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）
来源：粘接 2023年 第50卷 第2期
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。
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; 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; 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。
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． 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。
( 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 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。
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) 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。
( 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。
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。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。
( 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。
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。
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。
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。
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。
2． 2． 1 拉伸断裂性能
图 5 为人工韧带断裂强力 － 伸长曲线。
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。
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。
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。
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。
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． 1 质量损失率
图 9 为降解试验中质量损失率曲线。
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%。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。
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。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。
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77． 55%，断 裂 强 度 为 63． 54 MPa，杨 氏 模 量 约 为127． 4 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% 。
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