壳聚糖涂层对PLA埋植材料性能的影响

危惠敏 付少举 张佩华

东华大学 纺织学院(中国)

壳聚糖涂层对PLA埋植材料性能的影响

危惠敏 付少举 张佩华

东华大学 纺织学院(中国)

针灸治疗时，可将埋植材料植入一定穴位，利用其对穴位产生的持续性刺激而达到治疗效果。埋植材料应具有良好的生物相容性、可降解性和适当的硬度。以聚乳酸(PLA)单丝埋植材料为研究对象，采用壳聚糖表面涂层，探讨了不同涂层总时间、涂层剂质量分数及涂层次数对PLA单丝的质量、直径、初始模量、断裂强力及亲水角的影响。试验结果表明：当涂层总时间、涂层剂质量分数及涂层次数分别为70 min、 3.0%及6次时，PLA单丝的质量及直径增大最为明显，初始模量及断裂强力也显著提高，亲水角明显减小。

埋植材料； 聚乳酸； 壳聚糖； 涂层； 性能

传统的针灸疗法是指通过针或灸，应用一定手法刺激体表腧穴或经络，调动机体本身固有的调节功能，达到防治疾病的目的[1]，但其间歇性的刺激模式及患者对针具的恐惧性大大限制了针灸的发展，20世纪60年代兴起的穴位埋线疗法则为针灸医学治疗模式的一次重大改进[2]。穴位埋线是通过植入线体对穴位产生的持续性刺激而达到治疗效果的[3]，该方法操作简单，副作用小，每次治疗间隔时间长，患者无需频繁往来于医院，已广泛应用于治疗肥胖、痛经及失眠等疾病[4]。理想的埋植材料需具有以下性能：无毒性；不发生过敏反应和不良的免疫反应；不损伤机体，可生物降解及组织相容性好；合适的力学性能及易加工成型性；价廉易得等[5]。目前的埋植材料主要是可吸收缝合线。

可吸收缝合线包括天然材料，如羊肠线、胶原蛋白和壳聚糖等，以及合成可吸收材料，如聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚对二氧环己酯(PDS)及聚己内酯(PCL)等[6]23。PLA因其无毒性、良好的细胞相容性和可降解性成为经美国食品及药物管理局(FDA)批准的生物材料[7]，广泛应用于外科手术缝合线、眼科手术材料、组织修补等领域。壳聚糖由于其来源广泛，以及优良的成膜性、吸附性、可降解性和独特的表面多孔结构，近年来也广泛应用于组织工程材料和药物缓释载体等[8-11]。

PLA埋植材料柔软性好，抗张强度高，生物相容性较好，对人体无毒，也不会在体内聚集，疏水性强，但亲水性不够理想，且降解产物偏酸性[6]24-25。国内外研发人员主要在引入第二单体制备PLA共聚物，赋予PLA新的性能，或通过后处理工艺和涂层改进PLA性能等方面进行了研究，以改善PLA的降解性能。美国专利报道了利用PLA与PCL共聚物制备医用缝合线[12]，发现PLA与PCL共聚后，缝合线的亲/疏水性和结晶性都得到改善，而且柔顺性有所提高。

本文选用PLA单丝作为埋植材料，为了进一步改善其亲水性，同时增加PLA单丝植入穴位后的刺激作用，采用壳聚糖对PLA单丝进行涂层改性，探讨不同涂层总时间、次数及质量分数下，PLA单丝质量、直径、初始模量、断裂强力及亲水角的变化。

1 试验

1.1 材料

PLA单丝由东华大学纤维材料改性国家重点试验室提供，其线密度为22.69 tex，熔点为166.84 ℃。

1.2 涂层工艺与试验方法

1.2.1 涂层剂

涂层剂为壳聚糖溶液，由一定质量的壳聚糖(脱乙酰度约为93.1%)溶解于质量分数为3%的乙酸溶液后制得。

1.2.2 涂层加工工序

涂层剂的制备→材料用无水乙醇洗净、干燥→涂层→多余涂层剂去除→烘干(70 ℃)→重复涂层、多余涂层剂去除及烘干工序多次→冷冻、干燥。

1.2.3 试验方法

采用浸渍涂层法，在不同的涂层总时间(材料在壳聚糖溶液中浸渍的总时间)、质量分数及涂层次数下进行试验。每次涂层后采用DHG-9055A型电热鼓风恒温干燥箱，在70 ℃的温度下烘干10 min后进行再一次涂层。

1.2.3.1 方案一

确定壳聚糖质量分数为3.0%、涂层次数为5次条件下，涂层总时间分别为30、 50、 70、 90及110 min。

1.2.3.2 方案二

确定涂层总时间为90 min、涂层次数为5次条件下，涂层剂质量分数分别为1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%及3.5%。

1.2.3.3 方案三

确定壳聚糖质量分数为3.0%、涂层总时间为90 min条件下，涂层次数分别为3、 6、 9、 12及15次。

1.3 测试指标与测试方法

1.3.1 质量增加率

试样在-50 ℃真空条件下冷冻干燥至质量恒定。在温度为20 ℃、相对湿度为65%条件下，采用电子天平(BS124S型，德国，精度为0.000 1 g)测试其初始质量(m0)，试样经过不同程度的涂层及真空干燥后测试其涂层后质量(m1)，根据式(1)计算试样的质量增加率。

(1)

1.3.2 直径

采用电子显微镜(NikonE200型)观察单丝的表面形态，利用Image-J软件测试单丝涂层前后的直径，取15次测试的平均值。

1.3.3 断裂强力和初始模量

采用电子单纱强力仪(YG061型，山东莱州电子仪器公司)，在20 ℃、相对湿度65%的标准试验条件下测试单根试样的初始模量和断裂强力。参数设置：预加张力为(0.50±0.05)cN/tex，夹持隔距为250mm，拉伸速度为250mm/min，每个样品测试10次，取10次的平均值为试样最终的断裂强力和初始模量。

1.3.4 亲水角

使用接触角测量仪(OCA15EC型，德国Dataphysics公司)，利用气泡捕捉法，得到水滴在试样表面的外形图像，测试不同涂层工艺下单丝的水接触角，取5次测试的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 PLA单丝的基本性能参数

试验用PLA单丝的基本性能参数如表1所示。

表1 PLA单丝的基本性能参数

2.2 单因子涂层工艺与PLA单丝性能的关系

2.2.1 涂层总时间与PLA单丝性能的关系

采用方案一对PLA单丝进行涂层，测试不同涂层总时间下PLA单丝的质量增加率、直径、初始模量、断裂强力及亲水角，结果如图1、图2和表2所示。

图1 PLA单丝质量增加率、直径与涂层总时间的关系

图2 PLA单丝初始模量、断裂强力与涂层总时间的关系

涂层总时间/min030507090110亲水角/(°)68.2561.0661.0562.2562.4563.10亲水角CV值/%1.410.91.60.632.302.35

涂层前后PLA单丝质量与直径的变化均可表征单丝的涂覆量，质量和直径增大越多，表明涂覆量越大，涂覆效果越好。由图1可知，随着涂层总时间的增大，PLA单丝的质量增加率及直径变化基本相似，呈先增大后减小趋势，且在涂层总时间为 70 min 时均达到最大值。此外，PLA单丝在涂层总时间大于 70 min 后，质量增加率相近，均为19.00%左右，这是由于PLA单丝为表面光滑的单丝，未经刻蚀等处理，所以质量增加率最大只能为涂层总时间为70 min时的20.20%，直径也仅从初始值变化至涂层总时间为70 min 时测得的最大值——165.10 μm。

图2给出了涂层后PLA单丝初始模量及断裂强力的变化。PLA单丝的初始模量可表征其硬度，初始模量越大，PLA单丝越硬。由图2可知，随着涂层总时间的增大，PLA单丝初始模量呈不断增大的趋势，断裂强力则先增大后减小，且在涂层总时间为70 min 时达最大值。相比未经处理的PLA单丝，经20 min 涂层后，PLA单丝的初始模量及断裂强力增大较为明显，材料明显变硬，但随着涂层总时间的进一步增大，其变化幅度逐渐减缓，尤其是涂层总时间达70 min之后，初始模量从1.97 cN/tex 增大至最大值2.13 cN/tex，而断裂强力仅从410 cN 减小为400 cN。

亲水角可用来表征材料的亲水性，亲水角越小，材料的亲水性越好。由表2可知，涂层后PLA单丝的亲水角明显减小，即亲水性都有所改善。而涂层总时间不同，涂层后PLA单丝的亲水角都约为62°，表明涂层总时间对PLA单丝亲水性的改善作用相似，即PLA单丝亲水性的改善受涂层总时间的影响较小。

由于是在光滑的PLA单丝表面直接进行涂层的，经不同时间涂层后，PLA单丝的涂覆量、硬度及亲水性虽然有所增大，但效果均不明显。为使PLA单丝在植入时能产生更好的刺激效果和膨胀效果，PLA单丝的亲水性、硬度及涂覆量增大的幅度越大越好，但PLA单丝在呈酸性的壳聚糖溶液中涂层总时间过长将影响其力学性能，且烘干时间过长也将导致材料收缩，因此，综合考虑优选涂层总时间为70 min。

2.2.2 涂层剂质量分数与PLA单丝性能的关系

采用方案二对PLA单丝进行涂层，测试不同涂层剂质量分数下PLA单丝的质量增加率、直径、初始模量、断裂强力及亲水角，结果如图3、图4和表3 所示。

图3 PLA单丝质量增加率、直径与涂层剂质量分数的关系

图4 PLA单丝初始模量、断裂强力与涂层剂质量分数的关系

表3 不同涂层剂质量分数下PLA单丝的亲水角

由图3可知，PLA单丝的质量增加率和直径在涂层剂质量分数为3.0%时均达到最大值，两者的变化规律基本相同。质量增加率在涂层剂质量分数小于2.5%前的变化并不明显，但在3.0%时明显增大。同样，PLA单丝的直径在涂层剂质量分数由2.0%增大至3.0%时显著增大。当涂层剂质量分数进一步增加至3.5%时，PLA单丝的质量增加率、直径都与涂层剂质量分数为2.5%时基本相同。

由图4可知，当涂层剂质量分数为3.0%时，PLA单丝的初始模量和断裂强力均达到最大值。在涂层剂质量分数大于2.5%后，PLA单丝的初始模量仅从1.83 cN/tex增加至最大值1.86 cN/tex，变化趋缓。由不同涂层剂质量分数与不同涂层总时间下PLA单丝初始模量的变化趋势，以及分别获得的最大初始模量1.86 cN/tex(图4)和2.13 cN/tex(图2)可知，改变涂层剂质量分数后PLA单丝初始模量的增大幅度不及改变涂层总时间的增大幅度。断裂强力曲线表明，采用不同涂层剂质量分数时，PLA单丝断裂强力的变化都比较小，表明涂层剂质量分数对PLA单丝断裂强力的影响较小。

由表3可知，涂层剂质量分数为3.0%时，PLA单丝的亲水角最小，亲水性最好，且涂层剂质量分数大于2.0%后，PLA单丝的亲水角都为59°左右，表明涂层剂质量分数大于2.0%后，其对PLA单丝亲水性的影响相近。相比表2中不同涂层总时间下PLA单丝的亲水角可知，不同质量分数的涂层剂涂层后PLA单丝的亲水角明显更小，表明改变涂层剂质量分数能使PLA单丝获得更优异的亲水性。

综上分析，PLA单丝的涂层剂质量分数选择3.0%时，可使PLA单丝的各项性能较优。

2.2.3 涂层次数与PLA单丝性能的关系

采用方案三对PLA单丝进行涂层，测试不同涂层次数时PLA单丝的质量增加率、直径、初始模量、断裂强力、亲水角及其CV值，结果如表4所示。

表4 不同涂层次数时PLA单丝的性能

由表4可知，涂层次数为6次时，PLA单丝的质量增加率、直径达最大值，两者的变化趋势也基本相同。随着涂层次数的继续增加，其增大趋势也趋于平缓。涂层后PLA单丝的初始模量先增大后减小，在涂层次数为6次时达最大值，此时PLA单丝的硬度最大；在涂层次数为15次时，初始模量最小，原因在于涂层次数过多时，原先涂覆在PLA单丝表面的壳聚糖发生脱落，导致最终烘干后附着在单丝表面的壳聚糖较少。

PLA单丝断裂强力随涂层次数的增加先增大后减小，在涂层次数为9次时达最大值(383.4 cN)，相比不同涂层总时间下，PLA单丝断裂强力变化及获得的最大值410.0 cN，可知涂层次数对PLA单丝断裂强力的影响弱于涂层总时间的影响。

就亲水性而言，经不同次数涂层后，PLA单丝的亲水角都减小，亲水性得到较好的改善，但亲水角接近，基本在61.00°左右，说明涂层次数对PLA单丝亲水性的影响较小。此外，与不同涂层总时间(表2)和涂层剂质量分数大于2.0%下PLA单丝的亲水角比较可知，PLA单丝经不同质量分数的涂层剂涂层后，所得亲水角整体更小，因此亲水性改善效果更佳。但涂层次数多，增加了PLA单丝每次涂层结束后烘干的次数，将对PLA单丝的力学性能及其热收缩性产生不良影响，故综合考虑PLA单丝各项性能的变化，适宜选择涂层次数为6次。

2.2.4 单因子优选涂层工艺下PLA单丝的性能

利用上述单因子试验优选的涂层参数(涂层总时间70 min，涂层剂质量分数3.0%，涂层次数6次)涂层加工后，所得PLA单丝的性能参数如表5所示。可见，涂层后PLA单丝的直径增大，硬度及亲水性都有所改善。

表5 涂层后PLA单丝的性能参数

3 结论

——通过对涂层工艺与PLA单丝性能的关系进行分析，可知较优的涂层工艺为涂层总时间70 min，涂层剂质量分数3.0%，涂层次数6次。

——选用单因子优选的工艺参数涂层后，PLA单丝获得了较好的涂覆量，且其硬度增加，亲水性改善。涂层后PLA单丝亲水性的改善，有助于提高其作为埋植材料植入后产生吸水自膨胀效应，可提升刺激效果，且硬度的增大，也有利于增大埋植材料所产生的刺激，提升治疗效果。

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Effect of chitosan coating on the properties of PLA thread-embedding materials

WeiHuimin，FuShaoju，ZhangPeihua

CollegeofTextiles，DonghuaUniversity，Shanghai/China

In the acupuncture therapy， thread-embedding materials were buried into acupuncture points to produce a long-time stimulation which could achieve treatment effects. Thread-embedding materials should have excellent properties of good biocompatibility， biodegradability and moderate rigidity. Polylactic acid(PLA) thread-embedding materials were taken as the research subject and coated by chitosan. The influence of different coating time， coating agent mass concentration and coating times on the mass， diameter， initial modulus， breaking strength and contact angle of the thread-embedding materials were discussed. The experiment results showed that while the coating time， coating agent mass concentration and coating times were chosen 70 min， 3.0% and 6 times respectively， the increas of mass and diameter of PLA monofilament were the most obvious， initial modulus and breaking strength raised significantly， and contact angle reduced remarkably.

thread-embedding material； polylactic acid； chitosan； coating； property

张佩华 phzh@dhu.edu.cn