電紡絲電吹法制備透明質(zhì)酸納米纖維薄膜研究

摘要：文章通過研究電紡絲透明質(zhì)酸納米纖維薄膜過程中的各種影響參數(shù)，創(chuàng)造性地提出了用“電吹”紡絲技術(shù)來克服電紡絲中遇到的困難，成功制備了透明質(zhì)酸納米纖維薄膜，并分析了各種參數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：透明質(zhì)酸；電紡絲

中圖分類號：TQ340.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0001-03

1透明質(zhì)酸概述

透明質(zhì)酸（Hyaluronic Acid簡稱HA），是一種酸性粘多糖，廣泛存在于動物的組織細(xì)胞間質(zhì)(基質(zhì))和某些細(xì)菌的莢膜中，1934年由美國Meyer等人首先從牛眼玻璃體中分離出該物質(zhì)。它由等摩爾的葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖結(jié)構(gòu)單元組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

它是一種性能優(yōu)良的生化物質(zhì)，可用作分子篩，減震器及膠原質(zhì)纖維的支撐體。另外，由于其獨(dú)特的流變性和優(yōu)良的生物相容性，更具有廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如眼科學(xué)、藥物傳遞、皮膚學(xué)、外科手術(shù)、醫(yī)療移植等。

近年來，電紡絲技術(shù)作為一種制備非紡織納米纖維薄膜的有效方法而備受關(guān)注。區(qū)別于傳統(tǒng)紡絲，電紡絲是指聚合物溶液或熔體在外加電場作用下的紡絲工藝。在電場力作用下，處于紡絲噴頭的聚合物溶液或熔體液滴，克服自身的表面張力而形成帶電細(xì)流，在噴射過程中細(xì)流分裂多次，經(jīng)溶劑揮發(fā)或固化后而形成超細(xì)纖維，最終被收集在接收屏上，形成非織造超細(xì)纖維膜，或附加特殊裝置，將超細(xì)纖維紡成紗線。在一定條件下，受靜電排斥力、庫侖力和本身表面張力的共同作用，聚合物細(xì)流會沿著不穩(wěn)定的螺旋軌跡彎曲運(yùn)動，在幾十毫秒內(nèi)被牽伸千萬倍，從而形成納米級至亞微米級（5~1 000 nm）超細(xì)纖維。靜電紡絲所得到的纖維比常規(guī)方法得到的纖維細(xì)度小，所以其非織造薄膜具有超高的比表面積和孔隙率，可用于增強(qiáng)聚合物納米復(fù)合材料、過濾膜材、功能性織物保護(hù)涂層、傳感器、納米模板和生物醫(yī)用材料等。目前，許多研究者熱衷于用此方法來研究制備新型的納米纖維薄膜。

納米纖維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電紡絲薄膜比表面積非常高，在生物醫(yī)療中具有巨大的應(yīng)用價值，它可用作組織再生的模板，傷口包合材料，人工血管，防止手術(shù)后引發(fā)粘附的材料等。Li等報道了該類膜材料能提高細(xì)胞-機(jī)體及細(xì)胞-細(xì)胞間相互作用，在組織工程上有很大應(yīng)用[1]；Kenawy等發(fā)現(xiàn)PLA，EVA電紡絲膜可望用于藥物傳遞[2]；Jia等報道了電紡膜能有效提高固定酶的催化效率[3]。

目前，交聯(lián)和非交聯(lián)的HA作為一種生物材料在醫(yī)療領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。鑒于上述理由，用電紡絲制備HA納米纖維薄膜，尤其是交聯(lián)狀態(tài)的、不溶于水的薄膜，是一個研究熱點(diǎn)，具有重要意義和應(yīng)用價值。然而，大家都知道，HA溶液的電紡絲困難重重，到目前為止還沒取得成功。其中最大的問題是HA溶液粘度極高，表面張力很大。

因此，針對上述問題，為了成型像HA這樣的高粘度溶液，我們系統(tǒng)的研究了不同的方法和手段來改善電紡絲技術(shù)。經(jīng)過研究，最終我們發(fā)現(xiàn)了通過空氣電吹和電紡絲技術(shù)相結(jié)合，能夠克服上述問題，成功紡絲HA溶液，制備HA納米纖維薄膜。同時，在文中我們還討論了紡絲過程中的各種參數(shù)和影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1HA溶液制備

透明質(zhì)酸樣品從Denki Kagaku Kogyo Co.Ltd購買，純化。在蒸餾水中加入HCl得pH為1.5的酸溶液，然后在緩慢攪拌下加入適量HA樣品溶解，得電紡絲和電吹用HA溶液。

2.2電吹紡絲過程

電吹技術(shù)實(shí)際上是在電紡絲設(shè)備上的改進(jìn)，如圖2所示：注射器中的HA溶液由程序泵輸送到電極的出口孔，溶液的輸送速率為5~10 μL/min。收集盤上包裹鋁薄，用來收集紡出的HA薄膜。電紡和電吹都需要很大的電場力，目前最高的電場為40 kV，兩電極間最短距離為9.5 cm。對于電吹紡絲過程，實(shí)際上是在電紡絲設(shè)備上附加了一個吹氣系統(tǒng)，吹氣系統(tǒng)由兩部分組成：加熱器和吹風(fēng)機(jī)，可方便控制溫度和冷卻速率，電吹紡絲過程的條件與電紡絲過程基本相同，只是其溶液輸送速率為40 μL/min。

2.3樣品表征

HA溶液的剪切速率用機(jī)械流變分光計（RMS-605E，Rhemetrics Inc，NT）來檢測，分析制備納米纖維的合適粘度范圍及電紡絲和電吹過程的粘度影響。HA薄膜的表面形態(tài)用SEM表征（LEO1550，LEO，德國），分析成型參數(shù)對納米纖維薄膜成型的影響。

2.4結(jié)果與討論

2.4.1HA溶液的電紡絲

①HA溶液的濃度影響。在電紡絲中，高聚物的濃度可說是一個最重要的影響因素。溶液的濃度低，高分子鏈之間的纏結(jié)就小。此時，當(dāng)溶劑被蒸干時，就會產(chǎn)生線頭狀的形貌，不會形成纖維結(jié)構(gòu)；如果溶液濃度太高，分子鏈纏結(jié)嚴(yán)重，體系粘度大，電場力可能克服不了高粘度帶來的阻力，導(dǎo)致噴射失敗，最終無法完成電紡絲過程。因此，電紡絲操作過程需要有一個適當(dāng)?shù)臐舛确秶谶@個范圍內(nèi)，既要有足夠的分子鏈纏結(jié)，又不能使體系粘度過高阻礙聚合物的噴射。一般說來，纏結(jié)意味著粘度增大和溶液表面張力增加，所以電紡絲操作的粘度范圍很有限。這里，對HA樣品溶液來說，它沒有表現(xiàn)出能夠保持穩(wěn)定初始噴射的濃度范圍，這就說明它沒有能符合制備納米纖維全部所需條件的粘度范圍。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對電紡絲來說，其較好的粘度范圍為1.3~1.5 w/v%，很窄，相應(yīng)的粘度為3~30 Pa·s。由于在這一范圍內(nèi)噴射的穩(wěn)定性仍舊很差，其結(jié)果難以令人滿意。

②添加低分子量的HA進(jìn)行共混。對電紡絲來說，高分子鏈纏結(jié)達(dá)到交迭濃度才能導(dǎo)致纖維成型。然而，HA的溶液濃度一旦超過交迭濃度，其粘度會迅速上升，這對操作極為不利。因此，在高濃度下如何去降低溶液粘度至關(guān)重要。我們發(fā)現(xiàn)如果共混進(jìn)一些低分子量的HA，結(jié)果表明能夠在不影響濃度的情況下改善體系的粘度。

③在溶液中加入乙醇的影響。雖然把高分子量和較低分子量的HA共混能夠改善一些情況，但要制備較好的HA納米纖維薄膜，最終還是不行。主要問題是在特定濃度下，電紡絲時分子量大的HA的濃度達(dá)不到納米纖維所需的成型濃度。由于我們不能通過增加溶劑濃度來降低溶劑用量，那么可以選取一種蒸發(fā)速率很快的溶劑體系。這里，我們通過添加乙醇，較大的改善了電紡絲中的纖維成型條件。但是，噴射的穩(wěn)定性還不夠理想。

2.4.2HA溶液的電吹紡絲

盡管想盡各種辦法改善電紡絲中的困難，但效果不盡理想。受乙醇溶劑體系的啟發(fā)，溶劑的蒸發(fā)可以通過吹風(fēng)來加速，尤其是在高溫下。因此，這里我們在傳統(tǒng)的電紡絲設(shè)備上引入空氣吹風(fēng)系統(tǒng)，不僅可增加溶劑的揮發(fā)速率，而且能夠引入額外的噴射成型推力。這一新體系我們稱為“電吹”。下面我們通過電吹制備HA納米纖維，并討論了一些相關(guān)的參數(shù)的影響，如吹風(fēng)速率和空氣溫度。

①吹風(fēng)速率的影響。這里，我們研究了吹風(fēng)速率的影響。如果沒有吹風(fēng)，2.5 w/v%HA溶液的電紡絲結(jié)果是形成線頭結(jié)構(gòu)并噴射極不穩(wěn)定。隨著吹風(fēng)速率的增加，纖維的成型能力增加。在速率為150 ft3/hr時，雖然沒產(chǎn)生堅(jiān)固的纖維產(chǎn)品，但卻獲得了穩(wěn)定的噴射，這表明：吹風(fēng)體系和電紡絲聯(lián)用能大大增加纖維的成型能力。然而，單靠空氣吹風(fēng)使溶劑揮發(fā)還是不夠的。一種解決方法是提高吹風(fēng)空氣的溫度。

②吹風(fēng)空氣溫度的影響。為此，我們研究了不同溫度的空氣的影響效果。隨著空氣溫度的增加，纖維成形能力也增加。隨著溫度增加到47 ℃，噴射充分穩(wěn)定，產(chǎn)出的納米纖維結(jié)構(gòu)大部分是我們希望的，只有小部分是珠狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升到57 ℃時，持續(xù)穩(wěn)定的噴射確立，產(chǎn)品優(yōu)良，纖維的直徑分布均勻。如圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示。

用電吹紡絲法成功制備HA納米纖維主要?dú)w功于兩個新參數(shù)：吹風(fēng)速率和吹風(fēng)溫度。吹風(fēng)有利于拉伸流體，補(bǔ)助電場力，同時能夠加速溶劑的蒸發(fā)。隨著吹風(fēng)速率的增加，分子鏈拉伸能力和蒸發(fā)速率都提高。吹風(fēng)溫度主要有利于溶劑的揮發(fā)，另外是促進(jìn)電紡絲過程。當(dāng)熱空氣吹過時，HA溶液也同時被加熱，溶液溫度的升高導(dǎo)致粘度的下降，有利于操作的進(jìn)行。不同溫度的剪切粘度如圖4所示。

經(jīng)研究，纖維的直徑與吹風(fēng)溫度有關(guān)。在25 ℃和39 ℃，纖維質(zhì)量不好，直徑大小不一。然而，當(dāng)溫度升高至47 ℃~57 ℃時，纖維直徑也從49 um變?yōu)?4 m，因此，我們還可利用控制空氣溫度這一參數(shù)來控制HA納米纖維的直徑。

3結(jié)語

文章通過詳細(xì)研究電紡絲HA溶液的各種影響參數(shù)和存在困難，提出了許多改善辦法HA并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造性的提出了用電吹紡絲法來制備HA納米纖維的新技術(shù)方法HA通過在電紡絲設(shè)備上引入空氣吹風(fēng)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電紡絲技術(shù)的不足，成功制備了具有巨大應(yīng)用價值的HA納米纖維。本文研究的創(chuàng)新之處在于通過研究電紡絲的各種影響參數(shù)，結(jié)合原有設(shè)備條件，對原有設(shè)備進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，從而成功解決了HA納米纖維的制備問題。其實(shí)這類科研方法的思路并不陌生，其實(shí)用許多設(shè)備的改進(jìn)和結(jié)合使用來改善性能的例子也有不少，如色譜和質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用、核磁共振與質(zhì)譜聯(lián)用等。在材料開發(fā)中，復(fù)合材料就是綜合了各種材料的優(yōu)良性能的一類材料。對于生物大分子的研究，其中表征是非常重要的一步，如果有時單一的表征手段不能解決問題，那么可以試著做一些改進(jìn)或多種表征手段結(jié)合使用，發(fā)揮每種方法的優(yōu)點(diǎn)。

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