SA溶液濃度對乳液靜電紡絲SA/PCL納米纖維成形的影響

林俊杰，許偉鴻，鄧玲利，嚴玉蓉

(華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州 510640)

乳液靜電紡絲可在傳統靜電紡絲設備上，通過改變乳液中分散相與連續相的成分，制備具有特定組成、結構和功能的復合納米纖維，無需考慮采用皮-芯靜電紡絲技術所涉及的專有設備及皮、芯層聚合物溶劑的相互溶解或反應等問題[1-2]，因此該方法可應用于藥物緩釋、傳感器、食品保存、組織工程支架材料等領域[3-4]。

聚己內酯(PCL) 是一種生物相容性良好的生物可降解高分子材料，具有很好的柔韌性和加工性能[5]。但PCL本身為疏水性材料，對細胞的粘附及親和性較差，可通過表面改性方法提高其細胞親和性能[6]。而通過乳液靜電紡絲，可將水溶性藥物、生物親和性優異的蛋白質等大分子在纖維成形過程中直接附著在疏水性纖維表面，并可通過一定的成形工藝控制，形成具有3D 結構的聚合物網絡，為細胞培養提供支架材料[4]。

海藻酸鈉(SA)是一種廣泛存在于海帶等褐藻中的多糖物質，具有優異的抗菌性能、良好的親水性和生物相容性，通過離子交換作用，可在溫和條件下形成凝膠，是敏感性藥物、蛋白質、細胞和酶等活性物質的優良載體，在環境保護、臨床應用和生物制藥等領域有著廣泛應用[7-9]。近年來，關于采用SA為原材料制備功能納米纖維的研究報道越來越多[4,10]。作者以PCL/氯仿溶液作為連續相，SA/水溶液為分散相，失水山梨醇脂肪酸酯(Span80)為乳化劑，制備紡絲乳液并進行靜電紡絲；研究乳液配制對所制備SA/PCL復合納米纖維形貌的影響，并采用Ca2+置換制得海藻酸鈣(CA)/PCL復合纖維膜，從而為組織工程支架材料的開發提供新思路。

1 實驗

1.1 主要原料

PCL：相對分子質量(Mw)為1.0×105，深圳Esun科技股份有限公司提供；SA：分析純，阿拉丁科技(中國)有限公司產；Span80、三氯甲烷：分析純，廣州化學試劑廠生產；無水氯化鈣(CaCl2)：分析純，上海潤捷化學試劑有限公司產；去離子水：實驗室自制。

1.2 SA/ PCL乳液的配制

乳液制備有兩種方法：(1)兩步法，先將分散相配制好，加入到含有表面活性劑的溶劑中，完全分散后再加入連續相高聚物溶解，并再次分散；(2)一步法，先分別將分散相和連續相配制好，然后將分散相加入到含有表面活性劑的連續相中，充分分散。一步法適用于黏度較小的溶液，但由于SA水溶液的黏度比較大，難以分散均勻，因此本實驗采用兩步法制備SA/PCL乳液。

首先將SA溶于去離子水中配制一定濃度的SA 水溶液，靜置脫泡備用。在 FJ200S型均質分散機上按比例將三氯甲烷、SA 水溶液和Span80于7 000 r/min 轉速下均質15 min，隨后加入一定質量的PCL(PCL質量與SA水溶液的體積之比為1 g:1 mL，Span80相對于PCL的質量分數為60%)，置于恒溫搖床連續均化12 h，待 PCL完全溶解，均質分散機再以轉速7 000 r/min均質15 min后，得到所需紡絲乳液。

1.3 乳液靜電紡絲制備SA/PCL復合纖維膜

采用華南理工大學自制ESF-Y1靜電紡絲成型儀器對上述溶液或乳液進行靜電紡絲[11]制備SA/PCL復合纖維膜。紡絲液流量0.65 mL/h，紡絲電壓10.5 kV，接收距離10 cm，紡絲環境溫度(25±5)℃，相對濕度(60±5)%。

1.4 CA/PCL復合纖維膜的制備

將SA/PCL復合纖維膜浸泡于0.02 g/mL CaCl2溶液中，25 ℃恒溫搖床震蕩4 h，實現SA與Ca2+交換，制得CA/PCL復合纖維膜，用去離子水沖洗3次，除去纖維膜表面殘留的無機鹽，于40 ℃下真空干燥24 h，密封備用。

1.5 測試與表征

乳液黏度：采用NDJ-79 型旋轉黏度計 (上海昌吉地質儀器有限公司制)在25 ℃條件下測定SA溶液、PCL溶液以及SA/PCL乳液的黏度，每個待測試樣平行測定5次，結果取平均值。

表面張力：采用最大氣泡法測定液體在空氣中的表面張力[4]，每個待測試樣平行測定5次，結果取平均值。

表面形貌：采用荷蘭FEI 公司NavaNano430場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察SA/PCL和CA/PCL復合納米纖維的表面形貌，并采用Digimizer 圖形軟件對纖維直徑進行統計分析。

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)：采用德國Bruker 公司Vector33傅里葉變換紅外光譜儀對復合纖維膜進行紅外表征，應用衰減全反射附件，掃描波數500～4 000 cm-1，每個試樣掃描 30 次。

2 結果與討論

2.1 SA濃度對SA/PCL乳液物理性質的影響

Span80的親水親油平衡值(HLB)為4.3，是良好的油包水(W/O)體系乳液的乳化劑[12]。當Span80的含量超過其臨界膠囊濃度時，Span80分子自聚集形成的反膠囊會有效減少水油兩相的接觸。對于SA/PCL乳液，SA與PCL界面完全由Span80兩親性分子隔開，SA以膠囊的形式穩定分布在連續相PCL溶液中。

由圖1可知，在固定分散相體積的前提下，SA水溶液濃度的上升對SA/PCL乳液黏度無明顯影響；而且實驗測得10 g/L的SA水溶液黏度為862.0 mPa·s，遠大于不同配比乳液的黏度，這表明SA水溶液以膠囊的形式存在乳液體系中，對乳液黏度起主要作用的是連續相PCL溶液。

圖1 分散相SA濃度對SA/PCL乳液黏度的影響Fig.1 Effect of dispersed phase SA concentration on viscosity of SA/PCL emulsion

由圖2可見，SA/PCL的W/O體系的表面張力隨SA溶液濃度的升高有小幅度下降。這是由于SA被Span80包在膠囊內，SA溶液本身的表面張力對乳液體系的貢獻有限。

圖2 分散相SA濃度對SA/PCL乳液表面張力的影響Fig.2 Effect of dispersed phase SA concentration on surface tension of SA/PCL emulsion

根據J.W.Goodwin等[13]給出的分散相粒子粒徑的相關因素，見式(1)。在一定均質速度和均質時間下，可認為各組輸入能量相同，決定乳液體系中分散相粒徑的因素為兩相間的界面張力。

D～E-0.4γ120.6ρ2-0.2

(1)

式中：D表示分散相粒徑；E表示輸入乳液體系能量；γ12表示兩相界面張力；ρ2為連續相密度。

隨著SA水溶液濃度的提高，SA分子鏈相互纏結的趨勢增加，對應SA/PCL乳液體系的分散相粒徑越大，SA/水-PCL/三氯甲烷溶液兩相界面張力增加，對于乳化劑含量一定的情況下，位于兩相界面起橋鍵作用的Span80分子越少，連續相溶液中游離及自成膠囊的Span80分子越多，也表現在乳液與空氣交界處的Span80分子越多，一定程度上降低了乳液體系的表面張力。

2.2 SA濃度對SA/PCL乳液靜電紡絲成形的影響

從圖3可以看出：當PCL/三氯甲烷溶液濃度較低且未加Span80時，由于PCL分子鏈之間的纏結不足，三氯甲烷極快的揮發速度使得靜電紡絲射流無法在電場力的作用下得到充分的拉伸， PCL纖維中含有很多串珠，且串珠大小不均勻；當PCL溶液中加入Span80后，PCL纖維中串珠狀結構消失，這與Span80減少溶液的表面張力有關[14]，從而改善了PCL溶液靜電紡絲纖維形貌。

圖3 PCL溶液添加表面活性劑前后靜電紡絲纖維形貌Fig.3 Morphology of electrospun fiber from PCL solution before and after surfactant addition

由表1可知，隨著紡絲乳液中SA濃度的增加，所得復合纖維的直徑出現極大值，且所有纖維的直徑均小于僅添加Span80的PCL溶液體系所得纖維。SA水溶液存在于Span80膠囊中，因此，SA水溶液對靜電紡絲過程不產生直接的影響，且隨著SA濃度的增加，SA水相的尺寸增加，Span80膠囊的數量有所改變，乳液體系表面張力降低，聚合物乳液在靜電力的作用下克服表面張力作用實現纖維的拉伸和細化的可能性增加，更利于靜電紡絲中細小纖維結構的形成，但是，所得纖維直徑還與乳液體系中作為基體聚合物油相黏度和溶劑揮發性能的影響有關。綜合以上因素，隨著SA濃度的增加，所得SA/PCL復合納米纖維的直徑表現出極大值。

表1 SA濃度對SA/PCL復合納米纖維直徑的影響Tab.1 Effect of SA concentration on diameter of SA/PCL composite nanofiber

注： 1)無分散相，添加Span80(含量均相同)的PCL溶液體系。

2)SA/PCL體系中SA溶液以等體積的水代替。

2.3 SA在SA/PCL復合納米纖維中的分布

SA水溶液的導電性很好(導電率為0.876 S/m)，在高壓靜電場的作用下，推進器針頭處乳液中的SA膠囊會因為極化而變形成橢球形[15]；大量存在于SA分子中的—COO—會由于正向高壓靜電場的作用，使橢球形液滴遠離電場的那一端帶正電，電荷大量集中在橢球形液滴的兩側，液滴之間的界面分子會在液滴之間的電荷吸引力達到一定程度的時候被擠掉，這時候溶液的表面自由能達到最小，促使大液滴的形成；在外加正向靜電場的作用下，極化的大液滴向針頭的內表面移動[16]，在靜電場的拉伸下大液滴發生擠壓和兼并，并且由于三氯甲烷的快速揮發而產生的兩相相對黏度梯度，使得帶電的SA分子和Span80分子向纖維表面遷移，最終導致SA分子出現在納米纖維的表面。這從SA/PCL復合納米纖維膜的FTIR圖也可以得到證實，見圖4。

圖4 不同SA濃度SA/PCL復合納米纖維膜的FTIRFig.4 FTIR of SA/PCL composite nanofiber membrane at different SA concentration1—0，2—10 g/L；3—20 g/L

從圖4可以看出，PCL在1 722 cm-1處有一個羰基(CO)特征吸收峰，而SA的特征吸收峰在1 612 cm-1附近(SA的C—O—C伸縮振動峰)，隨著SA濃度的提高，該峰出現并趨于明顯，但出峰強度極弱，這也說明SA存在于復合納米纖維的表面。

由圖5可知，當采用Ca2+置換Na+制備CA/PCL時，CA/PCL復合納米纖維膜的表面出現部分粘連。這與部分海藻酸根通過Ca2+的橋鍵作用形成一定的交聯結構有關，在微觀上表現為纖維間的粘連，該粘連作用也導致纖維膜本身機械強度的提升[4]。

圖5 不同SA濃度時SA/PCL和CA/PCL復合納米纖維膜的微觀形貌Fig.5 Micromorphology of SA/PCL and CA/PCL composite nanofiber membrane at different SA concentration

3 結論

a. 通過乳液靜電紡絲，制備SA/PCL復合納米纖維膜，然后采用Ca2+置換，可制得CA/PCL復合纖維膜。

b. 表面活性劑Span80可改善PCL溶液的靜電紡絲性能；在SA/PCL乳液體系中，當SA溶液體積一定時，SA溶液濃度對SA/PCL乳液的黏度沒有顯著影響，但SA溶液濃度的增加會降低SA/PCL乳液體系的表面張力，所得SA/PCL復合納米纖維的直徑出現極大值，且均小于僅添加Span80的PCL溶液體系所得納米纖維。

c. 在乳液靜電紡絲過程中，SA有向纖維表面遷移的趨勢，FTIR譜圖顯示在高濃度SA溶液添加體系，所得SA/PCL復合納米纖維譜圖上出現極小的SA的特征C—O—C伸縮振動吸收峰，且該遷移的SA可有效實現SA/PCL與Ca2+交換，從而形成具有凝膠結構的CA/PCL復合納米纖維膜，為生物支架材料提供新的制備途徑。

參 考 文 獻

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