人工韧带聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的表面臭氧氧化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1362

摘要/Abstract

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文题释义：

人工韧带材料：人工韧带主要用于膝关节韧带的重建与修复，其制作材料从早期的碳纤维、聚四氟乙烯、聚丙烯等，逐渐发展为目前以聚对苯二甲酸乙二醇酯为主。人工韧带材料具有来源广、强度大、恢复快、无供区并发症及疾病传播风险等优点，是缓解自体/异体移植物来源缺乏的重要途径。

表面臭氧氧化：聚对苯二甲酸乙二醇酯分子结构对称、无强极性基团，故纤维表面的亲水性较差，提高纤维表面性能是发挥其功能的关键所在。在保证材料自身性能的前提下，通过臭氧氧化在纤维表面形成过氧基团，为后续接枝改性打下基础。臭氧氧化不需要化学试剂，无残余污染性副产物，需要的设备简单且操作容易。

背景：人工韧带材料聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维具有较好的理化性能与力学性能，但其表面亲和性较差，不具备良好的细胞相容性，因此需要对材料表面进行改性处理。

目的：采用臭氧氧化法在聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面生成活性位点，提高其细胞相容性。

方法：取人工韧带聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维经编坯布，裁剪成合适大小，放入蒸馏水中进行臭氧氧化处理：室温，氧气流量1 L/min，水中臭氧质量浓度10 mg/L，臭氧化时间30 min，表征臭氧氧化前后聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的表面形貌、力学性能与甲苯胺蓝吸附情况。

结果与结论：①扫描电镜显示臭氧氧化后，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面的粗糙度稍有增加，但无明显龟裂降解迹象；②臭氧氧化后，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面成功引入了过氧基团，过氧化物浓度10^-⁵mol/g数量级；③臭氧氧化后，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面未出现明显降解，力学性能保持良好，可满足人工韧带材料对聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维拉伸性能的要求；④臭氧氧化前，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维主链上缺乏亲水性基团，几乎不吸附甲苯胺蓝；臭氧氧化后，纤维表面亲水性基团增加，可吸附大量甲苯胺蓝；⑤结果表明，臭氧氧化处理既能保证聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的力学性能又可在其表面引入足够的过氧基团。

ORCID: 0000-0003-0574-4458(史丰田)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 人工韧带, 聚对苯二甲酸乙二醇酯, 臭氧, 表面氧化, 过氧基团含量, 深度清洗, 拉伸性能, 表征

Abstract:

BACKGROUND: Artificial ligament material polyethylene terephthalate fiber has good physical-chemical- mechanical properties, but its surface affinity is poor, and it does not have good cell compatibility. Therefore, it is necessary to modify the surface of the material.

OBJECTIVE: This study was designed to form active sites on the surface of polyethylene terephthalate fiber by ozone oxidation, and to improve its cell compatibility.

METHODS: The polyethylene terephthalate fiber was braided into a grey fabric by warp knitting and cut into small cuts at suitable sizes. The small cuts were placed in distilled water for 30-minute ozone oxidation at room temperature with oxygen flow rate of 1 L/min and ozone concentration in aqueous solution of 10 mg/L. The surface morphology, mechanical properties, and toluidine blue adsorption of polyethylene terephthalate fiber were observed before and after ozone oxidation.

RESULTS AND CONCLUSION: Scanning electron microscopy showed that the surface roughness of polyethylene terephthalate fiber increased slightly after ozone oxidation, and there was no obvious evidence of cracking degradation. After ozone oxidation, peroxy groups were successfully introduced onto the surface of polyethylene terephthalate fiber with a concentration of 10^-⁵ mol/g. After ozone oxidation, the surface of the polyethylene terephthalate fiber did not show obvious degradation, and the mechanical property remained good. It can meet the requirement of the tensile properties of the artificial ligament material. Before ozone oxidation, the polyethylene terephthalate fiber lacked hydrophilic groups in the main chain, and hardly adsorbed toluidine blue. After ozone oxidation, toluidine blue absorption increased with the increase of hydrophilic groups on the surface of the fiber. All results suggest that ozone oxidation treatment not only ensures the mechanical property of polyethylene terephthalate fiber, but also introduces a sufficient amount of peroxy groups on its surface.

Key words: artificial ligament, polyethylene terephthalate, ozone, surface oxidation, peroxide density, deep cleanning, tensile properties, characterization

中图分类号:

史丰田, 张梅, 孙仕超, 陈书香, 李登云, 孙雪莲. 人工韧带聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的表面臭氧氧化[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(26): 4212-4216.

Shi Fengtian, Zhang Mei, Sun Shichao, Chen Shuxiang, Li Dengyun, Sun Xuelian. Ozone oxidation of the surface of artificial ligament material polyethylene terephthalate fiber[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(26): 4212-4216.

图/表（结果） 5

2.1 清洗结果聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维在聚合、纺丝、编织过程中携带了大量添加剂和未明杂质^{[14， 20]}，这些添加剂和杂质一方面影响表面的臭氧氧化效果，另一方面不利于人工韧带在植入体内后诱导细胞长入，且容易引起炎症性滑膜炎、软骨损伤等，因此对织物首先进行清洗是十分必要的^[21]。

从扫描电镜照片可看出，未清洗的人工韧带织物表面杂质较多，呈大块状黏附于纤维表面，见图2A；相反，经过清洗后的织物纤维表面非常干净，杂质很少，见图2B。结果表明所采取的清洗工艺效果显著，可有效去除织物上的杂质。洁净表面的获取，便于下一步表面臭氧氧化的顺利进行。

2.2 红外对比结果图3为臭氧化前后聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维纤维表面的红外光谱图，从图中可以看出经臭氧氧化后，在3 425 cm^-1处出现过氧基团的特征峰^[10，22] ,但由于聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维分子结构对称，纤维又经过拉伸取向，而且臭氧处理时间较短，生成的过氧基团含量较低，而且聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维本身羟基、羰基齐备，不可避免地对红外谱峰显示造成影响，导致过氧基团的峰高并不明显。

2.3 过氧基团含量检测结果臭氧处理使得聚合物表面产生活性基团，基团数量与材料、臭氧浓度、反应温度、臭氧氧化时间等有关。由于臭氧的强渗透性，氧化不仅可发生在聚合物表面，还可发生在材料内部^[23]。臭氧氧化的深度过大，势必会降低纤维本体的抗拉强度^[24]，因此控制臭氧化的程度，成为决定人工韧带性能的关键步骤。

从生产成本、臭氧氧化速度、臭氧氧化均匀度等角度考虑，采用室温、水溶液中进行臭氧氧化反应，由于臭氧浓度是发生器固定参数，所以在此只改变臭氧处理的时间，来考察过氧基团的生成效果。

由图4可见，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面上活性过氧基团的含量随着臭氧处理时间的增加而增加，初始线性关系良好，超过30 min后过氧基团的生成速率逐渐放缓。其可能的原因是：臭氧使聚对苯二甲酸乙二醇酯分子链受到高浓度强氧化剂的冲击，分子链上随之产生过氧基团，随着时间的增加，分子链与臭氧的接触愈加充分，因此其含量相应快速增加。但随着时间的进一步增加及聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面分子链臭氧化反应的结束，臭氧渗入到纤维本体内部也愈加困难，同时纤维表面生成的过氧基团开始不可避免的发生分解^[25]，因此过氧基团含量的增速愈趋于平缓。

从图可知，臭氧氧化时间30 min较为适宜，既可保证必要的过氧基团数量又不致臭氧化深度过大而影响聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维本体的力学性能，此时纤维表面的过氧化物浓度在10^-5 mol/g数量级。

臭氧氧化在聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面产生过氧基团，这些过氧基团在光、热的作用下可分解为自由基，自由基继而可引发乙烯基单体聚合，从而在聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面形成接枝聚合物^[26]。可以说过氧基团的成功引入，为进一步改善纤维表面性能打下了良好基础。

2.4 单丝力学性能检测结果臭氧氧化过程中，除在聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面引入羟基、羧基等基团外，还不可避免地引起聚合物降解，导致纤维力学性能下降^[12]。而对人工韧带而言，其力学性能尤其是拉伸性能，必须与正常成年人体韧带相似是韧带重建的首要标准^[27]。因此，必须明确臭氧化前后纤维的力学性能的变化。

从图5可看出臭氧氧化后，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的断裂强力和断裂伸长率均出现下降。根据行业标准要求，人工韧带的断裂强度通常要在3 cN/dtex以上^[28]，因此在满足纤维表面有充足的活性基团的情况下，有必要保证纤维力学性能有较多的富余。故选择臭氧化的时间30 min，此时聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的断裂强度>7 cN/dtex，力学性能损失不超过10%，完全满足人工韧带产品对聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维拉伸性能的要求。

2.5 甲苯胺蓝吸附结果甲苯胺蓝为一种碱性染料，其分子可与-COOH、-OH等基团发生比例吸附关系，因此甲苯胺蓝既可使织物的处理效果直观化，更可用作表面亲水基团的定量分析^[10，29]。由于前述已完成过氧基团的碘量法测试，因此在此次实验中，甲苯胺蓝染色仅用于臭氧氧化前后表面处理效果的观察。

由图6可见，臭氧氧化前后的聚对苯二甲酸乙二醇酯织物颜色有明显差别，未经臭氧处理聚对苯二甲酸乙二醇酯主链上由于缺乏亲水性基团，与甲苯胺蓝分子的结合较少，也很不牢固，很容易被NaOH溶液冲掉，因此聚对苯二甲酸乙二醇酯织物依然为白色，表现出几乎不吸附甲苯胺蓝。与之相对，经臭氧处理后，聚对苯二甲酸乙二醇酯主链上的亲水基团大为增加，并与甲苯胺蓝分子形成牢固结合，因此织物表现出明显的蓝色。

2.6 表面形貌观察结果臭氧处理对聚合物表面有刻蚀作用^[30]。从图7可看出经臭氧氧化后，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面的粗糙度稍有增加，但并未观察到明显的龟裂降解迹象。表明采用较低的臭氧浓度、较低的反应温度和较短的臭氧氧化时间，可保证纤维的氧化只发生在表面浅层，这也从另一侧面进一步印证了图5所示的纤维拉伸性能并未出现明显下降结果。

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引言

相对于自体韧带和异体韧带，人工韧带材料来源广、强度大、恢复快，无供区并发症及疾病传播风险，能很好地避免自体及异体移植物的不足之处，因此在韧带重建术中得到广泛应用^[1-2]。人工韧带最常用的材料是聚酯纤维(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。聚对苯二甲酸乙二醇酯具有较好的物理性能和化学惰性，在人体内力学性能稳定，并且对体液有高抗渗透性^[3]，当前临床常用的LARS、Leeds-Keio、Ligastic等人工韧带均由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维编织而成^[4]。然而，聚对苯二甲酸乙二醇酯分子结构对称、结晶度高，且分子中无强极性基团，故其表面亲和性较差，不能促进细胞的生长和代谢，即不具有良好的细胞相容性，因此需要对材料表面进行改性处理^[5-7]。

目前常用的对人工韧带聚对苯二甲酸乙二醇酯材料进行表面改性的方法有碱处理^[8]、等离子体处理^[9]、臭氧处理^[10]、射频辉光放电等^[11]，在这些方法中，臭氧处理能够在具有复杂形状的聚合物表面均匀地引入含氧基团，不需要化学试剂，无残余污染性副产物，需要的设备简单，价格低廉，操作容易，因此在聚合物改性领域日益引起关注^[12]。

针对国产人工韧带依然为空白、患者医疗成本高昂的现状^[13]，北京万洁天元医疗器械股份有限公司公司致力于人工韧带的国产化开发，通过表面改性提高人工韧带的生物相容性，明确了对聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维进行臭氧氧化继而引发接枝聚合的技术路线。实验仅就表面处理的第一阶段即采用臭氧氧化在聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面引入过氧基团部分作一介绍，过氧基团引入为纤维后续的进一步功能化(如接枝乙烯基亲水性单体)打下了良好基础。

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材料方法

1.1 设计人工韧带纤维材料表面臭氧氧化工艺及理化性能表征的基础研究。

1.2 时间及地点实验于2017年10月至2018年12月在北京万洁天元医疗器械股份有限公司实验室进行聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的表面臭氧氧化工艺研究。

1.3 材料聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝，由浙江古纤道新材料股份有限公司提供，采用全幅衬纬编链经编工艺，得到人工韧带经编坯布，见表1；甲苯胺蓝(纯度>99%，上海麦克林生化科技有限公司)；四氢呋喃、氢氧化钠(NaOH)、硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)、碘化钾(KI)(北京国药集团，分析纯)；臭氧产自广州佳环电器科技有限公司制造的YT-015-10A型臭氧发生器。

1.4 实验方法

1.4.1 清洗^[14-15]将人工韧带经编坯布裁成1.5 cm×3.5 cm的样品，按如下步骤清洗：水中室温超声60 min，以尽可能除去表面固体类杂质；5%碳酸钠溶液煮沸60 min，以除去小分子酸；乙醇清洗不少于3次；四氢呋喃清洗15 min，以除去低聚物并适度溶胀。

1.4.2 臭氧氧化在带有搅拌器的三口瓶中加入蒸馏水，将清洗好的人工韧带样品放入水中，室温下通入臭氧进行氧化处理^[16]，样品取出拭干后室温真空脱气30 min^[17-18]，除去吸附的O₃和O₂。臭氧氧化基本反应条件：室温、氧气流量 1 L/min、水中臭氧质量浓度10 mg/L，臭氧氧化时间30 min。

1.5 主要观察指标

1.5.1 红外分析使用Cary 630型傅里叶变换红外光谱仪对纤维进行分析，在波数4 000-500 cm^-¹内扫描。

1.5.2 过氧基团含量^[19] 将样品放入100 mL的锥形瓶中，依次加入适量异丙醇、饱和碘化钾和冰醋酸，边加热边摇匀，沸腾2-5 min后直接用Na₂S₂O₃标准溶液滴定，直到黄色消失。按下式计算表面过氧化物的浓度c(mol/g)：c=10^-3×V×C/m，式中V为消耗的Na₂S₂O₃溶液的体积(mL)，C为Na₂S₂O₃溶液的浓度(mol/L)，m为聚对苯二甲酸乙二醇酯经编布质量(g)。重复实验3次，取平均值。

1.5.3 甲苯胺蓝吸附^[18] 人工韧带样品置于0.5 mmol/L，pH=10的甲苯胺蓝溶液中，于30 ℃下浸泡6 h，然后用 1 mmol/L的NaOH充分洗涤，蒸馏水冲洗，真空常温干燥24 h，记录甲苯胺蓝吸附情况。

1.5.4 单丝力学性能采用宁波纺织仪器厂YG006型电子单纤维强力仪，拉伸性能参照GB/T 14337-2008进行测试，夹持长度10 mm，拉伸速度10 mm/min，见图1。每个试样重复5次，取平均值。

1.5.5 纤维表面形貌采用Philips公司的XL30ESEM TMP扫描电子显微镜观察聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维形貌。

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