多孔性高分子材料的制备技术与基础研究

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多孔材料具有相对密度低、比强度高、比表面积大、隔音、隔热等优点,这些优点导致了其在工业催化、环境能源、吸附分离、减重节能、生物医用等这些应用方面有独特的优势。因而,多孔材料的制备一直是人们关注的热点。然而目前高分子多孔材料的制备仍然存在一些问题:1)多孔材料前体相结构的被动性,即缺乏对相结构的有效设计;2)制孔过程中不可避免的用到有机试剂;3)不易成型等等。这些不足导致多孔材料在某些应用,尤其是组织工程支架的应用中受到了一定的限制。针对目前制备多孔材料方法的一些特点和不足,本论文提出两种制备多孔材料的方法:第一,通过共混的方法,将两种或多种生物可降解材料混合到一起,控制第二组分形态分别为颗粒、纤维、无纺布、或者通过构造双连续相制备出混合物前体。使用选择性生物降解的方法,选择性移除混合物中这一组分,分别得到了球形、原纤维形或三维贯通形多孔结构的可生物降解多孔材料,多孔材料的孔隙率和孔尺寸可以通过第二组分的含量和尺寸控制。第二,利用聚合物与致孔剂之间的不相容性,界面结合不好,通过拉伸导致两相脱粘,形成橄榄形的多孔结构,且橄榄形多孔结构能够沿拉伸方向取向,这种结构的孔与孔之间均可以达到良好的贯通。之后通过选择性生物降解的方法,移除其中的致孔剂,可以进一步增加材料的孔隙率。通过拉伸制孔和选择性生物降解方法的联合可以克服目前多孔材料制备方法中引入有机溶剂、致孔剂残留、孔结构难以控制、不易加工成型以及多孔材料机械强度有限等不足。论文获得的主要成果如下:  (1)通过熔融共混的方法,制备了完全可生物降解的PLLA/P(3HB-co-4HB)共混物,研究了该共混体系分别经蛋白酶K和DS1407(Paecilomyces sp.)降解的速率变化、降解后剩余产物以及形态的变化。选择性生物降解结果表明,当共混物中的P(3HB-co-4HB)组分被DS1407降解之后,PLLA组分形成多孔结构,且多孔结构的孔尺寸随P(3HB-co-4HB)含量的增加而逐渐增大,当P(3HB-co-4HB)含量为40~60wt%时形成三维贯通的多孔结构。对于移除PLLA形成的P(3HB-co-4HB)多孔结构随含量变化具有以上相同的相转变过程。同时,可以发现多孔PLLA的尺寸要小于多孔P(3HB-co-4HB)的尺寸,表明P(3HB-co-4HB)更易于分散在PLLA中。为了进一步拓展这种制备方法可行性,选择易于降解的热塑性淀粉(TPS)与PLLA熔融共混,构造双连续相。通过淀粉酶可以将其中的TPS快速的移除,同样得到三维贯通的多孔材料。在两相熔融共混体系PLLA/P(3HB-co-4HB)中引入第三组分PCL,控制PLLA/P(3HB-co-4HB)/PCL三组分比例为4∶4∶2,得到了多级分布的PLLA多孔材料。利用选择性生物降解的方法,通过调控共混物的组成及其含量,可以得到孔结构和孔尺寸可控的、三维贯通的多孔材料。  (2)通过将两种或者多种生物可降解材料复合,控制第二组分形态分别为颗粒、纤维、或者无纺布制备复合材料前体。通过选择性生物降解,移除其中这一组分,得到预先设计形态的多孔材料,实现对孔结构的精确控制。将聚乳酸与淀粉复合,选择性降解掉淀粉之后得到球形多孔材料,通过选择不同尺寸的淀粉为致孔剂,如大米淀粉(5~8μm)、玉米淀粉(10~15μm)、马铃薯淀粉(20~50μm)等,可以得到不同尺寸和形态的多孔结构。将PCL与PHBV纤维或者PLA纤维复合,选择性移除纤维后,可以得到各向同性的纤维形态的多孔材料。通过控制纤维的含量和尺寸,控制多孔材料的形态和孔隙率。将PHBV纤维单向排列后与PCL复合,移除其中的纤维后,可以获得各向异性的纤维形多孔材料。通过纤维排列的数量控制孔分布密度。将PCL与PLA无纺布层层交替复合,选择性移除PLA无纺布,可以得到层状分布的纤维形多孔材料。通过将PCL薄膜与PLA无纺布重叠卷曲起来,移除无纺布后,可以制备圆柱形分布的多孔材料。该多孔结构只在一个方向上贯通,且多孔圆环与环之间由PCL相互隔开。  (3)由于PLLA与淀粉颗粒不相容,PLA/淀粉片材在拉伸的过程中,PLLA与淀粉颗粒的界面处因脱粘而形成缝隙,随着拉伸的进行,这些缝隙能够均匀的延伸,使片材形成多孔结构。因而将PLLA与原淀粉颗粒共混,通过单向拉伸的方法制备了PLLA多孔材料,并研究了拉伸制孔过程中的各种影响因素,包括淀粉含量、拉伸倍率、淀粉颗粒尺寸、拉伸温度、拉伸速率等对孔结构的影响。进而,通过选择性生物降解移除其中的淀粉后,制备了PLLA多孔支架。对选择性生物降解前后的样品孔形态、孔隙率和孔径都做了表征。最后用所制备的多孔支架培养了小鼠成骨细胞MC3T3-E1。结果表明,通过拉伸的方法可以形成橄榄形的多孔结构,且橄榄形多孔结构能够沿拉伸方向取向,这种结构的孔与孔之间均可以达到良好的贯通。随着淀粉含量和拉伸倍率的增加,孔隙率和沿拉伸方向的孔尺寸越大。PLLA/大米淀粉(LR)、PLLA/玉米淀粉(LC)、PLLA/马铃薯淀粉(LP)三体系的孔隙率随拉伸倍率的增加而增加的规律一致,且呈线性关系,相同淀粉含量相同拉伸倍率下,三种淀粉体系的孔隙率基本相同,其区别在于拉伸后孔尺寸和孔分布的不同。在60~85℃拉伸温度范围内,随温度的升高,样品孔隙率略微下降。在5~40mm/min的拉伸速率范围内,随拉伸倍率的变化,样品孔隙率和形态基本不变。拉伸成孔后,淀粉降解速率比拉伸前增加,且质量损失表明拉伸后孔与孔之间均可以达到良好的贯通。淀粉含量越多,拉伸倍率越大,孔的贯通性越好。细胞实验表明,细胞在此支架上有一定的活性,且在SEM电镜图中可以看到生长的细胞,说明此支架在一定程度上可以供细胞生长,孔尺寸越大,细胞生长情况越好。
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