聚乳酸复合材料在医疗器械中的应用

适用于医疗器械的聚乳酸复合材料

1. 引言

在无数现代医疗器械中，有一类工具被用于医药领域的胃肠病学。它们主要是几种类型的支架，在某些健康状况下（尤其是在手术期间）应用于患者。

胆道梗阻是一种严重疾病，会给患者带来难以忍受的疼痛。该疾病的常规治疗方法是植入胆道内假体——即在患者体内放置支架。支架能够保持胆管中胆汁的通畅，这对患者生活质量至关重要。目前使用的支架由金属或普通聚合物制成。然而，这些支架存在堵塞问题，导致需要再次手术。聚合物支架通常在6个月内发生堵塞。金属支架比聚合物支架更方便，因为它们具有自扩张性，且通畅时间更长，但同样会出现胆道堵塞情况。此外，金属支架比聚合物支架更昂贵。

支架发生堵塞的原因不仅在于胆汁流动缓慢及其沉积物，主要还在于各种细菌菌株的侵入以及微生物膜的生长。

具有抗菌性能的可生物降解聚合物复合材料可能是减少微生物膜的有效解决方案之一。基体聚合物应与人体具有生物相容性，但其主要优势在于可生物降解特性。生物降解是一个基于生物学基础的过程，其中聚合物逐渐发生降解，包括水解和微生物酶作用。

可生物降解聚合物分为两大类：第一类为部分可生物降解聚合物，由于不能完全从体内排出，因此不具备生物可吸收性；第二类为完全可生物降解聚合物，这类聚合物可降解为低分子物质，并能被机体排出。在医药领域中最常用的可生物降解聚合物是聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）和聚乙醇酸（PGA），见图1。

以下章节重点介绍聚乳酸。聚乳酸（PLA）是由乳酸单元组成的聚合物，具有优异的机械、化学和可生物降解性能。PLA属于脂肪族聚酯类，可以有三种形态。最终形态由单体乳酸的类型决定，乳酸具有两种光学异构体：L型和D型。所产生的聚合物形式包括PLLA、PDLLA和PDLA。每种PLA形式具有不同的特性，参见表I。光学透明度会影响最终聚合物产品的结晶度。含有超过90% L‐异构体的PLLA tends to be crystalline，而其他形式为无定形。

PLA易溶于二噁烷、乙腈、氯仿、二氯甲烷或二氯乙酸。聚乳酸在乙苯、甲苯、丙酮和四氢呋喃中部分溶解。该聚合物不溶于水和醇类。

许多研究针对包装行业和医药领域，探讨了对聚乳酸（PLA）进行改性以获得产品抗菌性能的方法。在这些研究中，广泛使用了多种物质和填料对聚合物材料进行改性。添加了尼生素、溶菌酶和银沸石等天然抗菌剂的聚乳酸，对单核细胞增生李斯特氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和溶壁微球菌等选定微生物表现出抑制作用。

正在研究多种类型的粘土以及二氧化硅或滑石粉作为纳米复合材料中的功能填料。通常它们可提高聚合物复合材料的机械、化学和物理性质。如果填料经过特定物质或颗粒改性，其可在纳米复合材料中作为抗菌性能的载体和多功能组分。第二类填料选自不同的碳纳米材料。本研究中使用的最后一种填料是通过绿色生物合成制备的金属型材料。

本研究旨在制备基于聚乳酸基质并结合抗菌填料的聚合物复合材料。生物合成的银纳米颗粒、市售的多壁碳纳米管以及用十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA）改性的蛭石被用作填料。所制备的材料通过结构分析方法、显微镜和选定的抗菌测试进行了表征。

2. 材料与方法

2.1. 方法

颗粒状聚乳酸（PLA），见图2，用于制备聚合物复合材料（供应商 Plasty Mladeč，捷克共和国）。该聚乳酸为一种主要用于3D打印的技术级PLA。将1 g PLA颗粒加入DCM中，在室温下溶解24小时。根据表II所述，制备了七种不同的PLA/DCM复合材料。

银纳米颗粒、经十六烷基三甲基溴化铵阳离子改性的蛭石以及多壁碳纳米管被分别用作填料。银纳米颗粒通过生物合成法制备。使用椴树（Tilia cordata）的叶子进行制备，将干燥的椴树加入去离子水中，然后将椴树提取物在80 °C下加热。椴树提取物经过过滤后，加入银纳米颗粒前驱体（AgNO3）。最后，将银纳米颗粒溶液在4 °C下保存，用于后续表征和聚合物复合材料的制备。

HDTMA‐蛭石由粒径小于40 μm的Palabora蛭石（南非，供应商Grena a.s.，捷克共和国）制备。天然蛭石使用1 M氯化钠水溶液转化为单离子Na‐蛭石，并将混合物在70 °C加热并在该温度下搅拌数小时。Na‐蛭石经过滤后用去离子水多次洗涤，直至用AgNO3检测不到氯离子为止。Na‐蛭石在室温下干燥并研磨。HDTMA‐蛭石通过十六烷基三甲基铵阳离子（HDTMA）的阳离子交换插层制备去离子水进入蛭石层间空间。最终阶段插层的HDTMA量约为天然蛭石阳离子交换容量的50%，该容量通过Cd2+交换法测定为89 cmol(+)/100 g（通过吸收原子光谱法估算）。将溶液再次加热并在70 °C下搅拌数小时。然后过滤HDTMA‐蛭石，在室温下干燥并研磨。随后，将干燥的HDTMA‐蛭石用于聚合物复合材料的制备。

使用商业可得的多壁碳纳米管（CNT）Nanocyl 7000（供应商 比利时Nanocyl SA，比利时）作为第三种填料来制备聚乳酸复合材料。碳纳米管通过在H2O2和HNO3中依次清洗纯化后，用于聚合物基体中。

2.2. 聚合物复合材料的制备

表II中列出的填料（碳纳米管和HDTMA‐蛭石）用量非常少，以确保不会改变聚合物基体的力学性能。填料在玛瑙研钵中均匀混合后，加入稀释的聚乳酸中制备分散性。两种分散液均超声处理40分钟，以实现填料在聚合物中的最佳分布。生物合成法制备的银纳米颗粒以水介质形式存在。将胶体溶液加入二氯甲烷中的液态聚乳酸中。存在一个完全最终溶液的均质化，因为聚乳酸具有部分疏水性，且水溶液中的银纳米颗粒在聚乳酸基体中分散性较差。

均质化后，将样品在60 °C下加热15分钟以蒸发二氯甲烷（沸点为39.6 °C）。蒸发后的样品被倒入培养皿中形成尽可能薄的层，并在室温下放置24小时使其固化。然后将其从培养皿中取出，得到自支撑薄膜。这些样品采用分析方法（傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射分析（XRD）、光学数字显微镜、扫描电子显微镜（SEM））进行表征，并进行了抗菌测试。

根据聚乳酸基体中填料含量，将制备的复合材料标记为PLA +Ag1、PLA + Ag0.5、PLA+ HDTMA0.2、PLA+ HDTMA0.1、PLA+ CNT0.2、PLA + CNT0.1，见表II。

2.3. 表征方法

所有制备的聚合物薄膜均采用红外光谱法（FTIR）进行表征，以确认所得复合材料中各组分之间的相互作用。

样品使用ATR技术，配备金刚石晶体，在Nicolet 6700 FT‐IR（美国赛默飞世尔科技公司）上进行测量。傅里叶变换红外（FTIR）光谱记录范围为400–4000 cm⁻¹，标准光谱分辨率为0.4 cm⁻¹。第二项表征采用X射线粉末衍射（XRD）方法，在Rigaku Ultima IV X射线衍射仪（反射模式，布拉格‐布伦塔诺装置，CuKα1辐射）上进行，测试在常温常压环境下恒定条件（40 kV，40 mA）下完成。表面形貌研究使用基恩士公司VHX‐500光学数码显微镜和飞利浦XL扫描电子显微镜（SEM）。

采用纸片法进行抗菌测试，制备了两种细菌培养物：Enterococcus faecalis, Escherichia coli和一种酵母菌培养物：Candida albicans。将培养物在营养液中培养后置于培养皿上，并将聚合物层加入到培养物溶液中。细菌培养物测试时间为24小时，酵母菌培养物测试时间为48小时，随后评估抑菌圈。

3. 结果与讨论

3.1. 所得结果

为表征纳米复合材料的变化，采用了红外光谱法。对所有样品获得了傅里叶变换红外光谱（FTIR）：（1）聚乳酸在二氯甲烷中溶解后继而蒸发除去二氯甲烷的样品；（2）制备的聚合物复合材料。仅对重新成膜的纯聚乳酸获得了初步结果，证实了该聚合物为聚乳酸，并且在所采用的处理过程中聚合物结构未发生变化。所有鉴定出的吸收峰均对应于根据FTIR光谱数据库，纯聚乳酸的FTIR光谱。仅在聚合物基体中检测到二氯甲烷的痕迹（图3），这对应于739 cm⁻¹处低强度吸收带。这意味着二氯甲烷未通过蒸发完全去除。

傅里叶变换红外光谱表征也用于聚乳酸复合材料。谱图显示（未在此展示），所形成的聚合物复合材料主要相为聚乳酸，其覆盖了基质中极少量填料的谱图，见表II。因此，所用测量方法未能确认这些填料的存在。

X射线衍射表征显示为半结晶聚合物，在17.1° 2θ Cu处有高强度的结晶区域，以及在19.5° 2θ Cu和22.8° 2θ Cu处有两个较弱强度的峰，如图4所示，与纯聚乳酸的文献工作一致。所选样品的XRD图谱与纯聚乳酸相比，纳米复合材料表现出极低的结晶度（图5），这可能是由于共混制备过程和薄膜浇铸所致。

所选的纳米填料对聚乳酸基体具有不同的影响。银纳米颗粒通常既不影响衍射图谱，也不会在图谱中显示为金属峰。对于碳纳米管，可以观察到聚合物基体呈非晶态，但在d = 0.335 nm处的碳峰表现为弥散衍射，较为明显。最显著的变化出现在含有改性蛭石填料的样本中。粘土填料未插层部分的原始衍射峰d = 1.15 nm清晰可见。聚乳酸基体的峰与纯聚乳酸相对应（见图4）。

使用光学显微镜进行形貌表征（图6）证实了填料在聚合物基体中的存在。根据所获得的图像填料在聚合物薄膜的不同深度中排列。复合材料PLA + Ag1和PLA + Ag0.5在浇铸过程中出现气泡，这与亲水性银纳米颗粒（在水介质中）在疏水性聚合物基体中的分散性较差有关。PLA+CNT0.2和PLA +CNT0.1样品中的碳纳米管形成了团簇，因此其分散性未达到最佳。填料在聚合物基体中的最佳分散性出现在PLA+HDTMA0.2 和 PLA+HDTMA0.1 的样品中，我们认为有机物有助于改性蛭石与聚乳酸的相容性。

扫描电镜表征显示了含填料聚乳酸各个样品的表面形貌。对于含有银纳米颗粒的聚乳酸，样品PLA + Ag1和PLA+Ag0.5在形貌上的主要差异是可见的。银含量较高的层（图7(a)）为光滑且具有一定的表面粗糙度，但填料含量较低的层（图7(b)）具有气泡特征。

聚乳酸复合材料中添加碳纳米管的扫描电镜分析（图8）显示表面非常光滑，无任何粗糙和孔隙。

HDTMA改性蛭石/聚乳酸的扫描电镜表征（图9）显示表面层粗糙度较小。对于PLA+ HDTMA0.1（图9(a)），其表面比PLA+ HDTMA0.2更光滑。

抗菌测试用于测定所制备样品的抑菌特性。采用纸片法对两种细菌菌株：粪肠球菌、大肠杆菌和一种酵母菌白色念珠菌进行测试。图10展示了在PLA+ HDTMA0.2上接种酵母菌白色念珠菌的纸片实验结果。基于抑菌圈评价的抗菌测试结果见表III。

聚乳酸 +银1，(b) 聚乳酸+银0.5。)

聚乳酸 +碳纳米管0.2，(b) 聚乳酸+碳纳米管0.1。)

聚乳酸+十六烷基三甲基铵0.2，(b) 聚乳酸 +HDT MA0.1.)

3.2. 讨论

所获得的样品表征结果提供了有关材料形貌与结构、填料在聚合物基体中的均匀性以及抗菌性能的信息。

傅里叶变换红外光谱表征证实了在所有测试样品中聚乳酸作为复合材料主要相的存在。在与后续所有复合材料样品同样处理的纯聚乳酸的FTIR光谱中，检测到了可能残留的二氯甲烷痕迹。这可能意味着在制备过程中二氯甲烷未完全蒸发，其残留可能会产生负面影响。随后的抗菌测试。在所制备复合材料的傅里叶变换红外光谱中，填料的存在不可见，因为它们的特征吸收峰被聚乳酸的吸收峰覆盖。然而，在所有制备的样本中均观察到二氯甲烷在739 cm⁻¹处的吸收带。

X射线衍射分析证明了纯聚乳酸具有部分结晶特性。对于复合材料样品而言，它显示出随着填料用量的增加，结晶特性有所下降。

光学显微镜分析显示，复合材料PLA+ HDTMA和 PLA+ CNT中的填料分布在不同的层中。这对于支架制备而言是有趣的信息，因为可以推测抗菌填料可能会逐渐释放，直到聚乳酸在生物体内的降解发生。对于 PLA+Ag复合材料，在聚合物基体中观察到气泡，表明为进一步研究需要更好的均质化。

扫描电镜表征确认了聚乳酸复合材料的表面形貌信息。对于PLA+ HDTMA和PLA+ CNT复合材料，证实其表面非常光滑。这一特性对抗菌表面非常重要，因为此类表面可防止微生物在表面上粘附，从而抑制生物膜的形成。PLA+ HDTMA复合材料表现出较小的表面粗糙度，在HDTMA含量较高的样品中更为明显。表面粗糙度可能是由于聚合物内部形成了聚集体所致。含有银纳米颗粒的复合材料形成了不均匀的层状结构。

抗菌测试未证明PLA+ CNT和PLA+ Ag复合材料具有抗菌性能。PLA+HDTMA复合材料对酵母菌培养显示出活性抗菌性能。然而，这类复合材料也表现出一定的抑菌活性迹象。制备材料无效的原因之一是填料含量；原因之二是所用测试的持续时间，抗菌测试仅持续24小时。抗菌填料位于聚乳酸基体的内层，因此与细菌菌株接触不充分。随着时间推移表面发生降解后，可能观察到抗菌作用。该假设将进行进一步研究。

4. 结论

本研究制备了添加选定填料的聚乳酸纳米复合材料样品。采用商用多壁碳纳米管和银纳米颗粒制备生物合成及经HDTMA改性的蛭石被用作填料。所得聚合物纳米复合薄膜采用光学显微镜、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射方法进行表征。抗菌测试针对两种细菌菌株粪肠球菌、大肠杆菌以及一种酵母菌培养物白色念珠菌进行。本研究中，含有 HDTMA‐蛭石填料的样品表现出最佳的抗菌性能。

表III. 抑菌圈大小的评估。
样本
原始聚乳酸
聚乳酸+十六烷基三甲基铵0.1
聚乳酸+十六烷基三甲基铵0.2
聚乳酸+银1
聚乳酸+银0.5
聚乳酸+碳纳米管0.2
聚乳酸+碳纳米管0.1