a r e i n t e r c a l a t e d p d l l a n a n o c o m p o s i t e s f r o mp r o c e s s i n gp o i n to fv i e w , ac o m p r e s s i o n - e x t r u d i n gm o l d i n g w a sd e s i g n e d a c c o r d i n g t o s o l i d - e x t r u d i n gt h e o r y b yc o m p r e s s i o n - e x t r u d i n g t h e c h a i n s e g m e n t so rc h a i no f p d l l a w e r ef o r c e di n t oe f f e c t i v eo r i e n t a t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fp d l l aa n di t sc o m p o s i t e sw e r e g r e a t l yi m p r o v e d t h er e s e a r c hr e s u l t si m p r o v i n gm o l e c u l a rw e i g h to fp d l l a b yc h e m i c a lm o d i f i c a t i o n s h o w e dt h a tm d i c h a i n - e x t e n d i n gm e t h o dc i l i ai n c r e a s ee f f e c t i v e l yt h em o l e c u l a rw e i g h to f p d l l a ，w h i l et w o s t a g ep o l y m e r i z a t i o nm e t h o da n dd i a m i n ec h a i n - e x t e n d i n gm e t h o dm a k e t h em o l e c u l a rw e i g h to f p d l l ar e d u c ei ns o m ee x t e n t t h e p r e p a r i n gw a yo f h y d r o x y l a p a t i t e 旺m ) p o w d e rg r e a t l yi n f l u e n c et h em o l e c u l a rw e i g h to fp d l l a w h e np d l l a b i o c e r a m i c c o m p o s i t e s w e r e p r e p a r e db y i n s i t up o l y m e r i z a t i o nm e t h o d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fp d l l aa n di t s c o m p o s i t e sp r e p a r e db y m d i c h a i n - e x t e n d i n gh a v eo b v i o u s l yi m p r o v e da n di n t e r f a c ec o h e s i v ef o r c ea n dc o m p a t i b i l i t y b e t w e e nh a p a r t i c l e sa n dp d l l ap h a s ea l s oh a v eg r e a t l yi m p r o v e d c o m p a r i n gt op u r e p d l l a t h eb e n d i n g s t r e n g t ho f p d l l a h a 肺，) ic o m p o s i t e s w a s n e a r l yt w o t i m e so f t h a to f p d l l aa n dt h eb e n d i n gm o d u l u si n c r e a s e db y n e a r l y3 4 c o m p a r i n g t op d i i ，a h a b o t h t h eb e n d i n gs t r e n g t ha n db e n d i n gm o d u l u si n c r e a s e db yn e a r l y3 0 a n dt h ec o n t e n to f m d i g r e a t l yi n f l u e n c e dt h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f1 0 ：1 0 m o l a rr a t i oo f - n c og r o u p si nm d it o o hg r o u pi np d l l a p d l l a n 5 、讥 l a m d i c o m p o s i t ew i m t h eb e s tb e n d i n gs t r e n g t h6 8 4 m p aa n dt h eb e s tb e n d i n gm o d u i u s2 2 8 1 5 m p a w a so b t a i n e d t h er e s u l t so ff t - i r 、t g aa n dd s cs h o w e dm d ic a nr e a c tw i t hb o t hp d l l a a n dh aa n dr e v e a l e dm e c h a n i s mo fi n s i t uc o m p a t i b i l i t yi nm d i c h a i n e x t e n d i n gr e a c t i o n t h ec o m p r e s s i o n - e x t r u d i n gp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sh a v ei n f l u e n c em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fp d l l aa n di t sc o m p o s i t e s a to p t i m u m p r o c e s s i n g c o n d i t i o n so f c o m p r e s s i n gt e m p e r a t u r e a n d e x t r u d i n gt e m p e r a t u r e1 0 0 t ，c o m p r e s s i n gp l a s t i c i z i n gt i m e4 5 m i n ，e x t r u d i n gp l a s t i c i z i n g t i m e4 5 m i na n dm o l d i n gc h a m b e rl e n g t hlo m m p d l l aa n dp d l la ，ha 协! ) ic o m p o s i t e s a b s t m c t w i t ht h eb e s tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r ep r e p a r e d s e mm i c r o g r a p h so fs u r f a c e sa n de t c h e ds u r f a c e so fp d l l aa n di t s c o m p o s i t e s i n d i c a t e dt h a tm a n yf i b r i le n d sw e r eo b s e r v e do nb e n d i n gf r a c t u r es u r f a c e so fp d l l a ， p 川d ic o m p o s i t e s p a r a l l e lo r i e n t a t i o no ff i b r i l s a l o n gw i t hl o n g i t u d i n a la x i sv g a s a l s o o b s e r v e do nt h el o n g i t u d i n a ls p l i ts u r f a c eo ft h i sc o m p o s i t ea n dt h e s ef i b r i ls t r u c t u r e sw e r e m o r e c l e a r l y s e e nf r o me t c h e d l o n g i t u d i n a ls p l f f s u r f a c e t h e s er e s u l t s p r o v e d t h a t c o m p r e s s i n g e x t r u d i n gp r o c e s s i n gm e t h o d f o r c e dt h em o l e c u l a rc h a i no fp d l l a h a j m d it o o r i e n ta l o n gw i me x t e m a lf o r c e t h er e s u l t so fp d l l ai n t e r c a l a t e d n a n o c o m p o s i t e sp r e p a r e db ym m t i n t e r c l m e d m e t h o ds h o w e dt h a tt h e i rb e n d i n gs t r e n g t ha n db e n d i n gm o d u l u sd e c r e a s e da l t h o u g ht h ed 0 0 1 v a l u eo fm m ti nt h e s ec o m p o s i t e sw a se n l a r g e df r o m2 5 8 n mt oo v e r3 0 0 n m h o wt o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p d l l a u s i n gm m t w i l li n v e s t i g a t e 血r l h e r k e yw o r d s ：p o l y ( d ，1 - l a c t i d e ) ；h y d r o x y l a p a t i t e ；c o m p o s i t e ；m o u l d i n ga n de x t r u d i n g ； m d i c h a i n - e x t e n d i n g ； i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：形炒日期：妒j 年g 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“j ”) 作者签名： 导师签名： 抄日期：巧年，月舌日 谴氐日期：鹚年6 月) 舶 彦，戈 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 骨组织工程是融汇材料科学、生物技术和生命科学的最新进展而诞生的新兴 交叉学科，为骨缺损、骨肿瘤以及难治性骨折的修复提供了一种极有前途的新方 法。骨组织工程领域的研究主要在以下几个方面：( 1 ) 选择细胞来源。在一定细 胞因子的调控下增殖，体外培养表达成骨细胞的显形；( 2 ) 细胞载体“1 。细胞载 体材料是骨组织工程中至关重要的部分，它既需要材料具有良好的生物相容性和 生物可降解性，具有骨诱导性和骨传导性。1 ，同时又需要满足力学性能的要求。 因此，细胞载体材料的研究已经成为目前国内外生物材料研究的重要课题。这领 域包括两方面，一是要求植入材料在创伤愈合过程中缓慢降解，主要用于骨折内 固定材料；另一是要求植入材料在相当时间内缓慢降解，在初期或一定时问内在 材料上培养组织细胞，让其生长成组织、器官，如软骨、血管、神经和皮肤等0 1 。 目前在临床应用的骨折内固定装置中，多采用不锈钢、钛及其合金材料。这 些材料一方面需要二次手术取出，给患者带来额外的痛苦：另方面，由于骨骼 的刚性( e h o , a e = 6 - 2 0 g p a ) 与金属的刚性( e 。t 。1 = 1 0 0 。2 0 0 g p a ) 之间存在很大差 异”1 ，所以刚性高的金属骨固定装置会阻碍骨折部位周围骨痂的快速形成，导致 骨质疏松和骨萎缩，使骨骼结构机械性能下降。因此寻求可生物降解、中等剐性 的生物材料成为研究的热点。聚乳酸( p l a ) 是一种具有良好生物相容性和生物 降解特性的聚合物，是f d a 认可的一类生物材料。它在体内无毒，有良好的生物 相容性，不引起周围组织炎症，无排异反应，并且可被生物降解，降解产物一乳 酸，可以参与人体内糖类代谢循环，进一步降解为二氧化碳和水，无残留，因此， p l a 在生物体内降解后不会对生物体有不良影响。此外，p l a 具有较好的机械强 度、弹性模量和热成型性，通过调节其分子量，选择不同的聚合方式及成型手段， 可以调节并控制p l a 的力学性能和降解速度，以满足不同的临床要求”3 。 近几年来对p l a 及其复合材料的研究非常活跃，但它存在强度丧失过快、韧 性差等缺点。用常规的塑料加工方法成型，材料的力学性能( 初始弯曲强度为 5 7 - 1 4 5 m p a ，剪切强度为5 3 6 1 m p a 6 。) 也不能满足固定骨的要求。目前提高p l a 力学强度的途径主要有两种：一种是合成超高分子量的p l a ，但是要合成超高分 子量的p l a ，技术难度很大，反应条件很苛刻；二是采用先进的成型加工工艺， 从加工途径来提高p l a 的力学性能。常用的加工技术主要有：取向模压法，固态 挤出法，自增强技术，热拉伸”。等。下面就p l a 及其复合材料的研究进展作一 简介。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 2 聚乳酸的基本性质与合成 1 2 1 聚乳酸的基本性质 乳酸的分子中同时具有羟基和羧基两个官能团，具有相当的反应活性。乳酸 单体有三种构型：左旋( l ) 乳酸、右旋( d 一) 乳酸和内消旋( d ，l 一) 乳酸，分别由这 三种构型的乳酸作原料，可制得三种立体构型的聚合物：聚左旋乳酸( p l l a ) 、聚 右旋乳酸( p d l a ) 和聚内消旋乳酸( p d l l a ) 。这三种聚合物均可溶于二嗯烷、乙腈、 氯仿、二氯甲烷等，不溶于乙醇、脂肪烃、甲醇等“。p d l l a 是无定形非晶态材 料，p d l a 和p l l a 是两种具有光学活性的有规立构聚合物。p l l a 在熔融或溶液 中均可结晶，结晶度可达6 0 左右。由于结晶，使得用增强工艺制得的p l l a 的最 大初始弯曲强度几乎是p d l l a 的两倍，而且p l l a 的降解速度比p d l l a 要慢得 多。不同聚乳酸的强度均随分子量的增大而提高。当分子量大于1 0 万时，不易分 解，可作为强度材料“。 1 2 2 聚乳酸的合成方法 关于聚乳酸的合成文献报道较多，通常有两条路线：由乳酸直接缩合法和经 丙交酯开环聚合法。直接缩聚法制各聚乳酸的研究目前较少，仍存在技术壁垒， 反应条件十分苛刻，工艺要求高。丙交酯开环聚合法合成技术较为成熟，可以得 到较高分子量的产物，但其对丙交酯单体的纯度要求高，通过重结晶虽能获得较 高的纯度，却导致最终产物得率低，生产成本高。该方法要合成分子量超过1 0 0 万的p l a ，技术难度仍然很大。 1 2 2 1 直接缩聚法 直接缩聚法制备聚乳酸也称为一步法，即利用乳酸分子中羟基( 一o h ) 和羧 基( - c o o h ) 的反应活性，通过分子间的加热脱水直接缩合成聚乳酸。直接缩聚法 制备聚乳酸的反应如下： c h 3 0 nh o c lh 。- 匝o h c - 孚瞰 日移始膏台 即置k 帅山心。 聚乳酸( p l a ) 此法生产工艺简单，是降低p l a 成本的重要途径，但因反应体系中存在游 离酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，特别是小分子水的脱除等关键技术未解决，该 2 第一章绪论 法很难得到高分子量的聚合物。日本昭和高分子公司将乳酸置于惰性气体保护下， 慢慢加热升温并慢慢减压，使乳酸直接脱水缩合，最后直到使反应物在2 2 04 c 一 2 6 0 、1 3 3 3 p a 下进一步缩聚，可得分子量4 0 0 0 以上的聚乳酸。但此法反应时间 长，产物在高温下会老化分解“3 。杨革生等人以辛酸亚锡为催化剂，在抽真空状 态下由l 一乳酸直接熔融缩聚合成了粘均分子量为3 0 0 0 0 左右的聚乳酸“”。日本 东京大学木村博士的研究小组用乳酸直接缩聚法在实验室制各了分子量超过6 0 万的p l a 。合成工艺分三步：第步是催化剂的存在下，常压加热至1 5 0 脱水， 生成分子量约为8 0 0 左右的低聚物；第二步是在s n ( i i ) 一t s a 催化剂存在下， 于温度1 8 0 c 、压力1 0 t o r r 的条件下进一步脱水缩合5 小时，制得有一定分子量 的p l a 高聚物。这两步的共同点是在p l a 的熔融温度下进行，再此条件下聚乳 酸的聚合与解聚处于平衡状态，为了制得更高分子量的p l a 聚合物，木村博士在 p l a 固体状态时进行第三步缩合，具体条件为在催化剂存在下，于温度1 0 5 、 压力o 5 t o r t 时反应o 5 - 2 小时，最后制得的p l a 产物分子量高达6 0 万“。 赵耀明等通过熔融缩聚法和溶液缩聚法直接合成了分子量将近3 0 0 0 0 的聚乳酸。 在熔融缩聚法中赵耀明等先由乳酸单体直接进行本体聚合，然后进一步通过固相 缩聚，大幅度提高了聚乳酸粗产物的分子量，其增幅可达到5 倍。“。 1 2 2 2 丙交酯开环聚合法 随着对乳酸聚合工艺研究的不断深入，人们认识到采用丙交酯开环聚合的方法， 能够制得高分子量聚乳酸。该方法首先由聚乳酸脱水环化生成聚合单体一一丙交 酯，然后通过丙交酯的开环聚合得到聚乳酸，反应式如下： 哼h3 9 i 1 1 脱水缩合 h 0 - c h c o h 催化剂开环聚合 c i - i3 h 弋。h 。h h ， 高分子量p l a “3 。 堡墨。f o 丙交酯 c h 3 0c ch h0 o i h (_)f o 1 h 华南理工大学工学硕士学位论文 采用此法合成聚乳酸时，产物的分子量与聚合原料的纯度和聚合条件密切相 关，要制备高分子量的聚乳酸，对催化剂的种类、用量和纯度、单体的纯度以及 反应温度、压力和时间等要求特别高，即使是极微量的杂质也会使聚乳酸的分子 量低于1 0 万，而且聚合时还伴随分子内、分子间酯基转移和羟基链转移等副反应。 使得聚合重现性较差。因此，高分子量p l a 的合成是一个技术难点。下面是丙交 酯开环聚合制备聚乳酸时，聚合条件对聚乳酸相对分子量影响的研究报道。 1 催化体系对聚乳酸相对分子量的影响 在聚乳酸的合成中，丙交酯开环聚合的催化体系一直是人们研究开发的热点。 现己开发的催化体系有质子酸型催化剂“8 ”3 、卤化物型催化剂”、阴离子型催化 剂”2 “、有机铝化合物催化剂“”25 | 、锡盐类催化剂“、稀土化合物催化剂。”等六 大类数十种之多。其中辛酸亚锡是目前公认的效果最好的催化剂，催化活性高， 用量少，在熔融单体中具有良好的溶解性，可制得高分子量聚合物，但只能进行 高温本体聚合，且分子量达到最高时其转化率只有5 0 左右。2 “，尽管辛酸亚锡是 f d a 认可的催化体系之一，但它在生物医药领域的安全性仍有待进一步考证”。 稀土化合物催化剂是近年来研究最为活跃的催化体系，这类催化剂具有活性高， 反应速度快等特点，同样可制得高分子量的p l a ，但该催化剂的制各及纯化较困 难，我国邓先模、熊成东、冯新德、沈之荃等学者在p l a 及其共聚物合成的催化 体系方面进行了大量的研究工作，并且在温和的反应条件下，合成得到了超高分 子量的p l a ( m w 1 0 0 万) 。 2 催化剂用量对聚乳酸相对分子量的影晌 在丙交酯开环聚合时，l e w i s 酸辛酸亚锡催化剂的用量对聚合物的分子量影 响很大。h y o n 等的研究认为，当辛酸亚锡用量在0 0 5 w t 以下时，聚乳酸的分子 量随着催化剂用量的增加而增加，在0 0 5 w t 时获得最高分子量和最高单体转化 率”。j a m s h i d i 等认为，在温度高于1 6 0 时，催化剂辛酸亚锡对聚乳酸的热降 解也有很大的催化作用。d a v i d 等人进一步指出，催化剂的含量对解聚有很大 的影响，含量越高，聚合物的降解速度就越快”“。催化聚合和催化解聚之间存在 竞争关系。当催化剂用量在一定范围内时，其催化解聚的速率小于催化聚合的速 率，产物的相对分子量提高；当超过一定的用量时，催化解聚的速率大于催化聚 合的速率，产物的相对分子量下降。 3 引发剂用量对聚乳酸相对分子量的影响 d 第一章绪论 引发剂用量有一个最佳值。引发剂用量过多，活性点太多，每个活性点所能 增长的单体数目减少，聚合物的分子量不高；引发剂用量过少，活性点的数目少， 不足以引发全部单体的聚合，产物的分子量也低。 4 聚合温度对聚乳酸相对分子量的影响 h y o n 等人对转化率和分子量与聚合温度的关系的研究发现，聚合过程中，聚 合温度越高，反应初期的聚合速率越快，转化率近似成直线增长，在相当短的时 间内便可达到8 0 的转化率。在1 4 0 。c 以上时，初期的聚合速率越小，越容易得 到高分子量和高转化率的产物。当聚合温度为1 4 0 时获得的聚乳酸分子量最高， 1 6 0 后聚乳酸的分子量下降比较明显。”3 。卢卢泽俭等认为高温时聚乳酸容易受 热降解，温度越高，降解越甚”“。j a m s h i d i 等认为聚合物在较高温度下发生的热 降解是辛酸亚锡催化解聚的结果n “。 5 聚合压力对聚乳酸相对分子量的影响 何永言等人的研究发现，在辛酸亚锡的催化聚合下，聚乳酸的分子量随着压 力的减小而增大，当压力p 4 5 m m h g 时，所合成的p l a 的分子量较小，为粉 末状固体；当压力p 4 5 m m h g 时，所合成的p l a 的分子量在6 7 5 0 以上，为白 色纤维状固体。对低分子量的p l a 可采用下列方法提高其相对分子量：将低分子 量的p l a 经丙酮回流操作后，可得到高分子量的p l a ，例如将相对分子量为5 7 8 0 ( 4 3 9 ) 和5 8 6 2 ( 4 5 9 ) 的聚乳酸经此法处理后，可得到相对分子量为1 6 8 8 3 的 p l a 5 1 9 ”“。赵耀明等在丙交酯聚合中采用二段聚合法，实验发现前段反应在真 空系统中进行得到的分子量要高于氮气氛中得到的分子量2 倍左右，因为抽真空 有利于体系微量水分的尽快排出，从而制得较高分子量的聚合物”。 6 原料纯度对聚乳酸相对分子量的影响 在丙交酯的开环聚合中，杂质中存在的羟基是一个比较敏感的基团，它可以 作为链转移剂使得正在增长的聚乳酸链段封端，从而得不到高分子量的产物。杂 质中羟基的主要来源是：丙交酯中残余的乳酸单体、丙交酯和辛酸亚锡咀及聚合 容器表面吸收的微量水分。因此，丙交酯的纯化非常重要。赵耀明等通过在相同 条件下，对不同纯度的原料进行对比实验得出，原料经2 次重结晶后所制得的聚 乳酸相对分子量要比未经重结晶的高出3 倍左右。“。 从上可见，关于p l a 的合成与应用的报道不少“3 ”，但都还达不到分子量 可调的水平。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 3 聚乳酸复合材料的研究进展 聚乳酸虽然具有良好的生物相容性和生物可降解吸收性，但仍存在以下缺点： ( 1 ) 力学性能不足，且衰减太快，目前只限于松质骨的固定；( 2 ) 在普通x 线 下不能显影，只能依靠c t 、m r i 检测植入情况。：( 3 ) 没有骨传导性。因此， 各种聚乳酸复合材料的研究引起了人们的极大关注。 1 3 1 聚乳酸羟基磷灰石( p l a j i t a ) 复合材料 羟基磷灰石( h a ) 是自然骨的主要成分，具有良好的生物相容性和骨传导性， 能为新骨的形成提供生理支架作用，可与骨组织形成直接的骨性结合。郭晓东等 通过将p d l l a h a 复合材料植入家兔体内的实验发现，材料表面早期即有h a 结晶沉积，6 周时最多，且分布均匀，以后随着材料的逐步降解而减少，组织学 的结果表明，材料在髁部与骨组织直接接触，无纤维组织分布。说明加入h a 后， h a 溶解释放的c a ”离子和p 0 4 3 + 离子可能沉积在局部与钙化骨基质形成骨性结合 。“。但h a 脆性大、强度较低、易疲劳，而且无法随意成型。将h a 与p l a 类聚 合物复合制成生物降解复合材料，是希望把两者的优点集于一体，在h a 与p l a 复合后，h a 能从三维方向均匀增强材料强度，使该复合材料既具有骨引导性又 具有良好的力学性能，成为性能优异的骨折内固定材料。基于改善以上所述不足 的目的，v e r h e y e n 等”“在9 0 年代初首先开始了h a p l a 骨折内固定复合材料方 面的研究工作，最近几年研究相当活跃，研究内容涉及该复合材料的制备、机械 性能、界面组织结构、生物相容性及生物降解行为等方面。国内在这方面刚起步， 廖凯荣、全大萍等在p l a h a 复合材料的制备、降解行为及生物相容性等方面进 行了初步的探讨“4 “。目前国内外主要采取聚合填充法制各p l a h a 复合材料。 主要研究结果如下： 1 _ 3 1 1h a 在丙交酯开环聚合反应中对p l a 分子量的影响 当丙交酯与引发剂摩尔比【m t e i 】比例一定时，随着h a 含量的增加，p l a 分 子量逐渐下降。这主要是因为丙交酯开环聚合对羟基、水分子的存在非常敏感， 而h a 表面含有一定数目的羟基和水分子，它们在聚合反应中主要起链引发剂、 链转移剂和链终止剂的作用。因此，h a 的含量越大，引发剂的浓度应越小。 1 3 1 2h a 粒径和用量对p d l l a i i a 复合材料力学性能的影响 h a 的粒径和用量对复合材料的力学性能有很大的影响。研究结果发现，当 h a 的粒径小于1 5um 时，复合材料有比较好的力学性能。为排除因p d l l a 分 第一章绪论 子量差别过大而难以比较h a 的含量对复合材料力学性能的影响，全大萍、李世 普等在p d l l a 的分子量变化范围为1 7 5 ，0 0 0 2 4 5 ，0 0 0 时，考察了h a 的用量 对p l a h a 复合材料力学性能的影响，结果表明，随着h a 含量的增加，复合材 料的弯曲强度、剪切强度先增加，然后下降，当h a 的含量为1 5 一3 0 时制备的 复合材料的力学性能最好。”。 1 3 1 3 h a 对p d l l a h a 复合材料降解性能的影响 研究p d l l a h a 体内外的降解行为，可以根据材料的初始力学强度和强度 衰减的速率，来评价该材料是否适合于用作骨折内固定材料，并进一步估算材料 的降解吸收速率，为预防复合材料植入体内后，降解产物对骨折愈合及周围组织 可能产生的不利影响提供理论依据。 1 p d l l a h a 体内外降解机理 关于p l a 降解机理的报道比较多，大多数研究认为，p l a 及其共聚物在体内 外的降解均属于简单本体水解“。4 ”，水解先发生在材料的无定性区域，这个过程 中发生的链断裂和质量损失，与是否存在酶无关”。c u t r i g h t 等认为p l a 的降解 与材料的尺寸、形状、类型有关“。l e e n s l a g 等认为：p l l a 的水解最初是由聚 合物链端的羧基引起的自催化水解，周围液体的扩散及应力作用会导致材料强度 迅速丧失”。w i l l i a m s 等认为除了自催化水解外，还存在一个酶催化的水解过程 s 1 0 有文献报道认为，h a 具有与羧基基团形成化学键的能力。“。在p d l l a h a 降解的早期，h a 均匀分布在材料的表面阻碍了水分子向材料本体的扩散，延缓 了材料早期的水解；在降解后期材料内部低聚物和单体的浓度逐渐增加，空隙内 p h 值明显下降，h a 开始溶解并有轻度钙离子、氢氧根离子析出，氢氧根离子对 空隙中的酸度可起一定的中和作用，钙离子能与聚合物降解所产生的链端羧基形 成离子键，自由链端羧基减少，p d l l a 的自催化降解速度将有所抑制。 p d l l a 的降解符合一级反应动力学，h a 的存在对降解反应级数没有影响， 但复合材料中的p d l l a 的降解直线的斜率即降解速率常数均比纯p d l l a 小。 2 降解过程中p d l l a 分子量的变化 p d l l a h a 复合材料和纯p d l l a 在体内开始降解时分子量下降迅速，且初 始分子量越高，分子量降低的速率越大，随后不同分子量的材料降解速率兰i 善 某二致m 】。p d l l a h a 复合材料和纯p d l l a 在体外缓冲溶液中分子量的变化规 华南理工大学工学硕士学位论文 律与体内一致，只是下降的速率比体内慢。体内降解速率较快是由于血液流动及 应力作用所致。无论在体内还是体外，p d l l a h a 中p d l l a 的分子量随降解时 间降低的速度明显低于纯p d l l a ，表明h a 有减缓p d l l a 降解的作用”。当复 合材料中h a 含量增加到1 5 时，p d l l a 的分子量下降的速度最慢。含2 0 w t h a 的复合材料的p d l l a 分子量比同期的含1 5 w i h a 的复合物低，可能是当h a 含 量较高时，由于h a 粒子与p d l l a 基质间结合缺陷增多，水分子较容易扩散进 入材料内部，使p d l l a 的降解加快所致。h a 对p d l l a 降解的抑制作用，是由 于h a 的碱性中和了p d l l a 降解过程中产生的酸性产物的酸性，减缓了酸对 p d l l a 的催化降解作用的结果。“。 3 降解过程中水解液的p h 值变化 p d l l a 和p d l l a h a 水解时，前几周水解液的p h 值基本不变。几周后水 解液的p h 值开始下降，但p d l l a h a 复合材料水解液的p h 值下降速度显著低 于纯p d l l a 水解液，并随着h a 含量的增加，p h 值下降速度越慢。这归因于 h a 的碱性和它对p d l l a 降解的抑制作用的结果。水解液的p h 值降低，是p d l l a 降解过程中产生的可溶性酸性物质所致。 4 降解过程中p d l l a h a 复合材料力学强度的变化 p d l l a 和p d l l a h a 复合材料在体内外的弯曲强度衰减规律和剪切强度衰 减规律基本一致“。，体内的衰减要比体外的快，但p d l l a h a 复合材料的衰减 速度低于纯p d l l a 。b 1 e a c h 等制备的自增强p l a 复合材料在1 2 周内的水解情 况表明，未加填料的p l a 较h a 或t c p 复合的p l a 显示出较高的吸水性和质量 损失率，它的弯曲强度和模量在降解初期下降得很快，而h a 或t c p 填充p l a 则保持了较高的强度和模量。“。廖凯荣等的实验结果显示，纯p d l l a 降解7 周 后，弯曲强度已下降一半，而含1 5 w t h a 的复合材料的弯曲强度仅下降2 5 “， 这对保证骨折部位的愈合是有利的。这些结果都说明，h a 的存在可延缓复合材 料的降解速度，增加其初始强度的保持时间。 5 降解过程中p d l l a ，i i a 复合材料形态的变化 p d l l a 和p d l l a h a 复合材料棒在降解过程中，降解初期棒的侧面表面光 滑，致密度高，棒的中心部位出现空洞，这种表层降解速度慢，中心部位降解速 度快的现象，是因为在降解初期，材料表面和表层降解产生的酸性低分子容易扩 散到周围介质中，而内部降解产生的酸性低分子产物难以通过扩散排出，引起内 第一章绪论 部链端羧基浓度增加，且随着材料内部酸性低分子浓度的增加，酸催化作用又加 速了p d l l a 的降解的结果，文献称之为“双态降解”模型”“。 1 _ 3 1 4h a 的表面改性 目前制备p d l l a h a 复合材料的方法主要是物理共混法，用这种方法得到 的复合材料两相间仅存在简单的物理连接作用，没有化学键合力的作用，界面结 合力较弱，在应用时首先在界面处开始破坏，从而导致该复合材料机械强度丧失 过快。因此，提高p l a 与h a 之间的界面相容性和粘合力成了制备性能优异的 p l a h a 骨折内固定材料的核心技术。为了解决这一关键技术，d u p r a z a m p 等 “7 1 采用含有不同官能团的有机硅烷偶联剂对h a 进行表面处理，结果表明，改性 后，h a 与有机硅烷偶联剂之间形成了化学键合作用，并且h a 表面的有机硅烷 偶联剂对h a 的钙离子和磷酸根离子的释放没有影响。全大萍等报道了h a 用 a 一1 7 4 表面改性后对p d l l a h a 复合材料性能的影响，结果表明，在h a 表面形 成了s i 一0 一p 的化学键，改性后的p d l l a h a 复合材料的弯曲强度比改性前有了 较大程度的提高”。刘芳”等为了提高p d l l a 与h a 间的界面相容性和粘合力， 利用多异氰酸酯与活性氢的反应特性，选择二苯基甲烷二异氰酸酯作为反应性单 体，采用原位反应增容技术制备了p d l l a h a m d i 复合材料，该复合材料的力 学性能与p d l l a h a 相比，有显著提高。 1 3 2 自增强p l a ( s r p l a ) 复合材料 在8 0 年代后期，芬兰t a m p e r e 工业大学生物材料实验室从1 9 8 8 年开始首先 进行自增强p l a ( s r - p l a ) 复合材料的研究“6 0 “”。并将采用模压成型技术制各的 s r p l a 螺钉作为踝骨等的内固定材料，最近他们又发展了一种新的成型技术即 拉伸成纤技术来制备s r p l a 骨折内固定材料“，新方法制备的s r p l a 具有更 好的机械性能，这种复合材料在室温下破坏时表现出韧性断裂，而不像p l a 一样 表现出脆性断裂的特性，其弯曲强度和剪切强度得到显著提高，s r p l a 的弯曲 强度可达2 4 0 - - 2 6 0 m p a ( p l a 为5 7 1 4 5m p a ) ，剪切强度达1 7 0 1 9 0m p a ( p l a 为5 3 5 7m p a ) 。然而，s r - p l a 还存在只能从单一方向增强材料强度、强度的丧 失依然很快以及有部分患者有并发症等缺点，并且同p l a 一样没有骨引导性。目 前，芬兰以自增强可吸收性生物材料制各的骨修复材料已具国际市场。我国在这 方面也有相关的文献报道