结晶度和强化Poly-L-Lactic酸支架引起的碳纳米管

文摘

Poly-L-Lactic酸(丙交脂)是一种bioabsorbable植入材料由于其良好的生物相容性和降解性内在,而机械强度不足阻碍了其进一步的骨修复应用程序。在目前的工作中,碳纳米管(碳纳米管)引入丙交脂支架通过选择性激光烧结捏造。发现丙交脂的结晶度大幅增加从碳纳米管可以促进其分子链的有序堆积,从而提高丙交脂支架的机械强度。此外,断口分析表明,碳纳米管作为一座桥穿过裂缝,阻碍了他们的进一步扩张。此外,碳纳米管拉出从矩阵骨折消耗大量能量,增强抵抗外力。因此,抗压强度、维氏硬度和支架的抗拉强度提高22.7%,分别为58.8%和17.6%。此外,细胞表现出良好的依恋,传播和扩散在支架上。本研究表明,丙交脂/碳纳米管支架作为骨移植是一种很有前途的候选人。

1。介绍

Poly-L-Lactic酸(丙交脂)一直被认为是一种很有前途的骨修复材料由于其良好的生物相容性和理想的生物降解性1- - - - - -3]。它能够降低水解成乳酸,然后代谢水和二氧化碳,这可以通过正常的代谢途径从身体中删除(4,5]。鉴于丙交脂的有吸引力的特点,它收到了来自美国食品和药物管理局批准为植入应用程序(6]。最近,许多调查试图利用丙交脂作为临时骨植入物(7,8]。然而,这些研究表明,丙交脂表现出可怜的力学性能,尤其是承载,这大大阻碍其进一步骨修复应用程序(9]。

掺入钢筋,如纳米颗粒(10,11),纳米线(12],石墨烯nanoplatelets [13)和碳纳米管(碳纳米管)(14),是一种可行的方法,以提高聚合物的力学性能矩阵。其中,碳纳米管表现出优越的力学性能,包括强度高、模块和硬度15]。同时,碳纳米管已被证明具有良好的生物相容性和osteoprotective属性(16]。李等人介绍了碳纳米管在聚碳酸脂微纤维,提高了抗拉强度和弹性模量20%,分别为40% (17]。王等人证明了碳纳米管作为丙交脂nanofiller可以克服脆性断裂伸长率和冲击强度提高了205%和30%,分别为(18]。Mesgar等人用碳纳米管增强壳聚糖支架,这提高了模量11倍(19]。罗等人的多壁碳纳米管聚已酸内酯复合支架使用溶液蒸发技术(20.]。在活的有机体内结果表明,复合支架有良好的骨生物活性。

在目前的研究中,碳纳米管被纳入丙交脂,提高力学性能。丙交脂/碳纳米管复合支架是由选择性激光烧结(SLS)的过程。先前的研究人员经过丙交脂碳支架通过相分离方法(21),电纺的技术(22),冷冻干燥法(23)等。与以前的方法相比,选择性激光烧结展品伟大的优势包括孔隙结构的精确控制和定制能力强为特定缺陷的网站(24- - - - - -27]。复合支架的微观结构演化和力学行为进行调查。碳纳米管在力学行为的影响是详细澄清。此外,研究了丙交脂/碳纳米管支架的生物相容性在体外细胞实验。

2。材料和方法

2.1。材料

碳纳米管的外径从4到6纳米,长度从10到20µm提供了从成都有机化学有限公司丙交脂粉从深圳购买Polymtek生物材料有限公司(中国深圳)和平均分子量150摩尔/ g,纯度超过99%,密度1.25克/厘米³。

2.2。制备丙交脂/碳纳米管复合支架

丙交脂/碳纳米管支架的详细的制造工艺是描绘在图1。具体地说,第一次加入一定数量的碳纳米管无水乙醇溶液。暂停然后磁力搅拌和超声分散6 h。随后,丙交脂粉添加到上述碳纳米管悬浮液。后来,丙交脂/碳纳米管悬浮液磁力搅拌和超声分散12 h。暂停然后干在真空炉在45°C到粉重量保持稳定。最后,丙交脂/碳纳米管混合球磨后粉末得到1 h。

丙交脂/碳纳米管复合支架是使用自主研发的SLS系统准备的。描述的详细制备过程如下:首先,3 d模型匹配的骨支架设计。模型导入到SLS系统创建切片文件;其次,复合粉末扩散在工作台;第三,复合粉末选择性烧结炉料根据上述文件。SLS工艺的最佳工艺参数由试点实验(激光功率2.5 W,扫描速度120 mm / s,扫描距离0.1毫米和层厚度0.1毫米)。名义上的碳纳米管的支架获得0,0.25,0.5,和1.0 wt. %被命名为丙交脂,丙交脂/ 0.25纳米,丙交脂/ 0.5碳纳米管,碳纳米管和丙交脂/ 1.0,分别。烧结支架的孔隙大小和支柱大小约有650μ米和450μm,分别如图1。一般来说,多孔骨支架能够提供良好的微环境细胞增长问题(28,29日]。

2.3。微观结构表征

定性评估样品的化学特性是通过傅里叶变换红外光谱(红外光谱,力量张量27)。样品和干溴化钾粉末混合,磨成细粉。然后,他们被压进光盘模具。红外光谱得到2厘米的一项决议⁻¹从500年到3000厘米⁻¹在室温下。随后,透光率和特征峰的强度测量。拉曼光谱得到使用拉曼光谱仪(英国Renshaw)用激光激发的532 nm和扫描范围400到2500厘米⁻¹。

偏振光学显微镜(POM,奥林巴斯有限公司日本)被用来研究丙交脂/碳纳米管复合材料的结晶形态。相结构研究使用x射线衍射仪(XRD,距离2500年,日本科学有限公司日本)配有铜Ka来源。数据被记录从10°到50°。

2.4。机械测试

维氏硬度计(北京时间TMVS-1高科技有限公司)应用于测量硬度。三种不同的测量进行了为每个样本。力学试验机(WD-D1有限公司,中国)应用于执行抗拉和抗压测试。拉伸试样(宽5毫米,长度20 mm)受到拉伸载荷,直到他们被打破,和多孔结构的抗压标本(10×10×5毫米³)受到压缩载荷,直到他们被压碎。支架断裂表面形态的拉伸测试后使用扫描电子显微镜观察(菲利普斯XL30、埃因霍温、荷兰)。SEM观察之前,样品的表面是镀黄金2分钟溅射涂布机。

2.5。细胞实验

MG63细胞培养在杜尔贝科修改鹰中补充10%胎牛血清和1% (v / v)链霉素/青霉素条件在37°C(5%潮湿的有限公司₂)。培养基是改变每2天。细胞播种之前,丙交脂和丙交脂/碳纳米管支架(10×10×2毫米³在紫外光照射下)消毒24 h。孵化中每天都是新的。MG63细胞被播种在丙交脂和丙交脂/碳纳米管支架密度为10⁵细胞每口井。后1、4和7天的标本被冲洗三次使用磷酸缓冲溶液(PBS)为了消除不依从细胞。支架上细胞形态与不同文化的时间被扫描电镜观察。

细胞生存能力评估使用生活/死后染色文化1、4、7天。总之,这些细胞被沾染了2μg / mL Calcein-AM和Ethidium homodimer-1试剂为20分钟37°C。然后,染细胞被刷新了PBS和荧光显微镜观察(BX60、奥林巴斯、日本)。

MG63细胞增殖的进一步评估使用细胞计数kit-8 CCK-8化验。细胞被播种在支架1、4和7天。然后,40μL CCK-8解决方案添加到每一个和孵化4 h在37°C。然后光密度(OD)为450 nm的光谱光度测量的微板读者。每个样本的测试进行了三次。

2.6。统计分析

所有的实验数据都使用至少三个独立的操作记录,和表达为±标准差。在所有的统计分析,它被认为是重要的P值小于0.05。

3所示。结果与讨论

3.1。丙交脂/碳纳米管复合支架的特性

碳纳米管的红外光谱谱,丙交脂和丙交脂/碳纳米管支架被显示在图2(一个)。正如所料,有一个高峰在1635厘米⁻¹,这是分配给拉伸振动在纳米管的C = C债券。丙交脂,有两个明显的峰值为1751和1452 cm⁻¹,这是归因于其羧基团体的C = O伸展振动(30.]。峰位于1380厘米⁻¹被分配到的弯曲振动ch₃组(31日]。有一个弱的宽带出现在1183厘米⁻¹这是关联到切断伸缩振动(32]。与丙交脂相比,没有新的峰或峰值变化的红外光谱光谱丙交脂/碳纳米管支架。

拉曼测量被用来进一步揭示了SLS过程中碳纳米管的结构稳定性。碳纳米管的拉曼光谱,丙交脂和丙交脂/碳纳米管支架记录,结果如图2 (b)。它可以发现有两个不同的特征峰观察到1330.6和1656.7厘米⁻¹,这是归因于碳纳米管的D -和g频段,分别。通常,d带与碳纳米管的程度的障碍,而G -带是归因于sp的平面运动²碳原子(4,33]。丙交脂表现出三个特征峰为859.6,1083.8和1444.8厘米⁻¹,这是归因于C-CH₃拉伸,ch₃摇摆模式和ch₃不对称弯曲模式,分别34]。丙交脂/碳纳米管拉曼光谱的支架,他们提出了结合丙交脂和碳纳米管的特征峰。支架的D和G模式表现出没有明显的变化与碳纳米管的光谱。然而,在支架包括C-CH丙交脂共振₃拉伸(861.2厘米⁻¹),ch₃摇摆模式(1085.3厘米⁻¹),ch₃不对称弯曲模式(1446.2厘米⁻¹)是红移的1.6、1.5和1.4厘米⁻¹分别与纯丙交脂支架(4]。这可能是由于在SLS丙交脂和碳纳米管之间的相互作用。

丙交脂/碳纳米管支架的脆性断裂表面观察,如图3。丙交脂相对平坦的形态学表现出明显的脆性断裂。作为比较,有一些micro-fibers断裂表面的丙交脂/ 0.5纳米支架。丙交脂的碳纳米管均匀分布矩阵。micro-fibers数量的增加与碳纳米管含量增加0.5 wt. %。然而,碳纳米管的聚集发生进一步wt. %增加到1.0。

水晶使用POM丙交脂/碳纳米管的形态进行了调查,结果显示在图4。很明显,丙交脂展出大球晶形态典型的马耳他十字形状。随着碳纳米管逐渐增加到0.5 wt. %,球晶的大小明显下降,伴随着显著增加密度。结果表明,碳纳米管作为异质成核剂,促进了有序的安排,从而加速丙交脂的结晶。然而,随着碳纳米管达到1.0 wt. %,相对红球晶观察矩阵,表示成核的能力降低的碳纳米管复合矩阵。先前的研究显示,随着纳米粒子超过一定的内容,能够促进丙交脂成核会减少,这被认为是与他们聚集在丙交脂相关矩阵(35]。

丙交脂和丙交脂/碳纳米管的x射线衍射模式如图5。很明显,有两个强大的衍射峰位于2θ= 16.8°和19.1°(36),这说明冷结晶的发生丙交脂(37]。丙交脂/碳纳米管支架的XRD模式还是丙交脂的特征峰,这表明,掺入碳纳米管没有施加重大影响丙交脂的晶体结构。然而,这些峰的强度和清晰度与碳纳米管增加逐渐增加,这表明,高分子复合材料的结晶程度增强是由于碳纳米管的异相成核30.]。

3.2。机械性能

骨支架要求适当的机械强度提供结构支持新成立的组织在骨修复(38,39]。丙交脂和丙交脂/碳纳米管支架的机械性能进行评估通过压缩硬度和拉伸测试,结果如图6。典型的压缩应力-应变曲线是描绘在图6(一)。它可以发现所有的样品表现出脆性特征。随着外力超过一定程度上压缩过程中,支架是直接骨折没有屈服(40]。抗压能力源于他们的抗压应力-应变曲线如图6 (b)。丙交脂/碳纳米管支架的抗压强度增加了22.7%(从5.5 MPa到6.82 MPa)与碳纳米管wt. %增加到0.50。这可以归因于碳纳米管可以作为增强相在丙交脂矩阵(41]。然而,有轻微下降,抗压强度与碳纳米管进一步增加到1.0 wt. %,这可能是由于碳纳米管的聚集。是良好的骨支架周围应该有足够的机械强度匹配连接骨头。通常情况下,人类的抗压强度松质骨和皮质骨在2 - MPa的范围和130 - 180 MPa,分别为(42]。在这部作品中,最优丙交脂/碳纳米管支架的抗压强度为6.8 MPa,松质骨的范围内,低于皮质骨。因此,丙交脂/碳纳米管在骨修复支架有潜在的应用。

所有标本的维氏硬度和抗拉强度如图6 (c)和6 (d),分别。同样,维氏硬度和抗拉强度0.5丙交脂/碳纳米管支架增加到38.9高压和18.6 MPa,分别增加了58.8%和17.6%。因此,碳纳米管的加入了积极作用提高丙交脂支架的机械性能。

在这部作品中,碳纳米管可以作为把行动阻碍裂纹扩展。这是由于裂纹的复合很难转移在扩张过程中,只能继续在原来的方向43]。因此,碳纳米管裂纹尖端附近没有立即休息,但创建了一个裂缝之间的遮蔽作用(44,45]。典型的裂纹桥在裂纹表面接触区域如图7(一)。这种遮蔽作用抵消部分拉应力,从而阻碍裂纹的进一步扩张。另一方面,碳纳米管作为一维材料,表现出显著的纤维特性(46]。在这种情况下,碳纳米管在拉伸断裂中退出了矩阵的复合支架,从而消耗大量的外部能量(47]。如图7 (b),一些碳纳米管拉出的矩阵,其方向倾向于与外加负载的方向一致。此外,碳纳米管被嵌入到丙交脂矩阵,形成固定的效果。退出的示意图,桥接裂纹偏转如图7 (d)。此外,结晶度增加丙交脂也有积极的影响他们的机械性能48]。然而,随着碳纳米管含量进一步增加1.0 wt. %,他们聚集在丙交脂矩阵,因此未能提高丙交脂/碳纳米管支架的机械性能。

3.3。Cytocompatibility

良好的生物相容性是骨移植具有重要意义[49- - - - - -51]。在本研究中,丙交脂/ 0.5纳米支架与最佳力学性能被用来进一步评估cytocompatibility,与丙交脂支架控制。细胞的形态粘在支架培养1、4、7天被SEM观察,如图8。经过1天的培养,细胞开始蔓延在丙交脂/ 0.5纳米支架与明显的细胞质的扩展,指示一个强大的附着力。文化时间增加到4,7天,丙交脂/ 0.5纳米支架上的粘附细胞显著增加,彼此重叠。此外,丙交脂/ 0.5纳米支架上的细胞呈现更长的丝状伪足而丙交脂脚手架。这是表明丙交脂/ 0.5纳米支架更有利于细胞粘附。

彩色荧光细胞孵化丙交脂/ 0.5碳纳米管的照片和丙交脂支架不同时期表现出图9。红色,绿色代表活细胞,而死细胞。很明显,几乎没有观察到死细胞细胞孵化期间所有的样品。特别是,细胞表现出典型的梭状形状文化后1天,揭示细胞增长通常在支架上。经过进一步孵化为4,7天,细胞已进军丝状伪足,形成大量的细胞外基质。同时,活细胞显著增加随着培养时间增加,这表明丙交脂/ 0.5米碳管和丙交脂支架都有利于细胞增殖。应该指出的是,丙交脂/ 0.5纳米支架表现出细胞密度高于丙交脂支架,表明更有利于细胞生长。

细胞的生存能力孵化丙交脂/ 0.5米碳管和丙交脂支架被CCK-8定量评估分析,结果如图10。它可以看到丙交脂/ 0.5碳纳米管的细胞生存能力和丙交脂支架增加文化时期从1到7天。详细,OD值从0.6增加到2.8丙交脂/ 0.5纳米支架。值得注意的是,丙交脂/ 0.5纳米支架提出增强OD值与丙交脂脚手架在同一时间,这也进一步证明了碳纳米管显示积极的对细胞增殖的影响。

基于以上细胞实验,表明丙交脂/碳纳米管支架展出一个增强cytocompatibility细胞粘附和生长,而丙交脂脚手架。一般来说,细胞能够区分表面与不同的物理、化学和机械性能,直接影响细胞的行为。坚持作为细胞支架表面,他们创造了一个更大的力量在附着力的网站。人们认为丙交脂/碳纳米管与硬矩阵比丙交脂脚手架脚手架提供更好的细胞粘附。其次,把碳纳米管到丙交脂基质导致粗糙的纳米表面形貌,更有利于细胞粘附和生长(36]。事实上,粗糙表面能够提供各种各样的机械刺激,从而促进细胞增殖。此外,结合碳纳米管具有优良的电气性能可以提高细胞信号的传播,促进信息交流和细胞活动(52]。

4所示。结论

在目前的研究中,碳纳米管被引入丙交脂改善力学性能。丙交脂/碳纳米管支架制作了SLS技术。碳纳米管增强的结晶度丙交脂矩阵由于其异相成核效果。更重要的是,碳纳米管作为一维材料,导致裂纹桥接机制和退出的效果。结果,获得了抗压强度、维氏硬度和抗拉强度的支架是大大增强了从5.6到6.8 MPa, 24.5到38.9高压,分别为15.5到18.6 MPa。此外,丙交脂/碳纳米管支架表现出理想的生物相容性。表明丙交脂碳支架是一种很有前途的候选人为骨植入物。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Guoyong小王和Fangwei气的贡献同样在这工作。

确认

本研究由以下基金:(1)中国的自然科学基金(51935014,51935014,81871494,81871498,51705540);(2)湖南省自然科学基金(2019 2019 jj50774 2018 jj3671 jj50588);(3)江西省自然科学基金(20192 acb20005);(4)广东省高职院校&学校珠江学者资助计划(2018);(5)大型仪器设备的开放共享基金的中南大学;(6)湖南省科技计划的项目(2017 rs3008);(7)江西科技大学的自然科学基金会(NSFJ2014-G29)。

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