PCL基复合材料研究

2PCL基复合材料聚己内酯(PCL)是FDA批准的脂肪族聚酯，有着良好的结晶度、良好的生物相容性、适当的机械强度和良好的生物降解性能，在生物医学方面具备无限的可应用潜力。然而，PCL表面是相当疏水的，表面的亲水性差，导致细胞粘附、迁移、增殖、分化能力差。在骨骼组织修复应用中，这降低了细胞对PCL表面的亲和力，缺乏细胞间的相互作用导致了相当缓慢的组织生长。可通过各种表面改性技术或与其他材料进行复合从而提高PCL表面的亲水性，从而获得性能优异的，可用于骨缺损修复的材料[31]。2.1PCL/β-磷酸三钙磷酸三钙（TCP）是人体骨骼最常见的成分，生物材料中最常用的是β-TCP，因为其具有良好的生物相容性、生物活性和生物降解性，是理想的人体硬组织修复和替代材料[32]。β-TCP和聚己内酯（PCL）的复合材料，聚己内酯是一种骨导电材料，具有优良的力学性能和生物吸收性能。然而，因为PCL亲水性差，它阻止各种细胞的粘附和增殖，从而限制新组织的生长。相比之下，β-TCP表现出良好的亲水性，因此制备β-TCP/PCL复合材料是为了追求更好的材料性能[33]。Lupong[34]等人的研究表明，β-TCP/PCL的弯曲模量和机械强度随孔隙率的增加略有变化，孔隙率为70%时为19.8mpa和0.62mpa，而孔隙率为52%时分别为15.3mpa和0.67mpa。对于β-TCP，孔隙率与机械强度成反比，β-TCP的孔隙率可以促进新骨的形成，同时降低力学强度，这与术后支架塌陷或内部破裂的概率较高有关。在β-TCP/PCL复合物中，机械强度脚手架的提高。因此，β-TCP/PCL复合材料可满足新骨形成的要求，同时提高了力学强度。于玲敏[35]研究了聚己内酯和β-磷酸三钙复合材料支架对于骨缺损修复的应用，制备了β-TCP支架材料和β-TCP/PCL复合支架材料，对两种支架材料进行表征研究和体外环境下小鼠成骨细胞MC3T3-E1在支架材料上的粘附、增殖及分化情况进行检测。研究结果表明，两种支架材料都具有良好的生物相容性，对于细胞的粘附和生长具有积极作用。但是相比于单一的支架材料，β-TCP/PCL复合支架材料具有较高的机械性能，可以成为具有发展前景的骨组织工程材料。Park[36]研究了聚己内酯/磷酸三钙(β-TCP)复合材料作为骨组织工程支架的应用。利用了3d打印技术，在无溶剂条件下制备了聚己内酯基三维结构，在0-30%范围内改变了β-磷酸三钙的质量分数，并对试样的结构和压缩模量进行了表征。研究结果表明，孔的形状和连通性均令人满意，压缩模量与人类骨小梁相当；在复合材料上接种骨髓间充质干细胞，并在9天内进行各种生物学评价，β-磷酸三钙质量分数为30%时，细胞分化较早，但增殖率较低，但当通过机械刺激时，增殖率恢复，并与其他组相当。在机械刺激条件下，β-TCP含量为30wt%的样品的成骨标志物表达水平明显高于其他样品。即，当伴有机械刺激且复合材料内β-TCP的质量分数为30%时，作为骨组织支架具有很大的作用。2.2PCL和石墨烯石墨烯是一种具有二维空间平面结构的碳原子晶体，其厚度微小仅有单个碳原子厚度。由于石墨烯具有非常好的性能，它与作为基体材料的聚己内酯形成了更好的复合结构，极大地提高了聚己内酯的力学性能，从而改善提高了骨修复复合材料的综合性能。由于石墨烯及其衍生物(如氧化石墨烯)具有独特的综合性能，因此已成为一类广受欢迎的填料，用于提高聚合物基体的性能[37]。鄢婕[38]通过溶液共混法制备得到两种纳米复合材料，分别是聚己内酯/石墨烯(PCL/GE)纳米复合材料和聚己内酯/氧化石墨烯(PCL/GO)纳米复合材料，为了改善增强相同基体材料之间的界面相互作用，设置了两个变量：不同类型的偶联剂和不同含量的增强相，进行试验研究其对复合材料的力学性能，结晶性能和耐热性能的影响。经过拉伸和耐磨性能测试结果显示，GE和GO的存在可以有效地改善提高PCL基体材料的拉伸强度和耐磨性能。PCL/0.4wt%GE纳米复合材料的拉伸强度为22.79Mpa，较纯PCL材料的拉伸性能高出了近150%。PCL/0.2wt%GO纳米复合材料的拉伸强度为26.23Mpa，同样高于纯PCL材料的拉伸性能，且提高了近170%。XRD测试和复合材料的非等温结晶过程显示，GE和GO的存在会降低PCL基体材料的结晶度并提高PCL的峰值结晶温度，这表明复合材料的降解速率将增加并且其生物降解性也会提高。DTG和TGA测试结果表明，与纯PCL基体材料相比，PCL/GE纳米复合材料和PCL/GO纳米复合材料的耐热分解性提高，最大失重速率的温度也提高。I.C.Cortázar[39]等人研究了一系列含有不同氧化石墨烯填料含量的聚己内酯基纳米复合材料，通过对结晶度、红外吸收光谱、分子量和热性能作为GO含量的影响因素的深入研究。红外光谱显示PCL和GO之间存在分子间氢键，凝胶渗透色谱也是如此。偏振光学显微镜观察表明，GO可以作为PCL晶体的成核点，在模拟体液中也可以促进羟基磷灰石的生长。复合材料的性能研究表明，只有少量的GO可以诱导成骨特性，从而显示了该种复合材料在骨组织再生中的应用前景。王伟光[40]等人使用熔融共混工艺制备了PCL/原始石墨烯共混物，并用不同浓度的原始石墨烯生产了具有规则和可复制结构的支架，从形态、机械和生物学角度进行评估。实验结果研究表明，两种材料的复合材料支架，因原始石墨烯的添加，而使得支架的机械性能得到改善，疏水性降低，并改善了细胞活力和增殖能力。2.3PCL和羟基磷灰石（HA）羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是天然骨组织成分的无机物，具有优异的生物相容性和生物活性，植入体内后可与人体自然骨形成牢固的自然化学键合，但由于其强度低，韧性差，限制了它在承载部位的负重作用[41]。因此，以PCL为基底，HA为增强剂，制备PCL/HA复合材料有望既得到HA良好的生物相容性和生物活性，又能得到PCL良好的机械性能和可降解性能。胡李勤[42]研究将纳米级HA颗粒与聚己内酯在不同质量配比下通过原位聚合法制得PCL/HA复合材料，对不同质量配比的复合材料进行表征分析，发现PCL在HA表面发生原位聚合，使HA颗粒均匀分布在复合材料内部且结合紧密，当HA含量为6%时，复合材料最为接近人体骨骼成分，且具有优异的生物相容性。徐艺展[41]等人通过超声震荡，将纳米HA直接分散在PCL的THF溶液中，利用溶液浇铸法制备得到了PCL/HA复合材料，考察了复合材料浸渍于模拟体液（SBF）中的生物活性，并对材料的结构和组成进行表征研究。实验结果表明，将复合材料浸入模拟体液中14d后，表面形成了弱结晶性羟基磷灰石涂层，显示了良好的生物活性。Chuenjitkuntaworn[43]等人采用溶剂浇铸和颗粒浸出相结合的方法制备了含有羟基磷灰石颗粒的PCL支架，该支架的平均孔隙尺寸在480-500lm左右。研究评估了支架的孔隙率、吸水率和压缩模量，体外和体内实验均检测了在PCL和PCL/HAp支架上培养的原代骨细胞的反应。实验结果表明，与在PCL支架上生长的细胞相比，在PCL/HAp对应物上培养的细胞表达了成骨分化的标志物；对植入小鼠颅骨缺损6周的支架进行组织学分析，发现PCL/HAp支架对新骨组织的形成具有更好的支持作用，PCL/HAp支架在体内植入时具有良好的骨传导性，所制备的PCL/HAp支架材料可作为骨组织工程的良好替代材料。2.4PCL和壳聚糖壳聚糖是d-葡萄糖胺和N-乙酰葡糖胺的共聚物，具有许多优良的性能，其中包括高生物相容性，可生物降解，具有多孔结构，适合细胞生长，抗菌性质。这些理想的性能使壳聚糖成为理想的骨移植替代品。此外，壳聚糖具有亲水性表面，可能有助于促进细胞的粘附、增殖和分化，从而引起微小的异物反应，很少或没有纤维包囊。不幸的是，纯壳聚糖支架机械性能较差，缺乏骨传导性，不具备天然的骨特性[44]。因此可将壳聚糖与聚己内酯复合成为一种性能优异的骨修复材料。段亮[45]等人制备了纯聚己内酯和壳聚糖增强聚己内酯的复合材料。将两种材料放入0.9%生理盐水中获取两者的浸提液进行试验观察，发现PCL/CS复合材料中不存在致敏性物质，浸提液无溶血反应和急性全身毒性反应，无热源反应；将两种材料分别植入白兔背部，并在术后2、4、8、12、16、24周取材和观察，复合材料植入体内后，初期时伴有轻微的炎症反应，12周后炎症反应基本消失，没有巨噬细胞聚集的情况出现。该实验反应了壳聚糖增强聚己内酯的复合材料具有优异的生物相容性，可以用作修复胸壁缺损的材料，从而为临床应用。Zarith[46]采用冷冻干燥技术制备了10%w/v纯PCL和12%w/v混合PCL/壳聚糖的海绵状多孔三维支架。表征研究发现，纯PCL和混合PCL/壳聚糖支架高度多孔结构与平均孔径73.6μm和74.9μm最佳的孔隙大小范围的骨头长在肉内。ATR-FTIR结果表明，壳聚糖成功地混合到PCL支架中。本研究制备的PCL/壳聚糖复合支架具有均匀的多孔结构，亲水性能得到改善，PCL/壳聚糖复合支架材料在骨组织工程应用方面具有很高的应用前景。CS与PCL的共混不仅结合两者良好的生物相容性和较慢的体内降解速度，还结合了PCL良好的可加工性。然而，目前PCL/CS复合材料在组织工程中的应用主要受到缺乏生物活性和力学性能低的限制。因此可在壳聚糖聚己内酯的基础上进行三元复合材料的制备研究[47]。肖秀峰[47]等人采用熔融共混法制备了羟基磷灰石(HA)/聚己内酯(PCL)-壳聚糖(CS)复合材料。该复合材料中，HA的量从0%到30%不等，并对复合材料的形貌、结构和成分进行了表征研究；通过拉伸试验对其拉伸性能进行了评价；分别在模拟体液(SBF)和生理盐水中浸泡，研究其生物活性和降解性能。结果表明，向PCL-CS基质中添加HA倾向于抑制PCL的结晶，但提高了亲水性；复合材料中添加HA降低了拉伸强度和断裂伸长率，但增加了拉伸模量；在SBF中浸泡14天后，HA/PCL-CS复合材料表面被结晶度较低的碳化羟基磷灰石涂层所覆盖，表明复合材料具有良好的生物活性；在生理盐水中浸泡28天后，PCL的分子量下降，复合材料的质量损失和生理盐水的pH值分别上升到5.86%和9.54，表明复合材料具备了良好的降解性能。3PCL基电纺复合材料PCL特性（生物相容性和缓慢的生物降解）与静电纺丝所产生的纳米纤维结构的独特特征相结合，可以为包括医学应用在内的各种应用提供有前途的材料。在过去的25年中，在上述技术中，静电纺丝研究最为广泛。图3.1显示了与聚合物纤维电纺丝相关的年度出版物的数量，这表明自2003年以来，与“电纺丝”相关的年度出版物的数量已从10篇增加到3000篇，而仅PCL相关的电纺就达到了243条（2018年）[51]。静电纺丝是一种广泛应用的制备连续高分子纳米纤维的支架技术，方便且高效[48]。纳米级别材料结构上比微米级别材料结构上，细胞膜和胞外基质的结合位点更多些，并提供更多的比表面积，使得细胞更加舒展；纳米纤维的孔隙度为细胞提供了更大的生存空间，将会与周围环境更好地进行物质交换；纳米纤维的形态学和化学特征都近似于天然组织的胞外基质（extracellularmatrix，ECM），有利于细胞的黏附、迁移、增殖和分化，在骨组织修复领域是比较理想的材料[49]。3.1PCL和丝素蛋白丝素蛋白（SF）是一种天然衍生的生物相容性聚合物，是蚕丝的主要组成部分，含量比达70%左右，含有了多种氨基酸，其中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser)约占总组成的80%以上[50]。SF含有RGD肽等配体，可促进细胞粘附、迁移和增殖。然而，通常用于生物材料的再生丝纤维的力学性能较低，这主要是由于蛋白在分子水平上的结构变化和定位错误造成的。SF与PCL的共混有望形成具有理想的力学和生物相容性的复合材料[51]。钱宇娜[52]等人将蚕丝丝素蛋白同聚己内酯，通过单嘴喷头电纺制备出纳米纤维支架，实验结果显示，随着丝素蛋白的加入，一是纳米纤维的形态得到了改善，二是纳米纤维的直径变小，使该纳米纤维的亲水性增加，细胞的形态分析表明混纺纳米纤维较PCL纳米纤维具有更好的生物相容性。Nazeer[53]等人通过应用静电纺丝法制备了聚己内酯(PCL)和聚己内酯/丝素(SF)纳米纤维支架。实验比较，电纺PCL支架的润湿性在加入SF后发生了明显的变化，从接触角为129.1±1.3°的疏水表面到超亲水性(0°接触角)；以人BJ成纤维细胞为研究对象，显示PCL/SF复合支架细胞增殖率较纯PCL有明显提高；在DMEM+10%FBS溶液中37℃降解的研究表明，与纯PCL相比，PCL/SF支架的降解速率增加。总结上述研究结论，可以认为电纺PCL/SF纳米纤维复合支架是一种很有前途的组织工程应用基质。王丽君[54]等人运用静电纺丝技术制备不同质量比的PCL-PLA/SF复合纳米纤维膜支架，并进行了表征研究，并进行了接触角实验和小鼠胚胎成纤维细胞培养实验。结果表明，随着SF在复合纤维膜中量的增加，孔隙率和吸附性降低，同时，SF的加入提高了纳米纤维的亲水性，有利于细胞的黏附和增殖。唐圣圭[55]等人通过静电纺丝成功制备了不同含量的羟基磷灰石和不同SF/PCL共混比的纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯共混复合超细纤维，得到的几种复合纤维膜中，nHA/（SF50/PCL50）复合纤维膜较其他具有更好的力学性能，对nHA/（SF50/PCL50）的复合纤维支架上进行细胞培养和ALP值测试，表明nHA/（SF50/PCL50）对细胞无毒性且有利于细胞的增殖，能很好地促进骨组织细胞分化。3.2PCL和壳聚糖壳聚糖(CS)是经天然生物大分子甲壳素通过脱乙酰而得到的衍生物，它具有优良的亲水性能、生物可降解性、生物相容性和生物粘附性等优点，但其存在着力学性能较弱、成纤性差以及难以通过静电纺丝制备CS纤维等缺点。因此，为了改善CS成纤能力，提高PCL纤维亲水性能，可选择静电纺丝制备该复合材料[56]。何莹[57]等通过静电纺丝技术制备壳聚糖-聚己内酯纳米纤维膜，以纤维膜作为载体，根据碱性磷酸酶活性和Western免疫印迹实验结果，探讨纤维膜对细胞成骨分化能力的影响，采用SPSS17.0软件包对数据进行统计学处理。实验结果显示，电纺壳聚糖-聚己内酯纳米纤维膜对细胞成骨分化能力的影响明显高于对照组(不含材料组)(P<0.05)，表明电纺聚己内酯-壳聚糖纳米纤维膜在体外可以促进细胞成骨分化得能力，这为骨的缺损及再生修复提供了研究依据。Semnani[58]等人的研究以聚己内酯和壳聚糖为主要原料，以收集速度和收集线夹角为可变参数，电纺制备了一种新型的聚己内酯-壳聚糖纤维支架，同时获得了较好的形貌和取向。在不同条件下制备的纳米纤维中，PCL/CS以90转/分的捕收速度和40度的捕收线夹角制备的纳米纤维具有较高的取向度和较小的孔径，适合于组织工程。同时用小鼠肝上皮细胞进行细胞培养。在细胞培养中，细胞在7天后完全浸润并附着在支架上，表明支架具有细胞无毒性和相容性。Surucu[59]等人采用同轴电纺技术制备支架，通过L929成纤维细胞培养实验，包括MTT法、CLSM和SEM分析，证实了该支架的生物学性能。从细胞培养结果来看，电纺PCL/壳聚糖核壳支架较纯PCL或壳聚糖支架更适合细胞粘附、生长和增殖。3.3pcl和明胶明胶是具有生物相容性和可生物降解的天然高分子聚合物，衍生自天然ECM的主要成分，它是非免疫原性的，并且保留了诸如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列之类的信息信号，可促进细胞粘附，分化和增殖。因此，明胶可与pcl结合使用，从而获得具有良好的细胞粘附哈增殖特性以及良好的机械强度的复合材料[60]。Gautam[61]等人通过静电纺丝法利用一种溶剂混合物（用于PCL的氯仿/甲醇和用于明胶的乙酸）来制造聚己内酯/明胶的复合纳米纤维组织工程支架。研究试验结果显示，PCL与明胶之间的相互作用有利于细胞附着和增殖，L929细胞对复合支架的粘附并表达特征性细胞形态，表明该支架适用于组织工程应用，MTT分析和DNA定量结果证实了PCL/明胶复合支架的生物相容性和细胞增值率较高。Ren[62]等人利用醋酸(HAc)解决了PCL与明胶的相分离问题，成功制备了不同配比的均相PCL/明胶复合纳米纤维。FTIR、XPS、TGA、DSC结果证明，通过改变纺丝溶液中PCL和明胶的重量比，可以简单地调节PCL和明胶在纺丝纳米纤维膜中的比例。SEM和AFM图像表明，所有的纳米纤维具有均匀和光滑结构在二维(2d)和三维(3d)。力学试验表明，纳米纤维具有良好的拉伸强度性能，适合于骨组织工程。CCK-8和SEM图像显示，所有膜均与MC3T3-e1细胞具有生物相容性。此外，纳米纤维在正常培养基和成骨培养基中的体外成骨特性表明，纳米纤维可以促进骨形成。Guarino[63]等人采用静电纺丝法和溶剂浇铸法制备了聚己内酯(PCL)和聚己内酯/明胶薄膜。系统分析了细胞降解时的形态演变，分离了纤维纳米结构和明胶生化信号对细胞粘附和增殖的影响，利用了场发射扫描电子显微镜，通过不同时间发生的形态变化来评估平台结构对明胶降解的贡献。人类间充质干细胞的生物相容性评价证实了细胞结构和化学成分对细胞反应的作用。纳米结构的表面通过增加细胞的表面积对细胞识别产生积极的影响。凝胶嵌入到纳米纤维的PCL基质中，改善了细胞与材料的相互作用，为细胞的增殖提供了支持。PCL/明胶电纺膜在成骨介质条件下矿化增加，研究表明该系统有望用于骨再生的长期体外研究。Shirani[64]等人采用静电纺丝法制备了聚己内酯/明胶与生物活性纳米颗粒的仿生纳米复合材料。与缺乏生物活性玻璃的支架相比，电纺纳米复合支架(PCL/Gel(50/50)/BG)具有更好的力学性能和改善骨细胞反应。体外培养的MG63成骨细胞表明，细胞在含有生物活性玻璃的支架上生长较好，这是由于该化合物具有生物活性。添加5%的生物活性玻璃也显著提高了支架的生物相容性。降解试验结果还表明，加入明胶和生物活性玻璃后，降解速率增加，降解时间与骨重塑时间有较大的相似性。这表明人工合成的支架材料在骨组织工程中具有广阔的应用前景。3.4PCL和羟基磷灰石目前，国内外对于HA和PCL的混合物电纺材料研究得很多，许多文献将不同含量的HA或者纳米HA(nHA)混入PCL，由静电纺丝得到混合电纺膜材料。研究结果表明：混入HA或nHA的混合膜较纯PCL膜拥有更好的力学性能和成骨性能[65]。Hassan[66]等人通过纳米羟基磷灰石(nHA)在PCL纤维中的分散性，研究了纳米羟基磷灰石(nHA)在PCL纤维中的掺入情况人随着nHA的加入，PCL的纤维直径逐渐增大。较低浓度的PCL和nHA的纤维组成进入聚合物生产的纤维中，nHA在PCL纤维中均匀分布，结块较少。PCL/nHA纤维在模拟体液(SBF)中浸泡时，表面有骨状磷灰石层，PCL未见明显变化。PCL/nHA比单独使用PCL有较高的吸水率和改善润湿性，说明PCL