完全生物可降解plga纤维增强聚酯复合材料及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明属于高分子材料【技术领域】，具体为一种完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料及其制备方法和应用。首先，采用等离子体处理法对纤维表面进行改性处理；然后，采用溶液共混法将聚合物基体与纤维混合均匀。以聚乳酸-三亚甲基碳酸酯（PLLA-TMC）为例，其拉伸强度为5.2~30.5MPa。经过PLGA纤维增强后的复合材料拉伸强度最高可达46.5MPa，力学性能得到了大幅提升，有效地克服了PLLA-TMC拉伸强度不足的缺点。本发明制备的复合材料具有良好的力学强度，良好的生物相容性以及可控的降解速度，特别适合于制备完全生物可降解血管支架。
【专利说明】完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于高分子材料【技术领域】，具体涉及一种完全生物可降解纤维与聚酯进行复合增强的方法及其应用。
【背景技术】
[0002]聚左旋乳酸(PLLA)是一种具有优良生物相容性的可降解聚酯。但PLLA在常温下韧性较差，延伸率约为10%。同时，PLLA的高结晶度已被临床证实会引起后期炎症反应。因此，作为血管支架材料使用时，降低PLLA的结晶度，并增加其韧性，是十分必要的。
[0003]常见的用于PLLA共聚改性的单体有TMC，GA，CL等。通过添加不同的共聚单体可以改善PLLA韧性差、降解速度慢、亲水性差等缺点。近年来，随着对TMC研究的深入，越来越多的研究者关注PTMC与PLLA的共聚物。有文献报道了对PLLA进行共聚改性以适用于制作血管支架的方法。通 过TMC单体与LLA单体的共聚，可以获得延伸率提高的PLLA-TMC共聚物(Polym.Eng.Sc1.52 (2012)，741 )，且不再存在相分离的问题。同时，PLLA的酸性降解产物会带来后期炎症反应。而降解产物为中性的TMC单元的加入，可以一定程度降低共聚物降解产物的酸性，有利于进一步提高材料的生物相容性。但是，该共聚物依然存在上述共混方法中高拉伸强度与低结晶度不可兼得的问题。所以需要对共聚物进行力学增强来增加其拉伸强度。
[0004]采用纤维对基体进行力学增强是一种较常见的方式。比如用碳纤维增强含硅羟基磷灰石骨水泥生物材料(CN 101491698A;CN 1850300A)。对于用作血管支架材料的PLLA-TMC共聚物来说，除了需要纤维来增强其力学强度外，为了保证支架在人体内的适用性，增强纤维也必须是完全生物可降解并且生物相容的。同时，为了保证溶液或者熔体加工的可行性，所选择的纤维与基体材料需要具有溶液选择性，比如，PLLA-TMC的常用溶剂为二氯甲烷或者三氯甲烷，增强纤维则应优选自不溶于上述溶剂的纤维；或者，增强纤维具有高于基体树脂加工温度至少30°C的熔点，以保证采用熔体加工时纤维不会熔融。
[0005]其次，PLLA-TMC具有较慢的降解速率，不能完全满足对于血管支架材料的降解速率的要求(Macromo1.Mater.Eng.297 (2012)，128)。
[0006]未经任何处理的PLGA单丝拉伸强度是172.5MPa，是PLLA拉伸强度的3倍左右。同时，PLGA已被证实具有良好的生物相容性，且完全生物可降解。其降解速率明显快于PLLA-TMC共聚物。而且，PLGA纤维不溶于二氯甲烷、三氯甲烷以及四氢呋喃等常见的有机溶剂。因而，我们使用PLGA纤维来增强PLLA-TMC共聚物，理论上不仅可以有效提高共聚物的强度，同时亦能灵活调控降解速率。
[0007]另外，文献报道了纤维与基体材料因结合力差导致力学性能提升达不到预期的情况(CN201210312375.2)。所以，提高材料的力学强度就需要进一步提高两相之间的界面结合力。比如，酸浸泡进行表面处理(CN101491698A)，低温空气等离子处理专利(CN102345228A)都能取得良好的效果。我们为了达到良好的界面结合，采用对样品损伤最小，效果较明显的等离子表面处理对PLGA进行改性。其中气氛采用对于聚合物常用的表面处理气氛氧气，进行等离子体浸没，达到使纤维表明粗糙度增加和活性官能团增多的目的，从而增强纤维和基体的亲和力。
[0008]本发明基于上述技术原因，提出了一种PLGA(聚乳酸-乙交酯)纤维增强PLLA-TMC复合材料，并对PLGA纤维进行等离子表面处理使得二者能达到较好的复合效果，进而能够使得复合物的拉伸强度得到提升、降解速率可以进行调控，以适用于制作完全生物可降解血管支架。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于针对现有完全生物可降解PLLA用于制作血管支架时存在的力学性能差、降解速率慢的不足，提供一种PLGA纤维增强聚酯复合材料及其制备方法和应用。
[0010]本发明提供的完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料的制备方法，具体步骤为:
a、将PLGA纤维与聚酯共聚物溶于二氯甲烷中，搅拌至分散均匀，得PLGA纤维增强聚酯溶液；其中，PLGA纤维的 重量份数为f 20%，优选3~8%，其余为聚酯，即聚酯的重量份数为80~99%，优选92~97% ；PLGA纤维和聚酯总量为100% ；
b、将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中室温干燥至恒重，得固态样品；
C、固态样品经过热压和冷压处理，得到薄片状样品。
[0011]步骤a中，所述的PLGA纤维中，GA单元的摩尔含量为7(Tl00%，优选5~15% ；PLGA数均分子量为20 00(Tl 000 000，优选50 000^300 000 ;PLGA纤维平均长度为0.2-3.0mm,优选 0.4^3.0 mm ;平均直径 1.0^30.0um。
[0012]步骤a 中，所述的聚酯为 PLLA、PLLA-GA, PLLA-TMC, PLLA-PEG, PLLA-CL 或PLLA-TMC-GA中的一种或多种。本发明优选PLLA-TMC共聚物。
[0013]步骤a中，所述的聚酯的数均分子量为50 00(Tl 000 000，优选50 000^3000000。
[0014]步骤a中，所述的混合溶液浓度为1~10 ￥八％,优选3~10 w/v%。
[0015]步骤c中，所述的热压条件为12(Tl50°C，时间为I~5 min，接着冷压I~10 min。
[0016]上述方法中，PLGA纤维须预先经过等离子体表面处理。例如，等离子体处理电压为12KV，功率为70W，氧气气压为0.5Pa，注入频率为13.6MHz。处理时间为l(T30min。
[0017]由本发明方法制备得到的复合材料在拉伸强度强度上提升明显，具有可调控的降解速率。特别适合于制备完全生物可降解血管支架。
[0018]本发明还提供所述的PLGA纤维增强聚酯复合材料的应用，其可广泛用于生物医学领域，特别是可作为一种血管支架材料。
[0019]本发明的原料和试剂皆市售可得。
[0020]本发明将PLLA-TMC共聚物与PLGA纤维进行共混，并且比较研究经过等离子处理的最佳时间条件。通过共混，得出等离子处理15 min后复合材料的拉伸强度比起基体共聚物的强度上升了 50% ；比起未进行等离子表面处理的PLGA增强PLLA-TMC复合材料，表面处理后材料的拉伸强度提高了约90%。该复合材料在力学性能与PLLA的拉伸强度非常接近，可满足作为支架材料的力学强度要求。同时，理论上PLGA纤维能有效提高复合物的体内降解速度。因此，本发明制得的共聚物具有优异的力学性能、良好的生物相容性以及可控的降解速度，在生物医学领域具有广阔的应用前景，特别适合于制备完全生物可降解血管支架。
[0021]表1 PLLA均聚物、PLLA-TMC共聚物及其与未经等离子处理纤维制备的复合材料的拉伸性能。
[0022]表2等离子表面处理不同时间的PLGA纤维增强PLLA-TMC (LLA与TMC的摩尔比为5:1) PTL51共聚物复合材料的拉伸性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1经表面处理不同时间的PLGA纤维的FT-1R图谱C_0单键区。
[0024]图2经表面处理不同时间的PLGA纤维的FT-1R图谱-OH峰区。
【具体实施方式】
[0025]下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制，实施例中的原料均为常规市售产品，其中:
本发明制备的完全生物可降解聚酯共聚物，通过傅里叶变换红外光谱(FT-1R)确定等离子处理前后纤维表面功能基团的浓度变化。
[0026]采用Instron 4465型静力材料试验机,拉伸速度为10 mm/min,在常温下样品进行拉伸试验。每种样品测试5个平行样，取平均值，得到样品的拉伸模量、拉伸强度。
[0027]采用Instron 5565型静力材料试验机，拉伸速度为50%/min，在常温下对PLGA单丝纤维进行拉伸试验。每种样品测试5个平行样，得到样品的拉伸模量、拉伸强度。
`[0028]首先将未经处理的PLGA纤维与聚酯混合制备复合材料，并测量其力学性能。
[0029]实施例1
将3.0g LLA/TMC摩尔比为3:1的PLLA-TMC共聚物溶于二氯甲烷中。溶液浓度为IOw/v%。将0.15g未经处理的PLGA纤维(纤维平均长度为2-3mm，平均直径为11.7 um)混入PTMC-LLA溶液中，搅拌2小时。将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为0.2mm的薄膜样品。测试材料(PTL13C)的拉伸强度为9.6MPa。
[0030]实施例2
将3.0g LLA/TMC摩尔比为4:1的PLLA-TMC共聚物溶于二氯甲烷中。溶液浓度为IOw/v%。将0.15g未经处理的PLGA纤维(纤维平均长度为2-3mm，平均直径为11.7 um)混入PTMC-LLA溶液中，搅拌2小时。将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为
0.2mm的薄膜样品。测试材料(PTL14C)的拉伸强度为15.5MPa。
[0031]实施例3
将3.0g LLA/TMC摩尔比为5:1的PLLA-TMC共聚物溶于二氯甲烷中。溶液浓度为IOw/v%。将0.15g未经处理的PLGA纤维(纤维平均长度为2-3mm，平均直径为11.7 um)混入PTMC-LLA溶液中，搅拌2小时。将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为
0.2mm的薄膜样品。测试材料(PTL15C)的拉伸强度为24.5MPa。
[0032]以下实施例研究氧气等离子体处理对PLGA纤维增强PLLA-TMC聚酯复合材料的力学性能影响。
[0033]实施例4
将PLGA纤维在氧气气氛下等离子处理，氧气等离子浸没处理条件为:调节功率为70W，氧气气氛为0.5Pa，电压保持在12KV，电压频率为50Hz ;处理时间设置为lOmin。将处理好的5wt%纤维放入的IOw/v%的PTL15共聚物溶液中，搅拌均匀，将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为0.2mm的薄膜样品。测得拉伸强度为39.9MPa，比起对应的没有经过等离子表面处理的复合材料，强度提升了约62%。
[0034]实施例5
将PLGA纤维在氧气气氛下等离子处理，氧气等离子浸没处理条件为:调节功率为70W，氧气气氛为0.5Pa，电压保持在12KV，电压频率为50Hz ;处理时间设置为15min。将处理好的5wt%短纤维放入的IOw/v%的PTL15共聚物溶液中，搅拌均匀,将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为0.2mm的薄膜样品。测得拉伸强度为46.5MPa，比起对应的没有经过等离子表面处理的复合材料，强度提升了约90%。
[0035]实施例6
将PLGA纤维在氧气气氛下等 离子处理，氧气等离子浸没处理条件为:调节功率为70W，氧气气氛为0.5Pa，电压保持在12KV，电压频率为50Hz ;处理时间设置为20min。将处理好的5wt%纤维放入的IOw/v%的PTL15共聚物溶液中，搅拌均匀，将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为0.2mm的薄膜样品。测得拉伸强度为46.4MPa，比起对应的没有经过等离子表面处理的复合材料，强度提升了约90%。
[0036]实施例7
将PLGA纤维在氧气气氛下等离子处理，氧气等离子浸没处理条件为:调节功率为70W，氧气气氛为0.5Pa，电压保持在12KV，电压频率为50Hz ;处理时间设置为30min。将处理好的5wt%短纤维放入的IOw/v%的PTL15共聚物溶液中，搅拌均匀,将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中干燥至恒重。然后将固态的样品在130 °C下热压2min，接着冷压5min。得到膜厚度为0.2mm的薄膜样品。测得拉伸强度为34.8MPa，强度小于等离子体处理10、15、20min的样品的拉伸强度。
[0037]以下实施例研究等离子处理纤维后纤维表面功能基团对复合材料拉伸性能的影响。
[0038]实施例8
通过FT-1R检查等离子处理10、15、20、30min的PLGA纤维的表面性能。在2962CHT1处的峰对应-CH2的对称伸缩。这个峰在等离子处理前后基本相同，因而可以作为内标使用。在适当的等离子体处理后，PLGA纤维表面会生成大量-C-0、羟基和过氧化氢基团。
[0039]图1为FT-1R谱图的-C-O单键随等离子体处理时间的变化。与-CH2内标比起来，-C-O单键在1145 CnT1处在处理10、15和20,30后逐渐增加。对于羟基在1740 cnT1 (图
2)处的峰观察到了同样的现象。因此FT-1R谱图显示了纤维表面经过等离子体处理后活性功能基团的增加。
[0040]从上述实施例可以看出，经过氧气等离子体处理后，纤维表面产生了活性功能基团。活性基团的产生增强了纤维和基体树脂的相容性，有助于提高复合材料的拉伸强度；但是，等离子体处理也能对纤维表面造成破坏，产生缺陷，从而使得复合材料力学性能下降。其中15min的处理时间得到的复合材料拉伸强度最高，接近PLLA均聚物的拉伸强度，满足支架材料要求。因此，依据本发明制备的PLGA纤维增强PLLA-TMC共聚物是一种理想的制作血管支架的材料。
[0041]对于本发明所属【技术领域】的技术人员来说，在获知前述描述提供的教导之后，可以想到本发明的许多修改和其他实施方式。因此，应当理解本发明不应该限于披露的特定的【具体实施方式】，这些修改及其他【具体实施方式】包括在所附的权利要求范围内。尽管在文中使用了特定的术语，但他们仅以一般和描述性的意义被使用而不用于限制的目的，本发明的范围有权利要求书限定。
[0042]表1.PLLA均聚物、PTMC-LLA共聚物及其与未经等离子处理纤维制备的复合材料的拉伸性能
【权利要求】
1.一种完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为: a、将PLGA纤维与聚酯共聚物溶于二氯甲烷中，搅拌至分散均匀，得PLGA纤维增强聚酯溶液；PLGA纤维与聚酯中，PLGA纤维的重量份数为f 20% ； b、将所得溶液倒入培养皿中，待溶液中溶剂挥发后在真空烘箱中室温干燥至恒重，得固态样品； C、固态样品经过热压和冷压处理，得到薄片状样品；热压温度为12(T15(TC，时间为I~5 min,冷压时间为I~10 min。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中的PLGA纤维中，GA单元的摩尔含量为7(Tl00 % ;PLGA的数均分子量为20 00(Tl 000 000。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中PLGA纤维平均长度为0.2-3.0mm,平均直径 1.0~30.0um。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中聚酯为PLLA、PLLA-GA,PLLA-TMC, PLLA-PEG, PLLA-CL 或 PLLA-TMC-GA 中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中聚酯的数均分子量为50000~1 000 000。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中PLGA纤维增强聚酯溶液浓度为 I~10 w/v%0
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于PLGA纤维预先经过等离子体表面处理。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于等离子体处理电压为12KV，功率为70W，氧气气压为0.5Pa，注入频率为13.6MHz ;处理时间为l(T30min。
9.一种由权利要求1-8之一所述制备方法制备得到的完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料。
10.如权利要求9所述的完全生物可降解PLGA纤维增强聚酯复合材料作为血管支架材料的应用。
【文档编号】C08L67/04GK103613771SQ201310507779
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】范仲勇, 廖岚, 董建廷, 石莉, 李速明 申请人:复旦大学