（材料科学与工程专业论文）可生物降解形状记忆高分子复合材料的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 本论文选用可生物降解的形状记忆高分子化学交联聚己内酯( c p c l ) 作为 基体材料，聚癸二酸酐( p s a ) 以及功能化的多壁碳纳米管( m w n t s ) 作为改性材 料制备了几种新型的可生物降解的形状记忆复合材料。并对这几种材料的一些重要性 质如力学性能，形状记忆特性，体外降解性能和细胞毒性进行了考察，希望能得到形 状记忆性能突出，生物力学和降解性能优良以及细胞毒性较低的新一代多功能型的复 合材料。 首先，我们制各了载药的c p c l p s a 复合材料( 所载药物为扑热息痛) ，然后系 统讨论了该复合材料的力学，形状记忆，体外降解以及释药等性质。结果表明，该材 料的力学性能优良，在热刺激下形状记忆性能显著。最重要的是，经过1 4 周的体外 降解实验我们发现加入p s a 以后复合材料的降解速度明显加快。经过药物释放的实 验可以得知，在p s a 的帮助下药物的累计释放率也有所提升。 其次，针对常规的温度诱导形状记忆聚合物在生物医学方面的局限性，我们尝试 利用导电的无机纳米粒子- m ：w n t s 制备了c p c l m w n t s 电致型形状记忆复合材 料。但是，由于m w n t s 本身较差的亲水性以及较高的细胞毒性，我们首先需要对其 进行表面改性。我们改性的手段有酸氧化，共价接枝聚乙二醇( p e g ) ，以及原位沉积 羟基磷灰石( h a ) 。结果表明，经过酸氧化后m w n t s 表面出现了亲水性的羟基，羧 基等，此外，p e g 确实通过化学作用接枝到了碳纳米管表面，并且证实接枝p e g 后 的样品其亲水性和生物相容性都得到了一定程度的提高。经过热重分析( t g a ) 证实， 利用生物矿化方法在m w n t s 表面原位沉积的h a 质量在8 0 以上，如此高的沉积效 率使得m w n t s 的生物相容性得到了显著的提高。 最后，利用上面p e g 改性后的m w n t s 我们制备出了以c p c l 为基体的电致型形 状记忆复合材料。经过一系列的考察证实，该材料在5 0 v 的电压刺激下能够实现形状 的回复并且回复率能维持在9 0 以上。但是与温度直接刺激的方式相比，其形状记忆 回复速度还有待于提高。经过降解1 6 周的考察，该材料的形状记忆行为，尤其是在 电场刺激下的形状记忆回复能力大幅度降低，具体表现为在5 0 v 的电压下经过1 2 0 s 的回复，材料仅能回复到初始形状的6 0 左右。通过凝胶含量测试可知，在降解过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 中，复合材料的基体与增强相之间界面能的降低导致的相分离以及c p c l 交联网状结 构的破坏是其形状记忆性能降低的最主要因素。 关键词：交联聚己内酯；碳纳米管；可生物降解；形状记忆；电致型； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , w ec h o s ec h e m i c a l l ye r o s s l i n k e dp o l y ( e - c a p r o l a c t o n e ) ( c p c l ) a st h e b a s em a t e r i a l ，p o l y s e b a c i ca n h y d r i d e ( p s a ) a n df u n c t i o n a l i z e dm u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ( m w n t s ) a st h ee n h a n c e m e n tm a t e r i a l st op r e p a r eb i o d e g r a d a b l es m p s a s e r i e so fe x p e r i m e n t st oi n v e s t i g a t et h e i r7 p r o p e r t i e ss u c ha sm e c h a n i c a l ，s h a p em e m o r y , n v i t r ob i o d e g r a d a t i o na n dc y t o t o x i c i t yw e r ep e r f o r m e d t h ea i mo ft h i sw o r kw a st o f a b r i c a t et h es h a p em e m o r yp o l y m e rc o m p o s i t e sw i t hf a v o r a b l eb i o d e g r a d a b i l i t y , e x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d g o o db i o c o m p a t i b i l i t y f i r s t l y , w eh a v ep r e p a r e dt h ed r u gl o a d e dc p c l p s ac o m p o s i t e s ( t h ed r u gm o d e li s p a r a c e t a m 0 1 ) w ed i s c u s s e dt h em e c h a n i c a l ，s h a p em e m o r y , i nv i t r od e g r a d a t i o na n dd r u g r e l e a s ep r o p e r t i e so ft h e s es a m p l e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o m p o s i t e sh a v ef a n t a s t i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n tt h e r m o - r e s p o n s i v es h a p em e m o r ye f f e c t s i g n i f i c a n t l y , w e h a v en o t i c e dt h a tt h ea d d i t i o n a lp s ac o u l de f f e c t i v e l ya c c e l e r a t et h eb i o d e g r a d a t i o ns p e e d o fc p c l a f t e rt h ed r u gr e l e a s ee x p e r i m e n t ，w eh a v ek n o w nt h a tw i t ht h eh e l po fp s a ，t h e r e l e a s ea c c u m u l a t i o nc o u l da l s ob ei m p r o v e d s e c o n d l y , an e wm e t h o dw a s 伍e dt o s t i m u l a t et h es h a p em e m o r yp r o c e s si n c o n s i d e r a t i o no ft h el i m i t a t i o no ft h e r m o r e s p o n s i v es m p si nb i o m e d i c a lf i e l d i nt h i ss t u d y , t h ec o n d u c t i n gn a n o - m a t e r i a lm w n t sw e r ei n t r o d u c e di n t ot h ec p c lm a t r i x i no r d e rt o p r e p a r ean e wk i n do fe l e c t r o a c t i v es m p s h o w e v e r , i nv i e wo ft h ew e a kh y d r o p h i l i c p r o p e r t y a n dh i 曲c y t o t o x i c i t y , t h em w n t sm u s tb ef u n c t i o n a l i z e d w eu s e d a c i d o x i d a t i o n ，c o v a l e n t l yg r a f t e dp e ga n db i o m i n e r a l i z a t i o nm e t h o dt oi n d u c et h e h y d r o x y l ，c a r b o x y lg r o u p ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) a n dh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) o i lt h e s u r f a c eo fm w n t s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l si l l u s t r a t e dt h a tt h ep e gw a ss u c c e s s f u l l y 伊礁e do nt h es u r f a c eo fm w n t st h r o u g hc o v a l e n tb o n da n dt h eh y d r o p h i l i cp r o p e r t i e sa n d b i o c o m p a t i b i l i t yo fm w n t sw e r eo b v i o u s l yi m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h r o u g ht h e t g ar e s u r s ，t h ew e i g h to fd e p o s i t e dh ao nt h es u r f a c eo fm w n t sw a sn e a r l y8 0 ，a n dt h e b i o e o m p a t i b i l i t yo ft h eh af u n c t i o n a l i z e dm w n t s w a ss i g n i f i c a n t l ya m e l i o r a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 f i n a l l y , w eu s e dt h ec o v a l e n t l yp e g y l a t e dc a r b o nn a n o t u b e st op r e p a r ee l e c t r o - a c t i v e s m p s t h r o u g has e r i e so fi n v e s t i g a t i o n s ，w eh a v eg o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h i sm a t e r i a l c o u l de x h i b i tf a v o u r a b l es h a p em e m o r ye f f e c tu n d e r5 0 vc o n s t a n tv o l t a g ea n dt h es h a p e m e m o r yr e c o v e r y r a t i oc o u l dr e m a i na b o v e 9 0 h o w e v e r , c o m p a r e d w i 虹lt h e t h e r r n o r e s p o n s i v es m p s ，t h er e c o v e r ys p e e ds h o u l db ei m p r o v e d a f t e rt h e16w e e k s n v i t r ob i o d e g r a d a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h es h a p em e m o r yb c h a v i o u r s ，e s p e c i a l l y t h e e l e c t r o a c t i v er e c o v e r ya b i l i t yd e c r e a s e dl a r g e l y w h e nw ea p p l i e d5 0 vc o n s t a n tv o l t a g eo n t h eb i o d e g r a d a t i o ns a m p l e s ，o n l y6 0 r e c o v e r yr a t i oc o u l db eo b s e r v e da f t e r12 0 s s t i m u l a t i o n t h ee x p l a n a t i o nc o u l db es u m m a r i e db yr e s u l t so ft h em o r p h o l o g i cf e a t u r ea n d g e lf r a c t i o na n a l y s i s t h ed e c r e a s i n gs u r f a c ee n e r g yw h i c hl e a d st h ep h a s es e p a r a t i o na n d t h e b r e a k a g e o fc h e m i c a lc r o s s l i n k e dn e t w o r ka r em a i nf a c t o r sr e s u l t i n gi nt h e u n f a v o u r a b l es h a p em e m o r ye f f e c tf o ro u rc o m p o s i t e s 。 k e yw o r d s ：c r o s s l i n k e dp c l ；m u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ；b i o d e g r a d a t i o n ；s h a p e m e m o r y ；e l e c t r o a c t i v e ； 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书： 2 不保密凹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”) 一躲书 日期：珈肚5 叩 西南交通大学硕士学位论文主要内容声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 应用多种方法制备了交联聚己内酯聚癸二酸酐的形状记忆复合材料，该材料具有 形状记忆，可生物降解以及可控释药物等多种功能；并且聚癸二酸酐的加入使得 聚己内酯的降解速度明显提高，药物的累积释放率也有所增加； 2 通过在多壁碳纳米管表面共价接枝聚乙二醇以及原位沉积羟基磷灰石成功地对其 进行了改性，使碳纳米管在水中的亲水性以及分散性有所提高。同时，碳纳米管 的细胞毒性也明显降低。 3 制备了交联聚己内酯和多壁碳纳米管的电致型形状记忆复合材料，其形状回复可以 通过5 0 v 的电压刺激诱导完成。重点关注了该复合材料在温度直接刺激下和在电 场刺激下形状记忆回复的异同，为形状记忆聚合物在生物医学领域的应用提供了 一个新的思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 形状记- l 乙聚合物 1 1 1 定义 第1 章绪论 形状记忆聚合物，顾名思义是指一类具有初始形状的聚合物制品经形变固定后， 通过加热等外部刺激手段可使其恢复成初始形状的聚合物1 1 。这种材料因在其应用过 程中具有良好的机敏性以及控制性，所以也被人们称为智能材料。 1 1 2 发展以及研究现状 形状记忆现象的发现要追溯到上世纪5 0 年代，美国科学家a c h a r l e s b y 在一次实 验中偶然对拉伸变形的化学交联聚乙烯加热，却惊奇地发现这种聚合物能够自动并且 迅速地收缩成初始的小尺寸状态【2 】，这个现象就是典型的形状记忆回复过程。可惜的 是，这一重大发现在当时没有引起足够的重视。直到2 0 年之后，美国宇航局才意识 到了这种形状记忆效应在航天航空领域的巨大应用前景，于是重新启动了形状记忆聚 合物的相关研究计划。从此，形状记忆聚合物走进了一个高速发展的时代。 1 9 8 4 年，法国c d fc h i m i e 公司开发出了一种新型材料聚降冰片烯，该材料的分子 量很高( 3 0 0 万d a l t o n 以上) ，并且是一种典型的热致型形状记忆聚合物，当温度高于 2 5 0 时，这种聚合物能够任意地改变形状，而当材料的变形形状固定以后，只要周围 环境温度超过4 0 。c ，它又能迅速地回复到初始形状，并且温度越高回复速率越大【撕】。 此后的几年中，越来越多的形状记忆聚合物出现在人们面前，1 9 8 8 年日本的可乐 丽公司合成出了形状记忆聚异戊二烯；日本三菱重工于同年开发出了由异氰酸酯，多 元醇和扩链剂三元共聚而成的形状记忆聚合物p u r ；日本杰昂公司也于1 9 8 9 年开发出了 以聚酯为主要成分的聚酯合金类形状记忆聚合物 7 - 1 0 】。形状记忆聚合物相对于传统的 形状记忆合金以及形状记忆陶瓷而言最大的优势在于：其质量较轻并且成本低，变形 量大，回复率高，能耗低和可加工性优良，在医疗器械，包装，建筑装饰，玩具，汽 车，报警器等方面都能够发挥更大的作用。比方说，上面提到的热致型形状记忆聚合 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 物聚降冰片烯就可以代替传统的石膏绷带作为剖口部位的固定材料：而形状记忆p u r 则可以作为建筑涂料使用，当涂料上出现刮痕、磨损以后，通过简单的加热手段就能 自动地除去痕迹，保护墙面外观不受影响。总的来说，形状记忆聚合物在工业和医学 上的应用从目前、以及未来的角度都表现出了巨大的价值i o , 1 1 1 2 】。 1 i3 形状记忆聚合物的分类 形状记忆聚合物的分类方式有很多，这里重点介绍一下按照不同刺激手段分类的 形状记忆聚合物。 1 13 i 热致型形状记忆聚合物 这是最为典型的一类形状记忆聚合物，顾名思义，这类材料是利用温度的变化来 直接刺激聚台物的形变以及回复，具体过程如图1 1 所示： “2 竺“n d 。耻恻 s h a p er 口fr e e d e 如孟t 佃 3 啮耻“件p i n g ”州e n 国l - 1 热致型形状记忆聚合物形变回复示意圉”1 先将材料加热至其相转变温度以上( 通常是材料的玻璃化转变温度或者熔点) ，待材 料完全软化后，对其施加一定的外力使之变形，然后在维持外力的情况下，迅速降温 使材料内部的应力冻结从而在宏观上固定住材科的形状。此时撤掉外力，将固定好形 状的材料重新升温至其相转变温度，则可观察到形状记忆回复的过程。 为什么材料在温度的刺激下会体现出这种形状记忆效应呢，目前比较普遗的解释 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 如下：通常认为这类熟致型形状记忆聚合物的内部都存在两相：固定耜和可逆相，其中， 固定相记录”的是材料初始的形状，而可逆相则“记录”的是其变形的形状。并且固定相 形状几乎不受到温度的影响，而可逆相则会随着温度的升高、降低呈现出软化、固化 等不同形态。于是当温度升高至材料相转变温度以上并对其施加外力以后，固定相形 状不变，但可逆相软化，其形状随着外力发生改变，然后通过降温过程可逆相形状固 定并维持着材料的宏观形状。随着温度再次回升，可逆相软化，但此时由于没有外力 作用，固定相的形状将占据主导地位，于是材料便自动回复成初始的形状1 1 4 1 5 l 。这个 具体过程可以参考下面的示意图。 外力作用 图1 也热致型形状记忆聚合物回复机理 典型的热致型形状记忆聚合物有化学交联聚己内酯( p c l ) 、外消旋的聚乳酸 ( p d i l a ) 等。目前一些报道已经提出将上述两种聚合物作为基体材料制备热致型形状 记忆复合材料。我们课题组将p d l l a 与具有良好生物力学性能和生物相容性的羟基磷 灰石复合，得到的材料无论是力学还是形状记忆性能( 图1 3 ) 较之纯的p d l l a 都有了 明显的提高 1 “。此外，我们还对该材料内部的作用力进行了分析，认为是p d l l a 中 的羰基氧与羟基磷灰石中的羟基之间存在的氢键作用以及装基氧与羟基磷灰石中的钙 离子之间存在的静电吸引作用，加强了形状记忆基体中同定相，从而提高了其形状记 忆性能【m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 贞 图卜3 数码拍摄鹾3 p d l l a h a 复舍材料制作的“s c i e n c e ”字母形状记忆回复过程1 q 1 13 2 电，磁致型形状记忆聚合物 电磁致型形状记忆聚合物顾名思义是利用施加的外部电场磁场来诱导聚合物的 形变回复。这类材料主要是将能够导电或具有磁性能的无机粒子( 碳纳米管、炭黑、四 氧化三铁等) 或者半导体高分子( 隳吡咯，聚苯胺) 等加入熟致型形状记忆聚合物基体中， 然后利用电场或者磁场诱导其中的粒子发热，从而使基体材料升温，达到其相转变温 度后引发回复。所以说，这类材料从本质上来看其实也是一种熟致型形状记忆复合材 料”】。我们课题组将具有超顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒分别与p d l l a e 2 0 】和化学交 联的p c “2 i 复台，得到了两种新颖性很强的磁致型形状记忆复合材料。经过在磁场中 的形变回复考察( 图l 卸，结果证实，这种材料能够在一定强度磁场的诱导下实现形状 记忆的回复，并且回复率能够达到9 5 以上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 - 4c - p c l f e 3 0 4 纳米复舍材料在交变磁场下的回复过程1 2 1 1 _ 13 3 光致型形状记忆聚合物 德国科学家a l e m d l e i n 首次提出了这类聚合物的概念，他们在丙烯酸丁酯( b a ) 、甲 基丙烯酸一2 一羟乙酯( 如3 m a ) 、丙烯酸羟己酯一苯基丙烯酸( h e a c a ) 和聚丙二醇_ 2 一甲基丙 烯酸( p p g 2 的化学交联结构中引入了一种含有肉桂酸( c a ) 基团的聚合物，然后通过 不同波长的紫外光照射使其发生伸展，收缩等形状变化。旧1 - 5 1 卫 乡 图1 j 利用不同波长的紫外光引发的光致型形状记忆效应阱】 这种通过光波波长来控制聚合物变形以及回复就是典型的光致型形状记忆效应。 它与热致型形状记忆材料形变回复机理有着很大的区别。熟致型形状记忆材料是通过 可逆相和固定相的软化、固化来实现其形状记忆过程，而光致型形状记忆材料的形变 以及回复则是通过其分子链上的光致变色基团来实现当材料置于不同渡长的光照射 下，光致变色基团就会发生转动，从而使整个分子骨架产生顺反异构体，最终实现形 状的可逆变化】。特别的，目前也发现可| 三【通过改变偏振光的角度来控制材料的形状 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 记忆过程【2 4 】。总体而言，光致型形状记忆材料这种“见光变形，的特点在工业，医学领 域有着巨大的潜力和应用价值。 1 1 3 4 其他类型的形状记忆聚合物 聚合物的形状记忆行为归根结底其实是材料内部的相转变以及分子链运动的结 果。那么，只要是能够引发微观分子内部上述两种因素变化的外部条件从理论上说都 能够实现聚合物形状的变形以及回复。目前材料工作者已经利用这个原理制备出了许 多新奇的形状记忆聚合物，比如溶致型形状记忆材料，这是利用溶剂中存在的氢键， 使聚合物分子链段的柔顺性提高，从而使得聚合物的形状更容易变形以及回复。同时， 利用聚合物中的亲疏水基团，使分子链在其良溶剂或者不良溶剂中能够分别达到舒展 以及蜷曲的效果【2 5 2 6 。总的来说，这些类型的形状记忆聚合物由于其刺激手段比较新 颖，工艺相对复杂，具有很高的研究价值。 1 2 可生物降解的形状记忆聚合物 1 2 1 可生物降解形状记忆聚合物的定义 生物降解原意是指利用自然界存在的微生物分解物质，同时对环境不会造成负面 影响的一个过程。而对于生物医用的聚合物而言，可生物降解则引申为降解的聚合物 在自然环境或者生物体内，被环境因素影响，物理结构和化学性能发生变化，最终被 分解成离子或者小分子的过程【2 7 】。 1 2 2 可生物降解的形状记忆聚合物分类 可生物降解的聚合物按照材料的来源可以分为天然的和合成的两大类。天然的可 生物降解聚合物包括甲壳素，壳聚糖，明胶等，这些材料大多是从自然界生物体内直 接提取出来，具有良好的生物相容性，但是，由于其来源有限，加工较为困难，并且 聚合物的分子量受环境因素影响很大，因此目前来看应用相对较为局限 2 8 ，2 9 】；而人工 合成的可生物降解聚合物比如聚己内酯，聚乳酸等，由于其原料普通，成本低廉，制 各过程简单且极易控制，已经成为最受欢迎的可生物降解的聚合物【3 0 , 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可生物降解的聚合物目前已经普遍应用于工业，农业，日常生活等领域，而对于 生物医学领域，尤其是在临床医学上更是受到了前所未有的关注，下面将对此进行重 点介绍。 1 2 3 可生物降解形状记忆聚合物在生物医学上的用途以及意义 虽然可生物降解的形状记忆聚合物发展历史不算太长，但是，它已经在组织工程 支架，手术缝合线，药物控释等生物医学领域上展现出了惊人的潜力 3 2 1 。 1 2 3 1 组织工程支架 在可生物降解的形状记忆聚合物得到广泛应用之前，传统的形状记忆合金以及聚 合物已经率先在组织工程领域得到了一定的应用，比如说利用传统的形状记忆材料可 以制备用于治疗食管、血管狭窄的组织工程支架 3 3 , 3 4 】。但是，这其中就存在着几个不 可忽视的问题：首先，形状记忆合金是一种典型的刚性材料，其力学性能与人体组织 并不匹配，这容易导致支架在植入病患部位后，引发炎症和穿孔等新的疾病；第二， 形状记忆合金以及大多数不可降解的形状记忆聚合物其生物相容性都比较差，并不适 合作为生物医用材料使用；更为重要的一点是，当利用传统材料制备的支架完成治疗 后，需要实施二次手术将其取出，这无疑加大了手术的风险，增加了病人的痛苦【3 5 】。 所以说，由于存在以上的这些问题，可生物降解的形状记忆聚合物支架就越来越受到 人们的关注，这种类型的支架不仅可以利用其形状记忆性能通过微创手术的方法植入 到指定部位，并且随着治疗过程的进行其本身也在逐渐降解，当治疗过程结束后，支 架也降解成为离子和小分子随着人体的新陈代谢排出体外。这种支架不仅可以同样起 到治疗的目的，而且能够减轻病人痛苦，降低手术风险。其加工性和成本也远低于金 属的支架，因此具有广阔的应用前景 3 6 , 3 7 】。 1 2 3 2 手术缝合线 a l e n d l e i n 和r l a n g e r 在2 0 0 2 年s c i e n c e 上发表的一篇文章首次向人们展示 了可生物降解的形状记忆聚合物所制成的智能手术缝合线应用的过程 a s 】。( 图1 6 ) 。 从图中我们可以看到，这种手术缝合线在2 0 。c 的温度下呈现出松弛的状态，随着时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的推移，缝合线受到人体体温的影响自动开始收缩，伤口也在逐渐被缝合。到4 1 c 时， 伤口已经完全被缝合好。此外，这种手术缝合线由于是可降解的材料，待伤口完全愈 合后该手术缝合线也能够自行降解，不用二次手术拆线。 2 0 3741o c t 1 ) 图1 - 6 智能手术缝合线缝合伤口示意图i 辅 l _ 2 33 矫形外科、骨科和牙科 传统的矫形外科手术常用的是石膏绷带，但石膏绷带在临床应用上存在着诸多不 足，比如拆卸困难，透气性差等，而采用新型的可生物降解的形状记忆聚合物制作的 绷带，由于其本身具有塑型快，透气舒适，熟收缩温度低，可回复变形量大等优点， 可以避免拆卸，降低手术成本及病人痛苦，从而能够有效解决石膏绷带所带来的问题 i 3 9 删。此外。可生物降解的形状记忆聚合物在骨科5 “1 以及牙科 “1 领域也有一定的应用 前景。 12 4 影响聚合物生物降解性能的因素 聚合物的生物降解机制通常被分为表面溶蚀以及本体降解两种方式，如图1 7 所 皓 螺 时 间 表面津蚀本体降解 一_ 画 厘蓟 叵 | j | 图1 7可生物降解的聚合物两种降解方式示意圉 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 从图1 7 可知，表面溶蚀是由于聚合物自身活性比较强，降解液与材料表面一经 接触便发生水解反应，水分无法真正渗透到材料内部，因此降解行为一直发生在材料 的表面。具体表现为：材料降解的速度均一，在降解过程中材料的分子量基本保持不 变。比较有代表性的表面溶蚀聚合物有聚酸酐，聚缩酮等 4 3 御】。而本体降解则是由于 在降解过程中水分大量渗入材料内部，在材料的表层和内部同时发生了溶蚀现象，从宏 观上就表现为非匀速的降解，而材料的分子量也随着降解时间的推移逐渐降低。典型 的本体溶蚀的聚合物有聚己内酯，聚乳酸等m 4 6 】。 其实，无论是哪种降解方式，以下几种因素都会对聚合物的降解过程造成影响： 1 聚合物链结构如果聚合物的主链中含有易于水解的基团，比如酯键，醚键，酰 胺键等，则很容易被降解；此外，聚合物分子链段的柔顺性对降解速度也有影响， 柔顺性越高，则降解速率越快。比如主链为脂肪族聚酯的聚合物就极易被多种脂 肪酶或者微生物降解，反之如果主链中含有芳香族的硬段，则很难被生物降解。 聚合物的亲水性对降解性能也有影响，亲水性越强；则聚合物在水中的分子链越 舒展，水渗透进材料的几率也就越高，从而使得降解更容易发生【4 7 1 。 2 聚合物的晶体结构：对于晶态聚合物而言，生物降解性与其结晶度密切相关，一 般来说，聚合物的结晶度越高，则其降解速率越慢。而非晶区的降解速率约为结 晶区的2 0 倍。这主要是因为结晶区的降解是从晶体的边缘而非表面开始的【4 引。 3 聚合物分子量及其分布：聚合物的降解一般是从端基开始的，而高分子量的聚合 物由于端基数量少，降解速率相对较低；分子量的分布对聚合物的降解也有影响， 一般来说，对于分子量分布较宽的聚合物，低分子量的部分较易降解【4 8 , 4 9 】。 4 降解环境：由于降解主要是由生物体内的酶或者自然界中的微生物完成的，因此， 能影响酶或者微生物活性的因素也就能够间接影响到材料降解的性能。诸如温度， p h 值，湿度，光，降解时间等因素都有可能对降解产生很大的影响【5 们。 1 2 5 几种典型的可生物降解聚合物 1 聚酸酐：这是一类新型的可生物降解的医用高分子材料，其分子结构式如图1 8 所 示：它的分子链段中含有的酸酐键具有不稳定性，在水中很容易水解成羧酸。另 外根据图中r 基的不同，可将聚酸酐分为脂肪族聚酸酐、芳香族聚酸酐、杂环 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 族聚酸酐、聚酰酸酐、聚酰胺酸酐、可交联的聚酸酐、含磷聚酸酐等。聚酸 酐的降解速度取决于r 基团的类别和组成比例，般芳香族取代基的聚合物其降 解速率要比脂肪族取代基的化合物慢；同系物中，随着主链上取代基碳链的增长， 聚合物降解速率减慢。聚酸酐对生物体具有良好的相容性，并且由于其降解过程 是典型的表面溶蚀降解，使之降解性能也相当优秀。目前合成出的脂肪族聚酸酐 有聚癸二酸酐( p a s ) 、聚己二酸酐( p p a ) 、聚十二酸酐( p d a ) 、富马酸酐( p f a ) 等 5 1 1 。 ooo0 r l l | 1 r i i i i 、 _ tc r 广c 扣o _ tc 一旷c 归 图1 - 8 聚酸酐分子结构示意图 2 聚己内酯( p c l ) ：是最为常见的一种化学合成的可生物降解聚合物，一般 通过己内酯的开环聚合而成。p c l 是一种半结晶性的材料，其熔点为 5 8 6 5 ，玻璃化转变温度约为6 0 。p c l 的优点很多，它具有良好的生物 相容性，同时也具有较高的药物通透性 5 2 1 。更值得一提的是，化学交联的 p c l 具有优秀的形状记忆性能。根据文献报道，这主要是由于在化学交联过 程中p c l 由线性的分子结构转变为了化学网状结构，这样，网状结构中的化 学交联点就成为了形状记忆的固定相，而p c l 中的结晶区则扮演着“可逆相” 的角色，两相的存在使得p c l 具有良好的形状记忆特性【4 5 , 5 3 】。经过实验得 知，在5 5 的温度刺激下，交联度为3 0 左右的交联p c l 形状记忆回复率 能达到9 0 以上。由于交联p c l 具有上述几种优良特性，使其在多个领域， 尤其是生物医学领域得到了广泛的应用，如手术缝合线、药物缓释剂、组织 工程支架等【5 4 1 。相比于其他可生物降解的聚合物，p c l 的生物降解速率比较 慢，研究表明，将p c l 埋入存在许多微生物的泥土中经过1 4 个月才能使其 完全降解，而如果将其直接存放在空气中，一年后也很难观察到降解的发生。因 此，基于p c l 的复合材料其降解性能是我们需要关注的一个重点【4 5 , 5 2 】。 3 聚乳酸( p l a ) ：是一种新型的生物降解材料，它是使用可再生的植物资源 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 如玉米) 所提炼出的淀粉原料经由发酵过程制成乳酸( l a ) ，再通过直接缩 聚或者二步法得到p l a 。p l a 具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界 中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，是公认的环境友 好材料。此外，p l a 的机械性能及物理性能良好，并且加工性能优良，再加 上其优秀的相容性与可降解性，使得p l a 在医药领域应用非常广泛，如可 生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线以及药物缓释包装剂等。 p l a 也同样具有良好的形状记忆性能，研究表明，纯的p l a 在其玻璃 化转变温度5 5 的刺激下形变回复率能够达到8 0 左右，而当向p l a 中加 入某些纳米颗粒如羟基磷灰石后，其形状记忆性能可以得到进步的提高， 这主要是因为加入的颗粒与p l a 中的羰基等活性基团产生了氢键和静电吸引作 用使得形状记忆的固定相作用增强，进而提高了其形状记忆性能【1 6 5 5 1 。 1 3 碳纳米管的改性以及复合材料 碳纳米管( c n t s ) 是1 9 9 1 年日本n e c 公司基础研究实验室的饭岛( i i j i m a l 通过一次意外实验发现的，经过将近2 0 年的发展，c n t s 已经越来越受到人们 的关注，在工业，农业，医学，生物等各个领域也得到了极大的应用【5 6 1 。 1 3 1 碳纳米管的性质以及用途 碳纳米管各方面的性能都相当突出，首先，它具有良好的力学性能，c n t s 的抗拉强度能够达到5 0 - - - 一2 0 0 g p a ，是钢的1 0 0 倍，而它的密度却只有钢的1 6 ； c n t s 的弹性模量可达1 t p a ，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5 倍。此外 碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若以其他工程材料为基体 与碳纳米管制成纳米复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳 性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 碳纳米管拥有良好的柔韧性，可以拉伸。莫斯科大学的研究人员曾把碳纳 米管置于很大的压力下将其压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复 了形状；碳纳米管具有如此优良的力学性能，是与其结构特点密不可分的( 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 9 1 ，碳纳米管中的碳原子采用的是s p 2 杂化，相比于饱和键的s p 3 杂化，s 轨 道成分比较大，使碳纳米管具有高模量，高强度。另外，碳纳米管具有其他材 料所不具有的高长径比，材料工作者普遍认为当材料的长径比达到2 0 ：1 就是相 当理想的情况，而碳纳米管的长径比一般在1 0 0 0 ：1 以上，因此碳纳米管也被认 为是一种具有高强度，高韧性的超级纤维，防6 ”。 图l 9 碳纳米管理论模型 碳纳米管的结构与石墨的片层结构非常类似，其中碳原子中的p 电子形成 了大范围的离域p 键，具有很强的共轭效应，所以，碳纳米管也具有相当优秀 的导电性能。研究表明，碳鲴米管的导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角， 管径越小，则碳纳米管就越接近于拥有良好导电性能的一维置子导线。通过计 算可以得知，当管径低于07 纳米时，碳纳米管甚至可以转变为超导材料m 。6 5 】。 碳纳米管在热力学方面的表现也很突出。由于其具有非常高的长径比，因 而沿着长度方向的热交换性能很好，而相对的垂直方向的热交换性能就偏弱， 通过合适的取向就能够使碳纳米管变成各向异性的热传导材料m ”。 1 , 32 碳纳米管在生物医学领域应用 由于碳纳米管具有上述各种优良的性质，因此它常常被作为复合材料中的增强材 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 料使用，一方面能够提高整个复合材料的力学性能，另方面还可以给复合材料赋予 新的功能诸如导电，导热等等。然而，在生物医学方面，碳纳米管的应用却受到了极 大的限制，这主要是由于碳纳米管存在着两个极为不利的因素：第一是碳纳米管本身 具有一定的细胞毒性，据a p o r t o - 等人的研究表明，向小鼠的体内注射低剂量的单壁 碳纳米管会引起小鼠的死亡【6 刀；另一方面，碳纳米管在大多数常见溶剂中的分散性很 差，导致其在复合材料的基体中很难均匀分布，从而也影响了其成品的性质 6 引。针对 以上两个问题，我们就需要对碳纳米管进行改性来满足生物医用材料应用的要求。 1 3 3 碳纳米管的改陛 1 3 3 1 物理手段 物理手段通常只能在一定程度上改善碳纳米管的水分散性。其整个过程为：运用 粉碎、摩擦等方法使碳纳米管的内能增大，从而使其活化。而当活化的碳纳米管表面 受到外力作用后其物理化学结构就会发生改变，达到改性的目的。接下来通过大功率， 长时间的超声分散或利用很大的剪切力来处理碳纳米管，防止其团聚，最终得到分散 良好的碳纳米管颗粒【6 9 7 0 1 。 1 - 3 3 2 化学手段 当我们需要得到生物相容性比较好的碳纳米管时，物理手段就显得力不从心了， 此时最为行之有效的办法便是采用化学改性。但是由于碳纳米管是一种惰性材料，表 面的活性基团以及位点比较少，不利于化学反应的进行，因此，需要首先对碳纳米管 表面进行一定程度的处理来得到具有更高活性的材料。比较传统的方法便是对碳纳米 管进行酸氧化处理。即利用某些酸( 如浓硫酸，浓硝酸) 的强氧化性将碳纳米管表面的 部分碳原子氧化成为羟基、羧基等活性基团。接下来则可将一些生物相容性较好，亲 水性较佳的材料通过物理非共价键或者化学共价键接枝的方式与碳纳米管上这些基 团结合，这样得到的碳纳米管在定程度上就能够具有相对优良的生物医学性质。 对于物理非共价键结合的方式而言，包括阳离子、阴离子、非离子型表面活性剂 7 1 3 2 】，以及一部分生物大分子7 3 - 7 6 ，聚合物 7 7 - 8 2 1 等都可以作为改性材料通过物理共混 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 产生的范德华力或者溶 瘦中的氢键作用与碳纳米管结合，但是这样的结合力通常比较 微弱，对于碳纳米管的生物相容性乃至分散性的提高也不太明显。相反地，通过化学 共价键方法改性的办法效果就比较好。比如，z e a g 以及他的研究小组通过原位开环 聚合的方式将p c l 接枝到了多壁碳纳米管表面，使其生物相窖性能得到了踢显增强 i s 3 ：d a i 等人也成功的将活性s i r n a 接枝到了单壁碳纳米管的表面，不但改善了材料 的水分散性同时也赋予了材料一个药物载体的作用【州。 此外，由于羟基磷灰石具有蘸好的生物活性以及生物相容性瞰】，因此有人想到了 利用羟基磷灰石来改性碳纳米管。b a l a n i 等人利用涂层的方法将羟基磷灰石的纳米颗 粒涂覆到了碳纳米管表面，不仅使得碳纳米管的力学性能进一步提高，也有效降低了 其细胞毒性m 即 il i a o 等人利用自组装的方法将纳米羟基磷灰石与碳纳米管结合， 并通过一系列的表征证实了碳纳米管生物性能有所提高口”。 3 4 碳纳米管复合材料的制备与表征 前面提到过，电致型形状记忆复台材料园其制各简单，使用高效，在工业、农业、 生物医学等方面的应用也越来越广泛。近几年，材料工作者利用不同的导电粒子和形 状记忆高分子制各出了多种电致型形状记忆复合材料。其中以力学性能以及电学性能 都相当优良的碳纳米管作为导电增强体的复合材料最为引人关注。实验表明，当向复 合材料中加入2 的碳纳米管即可达到添加5 碳耪或者8 不锈钢丝的导电效果【鲫。韩 国的c h o 等人将5 的多壁碳纳米管与聚氨酯进行复合，然后通过一系列的实验证明了 该复合材料在4 0 v 的电压下能够在1 0 s 内从变形状态回复到初始形态【，1 1 ( 图1 1 0 ) 。 ，置0 1 彳妒舢 图1 1 0 电致型形状记忆聚合物形状记忆回