骨的自我修复和再生是实现生物体骨修复的最佳途径，为了实现这一方法，有学者提出了制备类似于人体自然骨的骨替代物，在修复过程中可与细胞结合，达到骨修复的目的[1-2]。聚乳酸(PLA)是以乳酸作为原料合成的聚合物，是一种新兴的生物高分子材料。PLA属于脂肪族热塑性聚酯，具有良好的力学强度、可加工性高，具有一定的透明度而被人们视为发展市场巨大的新型聚合物[3]。此外，PLA分解后得到的乳酸在人体中可以观察到相同单体形态，因此，PLA常作为无毒无害的生物材料应用于生物体骨组织支架工程领域[4-6]。PLA作为生物支架材料应用于生物体时也存在着一些缺陷，例如脆性大、较差的热稳定性。为了解决这一问题，提高PLA的韧性和热稳定性，常采用共混工艺将PLA和一些具有高韧性材料共混以提高PLA的韧性。目前常用的增韧材料包括聚己内酯、低密度聚乙烯和聚丁二酯，然而增韧材料的加入不易与PLA混容[7-9]。为了提高二者之间的混容性常采用丙烯酸缩水甘油酯对聚丁二酯进行接枝预处理，进而提高与PLA的混合相容性。但是，增韧材料的加入又会使得PLA的抗拉强度降低，不能够很好的实现韧性-强度的平衡。有学者发现通过将PLA和聚己内酯、有机蒙脱土三者熔融共混组合成的复合材料实现了力学性能和热稳定性的提高[10]。但是，有机蒙脱土具有一定的生理毒性不适合于生物体内应用。此外，PLA分解产生的乳酸代谢产物在人体内分解后产生的乳酸大量堆积在人体内会影响体液中的酸碱平衡性。目前将羟基磷灰石(HA)作为增强相提高PLA材料性能并应用在人体组织支架的文献较少。本实验通过插层工艺成功地将HA添加到PLA材料中，并研究了HA的用量对PLA/HA复合材料的力学性能、热力学稳定性和降解过程中pH变化的影响。1实验部分1.1主要原料聚乳酸(PLA)，分子量Mw=5000，浙江海正生物材料股份有限公司；月桂酸，分析纯，天津市光复精细化工研究所；偶联剂KH-550、氢氧化钠、氯化钙、磷酸氢二钠、四氢呋喃，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备X射线衍射仪(XRD)，D8 Advance，德国Bruker公司；傅立叶红外光谱仪(FTIR)，VERTEX70，德国Bruker公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT100，日本电子株式会社；热重分析仪(TG)，TG209F1，德国耐驰仪器公司；电子万能材料试验机，TFW-5S，上海拓丰仪器科技有限公司。1.3性能测试与表征XRD表征：将制备得到的HA、PLA/HA生物复合材料和PLA进行研磨成粉末，将样品放置在X射线衍射仪的样品台上对样品的晶体构成进行检测分析。FTIR测试：100 mg KBr和1 mg样品研磨均匀，在波数400~4 000 cm-1范围内进行测量。SEM分析：对样品喷金处理后进行测试。TG分析：样品5 mg，升温速率5 oC/min。力学性能测试：样品尺寸10 mm×10 mm×10 mm，压缩速度为10 mm/min。1.4样品制备1.4.1HA样品的制备将月桂酸和氯化钙混合后加入烧瓶中，向烧瓶中加入蒸馏水并加热至60 oC搅拌，完全溶解后于60 oC继续搅拌0.5 h，将磷酸氢二钠放入烧瓶中，继续恒温搅拌反应0.5 h。将固体氢氧化钠溶解并缓慢滴加到上述溶液中恒温反应4 h。反应结束后，上述混合物放入到反应釜中，在反应釜中加热反应24 h。将样品取出后洗涤，获得的白色固体烘干研磨，即为HA。1.4.2HA样品的接枝改性将HA和KH-550一起放入烧瓶中，以甲酸作为溶剂加入烧瓶中，调整反应溶剂pH值在4左右，并采用加热套加热至60 oC并搅拌反应6 h使KH-550接枝到HA上，反应结束后用乙醇和水洗涤样品，得到的样品烘干研磨后待用，即为接枝HA。1.4.3PLA/HA共混材料的制备表1为HA和PLA样品的混合配比。将5 g PLA放入四氢呋喃中加热至60 oC并搅拌使PLA溶解，按表1配比加入接枝后HA，继续恒温搅拌0.5 h，反应结束后将混合物倒出，蒸发溶剂即得到PLA/HA复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1HA和PLA样品的混合配比Tab.1Mixing proportion of HA and PLA sample样品PLAHAa1000b10010c10030d10050e10070%%2结果与讨论2.1HA和接枝HA的FTIR分析图1为HA和接枝后HA的红外谱图。从图1可以看出，在605 cm-1和1 017 cm-1处出现的两个红外吸收峰表示PO32-的存在[11]。在接枝后HA的红外谱图上可以看到，1 561 cm-1和1 460 cm-1处出现的两个红外吸收峰是由于偶联剂中甲基基团弯曲振动引起的，在3449 cm-1处出现的波峰表明了氨基的存在，证明了KH-550成功接枝到了HA上。KH-550接枝到HA表面也改善了其作为无机相与PLA有机相之间的结合，为增加改性后HA和PLA之间的结合提供了一定的结合基础[12-13]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1HA和接枝HA的红外谱图Fig.1FTIR spectra of HA and graft HA2.2HA和PLA/HA复合材料的XRD分析图2为HA和PLA/HA复合材料的XRD谱图。从图2可以看出，HA在小角度衍射时存在一个衍射峰是由于HA的片层结构使得HA在小角度处产生的多级衍射。这一衍射峰的存在证明了以月桂酸作为成核剂可以获得片状结构的HA。此外，在26°和32°出现的两个衍射峰表征着HA的特征衍射峰，证明了HA成功制备[14]。将HA和PLA混合后制备得到复合材料的XRD谱图可以看出，HA在小角度的多级衍射峰随着HA在PLA中含量的不断增加导致小角度衍射峰偏移甚至消失，这一现象归因于PLA的存在破坏了HA的晶格间距，导致HA的片层厚度不断增加，从而使得多级衍射现象消失[15]。此外，PLA作为晶体结构同样具有衍射条纹，在复合材料的XRD谱图中能够同时观察到PLA和HA的衍射峰，证明了复合材料的成功制备。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2HA和PLA/HA复合材料的XRD谱图Fig.2XRD patterns of HA and PLA/HA composites2.3HA和PLA/HA复合材料的SEM分析图3为HA、PLA和PLA/HA复合材料断面的SEM照片。从图3可以看出，采用月桂酸作为HA制备成核剂可以成功得到片状结构的HA，此结果与XRD结论相一致。从图3b~3f可以看出，PLA经过插层工艺处理后呈现出网状连接结构，通过对比不同PLA/HA复合材料，在复合材料断面处观察到HA以片层结构形式分散在PLA中且与PLA紧密连接在一起形成了多孔网状结构。HA能够均匀地分散在PLA结构中，且和PLA结合可以起到分散载荷的作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3HA和PLA/HA复合材料的SEM照片Fig.3SEM images of HA and PLA/HA composites2.4PLA/HA复合材料的热力学稳定性分析图4为PLA/HA复合材料的TG曲线。从图4可以看出，PLA在200 oC以下具有良好的热稳定性，其他复合材料的热稳定性均随着HA含量的不断增加，复合材料的耐热性能也在不断增加，表明HA的成功掺入能够提高复合材料的热稳定性。这是由于HA的片层结构能够实现与PLA较好的链接，从而限制了有机相和无机相界面的运动。此外，HA的含量越多，复合材料的失重率越小，这是由于PLA内部的网状结构利于热传导，而HA的存在能够阻碍热的传递，从而使得PLA/HA复合材料的热力学稳定性提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图4不同PLA/HA复合材料的TG曲线Fig.4TG curves of different PLA/HA composites2.5PLA/HA复合材料的压缩强度分析图5为PLA/HA复合材料的压缩性能测试。从图5可以看出，纯PLA具有一定的抗压强度，当向PLA中加入HA时，这一复合体系的力学强度得到提高。但是，PLA/HA复合材料的力学性能并不是随着HA的含量增加而呈现出不断增强现象，当HA掺杂量为30%时，复合材料的压缩强度达到最大。表明此时HA在复合材料中既能起到分散载荷的作用，又不影响PLA本身网状连接结构的连接稳定性。HA掺入量的不断增加会破坏PLA自身结构的力学强度，反而导致PLA/HA力学强度降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图5PLA/HA复合材料的压缩强度Fig.5Compression strength of PLA/HA composites2.6纯PLA和复合材料的pH变化分析图6为PLA/30%HA复合材料在人体模拟液中的降解实验。从图6可以看出，随着时间的不断变化，PLA在人体模拟液中发生分解使得人体模拟液中的pH值不断降低，向着酸性不断提高的趋势发展。而PLA/HA复合材料在人体模拟液中的pH变化则相对平缓很多。此现象是由于HA作为碱性材料，在PLA不断降解产生乳酸过程中发生一定的酸碱中和，从而使得人体模拟液的pH变化较为平缓。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图6PLA/30% HA和PLA在模拟液中的pH变化Fig.6The pH change of 3 PLA/30% HA and PLA in the simulated liquid3结论(1)通过模板法成功制备了HA生物材料，对HA进行表面接枝改性，以改善HA作为无机材料与有机物不易结合的问题，并且成功地实现了以HA作为复合材料的增强相，再结合插层工艺将HA与PLA紧密结合在一起制备成PLA/HA复合材料。(2)通过多组不同比例的HA掺入量对PLA理化性能影响对比的研究发现，PLA/HA复合材料的热稳定性随着HA掺入量的不断增加而呈现出不断提高趋势，但是复合材料的力学性能则在30% HA掺入量时达到最佳，掺入量过多或过少都将影响PLA/HA复合材料力学性能。(3)HA作为碱性材料，能够很好的中和PLA降解带来的体系酸性增加问题，使得复合材料在人体模拟液中仍能保持一定的pH稳定性，为PLA/HA复合材料在生物体内的应用提供了良好的基础和发展前景。