PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的制備及其吸濕性能評(píng)價(jià)*

興棟

五邑大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門 529020

靜電紡絲技術(shù)作為唯一能直接并連續(xù)制備聚合物納米纖維的一種技術(shù)，具有成本低廉、環(huán)節(jié)少、操作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[1]。且理論上，任何高分子材料只要能找到合適的溶液體系，都有可能通過靜電紡絲制備出納米纖維，并具有批量生產(chǎn)的可能[2]。由靜電紡絲制備的纖維，組分可控、比表面積大、孔隙率高、軸向強(qiáng)度高，在生物醫(yī)用材料、過濾材料、傳感器及電子器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

近年來, 靜電紡絲的研究領(lǐng)域已從形貌控制發(fā)展到應(yīng)用開發(fā)。科研工作者嘗試了各種可能的應(yīng)用領(lǐng)域，并取得了一定的成果。在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，靜電紡超細(xì)纖維薄膜除了具備上述優(yōu)異特性外，還在一定程度上具有類似細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，可為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供理想的微環(huán)境[4]。RHO等[5]利用與ECM結(jié)構(gòu)和組成極為相似的膠原為原料，制備出靜電紡膠原超細(xì)纖維膜，并進(jìn)行小鼠傷口修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：靜電紡膠原超細(xì)纖維膜在傷口愈合初期能誘導(dǎo)新生血管的生成，并促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和遷移，加快傷口的愈合。顧書英等[6]采用靜電紡絲技術(shù)分別制備了純聚乳酸(PLLA)薄膜和殼聚糖/PLLA、明膠/PLLA復(fù)合納米纖維氈，研究表明：復(fù)合納米纖維氈的吸水、保水性能都優(yōu)于純PLLA薄膜，可作為理想的創(chuàng)面敷料材料。靜電紡絲制備的纖維薄膜還可負(fù)載并緩釋多種分子及生物活性物質(zhì)。陳臘梅等[7]將同軸靜電紡絲技術(shù)制備的殼/核結(jié)構(gòu)納米纖維作為藥物緩釋載體，制備出具有優(yōu)異抗菌功能的靜電紡醫(yī)用敷料。徐雄立[8]以明膠和殼聚糖作為主要原料，通過靜電紡絲制備出含有納米銀的明膠基納米纖維水凝膠，用于制作抗菌型水凝膠敷料，應(yīng)用于體外創(chuàng)傷護(hù)理。綜上可見，靜電紡納米纖維膜是制備性能優(yōu)良的醫(yī)用敷料的理想材料。

理想的醫(yī)用敷料能提供一個(gè)有利于創(chuàng)面愈合的濕潤環(huán)境，增強(qiáng)傷口再上皮化能力，加快創(chuàng)面愈合速度[9]。醫(yī)用敷料吸收水分的方式有兩種：將液體吸進(jìn)纖維內(nèi)部和將液體吸進(jìn)纖維間的孔隙中。這兩種吸收方式通常都是同時(shí)發(fā)生的。當(dāng)醫(yī)用敷料和傷口接觸時(shí)，纖維吸濕膨脹，纖維間的孔隙被封閉，敷料和傷口滲出液中的細(xì)菌同時(shí)被固定住，進(jìn)而減少了傷口被細(xì)菌感染的機(jī)會(huì)；同時(shí)，由于毛細(xì)作用而被吸收在纖維間的液體，可以在短時(shí)間內(nèi)沿著織物橫向擴(kuò)展，從而使傷口周邊的健康皮膚保持潤濕。從臨床角度來看，理想的醫(yī)用敷料能吸收大量的液體[10]。因此，如何改善靜電紡納米纖維膜的吸濕性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文選用兩親性聚己內(nèi)酯(PLC)-聚乙二醇(PEG)三嵌段型共聚物(PCL-PEG-PCL)為原料，采用靜電紡絲技術(shù)制備PCL-PEG-PCL納米纖維膜；再通過均質(zhì)分散、冷凍干燥和熱處理工藝，分散PCL-PEG-PCL納米纖維膜再重組，制備出PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架(下文簡(jiǎn)稱“三維納米支架”)。基于冷凍干燥工藝加工參數(shù)對(duì)三維納米支架的結(jié)構(gòu)調(diào)控，研究冷凍溫度、冷凍時(shí)間、溫度梯度對(duì)三維納米支架的纖維形態(tài)、孔結(jié)構(gòu)與吸濕性能的影響規(guī)律，以期得到吸濕性能更優(yōu)異的三維納米支架用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)原料和溶劑

PCL-PEG-PCL，相對(duì)分子質(zhì)量為30 000-20 000-30 000，工業(yè)級(jí)，上海麗昂化學(xué)有限公司提供；丙酮，AR級(jí)，廣東省精細(xì)化學(xué)品工程技術(shù)研究開發(fā)中心提供；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，質(zhì)量分?jǐn)?shù) ≥ 99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；Galwick潤濕液，15.9 mN/m，美國PMI公司提供。

1.2 主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

PL200型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司提供；79-3型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司提供；注射器(10.0 mL，七號(hào)注射針頭)，上海雙鴿實(shí)業(yè)有限公司提供；LSP02-1B型注射泵，廣州市科橋?qū)嶒?yàn)技術(shù)設(shè)備有限公司提供；DW-P503-1ACDF型高壓直流電源，天津東文高壓電源有限公司提供；FJ200-S型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)，上海索映儀器設(shè)備有限公司提供； Lab-1-80型凍干機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司提供；GZX-9240 MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠提供；SH-5000M桌上型掃描電鏡，韓國HIROX公司提供；CFP-1100A型孔徑分布測(cè)定儀，美國PMI公司提供；DW-86L490J超低溫保存箱，青島海爾特種電器有限公司。

1.3 三維納米支架的制備

1.3.1 納米纖維膜的制備

準(zhǔn)確稱取2.0 g PCL-PEG-PCL溶于6.0 g的DMF/丙酮(DMF與丙酮的質(zhì)量配比為1∶1)混合溶液中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 %的PCL-PEG-PCL紡絲液，室溫下攪拌至溶液均勻，靜置備用；接著，將紡絲液轉(zhuǎn)移到10.0 mL的注射器內(nèi)，噴射針頭為七號(hào)注射針頭；將注射器固定在推進(jìn)器上，控制紡絲條件為紡絲溫度(25±3) ℃、相對(duì)濕度(50±5)%、紡絲電壓15 kV、紡絲水平距離12 cm、推進(jìn)速度0.9 mL/h、接收滾筒轉(zhuǎn)速180 r/min，制得PCL-PEG-PCL納米纖維膜。

1.3.2 三維納米支架的制備

1.3.2.1 均質(zhì)液的制備

準(zhǔn)確稱取2.0 g PCL-PEG-PCL納米纖維膜置于裝有50.0 mL蒸餾水的燒杯中，調(diào)節(jié)FJ200-S型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，均質(zhì)10 min后得到均勻的短纖維溶液即均質(zhì)液，短纖維濃度為40 mg/mL。

1.3.2.2 冷凍干燥

量取均質(zhì)液加入24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中，每孔滴入均質(zhì)液體積為1.0 mL；分別放置細(xì)胞培養(yǎng)板于不同的冷凍環(huán)境中存放不同的時(shí)間，凍干。

1.3.2.3 熱處理

將1.3.2.2中凍干后得到的樣品于54 ℃下恒溫加熱8 h，即得三維納米支架。

2 性能測(cè)試

2.1 微觀形態(tài)

將三維納米支架用雙面導(dǎo)電膠固定到金屬底座上，濺射噴金以消除電荷；再于5 kV加速電壓下使用SH-5000M桌上型掃描電鏡，觀察三維納米支架中纖維的微觀形態(tài)。

2.2 孔徑分布

將三維納米支架放入CFP-1100A型孔徑分布測(cè)定儀的樣品裝載槽中，設(shè)置測(cè)試氣壓為289.6 kPa，測(cè)試三維納米支架在濕潤狀態(tài)(利用Galwick潤濕液充分潤濕)和干燥狀態(tài)下的孔徑分布。

2.3 吸濕性能

三維納米支架的吸濕性能測(cè)試指標(biāo)包括吸水率和失重率。

夾取三維納米支架，稱量其干態(tài)時(shí)的質(zhì)量(M0)、室溫下于蒸餾水中浸泡完全后的質(zhì)量(M1)，以及浸泡完全后再經(jīng)凍干、熱處理后的質(zhì)量(M2)，則其吸水率W(g/g)和失重率Q(%)：

(1)

(2)

3 結(jié)果與討論

由PCL-PEG-PCL納米纖維構(gòu)成三維納米支架，纖維均勻、光滑，且無珠串結(jié)構(gòu)，說明靜電紡絲過程中紡絲穩(wěn)定且成纖較好，纖維間相互交錯(cuò)且分散均勻，三維孔洞結(jié)構(gòu)連續(xù)貫通。

3.1 對(duì)三維納米支架中纖維形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 冷凍溫度

圖1為均質(zhì)液分別在-20、-50、-60、-70、-80 ℃的超低溫保存箱中冷凍24 h及在-196 ℃液氮中速凍15 min后，制得的三維納米支架中纖維形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)的SEM照片。

從圖1可以觀察到：

(1) 在溫度為-20和-80 ℃的條件下冷凍24 h后，制得三維納米支架的孔主要以大孔為主，且孔徑分布不均。

(a) -20 ℃×24 h (b) -50 ℃×24 h

(c) -60 ℃×24 h (d) -70 ℃×24 h

(e) -80 ℃×24 h (f) -196 ℃×15 min

(2) 在溫度為-50和-70 ℃的條件下冷凍24 h后，制得三維納米支架的孔徑大小較-20和-80 ℃的條件下冷凍24 h后所得三維納米支架的均勻。

(3) 在溫度為-60 ℃的條件下冷凍24 h和-196 ℃液氮速凍15 min后，所得三維納米支架(圖2和圖3)中纖維相互纏繞，孔徑分布均勻，多孔結(jié)構(gòu)良好。

圖2 三維納米支架的SEM照片(-60 ℃冷凍24 h)

圖3 三維納米支架的SEM照片(-196 ℃液氮速凍15 min)

分析該現(xiàn)象的原因：

(1) 均質(zhì)液在恒溫冷凍24 h的過程中，水分子會(huì)聚集形成冰晶。當(dāng)冰晶的核心一旦形成，便會(huì)逐漸自核心向四周膨脹。冰晶經(jīng)凍干升華后會(huì)留下大小與形狀不一的孔洞，且冰晶的數(shù)量與均質(zhì)液的冷凍速度成正比。

(2) 均質(zhì)液在液氮速凍過程中，冰晶的核心處于來不及形成或正在形成的狀態(tài)，此時(shí)冰晶體積相對(duì)較小，故導(dǎo)致冰晶凍干升華后纖維間孔洞分布均勻，孔徑大小均勻且整體偏小。

故液氮速凍所得三維納米支架的纖維形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)較恒溫冷凍24 h的更好。

接著利用CFP-1100A型孔徑分布測(cè)定儀測(cè)試-60 ℃冷凍24 h和-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的孔徑分布(圖4和圖5)，發(fā)現(xiàn)：

圖4 -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的孔徑分布

(1) -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的最大孔徑為4.04 μm、最小孔徑為0.67 μm，多孔結(jié)構(gòu)密集；-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架也具備良好的多孔結(jié)構(gòu)，其最大孔徑為3.38 μm、最小孔徑為0.78 μm。

圖5 -196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的孔徑分布

(2) -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的主體孔徑分布在2.60～4.00 μm，-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的主體孔徑在3.50 μm附近。

3.1.2 冷凍時(shí)間

從圖6可以觀察到，同一冷凍溫度不同冷凍時(shí)間制得的三維納米支架的纖維形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)差異明顯：冷凍時(shí)間小于6 h的三維納米支架未形成良好的多孔結(jié)構(gòu)，其纖維排列紊亂且纏繞不明顯；冷凍時(shí)間為6 h的三維納米支架孔洞分布最為均勻，多孔結(jié)構(gòu)良好；冷凍時(shí)間超過6 h的三維納米支架，孔徑出現(xiàn)了兩極分化。

(a) 冷凍2 h (b) 冷凍4 h

(c) 冷凍6 h (d) 冷凍8 h

(e) 冷凍10 h (f) 冷凍12 h

纖維的密集度隨著冷凍時(shí)間的增加而增加。冷凍時(shí)間較短時(shí)，三維納米支架內(nèi)部冰核和冰晶未完全形成，纖維排列不均，故造成纖維間孔洞分布不均；隨著冷凍時(shí)間的延長，三維納米纖維支架材料內(nèi)部的冰晶逐漸膨脹并相互擠壓，形成了不規(guī)則的孔洞；繼續(xù)延長冷凍時(shí)間，則冰晶大小兩極分化，導(dǎo)致孔洞大小呈兩極分化，多孔結(jié)構(gòu)變差。

圖7對(duì)-60 ℃冷凍6 h后所制得的三維納米支架的微觀照片進(jìn)行了放大，可以觀察到其纖維間通過纏繞形成了均勻分布的三維孔結(jié)構(gòu)。

圖7 -60 ℃冷凍6 h后制得的三維

再利用CFP-1100A型孔徑分布測(cè)定儀，對(duì)-60 ℃冷凍6 h制得的三維納米支架的孔徑分布進(jìn)行測(cè)量(圖8)，發(fā)現(xiàn)：主體孔徑分布在0.00～1.00 μm，最大孔徑為5.16 μm，最小孔徑為0.38 μm。

圖8 三維納米支架的孔徑分布(-60 ℃冷凍6 h)

比較圖4、圖5及圖8可以發(fā)現(xiàn)：-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的主體孔徑最大，-60 ℃冷凍6 h后制得的三維納米支架的主體孔徑最小，-60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的主體孔徑較大。

3.1.3 溫度梯度

在-196 ℃液氮中速凍15 min時(shí)，通過設(shè)置并調(diào)節(jié)細(xì)胞培養(yǎng)板距離液氮液面的高度，觀察三維納米支架在溫度梯度下各層截面的纖維形貌(圖9)，發(fā)現(xiàn)：隨著細(xì)胞培養(yǎng)板與液氮液面距離的減小，三維納米支架中纖維密度越來越高，孔徑逐漸減小，圓形孔洞數(shù)量逐漸增加。這是由于受溫度梯度的作用，距離液氮液面越遠(yuǎn)處，晶核的數(shù)量就會(huì)增加，故上層截面中圓形孔洞數(shù)量比下層截面的少，不規(guī)則的長條形孔洞數(shù)量比下層截面多。

圖9 溫度梯度下三維納米支架各層截面的SEM照片

3.2 對(duì)三維納米支架吸水率和失重率的影響

選取納米纖維膜作為對(duì)照組，研究三維納米支架的吸濕性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：納米纖維膜的吸水率為5.14 g/g，-196 ℃液氮速凍15 min所制得三維納米支架的吸水率最高(達(dá)21.3 g/g)，后者是前者4.1倍，可見三維納米支架的吸水性能優(yōu)異；納米纖維膜和三維納米支架的失重率均不超過8.0%，表明納米纖維膜和三維納米支架幾乎都不溶于水，吸水試驗(yàn)基本未造成材料的結(jié)構(gòu)變化和脫落。

與納米纖維膜相比，三維納米支架在立體結(jié)構(gòu)上具有較高的孔隙率，可以因毛細(xì)作用而儲(chǔ)存大量的水分，賦予三維納米支架優(yōu)異的吸濕、保濕性能，能有效控制傷口組織滲出液，保持傷口濕潤，利于傷口愈合。

3.2.1 冷凍溫度和冷凍時(shí)間

各三維納米支架的吸水率和失重率歸納于表1。其中，-196 ℃液氮速凍15 min所制得的三維納米支架的吸水率最高(達(dá)21.3 g/g)，失重率為2.0%；-60 ℃下冷凍24 h所制得的三維納米支架的吸水率最低(為17.2 g/g)，失重率為5.3%。

表1 三維納米支架的吸水率和失重率

當(dāng)冷凍時(shí)間一定時(shí)，三維納米支架吸水率隨冷凍溫度的降低呈先減小后增大的趨勢(shì)，這與不同冷凍溫度下所得三維納米支架中纖維形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)冷凍溫度一定時(shí)，三維納米支架吸水率變化趨勢(shì)不明顯。

-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架，因其中的冰晶和冰核的生長未得到充足的時(shí)間，故制得的三維納米支架較完整地保留了纖維在均質(zhì)液中的分布情況，孔徑大小均一，且分布均勻，故其吸濕性能最佳。

3.2.2 溫度梯度

對(duì)相同制備條件的、有無溫度梯度作用的三維納米支架的吸濕性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)溫度梯度作用的三維納米支架的吸水率為16.6 g/g、失重率為1.7%，無溫度梯度作用的三維納米支架的吸水率為17.7 g/g、失重率為1.6%。可見，溫度梯度作用對(duì)三維納米支架的吸濕性能無較大影響。

4 結(jié)論

采用靜電紡絲工藝制備PCL-PEG-PCL納米纖維膜，再通過均質(zhì)分散、冷凍干燥和熱處理工藝分散再重組，制備出具有仿生ECM結(jié)構(gòu)的、吸濕性能優(yōu)異的、立體網(wǎng)狀多孔的PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架。探索冷凍溫度、冷凍時(shí)間及溫度梯度對(duì)PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的影響，得到理想的冷凍條件為-196 ℃液氮速凍15 min，所得PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的吸水率為21.3 g/g、失重率為2.0%，吸濕性能最佳。設(shè)置-196 ℃液氮速凍15 min條件下的溫度梯度發(fā)現(xiàn)，PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架因溫度梯度存在而呈現(xiàn)自上而下孔徑逐漸減小、纖維密度逐漸增大的規(guī)律。對(duì)比相同制備條件下有無溫度梯度作用的PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的吸濕性能發(fā)現(xiàn)，其吸濕性能不受溫度梯度作用的影響。