摘要：
在试样加速老化前后研究了 Elast-Eon 3（一种具有聚（二甲基硅氧烷）和聚（六甲基氧化胺）链段的聚氨酯）圆柱体（直径 5 毫米，高度 2.2± 0.2 毫米）的粘弹性能 在 70 ℃ 的盐水溶液中放置 38、76 和 114 天（模拟 37℃ 下的老化，分别为 1、2 和 3 年）。试验时将所有试件浸入37℃的生理盐水溶液中，采用动态力学分析（DMA）进行性能测量。在 0.02–100 Hz 的频率范围 f 上应用 40 N± 5 N 的正弦循环压缩。发现存储值 E' 和损失值 E" 模量取决于 f；E' 或 E'' 对 f 的对数（以 10 为底）的依赖性由二阶多项式表示。加速老化后，E'和E”显着增加（pb0.05），样品变得更暗，更不透明。SEM 图像显示加速老化影响了表面形态，但 ATR-FTIR 光谱未显示表面化学有任何明显变化。DSC 热分析图显示加速老化后热性能发生一些轻微变化。
一、简介
具有聚（二甲基硅氧烷）(PDMS) 和聚（六亚甲基氧化物）(PHMO) 软链段的聚氨酯（图 1）已被合成，作为外科植入物硅弹性体的替代品，并以 Elast-Eon 的名称销售。最近，有人提出 Elast-Eon 可用于手指和手腕的柔性人工关节，目前这些关节由医用级有机硅弹性体制成，但骨折率很高。也有人提出，Elast-Eon 优于有机硅弹性体的优势，包括提高的拉伸强度和抗撕裂性，使其成为手指和手腕植入物中有机硅弹性体的可能替代品。此外，有人提出，Elast-Eon 在生物体液中的化学稳定性可能会导致避免硅胶滑膜炎，这是与硅胶弹性体植入物相关的另一种并发症。ElastEon 和聚氨酯的其他医疗应用包括心血管应用、导管和重建手术材料。
图1：(a) 聚氨酯、(b) 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和 (c) 聚（六亚甲基氧化物）(PHMO) 中重复单体单元的结构式。
弹性体的粘弹性在柔性接头中很重要，可确保在力移除后，在合理的时间内具有所需的刚度和反冲力。这些特性（包括蠕变、应力松弛和滞后）可以通过两个参数的值来定义：存储模量 E' 和损耗模量 E"。E' 表示材料的弹性响应，其中使材料变形所做的功存储为随后用于反冲的势能；E”表示材料的粘性响应，其中耗散提供给材料的能量。这两个参数与粘弹性材料的杨氏模量 E* 相关：
对于有机硅，E'、E" 和 E* 可能取决于施加力的频率 f，因此还需要确定 Elast-Eon 的频率依赖性。弹性体的弹性理论非常复杂，以至于 E' 和 E'' 的值不容易与聚合物的化学结构相关联；在大多数情况下，最好将它们视为散装材料的经验特性。
适合植入体内的材料的特性在其保质期或植入期间不应恶化到不可接受的程度。Elast-Eon 已被植入绵羊体内，但与打算在体内保留多年的植入物相比，植入时间较短。植入材料的性能也可以通过对在人体中失效的植入物进行检索研究来确定。然而，材料在植入前需要进行体外研究。
随之而来的问题是，与植入材料在人体中的预计寿命（可能为 20 年左右）相对应的研究是不可行的；克服这个问题的传统方法是使材料经受高温，称为“加速老化”。通过以增量 ΔT 增加温度，可以将材料的老化加速 2ΔT/10 倍。因此，将材料在 70 °C 下保持 38 天相当于在 37 °C 下老化 38×2(70−37)/10=380 天，或刚好超过 1 年。
Elast-Eon加速老化（70℃2周，相当于37℃20周）表明，经过高压灭菌的材料出现降解和表面开裂而经过环氧乙烷或 γ 辐照灭菌的材料没有发生降解和表面开裂。
没有任何体外试验可以完全模拟人体的情况；此类测试旨在确保在将材料纳入临床试验设备之前没有明显的危害。加速老化的假设是聚合物的降解遵循一级动力学，升高的温度不会引起任何在 37 °C 时不会发生的化学变化或相变。因此，对加速老化前后的 Elast-Eon 进行了研究，以确定可能发生的其他变化。差示扫描量热法 (DSC) 用于表征热性能，因为它们与粘弹性一样是散装材料的特征。扫描电子显微镜 (SEM) 用于在微观水平上检测 Elast-Eon 形态的任何明显变化；然而，由于它提供了有关表面的信息，因此结果不能简单地与 E' 和 E" 的任何变化相关。衰减全反射傅里叶变换红外 (ATR-FTIR) 光谱用于检测表面化学结构的变化，这些变化可能与 SEM 检测到的任何形态变化有关。然而，本文的主要目的是确定加速老化前后 ElastEon 的粘弹性能。
二、材料与方法
2.1. 材料
Elast-Eon 3 由制造商（AorTech Biomaterials Pty Ltd., Frenchs Forest, Australia东莞市富临塑胶原料有限公司可提供）提供，作为材料的固化圆柱体，用于之前的工作，于 2002 年；其性能列于表1。然后将其储存在空气中，室温，黑暗中，直到2007年。将原始圆柱体切割成六个圆柱体试样（直径5 mm，高度2.2±0.2 mm），对于此处报告的实验，使用 Colchester 5*20 Chipmaster 车床（Rockwell Machine Tools Ltd.，Redditch，B98 7SY，UK）。所得测试样本符合英国标准 BS 903-A6:1992 中关于橡胶样本压缩测试的纵横比。这对弹性体很重要，因为圆柱形试样的半径与高度之比对结果有很大影响。
表1：制造商（AorTech Biomaterials Pty Ltd.，澳大利亚）提供的 Elast-Eon 3 的特性摘要。结果从压塑片材获得，在环境条件下调节至少 7 天。
a 硬度计通常用于通过对材料施加力并测量材料中产生的压痕深度来测量弹性体的硬度。A 型硬度计用于较软的材料，例如弹性体。
2.2. 测试环境
测试六个样品，一次一个，在一个装有生理盐水溶液（9.5 g L^(-1) 氯化钠的去离子水中）的池中，在 37 °C 下被循环水套包围，以模拟体内条件， 与之前关于有机硅弹性体的工作一样。直到生理盐水溶液的温度稳定在37℃才开始测试。
2.3. 测量粘弹性
本次调查使用了与有机硅弹性体研究中描述的相同的测试设备和协议。使用带有 225 N 称重传感器（标称精度 ±0.005 N）的机械试验机（ELF 3200，BOSE Corporation，ElectroForce Systems Group，Minnesota，USA）进行所有测试。
初步实验表明，载荷/变形曲线有一个以 40 N 静态载荷为中心的线性部分。因此，对六个样本进行了正弦循环压缩测试，在 0.02–100 Hz 的频率范围内以 22 个不同的频率在 40 N 的负载的任一侧振荡 5 N。在 0.02 和 0.5 赫兹之间应用四个正弦循环。在 0.5 Hz 以上，循环数随频率增加，在标准机器软件的控制下，在 100 Hz 时达到最大 625 个循环。所有测试均使用 WinTest DMA 软件（BOSE Corporation, ElectroForce Systems Group, Minnesota, USA）进行控制。测试开始后，系统将负载斜升至 40 N 并保持 5 秒，以允许在测试前发生任何蠕变。
动态循环开始后，将样本预循环 5 秒，以便在采集数据之前稳定样本。因此，在每个动态加载循环之间允许有 10 秒的休息时间，以便样本恢复。这些时间是在初步测试表明它们足以获得可重现的结果之后选择的。
2.4. 加速老化
六个样品通过将它们浸入生理盐水溶液中并将它们放置在 Carbolite 自然对流实验室烤箱（Carbolite，Hope Valley，S33 6RB，UK）中在 70°C 下老化 38,76 和 114 天，分别相当于在 37 °C 下老化 1、2 和 3 年。38、76 和 114 天后，使用与上述相同的程序测量粘弹性。
2.5. 统计数据
根据对每个样本进行的六次测量，计算每个 f 值的 E' 和 E" 的平均值和标准偏差。结果根据 f 的对数（以 10 为底）绘制，以 Hz 为单位测量，二阶多项式拟合以给出通过数据点的直线的平滑表示。通过计算上下 95% 置信区间，比较加速老化前后的结果。这些区间代表找到真实平均值的概率为 95% 的区域。如果上下 95% 置信区间不重叠，则它们没有差异的概率 p 小于 0.05。所有统计计算均使用电子表格（Excel 2003，Microsoft，Reading，UK）进行。
2.6. 扫描电镜
在 SEM (FEI/Philips XL30 ESEM-FEG; FEI, Hillsboro, Oregon 97124, USA) 下检查样品（加速老化前后）。样品在检查前涂有铂金。每个样本的图像都是在 100 到 10,000 的放大倍数下收集的。
2.7. ATR-傅里叶红外
ATR-FTIR 用于研究加速老化前后样品表面化学结构的变化。分析是在 Nicolet Magna-IR 680 傅里叶变换红外光谱仪上进行的，在所附计算机上使用相应的 OMINIC 软件（Thermo Fisher Scientific UK Ltd.，Loughborough，Leicestershire，LE11 5RG，UK）。
在加速老化前后的 600 和 4000 cm^(-1) 之间记录光谱并进行比较。通过查阅文献指定光谱峰。
2.8. 差分扫描仪
Mettler Toledo DSC 821e（Mettler-Toledo Ltd., Leicester, LE4 1AW）配备了用于低温冷却的液氮冷却附件，用于运行实验。样品在密封的铝盘中循环。
DSC 在 −150 至 60 °C 的温度范围内以 10 °C/min 的恒定加热速率对 Elast-Eon 3 样品（加速老化前后）进行，并记录温谱图。首先将样品淬火冷却至 −150 °C 的起始温度。空气用作空盘中的参考材料。玻璃化转变温度由热分析图测量。
三、结果
3.1. 频率对粘弹性的影响
图 2 显示了 Elast-Eon 的 E' 和 E" 的频率依赖性。随着 f 值的增加，E' 值逐渐增加。E″ 值远小于 E′ 值，并且对 f 的依赖性不太明显，尤其是低于大约 0.5 的 log10f 值（对应于 f≈3 Hz）。表 2 列出了二阶多项式的系数，这些系数使 E' 和 E'' 能够在载荷-变形曲线的线性区域中作为 f 的函数进行计算。
图2： 在 70 °C 的生理溶液中加速老化之前（■）和之后（□）的结果比较，（a）储能模量，E'，（老化 114 天），（b）损耗模量，E″ ，（老化 114 天），针对加载频率 f 的对数（以 10 为底）绘制。误差线表示 95% 置信区间的上限和下限。显示的线是最适合数据的二阶多项式。
表2：拟合 E' 和 E'' 实验结果的多项式系数。这些系数可用于根据 E=a0+a1(log 10f)+a2(log 10f)² 计算相应的模量 E。R² 是相关系数的平方，它表示多项式曲线与数据的拟合程度。当 R²= 1 时，存在完美的相关性。
3.2. 加速老化对粘弹性能的影响
图 2a 显示加速老化对 E' 值有影响。由于老化，E' 的值显着增加 (pb0.05)。此外，E' 对 log10f 的斜率似乎增加了。图 2b 显示，在加速老化后，在整个频率范围内，E" 值也有轻微但显着的增加。比较 38 天和 76 天或 114 天后获得的 E' 值，表明在样品进一步加速老化后，E' 增加。
3.3. 扫描电镜
放大 10,000 倍的 SEM 图像如图 3 所示。加速老化导致 Elast-Eon 表面粗糙。
图3SEM 图像（放大 10,000）（a）加速老化前和（b）加速老化后。
3.4. ATR-傅里叶红外
加速老化前后的ATR-FTIR光谱如图4所示，图中标出了峰的波数；分配在表 3 中给出。加速老化没有出现或消失峰。尽管一些峰的强度似乎有所增加（在大约 1000 cm^(-1)），但基线似乎也有所增加（在 2000 cm^(-1) 以下尤其明显）。因此，没有令人信服的证据表明加速老化会导致光谱发生任何变化。
图4：加速老化之前 (–) 和之后 (- -) 的 ATR-FTIR 光谱。
表3：图 4 所示的 ATR-FTIR 光谱的峰分配列于此处。通过查阅文献指定光谱峰。
3.5. 差分扫描仪
加速老化前后的 DSC 热分析图如图 5 所示，获得的玻璃化转变温度 Tg 值如表 4 所示。加速老化后 Tg 值略有下降。
图5：加速老化之前 (–) 和之后 (- -) 的 DSC 热分析图。
表 4：使用 DSC 获得 Elast-Eon 3 的 Tg1 和 Tg2 测量值。Tg1 和 Tg2 分别对应于软（PDMS）和硬（聚氨酯）链段的 Tg 值。
3.6. 色变
加速老化改变了样本的外观。在老化之前，它们是透明的，带有非常轻微的黄色。老化后，它们变得更暗、更不透明。
四、讨论
Elast-Eon 的粘弹性质在性质上与我们之前研究过的有机硅的粘弹性质相似。Elast-Eon 的存储模量 E' 和损耗模量 E" 都取决于加载频率 f。
对于 ElastEon 应力-应变曲线的线性区域，表 2 中的结果可以计算出 0.02–100 Hz 范围内的任何频率的值。然而，E' 的频率依赖性比 E'' 的频率依赖性更明显，尤其是当 f 小于约 0.3 Hz 时。此外，E" 值始终远小于 E' 值，这表明在压缩时提供给 Elast-Eon 的大部分能量都被存储并用于反冲，即这种能量很少被耗散。如果 E' 远大于 E"，则弹性体将储存大部分变形能量，其中并非所有变形能量都是反冲所必需的；那么就存在一种危险，即耗散这种能量的主要机制将发生断裂。
Elast-Eon 的粘弹性能在 70 °C 下受到加速老化的显着影响。由于加速老化，E' 和 E" 的值都显着增加，尽管 E' 值的影响更大。
此外，E' 相对于 log10f（图 2a）绘制的图表的斜率似乎由于加速老化而增加。虽然加速老化会影响用于颌面植入物和牙科衬里的简单聚氨酯，但这种影响会导致机械性能下降，而不是此处显示的硬化。加速老化的结果与 Elast-Eon 的杨氏模量在羊体内植入 6 个月或 12 个月后增加的观察结果一致。
加速老化假设升高的温度不会导致在 37 °C 时体内不会发生的化学反应。在 Elast-Eon 中观察到变色表明加速老化引起了一些化学变化。
然而，在 37℃ 的牛血中浸泡 28 天后，简单的聚氨酯也观察到变色，这表明在该温度下可能会发生导致变色的反应。有人提出，硅胶的交联密度和模量在水中储存后会增加。Elast-Eon 的 PDMS 链段可能会发生交联增加（因为 PDMS 是一种硅胶），这会增加其模量 . 不幸的是，我们发现 Elast-Eon 3 溶解在用于溶胀有机硅和聚氨酯的液体中，以测量交联密度，因此没有简单的方法来检验这一假设。在含水环境中储存后表面特性的变化也可能影响材料的特性。之前的研究表明，经过环氧乙烷或γ-辐照灭菌并在 70 ℃ 下加速老化 2 周后，Elast-Eon 没有降解或表面开裂的迹象。然而，在 70 ℃ 下高压灭菌和加速老化 2 周后，观察到了 ElastEon 降解或表面开裂的迹象。
在本研究中，加速老化后观察到 Elast-Eon 的表面开裂，但 ATR-FTIR 光谱未显示表面化学成分有任何明显变化。然而，DSC 热分析图显示材料的热性能略有变化。该结果表明在加速老化过程中发生了一些化学变化，并且与观察到的变色一致。散装材料属性的变化也与 E' 和 E" 中发生的变化一致。然而，无法确定这些变化的性质。此外，如果 Elast-Eon 在 37 °C 下老化 3 年，则无法确定在此温度下是否会发生等效变化。
因此，建议在将 Elast-Eon 用作手指和手腕植入物中的硅胶替代品之前，需要进一步研究以确定老化如何影响其特性。
Elast-Eon 的主要竞争对手是医用级有机硅弹性体。然而，据报道，Elast-Eon 的机械性能优于有机硅弹性体，包括更高的抗撕裂性和耐磨性、改善的弯曲疲劳寿命和拉伸强度，使其成为关节置换应用中有机硅弹性体的有吸引力的替代品。然而， 如前所述，这项研究和之前的研究表明，加速老化会对 Elast-Eon 的特性产生不利影响。相比之下，多项研究报告称，加速老化不会对有机硅弹性体的性能产生不利影响。因此，这两种材料各有优缺点，在医疗器械开发的材料选择过程中需要加以考虑。
编辑 | 富临塑胶