丝素纤维基聚氨酯粘附涂层改...人工韧带制备及性能测试分析_蒋誉.pdf

发明创新试验2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.032Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-10-10;修回日期:2023-02-10作者简介:蒋誉(1981-)，女，讲师，研究方向:体育教育与运动训练;E-mail:zhangziqiang788126 com。引文格式:蒋誉 丝素纤维基聚氨酯粘附涂层改性人工韧带制备及性能测试分析 J 粘接，2023，50(2):134-138丝素纤维基聚氨酯粘附涂层改性人工韧带制备及性能测试分析蒋誉(长安大学，陕西 西安710064)摘要:针对传统人工韧带力学性能不足，降解速率快和生物相容性差的问题，提出聚氨酯 纳米羟基磷灰石对丝素纤维基人工韧带进行涂层改性，并对涂层前后人工韧带性能进行研究。结果表明:经过涂层改性后的丝素纤维基人工韧带羽毛服帖，没有孔洞出现，断裂强度为 63 54 MPa，杨氏模量约为 127 4 MPa，弹性回复率为 77 55%，在酶环境下，可维持较为稳定和缓慢的降解速率，具备较好的生物相容性。能有效减少人工韧带与键骨的摩擦，可以为膝关节的日常活动提供力学支撑和帮助维持膝关节的稳定性。关键词:人工韧带;丝素蛋白;聚氨酯;羟基磷灰石中图分类号:TQ342+74文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0134-05Preparation and performance test of silk fibroinpolyurethane coating modified artificial ligamentJIANG Yu(Changan University，Xian，710064)Abstract:Aiming at the problems of insufficient mechanical properties，rapid degradation rate and poor biocompati-bility of traditional artificial ligament，polyurethane nano hydroxyapatite was proposed to modify silk fibroin basedartificial ligament The properties of artificial ligament before and after coating were systematically studied The re-sults show that the silk fibroin fiber-based artificial ligament after coating modification has no holes，the breakingstrength is 63 54mpa，the youngs modulus is about 127 4mpa，and the elastic recovery rate is 77 55%It canmaintain a relatively stable and slow degradation rate and has good biocompatibility in the enzyme environment Itcan effectively reduce the friction between artificial ligament and key bone，provide mechanical support for daily ac-tivities of knee joint and help maintain the stability of knee jointKey words:Artificial ligament;Silk fibroin;Polyurethane;hydroxyapatite韧带损伤是体育运动中较常见的情况。特别是篮球、足球等具有冲撞性的体育运动，稍不注意，就可能导致韧带的挫伤、撕裂或断裂，若不及时处理，就可能引发相关的骨关节炎症，进而对运动员造成不可挽回的伤害。但受韧带特殊生理结构的影响，韧带受损后，自愈能力较低，因此在临床治疗的过程中，通常使用移植人工韧带，帮助韧带重建的方法。但传统人工韧带受其材料的影响，存在力学性能不足，降解速率较快，生物相容性较差的问题，使得人工韧带的使用存在很多的局域性。为解决目前人工韧带存在的问题，有学者研究了以纳米材料为修饰材料制备人工韧带的实用性，结果表明，纳米材料修431发明创新试验饰后，人工韧带的粘附环境增加，促进细胞增殖，提供相对理想的力学强度1;但大部分纳米材料皆不具备可降解性，对韧带恢复造成一些影响。还有以丝素纤维为原材料，制作了可降解的仿生结构的人工韧带，并用对材料表面进行低温氧等离子体处理，增加了丝素纤维基人工韧带的细胞相容性2;但丝素纤维基人工韧带的力学性能无法满足膝关节的日常所需，因此需要进一步对丝素纤维基人工韧带进行改性。基于此，本文文献2 的研究基础上，以聚氨酯 纳米羟基磷灰石为修饰材料，增强其力学性能，寻找一种适用于临床的人工韧带材料。1材料与方法1 1材料与设备主要材料:柞蚕丝(复丝)，永发茧产品;碳酸钠(AR)，恒业化工产品;纳米羟基磷灰石(粒径 60 80 nm)，星新型碳材料;二甲基甲酰胺(DMF，AR)，辉安化工;聚氨酯(PU，CP)，广源新材料科技。主要设备:24 锭高速编织机(GBG)，鸿源机械;HRD 818 全自动绕纱机，南海荣钜机械;AS 24常温振荡染色机，元茂仪器;AJL 1004 超声波清洗机，爱洁乐超声波自动化设备;78 1 恒温磁力搅拌器，科瑞永兴化玻仪器;CT C 电热鼓风干燥箱，裕昌干燥工程;SQ HZT 1003 电子天平，顺强机电设备;ZX500TR 体式显微镜，众寻光学仪器;YG004D 医用纺织品多功能强力仪，中纤检测仪器设备;FD 1A 50 冷冻干燥机，争巧科学仪器。1 2试验方法1 2 1丝素纤维基人工韧带的成型本文制备的丝素纤维基人工韧带主要从仿生学角度考虑，以 ACL 结构为参照对人工韧带进行设计。胶原纤维取向排列和 ACL 双束结构分别通过编织结构和 2 条内芯与一层外壳结构进行模拟;具体编织过程:(1)用 HRD 818 型全自动绕纱机在用于编织机锭子上卷绕柞蚕丝，共 24 个;(2)将卷绕了柞蚕丝的锭子依次安装在 GBG型高速编织机上，编织 2 条“内芯”;(3)将制作的 2 条内芯并列，置于编织机中央当芯纱，继续编织“外壳”，得到编织人工韧带，具体流程如图 1 所示。图 1人工韧带编织流程图Fig 1Flow chart of artificial ligament weaving1 2 2人工韧带的脱胶处理(1)将制作的人工韧带放入装有浓度为 5%的Na2CO3溶液的锥形瓶中，确保人工韧带完全浸没在溶液中。将锥形瓶放入 AS 24 型常温振荡染色机中进行振荡脱胶处理，振荡速率，脱胶温度和时间分别为 60 r/min、95 和 30 min;(2)取出锥形瓶置于 AJL 1004 型超声波清洗机内进行 超 声 清 洗，清 洗 时 间 为 10 min，倒 掉Na2CO3溶液，在去离子水中超声清洗 20 min，取出人工韧带进行搓洗，置于常温条件下晾干。1 2 3聚氨酯-纳米羟基磷灰石复合涂层的制备(1)在 DMF 中以质量分数10%溶入聚氨酯颗粒，置于78 1 型恒温磁力搅拌器上匀速搅拌，直至聚氨酯颗粒在溶液内分布均匀，搅拌速率为250 r/min;(2)将少量 DMF 与纳米羟基磷灰石混合，置于AJL 1004 型超声波清洗机中进行超声分散，分散时间为15 min，得到均匀的纳米羟基磷灰石分散液;(3)用注射器将纳米羟基磷灰石分散液缓慢滴加至聚氨酯溶液中，并在 78 1 型恒温磁力搅拌器的作用下使之分散均匀，滴加速度和搅拌速度分别为 0 1 mL/s 和 250 r/min，得到质量分数为 15%的聚氨酯-纳米羟基磷灰石分散液(N-Hap/PU);(4)将直径为 1 2 mm 的不锈钢芯棒衬入人工韧带内，确保在涂层过程中其形状不发生改变。在人工韧带上用毛刷均匀涂覆聚氨酯-纳米羟基磷灰石分散液，置于 CT C 型电热鼓风干燥箱中烘干，烘干温度和时间分别为 40 和 2 h;(5)用 SQ HZT 1003 型电子天平对烘干后人工韧带进行称重，记录涂层前后人工韧带质量变化，重复上述涂层烘干过程 3 次，得到聚氨酯-纳米羟基磷灰石涂层人工韧带(N-Hap/PU+SF)。具体制备流程如图 2 所示。图 2聚氨酯 纳米羟基磷灰石涂层制备流程图Fig 2Preparation flow chart of polyurethanenano hydroxyapatite coating1 3性能测试1 3 1表面观察用 ZX500TR 型体式显微镜观察拍摄 0 3 次，531发明创新试验观察 N-Hap/PU 涂层人工韧带表面差异，显微镜放大倍数为 20。1 3 2力学性能(1)断裂拉伸性能:用多功能强力仪对测试人工韧带样品的断裂拉伸性，测试参数结果如表1 所示。表 1强力仪测试参数Tab 1Test parameters of strength tester传感量程N起拉力值N预加张力N初始隔距mm拉伸速度mmmin12 5001120100断裂强度表达式3:=FS(1)式中:为断裂强度;F 为断裂强力;S 为样品横截面积。杨氏模量表达式4:E=(2)式中:E 为杨氏模量;为应变。(2)弹性回复性能测试:用 YG004D 型医用纺织品多功能强力仪对长度为5 cm 样品弹性回复率进行测定;按表1 参数对样品进行预处理，然后进行极限载荷下单次急弹性回复测试，测试条件如表2 所示。表 2单次急弹性回复测试条件Tab 2Single rapid elastic recovery test conditions极限荷载N极限应力MPa加载速度mmmin1停留时间s40050 81001弹性回复率表达式5:ER=L LL(3)式中:ER 为弹性回复率;L 为总伸长;L为残余伸长。1 3 3细胞相容性以 SF 织物(空白对照)、PU 涂层和 N Hap/PU涂层人工韧带进行试验。样品表面细胞活性和增殖用 CKK 8 试剂盒评价，细胞数量表征是通过吸光度值对产物颜色的深浅进行量化。细胞银光染色后，用显微镜观察细胞形态，评价细胞在材料表面粘附生长情况。1 3 4降解性能将样品置于降解液(此处为规定的无菌酶溶液)中进行降解试验，每隔3 d 更换一次降解液 6。设置取样点为 0、14、28、56 和 84 d，去离子水冲洗3 次样品，吸干表面水分置于密封袋内，置于 20 冷冻24 h;然后冷冻干燥24 h。(1)质量损失率:用 SQ HZT 1003 型电子天平称量样品初始质量，然后对样品进行降解处理，在取样点取出样品后，置于恒温恒湿环境24 h，称取样品降解后质量。质量损失率表示式7:质量损失率=w0 w1w0100%(4)式中:w0为初始质量;w1为降解后质量。(2)降解液 pH 值变化:用笔式 pH 计对每个取样点降解液 pH 值变化进行测定和记录。2结果与讨论2 1涂层后人工韧带材料的表面形态在人工韧带的使用过程中，需要对人工韧带进行完整涂层，隔绝组织液与蚕丝，避免蚕丝快速降解。图 3 为在人工韧带上涂覆聚氨酯 纳米羟基磷灰石分散液 0 3 次的体视显微镜照片。图 3人工韧带显微镜照片Fig 3Micrograph of artificial ligament从图 3 可以看出，未经过涂层的人工韧带，表面有较多的毛羽，这是蚕丝在编织过程中产生的。毛羽会增加人工韧带与骨隧道的摩擦，对腱骨愈合产生一些不良的影响，经过一次涂层后，人工韧带表面有聚氨酯附着，但整体涂层并不完整，孔洞和毛羽皆较为明显。第2 次涂层后，涂层完整度有所提升，但孔洞还是存在。3 次涂层后，涂层较为完整，几乎没有孔洞出现，且毛羽较为服帖，满足人工韧带使用要求。2 2力学性能理想的人工韧带应与天然 ACL 生物力学性能相似，应在最小形变的条件下，产生较高的拉伸载荷。图4 为人的 ACL 在拉伸载荷下的强力 伸长曲线。图 4ACL 在拉伸载荷下的强力 伸长曲线Fig 4Strength elongation curve of ACL under tensile load从图4 可以看出，ACL 曲线主要分为脚趾区、线性区和屈服区。脚趾区为较低应力条件下，韧带内卷曲胶原蛋白纤维伸直。当胶原蛋白纤维完全伸直，继续增加应力，韧带开始进入线性区域，此时胶原蛋白631发明创新试验发生滑移，单位应变内应力增加，进而增加了曲线斜率。应力继续增加，在此应力作用下，胶原蛋白纤维逐渐破裂，此时应力降低，曲线斜率下降，韧带也进入屈服区，直至全部胶原蛋白都发生断裂。相关参考文献表明，人的 ACL 极限拉力为600 2 300 N 8。2 2 1拉伸断裂性能图 5 为人工韧带断裂强力 伸长曲线。图 5人工韧带拉伸断裂强力 伸长曲线Fig 5Tensile breaking strength elongation curveof artificial ligament从图 5 可以看出，人工韧带涂层前后均与人的ACL 的三相曲线类似。涂层后人工韧带断裂强力有所上升，且应变减小，这就证明经过涂层后，人工韧带材料的力学性能有所上升，且在较小变形条件下，承担更大的应力。这是因为编织人工韧带时，内部纱线交错排列，在轴向压力的作用下，编织角度缩小，用更多的纱线承担轴向压力，此时人工韧带整体伸长，由较大应变产生。经过涂层处理后，涂层完全包裹纱线，且纱线间孔隙被涂层填满，受轴向压力时，纱线间几乎不产生相对滑移，减小了应变作用。引入涂层材料对整体强力的提升产生积极的作用，增加了人工韧带的整体断裂强度。经过涂层后的人工韧带的断裂强度约为 63 54 MPa，杨氏模量约为127 4 MPa，明显高于人的 ACL，这就说明经过涂层后的人工韧带可为膝关节日常活动提供力学支撑;同时可在单位应变内提供较大应力，在较小形变的条件下，提供较高的机械强力9。2 2 2弹性回复性能图 6 为涂层后人工韧带的单次加载 卸载循环曲线。图 6涂层后人工韧带的单次加载 卸载循环曲线Fig 6Single loading unloading cycle curve of coatedposterior artificial ligament从图 6 可以看出，涂层后人工韧带弹性回复率为 77 55%。回缩变形能力明显优于传统人工韧带，使其在植入人体后，遇较大外力使得膝关节弯曲。让韧带伸长，能够随膝关节伸直回复到原来的长度，进而维持了膝关节的稳定性。2 3生物细胞相容性图 7 为不同样品的 CCK 8 测试结果。图 7不同样品的 CCK 8 测试结果Fig 7CCK 8 test results of different samples从图 7 可以看出，同一培养时间条件下，各试件显著性差异不大。在培养初期，仅用 PU 涂层的人工韧带表面细胞数量相对较多，这是因为 PU 涂层表面较为光滑平整，对细胞粘附铺展产生积极的作用。在 4、7 d，N-Hap/PU 涂层细胞相容性更佳，这可能是因为释放出部分 N-Hap 粒子，促进了细胞的粘附和增殖。图 8 为材料表面粘附细胞的荧光染色照片。图 8样品表面粘附细胞的荧光染色照片Fig 8Fluorescent staining photos of adherent cellson the sample surface从图 8 可以看出，培养 7 d 后，2 种材料表面细胞皆相对较多;但 N-Hap/PU 复合涂层人工韧带表面的细胞数量和亮度皆高于 PU 涂层人工韧带，这就证明经过 N-Hap/PU 复合涂层后，细胞生长情况更好，活性更好。同时形状也慢慢由椭圆形转变成连接较为紧密的梭形，这就证明 N-Hap 对细胞在材料表面的增殖和粘附起积极作用。2 4体外降解性能2 4 1质量损失率图 9 为降解试验中质量损失率曲线。图 9质量损失率变化曲线Fig 9Variation curve of mass loss rate731发明创新试验从图 9 可以看出，在试验开始 7 d，样品有质量损失;在 14 42 d，变化趋势为先大幅度上升，然后慢慢的趋于平衡;这可能是因为 N-Hap 降解导致的。在降解早期，仅有少数 N-Hap 暴露在样品表面，随降解过程的进行，部分聚氨酯也随之降解，使得更多 N-Hap 颗粒剥落，促使样品质量降解率大幅度上升;在降解中后期，N-Hap 颗粒几乎完全剥落，聚氨酯降解较慢，此时，质量损失率曲线逐渐趋于平衡。当降解时间达到84 d 后，质量损失率为 8 2%。相关研究表明，在同等条件下，SF 人工韧带 70 d 质量损失率为 18 6%10。这证实涂层的存在可调控人工韧带的降解周期。2 4 2降解液酸碱度变化图 10 为降解率 pH 值变化曲线。图 10降解液 pH 值变化Fig 10pH change of degradation solution从图 10 可以看出，降解 14 d 前，pH 值明显下降，这是因为聚氨酯和丝素纤维降解过程中，产生了酸性产物氨基酸和小分子聚酯，使得降解液 pH 值有所下降;14 d 后，降解液 pH 值有所上升，这是碱性 N-Hap 颗粒引起的;42 d 后，整体 pH 值基本维持在 7 0，这是因为此时人工韧带降解趋于平衡，酸性产物和碱性产物互相缓冲，让整体环境趋于中性16-20。这就证明本文制备的人工韧带在酶环境下，也能维持较为稳定和缓慢的降解速率。3结语本文以丝素纤维为原材料，以 ACL 结构为参照，以聚氨酯 纳米羟基磷灰石为增强材料制备了仿生型人工韧带，并对人工韧带性能进行了系统的研究。(1)经过N-Hap/PU3 次涂层后，丝素纤维基人工韧带涂层完整，羽毛服帖，没有孔洞出现，能有效减少人工韧带与键骨的摩擦，满足人工韧带使用要求;(2)经过涂层后，人工韧带弹性回复率高达7755%，断裂强度为 63 54 MPa，杨氏 模 量 约 为1274 MPa，明显高于人的 ACL，具备较优的力学性能和回缩变形能力，能为膝关节提供力学支撑和稳定性;(3)涂层后人工韧带进入体内后，释放出部分N-Hap粒子，促进了细胞的粘附和增殖，细胞形状也转变成连接较为紧密的梭形，具备较好的生物相容性;(4)涂层可调控人工韧带的降解周期。涂层后人工韧带降解 84 d 后，质量损失率仅为 8 2%。42 d后，人工韧带降解趋于平衡，降解液 pH 值趋于中性，证明在酶环境下，人工韧带可维持较为稳定和缓慢的降解速率。【参考文献】1 严浩，齐志明 纳米材料人工韧带骨连接及在抗粘连领域的研究与应用J 中国组织工程研究，2021，25(16):2605-2611 2 王一婷，刘明洁，王璐，等 丝素纤维人工韧带材料的表面改性及细胞相容性J 生物医学工程学进展，2020，41(3):125-129 3 黄云帆，林婧，谢晓静，等 全可吸收人工韧带的制备与功能性评价J 东华大学学报(自然科学版)，2020，46(6):881-888 4 吴佳蔚，刘明洁，王璐，等 编织型丝素纤维人工韧带及其体外降解性能研究J 生物医学工程学进展，2020，41(1):5-9 5 卢俊，王富军，劳继红，等 复合载荷下不同结构编织人工韧带的有限元分析 J 纺织学报，2021，42(8):84-89 6 杨继祥，刘庆鹏，高勇，等 蚕丝韧带复合骨髓干细胞重建兔前交叉韧带J 中国矫形外科杂志，2020，28(20):1883-1887 7 刘明洁，林婧，关国平，等 典型纺织基人工韧带及其移出物结构与力学性能 J 纺织学报，2020，41(11):66-72 8 王望任，黄凌岸，石俊俊，等 内侧髌股韧带重建术的研究进展 J 海南医学院学报，2020，26(5):392-395 9 姜顺 运动康复复合材料制备及性能研究 J 合成材料老化与应用，2021，50(3):90-93 10 史丰田，张梅，王世红，等 仿生结构人工韧带的制造方法综述 J 中国医药科学，2020，10(24):54-57 11 陈慧敏 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