聚氨酯/膠原蛋白復合納米纖維支架的性能

賈 琳, 陳莉娜, 張海霞, 覃小紅，2

(1. 河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

聚氨酯/膠原蛋白復合納米纖維支架的性能

賈 琳1, 陳莉娜1, 張海霞1, 覃小紅1，2

(1. 河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

針對聚氨酯(PU)力學性能較好，親水性較差，細胞在其表面的黏附較少，不適宜單獨作為血管組織工程支架材料的問題，為提高PU納米纖維支架的親水性和生物相容性，通過靜電紡絲制備不同比例的復合聚氨酯/膠原蛋白納米纖維支架，利用掃描電鏡、紅外光譜儀等觀察測試納米纖維支架材料的形態結構、化學性能等；并在納米纖維支架表面培養血管平滑肌細胞，通過掃描電鏡觀察細胞在支架表面的生長情況。結果表明：膠原蛋白的加入使纖維直徑從453 nm減小到了154 nm，平均孔徑尺寸從0.64 μm降低到了0.28 μm，而且增加了細胞在其表面的黏附和增殖；當聚氨酯和膠原蛋白的質量比為3∶1時，納米纖維支架的拉伸強度最大，生物相容性最好，表面黏附生長的細胞最多。

復合納米纖維； 靜電紡絲； 血管組織工程； 聚氨酯

靜電紡納米纖維具有納米級尺寸，大比表面積，與細胞外基質(ECM)的微觀結構更類似，被越來越多的研究者用作組織工程支架材料[1-2]。靜電紡納米纖維支架材料具有較高孔隙率，為細胞轉移和營養傳遞提供更好的通道；另外利用靜電紡絲可同時復合紡多種聚合物和生物活性材料，通過改變復合比例有效地調節支架材料的生物活性、生物降解性能和力學性能[3-4]，這些優勢使靜電紡復合納米纖維成為非常有潛力的組織工程支架材料。

納米纖維支架材料的化學組成影響細胞在其表面的生長黏附和遷移，聚乳酸、聚己內酯等具有良好降解性和生物相容性的納米纖維已被應用到各種組織工程中。血管組織工程要求其支架材料具有較高的柔韌性和力學拉伸性能，聚氨酯(PU)具有良好的生物相容性和非常優異的柔韌性[5]，曾被用作骨組織工程材料、人工心瓣的涂層材料和乳房移植物等[6]。本文選擇PU作為血管組織工程的支架材料，但是PU本身缺少一些細胞活性基團，單獨作為組織工程支架材料時不利于細胞的黏附和生長[7]。而膠原蛋白(Coll)作為血管細胞外基質的重要組成部分，是人體最重要的蛋白質之一，具有較低的抗原性和較高的細胞相容性和親水性，能促使組織再生[8]，因此，本文通過靜電紡絲復合紡的方法制備PU/Coll納米纖維，既保持PU納米纖維優異的力學拉伸性能，又可提高PU納米纖維的生物相容性，增強細胞在其表面的黏附和生長，為PU納米纖維在血管組織工程中的應用奠定了理論基礎。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

親水性聚氨酯(PU，美國路博潤公司)，Ⅰ型膠原蛋白(Coll,美國Sigma公司)，溶劑六氟異丙醇(HFIP，美國Sigma公司)。血管平滑肌細胞(SMCs，美國ScienceCell公司)。

Qanta 250掃描電子顯微鏡(捷克FEI公司)，CO2恒溫培養箱(日本SANYO公司)；CFP-1100AI滲透孔隙率儀(美國PMI公司)；VCA Optima水接觸角測試儀(美國AST公司)；Nicolet 6700傅里葉紅外光譜分析儀(美國Thermo公司)；Instron 5345拉伸試驗機(美國Instron公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米纖維膜的制備

配制質量分數為6%的 PU溶液，稱取一定量的PU顆粒置于10 mL的溶液配制瓶中，加入按比例量取的HFIP溶劑，室溫條件下放在磁力攪拌器上以500 r/min轉速攪拌24 h，將配好的溶液放置1 h，消泡后待用。配制質量分數為6%的 PU/Coll溶液，按3∶1、1∶1、1∶3的質量比稱取一定量的PU和Coll，加入HFIP溶劑，混合攪拌24 h后待用。

將配置好的溶液抽取到3 mL的注射器中并放置在注射泵上控制聚合物溶液的流速，紡絲電壓為15 kV，紡絲液流速為1.0 mL/h，接收距離為15 cm，利用接地的鋁箔接收納米纖維膜(將制得的純PU膜和以m(PU)∶m(Coll)為3∶1、1∶1、1∶3混合溶液制備的PU/Coll纖維膜分別編號為1#～4#試樣)。將納米纖維噴射到直徑為15 cm的蓋玻片上作為血管組織工程支架材料來培養細胞。

1.2.2 納米纖維膜形貌表征

將靜電紡納米纖維膜進行噴金處理，利用掃描電鏡(SEM)觀察納米纖維膜的形態特征。以納米纖維膜的SEM照片為基礎，利用ImageJ軟件隨機選擇100根納米纖維，測試纖維的直徑并求取平均值。

1.2.3 納米纖維膜孔隙率測試

將納米纖維膜從鋁箔表面剝離下來，在低氣壓條件下,利用毛細管滲透孔隙率儀測量PU/Coll納米纖維膜的平均孔隙直徑。在樣品無損的情況下,毛細管滲透孔隙率儀可對納米纖維膜的孔隙分布和孔隙直徑進行快速簡單的測試。

1.2.4 納米纖維膜親水性測試

利用水接觸角測試儀測試納米纖維膜的親水性。覆蓋有納米纖維膜的蓋玻片被放置在測試板的下方，將去離子水滴在納米纖維膜表面，測試3個不同的位置并記錄其水接觸角。

1.2.5 納米纖維膜紅外光譜測試

將納米纖維膜從鋁箔上剝離后直接放在紅外光譜分析儀上分析，紅外光譜的波數范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

1.2.6 納米纖維膜力學性能測試

利用樣品框架將納米纖維膜裁成尺寸為10 mm×20 mm的樣品，使用Instron拉伸試驗機對樣品進行拉伸性能測試，拉伸力為10 N，拉伸速度為10 mm/min，最后根據應力-應變曲線計算樣品的拉伸強度和斷裂伸長率。

1.2.7 體外生物相容性測試

將覆蓋有PU和PU/Coll納米纖維膜的蓋玻片放置在24孔板底部，利用紫外線對樣品照射2 h 進行消毒，在樣品中加入細胞培養液并放在培養箱中12 h以利于細胞的黏附。在不同納米纖維表面培養平滑肌細胞(SMCs)，密度為每孔8 000個細胞。將細胞放入培養箱中培養(標準環境37 ℃，每隔2 d換1次培養液)。8 d后取出，用PBS緩沖溶液(pH值為7.4)清洗殘余的培養液，3%的戊二醛對細胞固定3 h，然后利用質量分數為50%、70%、90%、100%的乙醇溶液分別對細胞脫水，每個乙醇溶液脫水10 min。將樣品放置在通風櫥中，使水分充分蒸發，噴金后在SEM下觀察細胞的形態特征。

2 結果分析

2.1 納米纖維膜的形貌分析

通過靜電紡裝置制備純PU和復合PU/Coll納米纖維，圖1示出納米纖維的SEM照片。

從圖1可觀察到平滑連續的且均勻分布的納米纖維。由于PU親水性較好，彈性較大，因此純PU納米纖維表面有一定程度的熔融，纖維黏連比較嚴重。加入膠原蛋白后，納米纖維之間的黏連現象減輕了，而且有效地減小了納米纖維的直徑。表1示出納米纖維的直徑和親水性能。由表可知，純PU納米纖維的直徑為(453±126)nm，而復合的PU/Coll納米纖維試樣2#、3#、4#的直徑分別為(269±83)、(206±78)和(174±61)nm。電鏡照片和直徑測量結果顯示明膠蛋白的加入減小了納米纖維的直徑，增加了納米纖維的均勻度。這可能是由于膠原蛋白的加入增加了復合溶液的導電性，膠原蛋白是一種兩性電解質，在有機溶液內能解離產生正電荷或負電荷，增加溶液的電導率，所以PU/Coll復合納米纖維的直徑較小，較均勻[9]。Jia等[10]在聚乳酸(PLLA)溶液中加入了膠原蛋白，分別制備了純的PLLA納米纖維和復合的PLLA/Coll納米纖維。結果發現，隨著膠原蛋白的加入，納米纖維的直徑從430 nm降低了210 nm，其結果與本文研究結果一致。

表1 納米纖維的直徑和親水性能Fig.1 Diameter and hydrophility of nanofibers

2.2 納米纖維膜的孔隙率分析

納米纖維膜的孔隙率和孔隙直徑對納米纖維應用有很大的影響，特別是在組織工程、過濾材料和藥物釋放等方面。研究發現，納米纖維膜材料的平均孔隙尺寸與納米纖維膜的厚度、納米纖維的直徑有關[11]，本文的純PU納米纖維膜和復合的PU/Coll納米纖維膜的厚度約為35 μm。利用毛細管滲透孔隙率儀測量靜電紡納米纖維膜的平均孔隙直徑，其結果見表1。試樣1#、2#、3#、4#納米纖維膜的平均孔徑是0.64、0.35、0.31和0.28 μm，復合的PU/Coll納米纖維膜的平均孔徑小于純PU納米纖維膜的，這主要是由于復合的PU/Coll納米纖維直徑較小，較均勻。Li等[12]研究發現，納米纖維膜的平均孔隙直徑與納米纖維的直徑呈正比例，當纖維膜的厚度一定時，纖維直徑的增加將導致纖維膜平均孔徑直徑增加，本文的結果與文獻[11-12]研究結果一致。

2.3 納米纖維膜的親水性能分析

靜電紡納米纖維膜的表面親水性在很大程度上影響細胞在其表面的黏附和生長。PU的親水性非常好，PU納米纖維膜的水接觸角為(27.1±1.21)°，但是由于PU納米纖維膜的彈性非常好(斷裂伸長率為345%)，遇水時會收縮起皺，嚴重影響細胞在其表面的黏附，所以純PU納米纖維不適合單獨作為血管組織工程支架材料。在PU溶液中加入不同含量的天然膠原蛋白，紡制成復合納米纖維試樣2#、3#、4#，其水接觸角分別為(39.2±1.58)°、(45.8±1.43)°、(52.1±0.98)°，如圖2和表1所示。從中可看出，依然具有較高的親水性，且遇水不會起皺收縮。實驗結果表明，膠原蛋白的加入只是略微減弱了納米纖維的親水性，但可保持PU/Coll納米纖維膜的完整性，對提高細胞在納米纖維表面的黏附和生長具有重要的作用。

2.4 納米纖維膜的紅外光譜分析

2.5 納米纖維膜的力學性能分析

納米纖維支架材料的力學性能對其在組織工程中的應用也有很大的影響。圖4示出靜電紡PU和PU/Coll納米纖維的應力-應變曲線。熱塑性聚合物具有非常好的拉伸彈性，其斷裂伸長率為345%。而PU/Coll納米纖維(試樣2#、3#、4#)的伸長率為147%、102%、73%。雖然膠原蛋白的嵌入降低了PU/Coll復合納米纖維的拉伸彈性，但復合PU/Coll納米纖維支架(試樣2#、3#、4#)依然保持著比較大的斷裂伸長率。另外，PU、PU/Coll納米纖維(試樣2#、3#)的拉伸強度分別為4.83、9.76、5.91 MPa，膠原蛋白的嵌入雖然降低了復合納米纖維膜的拉伸彈性，但有效地提高了其拉伸強度。當膠原蛋白的質量分數增加到75%時，PU/Coll復合納米纖維試樣4#的拉伸強度和斷裂伸長率都大幅降低，這主要是因為PU/Coll納米纖維試樣4#直徑較細，膠原蛋白纖維的強度和伸長率較低。該結果表明尋找一個合適的混合比例對制備混合納米纖維是非常重要的，在PU納米纖維中嵌入適當含量(質量分數為25%)的膠原蛋白不但可使支架材料保持較高的拉伸率，還可提高支架材料的拉伸強度。

2.6 體外生物相容性分析

圖5示出平滑肌細胞(SMCs)在不同納米纖維膜表面的SEM圖片。從圖中可看出，PU納米纖維支架表面只有2個細胞，而PU/Coll復合納米纖維表面被SMCs完全覆蓋，說明膠原蛋白促使SMCs的黏附和增殖，而且培養在PU/Coll納米纖維表面的SMCs沿著纖維方向得到了很好的取向延伸生長(如圖5中白色箭頭所示)。比較復合PU/Coll納米纖維試樣2#、3#、4#表面的SMCs可發現，試樣2#PU/Coll表面的細胞數目最多，細胞形態呈現被拉伸的長梭形，與體內血管平滑肌細胞的形態更類似[15]。結果表明：膠原蛋白的加入可有效地提高SMCs在復合的PU/Coll納米支架表面的黏附和增殖；但膠原蛋白的含量并不是越多越好，當加入25%的膠原蛋白時，復合PU/Coll納米纖維試樣2#具有較好的親水性能，最大的機械強度和拉伸率，同時又具有細胞識別集團氨基官能團，所以其生物相容性最好，是最好的血管組織工程支架材料。

3 結 論

利用靜電紡絲方法成功地制備了純PU和復合PU/Coll納米纖維支架材料，膠原蛋白的加入有效地降低了復合納米纖維的直徑，降低了納米纖維膜的孔隙直徑，使孔隙分布更均勻。PU/Coll納米纖維支架依然保持了PU納米纖維極好的親水性能和較高的拉伸彈性，而且還具有較高的拉伸強度。PU/Coll納米纖維支架表面存在細胞識別集團氨基官能團，能有效地增加SMCs在其表面的黏附和增殖。特別是試樣2#PU/Coll納米支架的力學性能最好，親水性能也相對最好，其表面黏附的SMCs最多，且呈現被拉伸的長梭形，與體內血管平滑肌細胞的形態更類似，是目前最好的血管組織工程支架材料。

FZXB

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2016全國針織技術交流會：需求驅動創新 定制引領時尚

7月20日，由中國紡織工程學會針織專業委員會、江南大學教育部針織技術工程研究中心主辦的“2016年全國針織技術交流會”在江蘇省無錫市召開。中國工程院院士孫晉良、俞建勇，江南大學副校長高衛東，中國紡織工業聯合會副秘書長、科技發展部主任彭燕麗，中國紡織機械協會會長王樹田，中國產業用紡織品行業協會會長李陵申，國家紡織產品開發中心主任李斌紅等，以及來自科研院校、地方協會、產業集群地、針織企業的代表等近500人出席了大會。

此次會議以“需求驅動創新 定制引領時尚”為主題，從“需求驅動”角度出發，探討了針織裝備技術、針織原料開發、針織生產管理、針織染整技術等在新常態下的創新思路和創新實踐，探討了智能制造、“互聯網+”技術背景下，針織企業從研發設計、生產制造到銷售物流的智能化生產和個性化定制新模式，引領了針織產業的創新發展與時尚發展。

此外，會議還進行了2016年“宗平生針織基金會”優秀論文頒獎。本屆會議共收到135篇會議論文，文章研究內容從廣度和深度上較往年均有所突破。專家評審并選出2016年宗平生論文獎一等獎3名，二等獎11名，三等獎23名，鼓勵獎46名。

本次會議的召開為國內經編、圓緯編和毛衫企業搭建了一個廣泛的技術交流平臺，通過廣泛的技術和信息交流，引發了對針織產業創新發展的新思考，為“十三五”針織產業的發展提供了新思路。

Performance of composite polyurethane/collagen nanofiber scaffolds

JIA Lin1, CHEN Li′na1, ZHANG Haixia1, QIN Xiaohong1,2

(1.TextileCollege,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Polyurethane has excellent mechanical property, however, pure PU is not suitable as vascular tissue engineering scaffold due to its hydrophobicity and less cells were attached on its surface. In this paper, composite polyurethane/collagen nanofibrous scaffolds were prepared by electrospinning to enhance the hydrophilicity and biocompatibility of PU nanofibrous scaffolds. Firstly, the morphologies and chemical and mechanical characterization were carried out using scanning electron microscopy(SEM) and Fourier transform infrared, respectively. Then smooth muscle cells (SMCs) were cultured on nanofibrous scaffolds and the attachment and proliferation of cells were evaluated using(SMCs)). The results show that the addition of collagen decreased the diameter of nanofibers from 453 nm to 154 nm, decreased the pore diameter from 0.64 μm to 0.28 μm, and enhance the proliferation and attachment of cells. When the mass ratio of polyurethane and collagen is 3∶1, the tensile strength and biocompatibility of composite PU/collagen (3∶1) scaffolds were the best, hence, more SMCs were observed on this scaffold.

composite nanofiber; electrospinning; vascular tissue engineering; polyurethane

10.13475/j.fzxb.20150704706

2015-07-20

2015-11-24

河南省重點科技攻關項目(152102210301)；河南省高校科技創新團隊支持計劃項目(13IRTSTHN024，15IRTSTHN011)；河南省高校重點科研項目(15A540001)；河南工程學院博士基金項目(D2014025)

賈琳(1986—)，女，講師，博士。主要研究方向為靜電紡納米纖維的制備及應用。E-mail：lynnjia0328@163.com。

TS 102.6

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