PEG／PLGA納米纖維膜的制備及其參數優化*

趙月，陳灶妹，何婷，陳柯君，江麗，張俊輝，萬華印，李茹冰△

（1.廣東藥科大學，廣東 廣州510006；2.廣州軍區廣州總醫院，廣東 廣州510010；3.廣州市電紡生物科技有限公司，廣東 廣州510604）

1 引 言

靜電紡絲是一種利用電場力驅動成纖最簡單、高效的方法，其制備的納米纖維膜具有表面積大，孔隙率高及易于實現表面功能化等特點，結構類似于細胞外基質，能夠增強細胞遷移和增殖［1－2］。目前，靜電紡絲納米纖維膜已在生物醫學領域得到廣泛應用，如組織工程技術支架、創傷敷料和藥物載體等［3］。

聚乳酸－羥基乙酸共聚物（PLGA）是一種無毒，可完全生物降解的聚合物，具有優良的成形性和生物相容性，降解產物易排除體外，被認為是最具發展潛力的醫藥高分子材料［4］。但由于其力學性能強度不夠、親水性差等缺點，在生產和使用過程中容易斷裂、滑動，同時靜電紡絲制備的納米纖維呈無紡布形式排列，它不像傳統方法得到的纖維那樣具有高度的取向性，這在很大程度上限制了PLGA的應用［5］。為了改善PLGA纖維膜的親水性，力學性能，優化其防粘連效果，最簡單有效的方法是摻加一定量的如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）等含有柔性鏈段，親水性較好的聚合物［6］。

響應面法（response suface methodology，RSM）是一種數字和統計結合的方法，用來對所研究的響應受多個參數影響的問題，通過建模和分析尋求最佳組合條件進而優化該響應值。響應面優化最常用的設計方法主要有以下兩種：（central composite design，CCD、box behnken design，BBD）［7］。但較 CCD而言，BBD具有試驗次數較少，預測精準度高和實驗因素不會同時處于極端水平等優勢［8］。由于目前靜電紡絲技術制備納米纖維的力學性能與其影響參數之間的關系無法準確地數字化，而采用響應曲面法則可以通過建模和分析，不僅可以建立拉伸強度和實驗參數的二元回歸模型，通過對所得模型的分析，可得到各個因素對拉伸強度的影響程度，而且可以通過響應面分析的三維圖更直觀地看出拉伸強度隨著實驗條件的變化趨勢［9－10］。本研究采用三因素（PEG含量、紡絲速度和電壓）三水平的BBD方法，系統地研究了工藝參數對復合纖維膜力學性能影響，并進行優化，以獲得最佳的參數條件。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

聚乙二醇，粘均分子量，Mv＝6000，Beijing Solarbib Science＆technology Co.，Ltd；聚乳酸 －羥基乙酸共聚物，粘均分子量，Mv＝90000，濟南代罡生物材料有限公司；三氯甲烷（CHCl3），分析純，天津市宏達化學試劑廠；N，N－二甲基乙酰胺（DMAC），分析純，麥克林（MACKLIN）；丙酮（AC），分析純，廣州化學試劑廠。

電子掃描顯微鏡，JSM－7001F型，上海百賀儀器科技有限公司；膠粘帶初粘性測試儀，BLD－1007型，東莞博萊德儀器有限公司；高壓靜電紡絲機，TL－Pro型，深圳市通力微納米科技有限公司；磁力攪拌水浴鍋，XMTD203型，金壇市良友儀器有限公司；接觸角測試儀，PT－705－B，東莞市誠鼎儀器科技有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 PEG／PLGA復合纖維膜的紡制 將PLGA和 PEG按比例混合溶解在 V（AC）：V（DMAC）：V（CHCl3）＝5：3.5：1.5混合溶劑中，在磁力攪拌下37℃溶解攪拌，靜置脫泡，然后裝入注射器中，設定壓強，接受距離為19 cm，紡絲速度等參數，控制溫度為35℃，進行五噴頭（21G）靜電紡絲；將制備出的納米纖維膜在真空干燥箱中干燥備用。

2.2.2 響應面實驗法優化靜電紡絲條件 （1）單因素實驗選取PEG含量、電壓、紡絲速度等因素，分別進行單因素實驗，分析其對PLGA／PEG復合纖維膜力學性能的影響。（2）在單因素實驗的基礎上，以拉伸強度為響應值，利用Box－Behnken設計三水平試驗，因素編碼和水平見表1。

表1 Box－behnken實驗設計的因素和水平Table 1 Factors and levels of Box－behnken design

2.2.3 納米纖維膜的力學性能測試 采用BLD－1007型膠粘帶初粘性測試儀測試纖維膜厚度，每一樣品取3個點。用刀片從纖維膜上取尺寸為 10 mm×40 mm的細長條樣品，然后在常溫下對樣品進行測試，試樣夾持長度30 mm，拉伸速度10 mm／min，每一樣品測5個數據，取平均值。

2.2.4 接觸角測定 分別剪取長寬為1 cm×3 cm大小的 納米纖維膜，采用接觸角／界面張力測量儀測定，首先在樣品上滴加直徑約為1 mm左右的去離子水滴，然后在接觸角／界面張力測量儀的顯示器上讀出接觸角的數據。每個樣品上滴加五滴去離子水，平行測五次，求平均值。

3 結果與討論

3.1 單因素實驗結果

3.1.1 PEG含量對復合纖維膜的拉伸強度的影響見圖1，PEG／PLGA復合纖維膜的拉伸強度大于純PLGA纖維膜的拉伸強度；當PEG含量在0%（質量分數）～7.5%（質量分數）之間，隨著PEG含量的增加，復合纖維膜的拉伸強度增加，這可能因為含有柔性鏈段PEG的加入，使復合膜的宏觀柔性增加，從而表現為斷裂強度增加。但PEG含量進一步增加時，復合纖維膜干燥后開始變透明，拉伸強度也降低，可能是因為加入大量PEG時，由于熔點較低，在干燥時發生熔融。故選取PEG含量為2.5%（質量分數）、5%（質量分數）、7.5%（質量分數）作進一步分析。

圖1 PEG含量對纖維膜拉伸強度的影響Fig 1 The effect of factors PEG concentration on tensile strength of fiber film

3.1.2 紡絲速度對復合纖維膜的拉伸強度的影響見圖2，紡絲距離一定時，隨著紡絲速度的增加，拉伸強度呈現先增后降的趨勢。溶液的流速決定紡絲過程中噴頭處的溶液數量和噴射速度。靜電紡絲得到的纖維主要呈無紡布形式排列，它不像傳統方法制備的纖維那樣具有高度的取向性，紡絲速度增大，纖維直徑隨之增大，纖維間縱橫交錯程度變小，所以拉伸強度變小，反之亦然。當紡絲速度小于1 ml／h時，針尖出現斷流。因此，綜合考慮，選取紡絲速度 1、3、5 ml／h作進一步分析。

圖2 紡絲速度對纖維膜拉伸強度的影響Fig 2 The effect of factors spinning speedon on tensile strength of fiber film

3.1.3 電壓對復合纖維膜的拉伸強度的影響 見圖3，電壓由13 KV升高至19KV，復合纖維膜的拉伸強度也明顯增加。由于當電壓升高時，電場強度也增大，對噴射流的拉伸作用增強，分子取向增大，從而導致纖維膜的力學性能升高，宏觀表現的拉伸強度也隨之增大。但當電壓進一步增大時，紡絲液從噴頭直接噴出導致射流不穩定，并且電壓過高，針尖偶有火花，故而不能進行探索。因此，綜合考慮，選取電壓為17、19、21KV作進一步分析。

圖3 電壓對纖維膜拉伸強度的影響Fig 3 The effect of factors electric field intensity on tensile strength of fiber film

3.2 多項式響應面建立及分析

3.2.1 表2示出Box－behnken設計的17組實驗和對應的響應值，利用Design－Expert7.1.3軟件對數據進行回歸分析，得到PEG／PLGA復合纖維膜拉伸強度的二次多元回歸方程為：D＝－92.86488＋1.05240*A＋0.27413*B＋9.92925*C－0.078500*A*B－0.021000*A*C＋0.038125*B*C＋0.063760*A2－0.099750*B2－0.25913*C2

表2 Box－behnken實驗設計表和響應值Table 2 Box－behnken arrangement forl factors and response

對上述回歸模型進行方差分析和回歸系數的顯著性檢驗，結果見表3。從表3可知，該模型的P＜0.0001，表示該模型對響應值影響是顯著的，該模型是有效的，因素 A，C2對纖維直徑影響顯著，因為其P＜0.05，而其他因素對拉伸強度影響不顯著。該模型中決定系數R2為0.9602，說明該模型對纖維直徑的預測效果達到96.02%，表明預測模型與實驗擬合很好。失擬項P＝0.3017＞0.05，說明模型失擬不顯著，與實際擬合較好。校正系數等于0.9090，預測系數等于0.8800，兩者相接近，對模型的預測會產生正面效應，表明回歸模型能描述響應值的變化，因此，可利用該模型對復合纖維膜的力學性能進行分析和預測。

3.2.2 模型交互項的解析 圖4（a）－（c）是根據二次多項式回歸方程作出的響應面圖和等高線。圖4（b）、（c）等高線呈橢圓趨勢，證明 PEG含量和電壓，紡絲速度和電壓的相互作用對拉伸強度的影響較大。在一定范圍內，3個因素的增加均會造成拉伸強度的增加。從圖4可以明顯看出在PEG含量為5%，紡絲速度為3 ml，電壓為19 KV時，拉伸強度出現最大值。

表3 回歸方程系數的顯著性檢驗Table3 Significance test of coefficient in regression equation

圖4 響應面等高線圖顯示各因素對拉伸強度的影響（a）Effect of PEG concentration and flow race on tensile strength；（b）Effect of PEG concentration and electric field intensity on tensile strength；（c）Effect of flow race on and electric field intensity on tensile strengthFig 4 The effect of various factors on the tensile strength of the response surface and Contour Plots

3.3 模型適合性檢驗

模型適合性檢驗與構建模型同等重要。模型診斷主要是殘差診斷，殘差診斷主要包括標準化殘差和學生化殘差［7，9］。

3.3.1 殘差的正態概率圖 正態概率圖主要用于驗證殘差正態性，如果殘差符合正態性，那么此圖將近似為一條直線。但正態概率圖常出現的一個瑕疵是某些殘差遠遠大于其它的殘差，此類殘差稱為離群值。過多的離群值將嚴重歪曲方差分析［11］。從圖5可以看出，殘差各點的分布大部分在直線周圍，證明該模型擬合較好。

圖5 殘差的正態概率圖Fig 5 Normal probability plots of residuals

3.3.2 依時間順序的內部學生化殘差圖 除了正態性及殘差的方差齊次性的驗證，還需驗證殘差之間的獨立性。依時間順序的殘差圖是探測殘差關聯性的有效工具。隨著實驗的進行，如果殘差圖呈現單一正或負的趨勢，則表明殘差間存在關聯性［12］。從圖6可以看出，殘差值沒有出現或正或負一邊倒的分布，而是既有正值又有負值，證明該模型擬合較好，且具有相對獨立性。

圖6 依時間順序的內部學生化殘差圖Fig 6 In the time sequence of the internal student of the residual figure

3.4 纖維膜的親水性

一般當材料分子與水分子之間的相互作用的內聚力大于水分子之間的內聚力時，水分子能很快在材料表面鋪散開來。此時，在材料、水和空氣水分子能很快的交點處，沿水滴表面的切線與材料表面所成的夾角（稱潤濕角）θ≤90°，材料呈現親水性。若θ＞90°，材料呈現疏水性［13－14］。從圖 7（a）可以看出，純PLGA纖維膜上的水珠基本保持原球形，浸潤不明顯；從圖7（b）可以看出，加入PEG后的纖維膜上的水珠無法保持原球形，浸潤明顯。說明加入適量PEG可以改善純PLGA膜的親水性，另外，PEG／PLGA纖維膜親水性隨PEG含量增加而提高。

圖7 靜電紡絲膜接觸角：（a）純 PLGA纖維膜，118°；（b）5%PEG／PLGA纖維膜，86°。Fig 7 Nanofiber membrane contact angle：（a）pure PLGA fiber membrane，118°；（b）5%PEG／PLGA fiber membrane，86°。

4 結論

通過靜電紡絲方法制備得到PEG／PLGA復合納米纖維，通過響應面試驗分析紡絲工藝條件對拉伸強度的影響情況，并對工藝參數進行了優化。通過回歸分析建立了PEG質量分數、電壓和紡絲速度對PEG／PLGA復合納米纖維直徑的多元響應面模型，其預測值與實際值能較好的擬合，說明在PEG／PLGA復合納米纖維直徑的預測上是有效的。其中，PEG含量是影響纖維直徑的最顯著因素，其次是電壓和紡絲速度。最優紡絲條件為，PEG含量5%、電壓10 KV、紡絲速度3 m l／h。在此條件下得到納米纖維膜親水性得到有效改善。