孔隙生成剂比例与聚合物浓度对热塑性聚氨酯/透明质酸/氧化石墨烯（TPU/HA/rGO）复合材料表面性能和机械性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of Fraction of Porogen and Polymer Concentration on the Surface and Mechanical Properties of Thermoplastic Polyurethane/HA/rGO Composites

生物可降解TPU/HA/rGO复合 scaffold的孔隙结构、力学性能与表面亲水性研究。通过溶剂 casting/颗粒沥出法调控TPU浓度（15-20 wt.%）和NaCl比例（4.5-5.75 v/v），发现高TPU浓度（20 wt.%）和低NaCl比例（4.5 v/v）可形成致密结构（孔隙率89%-94%，压缩强度0.82 MPa），而高NaCl比例（5.75 v/v）导致更大孔隙（456.5 μm）和更薄壁（39.2 μm），同时显著降低接触角（71°）并提高表面能（13 mJ/m2）。研究揭示了TPU浓度与NaCl比例对机械性能（压缩模量0.03-0.05 MPa）和表面特性（润湿性、蛋白质吸附）的协同调控机制，为骨和软骨再生 scaffold设计提供理论依据。

　　在组织工程领域，生物可降解聚合物因其能够提供暂时性的结构支撑并逐步分解为无毒产物而受到广泛关注。这些材料作为支架，不仅促进了组织再生，还最终被新生组织所取代，避免了外科手术移除的必要性。聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）以及热塑性聚氨酯（TPU）等材料因其低降解速率、可变的机械性能和良好的细胞相容性而成为研究热点。尽管这些材料在生物医学应用中展现出巨大潜力，但在优化其物理和表面特性方面仍面临挑战，尤其是在机械完整性、孔隙率和表面能等方面。因此，近年来的研究主要集中在通过聚合物共混、表面化学修饰以及加工方法的改进来克服这些限制。

TPU是一种具有弹性的聚合物，其结构由硬段和软段组成，分别具有无定形和伪结晶特性。TPU因其良好的细胞相容性、低细胞毒性以及适应复杂解剖结构的能力而适用于心血管移植物、软组织工程以及承载负荷的植入物。生物活性无机纳米颗粒，如还原氧化石墨烯（rGO）和羟基磷灰石（HA），经常被用作TPU的增强材料，以改善支架的性能。将无机相引入聚合物基体不仅可以提高支架的机械性能，还可能影响其物理化学行为，并改变聚合物的降解机制。

为了制造TPU支架，可以采用多种工艺，包括溶剂铸造/颗粒沥滤（SCPL）、静电纺丝、相分离、冷冻干燥以及3D打印等。其中，SCPL是制备宏观或微观多孔聚合物支架最常用的方法之一，因其操作简单且能够有效控制孔隙率和孔隙大小而备受青睐。SCPL技术通过使用盐颗粒作为孔隙生成剂，从而在支架中形成多孔结构。孔隙的几何形状、孔隙之间的连接性以及孔隙壁的厚度对于细胞的播种、生长、迁移和物质传输至关重要。因此，合理调控这些结构参数对于实现支架与组织的高效相互作用具有重要意义。

值得注意的是，支架的表面作为与生物环境直接接触的第一层，其特性对细胞行为和生物活性有着重要影响。支架表面的亲水性、表面能和表面形貌等特征会显著影响吸附蛋白和细胞的行为。这些表面特性还决定了细胞的增殖、迁移和生理反应。因此，支架表面能的调控对于优化支架-组织相互作用、确保再生应用的积极结果至关重要。

在SCPL制备的聚合物支架中，聚合物-孔隙生成剂的比例是决定孔隙结构和机械特性的关键因素。较高的孔隙生成剂比例（即较高的盐含量）会导致更大的、更开放的孔隙以及更高的总体孔隙率，而较高的聚合物浓度则会产生更厚的孔隙壁和较低的总孔隙率。Xu等人的研究表明，孔隙直径主要由盐颗粒的尺寸决定，而增加聚合物-颗粒比例可以“定制”孔隙率，形成更密集的孔隙壁。类似地，最近的综述指出，通过SCPL工艺制备的支架通常可以达到超过90%的孔隙率，并且孔隙尺寸可以通过盐/聚合物比例进行精确调控。此外，高孔隙生成剂负载还能够增强孔隙的连通性。Cao等人在盐沥滤的TPU支架中观察到了连续的开放细胞网络，这表明在最大化孔隙生成剂体积的情况下，支架的结构更为开放。Faghihi-Rezaei等人研究了TPU-PLA-HA泡沫的接触角变化，发现接触角随时间减少的趋势非常显著。Yan等人则发现，聚苯胺/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）/HA泡沫的亲水性随着水滴接触时间的增加而提高，接触角从77°降至约71°。Meng等人制造了具有互连多孔结构的纤维泡沫，观察到加入生物活性玻璃（BG）颗粒显著提高了亲水性，接触角减少了21°。

在聚合物浓度较高的支架中，其结构更为坚硬，孔隙壁更厚且更光滑，而在高孔隙率、高盐含量的支架中，其压缩模量较低，孔隙壁更薄且更粗糙。因此，仔细平衡孔隙生成剂比例和聚合物浓度对于调控SCPL支架的孔隙尺寸、孔隙率、连通性、表面特征和机械性能至关重要。尽管已有大量关于单一加工参数的研究，但对孔隙生成剂比例和聚合物浓度共同作用下TPU支架的机械性能和表面特性的系统研究仍较为有限。此外，较少有研究将这些结构特性与支架的机械行为联系起来，特别是在使用SCPL技术制备的TPU系统中。

为了填补这一研究空白，本研究评估了不同孔隙生成剂比例和聚合物浓度的组合，对支架的孔隙率、形态、表面特性以及压缩性能进行了系统表征。我们的目标是建立明确的结构-性能关系，以指导TPU基支架的合理设计，从而满足组织工程的具体需求。研究中使用的材料包括TPU、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、HA和rGO。TPU由EPAFLEX POLYURETHANES提供，具有1.19 g/cm3的密度、-35°C的玻璃化转变温度、85 Shore A的硬度以及35 MPa的拉伸强度。DMF由Merck提供，纯度为99.8%，分子量为73.09 g/mol，密度为0.944 g/cm3。HA由Merck提供，纯度为97%，分子量为502.31 g/mol，颗粒尺寸为200 nm。NaCl由Sigma Aldrich Co.提供，作为孔隙生成剂使用，其纯度为99.99%，分子量为58.44 g/mol，颗粒尺寸为200微米，密度为2.16 g/cm3。rGO由American Elements提供，纯度为98%，电导率为560 S/m，比表面积为210 m2/g，密度为0.121 g/cm3。图1展示了NaCl、HA和rGO的扫描电子显微镜（SEM）图像。

本研究通过SCPL方法制备了TPU/HA/rGO复合支架。首先，将已知重量的TPU颗粒溶解在DMF中，然后按照表1中列出的成分添加HA和rGO纳米颗粒。为了确保HA和rGO在TPU溶液中的均匀分散，混合物在超声波处理下进行3小时的搅拌，以消除可能的聚集。随后，根据表1中的比例将指定体积的孔隙生成剂（NaCl）加入TPU溶液，制备好孔隙生成剂-TPU/HA/rGO混合物后，将其倒入具有12 mm直径和27 mm高度的硅橡胶模具中。之后，将模具放入烘箱中过夜干燥，随后将支架浸泡在去离子水中两天以沥出盐颗粒。为了确保盐颗粒完全去除，每六小时更换一次去离子水。最后，将沥出盐颗粒的支架再次进行烘箱干燥两天，从而获得具有特定尺寸的TPU/HA/rGO支架。这一过程的示意图如图2所示。

为了评估支架的性能，本研究对孔隙率、形态、表面特性以及压缩性能进行了详细表征。通过测量支架的质量和尺寸，使用公式计算其孔隙率。对于压缩性能测试，使用Santam测试机（型号STM-150）在室温下对直径为11.4 ± 0.2 mm、高度为15 ± 2 mm的圆柱形样品进行测试。测试过程中，使用100 N的负载单元和10 mm/min的十字头速度，对每个样品进行三次测试，并记录平均压缩性能数据。此外，还使用接触角测量法评估了支架的表面特性，包括表面能、粘附功和铺展系数。通过Jikan CAG-10接触角测量仪在室温下进行测量，每测试使用5微升的去离子水，测量时间为10分钟，每分钟记录一次动态接触角数据。每组样品进行三次实验，报告平均接触角结果。

研究结果表明，不同孔隙生成剂比例和TPU浓度的组合对支架的结构和性能产生了显著影响。孔隙率在89%至94%之间，这表明SCPL方法在制造高孔隙率支架方面非常有效。在TPU浓度保持不变的情况下，增加孔隙生成剂比例会导致孔隙率的提升，这在15 wt.% TPU和20 wt.% TPU样品中均有体现。然而，当孔隙生成剂比例保持不变时，TPU浓度的增加会导致孔隙率略有下降，这是由于聚合物链的紧密排列导致孔隙壁变厚，从而减少了总的空隙率。这说明孔隙率主要受孔隙生成剂比例的影响，而非聚合物浓度。此外，孔隙尺寸和孔隙壁厚度也受到孔隙生成剂比例和TPU浓度的调控。在15 wt.% TPU样品中，随着孔隙生成剂比例的增加，孔隙尺寸从417.4 μm增加至456.5 μm，而孔隙壁厚度则从45.2 μm减少至39.2 μm。在20 wt.% TPU样品中，孔隙尺寸从381.7 μm增加至411.9 μm，孔隙壁厚度从53.2 μm减少至46.9 μm。这些结果表明，孔隙生成剂比例对孔隙尺寸和孔隙壁厚度的影响更为显著。

压缩性能测试进一步揭示了支架的机械行为。结果显示，较高的TPU浓度和较低的孔隙生成剂比例能够显著提高支架的压缩模量和压缩强度。例如，在20 wt.% TPU和5.75的孔隙生成剂比例下，样品表现出更高的压缩模量（0.041 MPa）和压缩强度（0.45 MPa）。这些结果表明，TPU浓度的增加能够有效增强支架的机械性能，尤其是在需要承载负载的应用中。然而，孔隙生成剂比例的增加会导致压缩强度的下降，因为孔隙壁的变薄和连通性的增强可能影响支架的结构稳定性。

表面特性分析表明，接触角的测量可以有效评估支架的润湿性。动态接触角的测量结果显示，支架的润湿性在不同孔隙生成剂比例和TPU浓度下表现出显著差异。例如，在15 wt.% TPU样品中，较高的孔隙生成剂比例（5.75）导致初始接触角的显著降低，表明其表面更具亲水性。相反，较低的孔隙生成剂比例（4.5）则表现出较高的初始接触角，表明其表面更具疏水性。随着接触时间的延长，所有样品的接触角均呈现下降趋势，这表明支架表面逐渐变得更具亲水性，有利于蛋白质吸附和细胞附着。这些结果与之前的研究一致，说明孔隙生成剂比例和TPU浓度对支架的润湿性有重要影响。

表面能的测定进一步揭示了支架的表面特性。研究发现，孔隙生成剂比例对表面能的影响更为显著，而TPU浓度的影响相对较小。在较高的孔隙生成剂比例下，支架的表面能显著增加，这可能与其较大的孔隙尺寸和更薄的孔隙壁有关，这些结构特征增加了表面的粗糙度和亲水性组分（如HA和rGO）的暴露程度。此外，粘附功和铺展系数的测量表明，较高的孔隙生成剂比例能够显著提高支架的粘附性能，这与表面粗糙度和表面能的增加有关。这些结果强调了通过调整孔隙生成剂比例来优化支架表面能的重要性，这对于促进细胞附着和组织整合具有关键作用。

综上所述，本研究系统地分析了孔隙生成剂比例和TPU浓度对TPU/HA/rGO复合支架结构和性能的影响。结果表明，较高的孔隙生成剂比例能够提高支架的孔隙率和润湿性，而较高的TPU浓度则能增强支架的机械强度。这些发现为TPU基支架的合理设计提供了重要的指导，使其能够满足不同组织工程应用的需求，如软组织修复和负载承载植入物。未来的研究应进一步验证这些支架在体外条件下的细胞附着、增殖和分化性能，并进行长期降解研究以评估其在生理环境中的稳定性。此外，结合计算建模的方法，可以预测支架在不同机械和生物条件下的性能，从而优化其设计参数，提高其在临床应用中的可行性。