聚乳酸/殼聚糖-海藻酸復合納米纖維膜材料的結構與性能研究

王偉彬

（廣東工業大學輕工化工學院，廣東 廣州 510006）

靜電紡絲是一種快速制造納米纖維材料的新型加工技術，其所制得的纖維材料因具有較高的表面積與體積比、孔隙率，支架結構類似于天然的細胞外基質，有利于種子細胞的黏附、增殖和分化，近年來在各類組織工程支架的研究中備受關注［1］。

目前已經有多種材料成功地用靜電紡絲制備出了納米纖維材料，包括合成高分子材料，如聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）、聚乙醇酸（PLGA）等和天然高分子材料，如殼聚糖（chitosan）、纖維素（cellulose）、膠原（collagen）等［2］。聚乳酸（PLA）是一種已被美國FDA批準可植入人體進行應用的人工合成高分子材料。它的分子式為H—［OCHCH3CO］n—OH，其降解產物為CO2和H2O，不會對人體產生刺激，具有優異的生物相容性和良好的加工性［3］。然而，單一的PLA材料本身親水性不佳，缺乏細胞貼附活性位點，降解速度緩慢等缺點，不能單獨作為支架主體發揮作用，因此研究者們主要將聚乳酸與天然高分子進行共混或表面改性制備復合材料［4-5］。Weiming Chen等人［6］通過靜電紡絲和冷凍干燥制備了聚乳酸/明膠混合三維納米纖維支架用以模仿細胞外基質中與膠原蛋白相似的生物結構。R.Revati等人［7］通過將狼尾草（PP）與聚乳酸共混制備了PP/PLA多孔支架，提高了材料的抗壓強度和親水性能。

殼聚糖與海藻酸是兩種常見的天然高分子材料，常用于制作水凝膠在人體傷口周圍保持并創造濕潤的環境，控制抗生素的遞送，促進人體單核細胞產生細胞因子［8-9］。靜電紡絲的重要前提是紡絲材料需形成均相溶液（熔體），如何將只溶于有機溶劑的疏水聚乳酸材料與只溶于水的親水海藻酸結合起來制備復合纖維材料，是研究者們重點關注的問題。

本文先采用聚乳酸與殼聚糖混合紡絲的方式制備了PLA/CS混紡纖維膜，并用EDC/NHS在保持纖維膜整體結構不變的情況下與海藻酸鈉水溶液交聯接枝改性，制備了微觀形貌良好，親水性能、降解性能顯著提高的PLA/CS-Al復合納米纖維膜材料。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

試劑：聚乳酸4032D（PLA）、殼聚糖（CS）、海藻酸鈉（Alginate）、三氟乙酸（TFA）、EDC/NHS、牛血清蛋白溶液（BSA）、磷酸鹽緩沖溶液（PBS）

主要儀器：全反射紅外光譜儀（ATR-FTIR，Nicolet380型號）、掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6500F型號）、熱重分析儀（TGA，STA 409 PC）、靜態水接觸角測試儀（Sindatek）、紫外可見光分光光度計（UV-Vis，UV-2450）

1.2 表征與測試

紅外光譜測試：波長范圍為中紅外（4000～600 cm-1），以4 cm-1的光譜分辨率對每個光譜累積掃描32次。

掃描電子顯微分析：樣品表面噴金（25 mA，40s）處理，掃描時加速電壓為10 kV，用Image J軟件統計纖維直徑的大小與分布，n為50。

熱重分析：氮氣氛圍下（氣體流量15 mL/min）從室溫以10℃/min的升溫速率逐漸加熱至600℃。

靜態水接觸角測試：樣品剪裁成2 cm×2cm的尺寸大小并將其固定在載玻片上，調節液滴大小穩定5 s后讀數。

蛋白質吸附測試：樣品剪裁成約10cm2大小，將其浸泡在20mL濃度為1 mg/mL的BSA溶液中一定時間，然后將纖維支架取出并用紫外可見光光譜測量280 nm處BSA溶液中的蛋白質殘余濃度。

降解測試：將干燥后的樣品稱質量W0，然后將樣品放入裝有20 mL PBS溶液（pH 7.4）的離心管中，置于37℃恒溫振蕩箱中孵育8周，每周取出一組樣品干燥后稱其質量（Wt），根據式（1）計算失重率。

1.3 PLA/CS-Algi復合納米纖維膜的制備

將聚乳酸（PLA）和殼聚糖（CS）按照 8.0/2.0、的比例稱取1.4g的PLA顆粒與CS粉末的混合物溶解在10 mL三氟乙酸（TFA）中，攪拌均勻至完全溶解后，開始靜電紡絲。紡絲結束后，將樣品置于30℃的真空干燥箱中干燥12 h，得到PLA/CS纖維膜。作為對照組，采用同樣的方法制備無CS的純PLA纖維膜。

配置濃度為4mg/mL的海藻酸鈉（Sodium Alginate）水溶液，然后將 0.06mol/L NHS和 0.03mol/L EDC加入到海藻酸鈉溶液中攪拌2h，最后將PLA/CS纖維浸泡于活化后的海藻酸鈉溶液中，進行交聯反應12h后，將纖維支架取出并置于40℃真空干燥箱干燥48h，即得到經海藻酸接枝改性的PLA/CS-Al復合纖維膜材料。

2 結果與討論

2.1 結構與成分分析

圖1為纖維膜材料及其各組分的全反射紅外光譜圖。如圖1所示，殼聚糖chitosan紅外光譜在1670cm-1及1532cm-1處分別代表酰胺Ⅰ帶（—NHCO—）和酰胺Ⅱ帶（—NH2）的吸收峰。在純PLA纖維的紅外光譜中，2996cm-1和2949cm-1附近為聚乳酸分子中亞甲基（—CH2）吸收峰，1743cm-1附近為酯羰基（—C＝O—）的吸收峰。在PLA/CS共混纖維的紅外光譜中聚乳酸與殼聚糖的特征峰均同時出現。海藻酸Alginate紅外光譜中在1596cm-1附近為酯羰基（—C＝O—）的吸收峰。在PLA/CS-Al纖維膜的紅外光譜中，PLA/CS纖維中殼聚糖酰胺Ⅱ帶（—NH2）的吸收峰消失了，1606cm-1處出現了一個新的吸收峰，為海藻酸鈉的羧基（—COOH）與殼聚糖（—NH2）交聯反應后產生的酰胺基（—NHCO—）的吸收峰。由此說明PLA/CS-Al復合纖維膜材料制備成功。

圖1 純 PLA、PLA/CS、PLA/CS-Al復合纖維膜及其各組分的全反射紅外光譜圖

2.2 微觀形貌分析

圖2、圖3分別為纖維膜的掃描電鏡圖和直徑分布統計圖。由圖2可知，通過靜電紡絲成功地制得各纖維膜，纖維的整體形貌平整較好，纖維與纖維之間互相交叉形成立體多孔結構。由圖3可知，純PLA纖維的平均直徑為257.7nm，與殼聚糖混紡后的PLA/CS纖維平均直徑為91.1nm，這是因為殼聚糖溶于TFA形成溶液時，增加了紡絲液的電荷密度，使得溶液中分子排斥力增大，在靜電高壓的作用下射流產生劈裂現象而形成更細的纖維，同時也使得纖維的直徑分布變大。PLA/CS-Al復合纖維支架的直徑為98.7nm，纖維直徑比PLA/CS增加7.6nm，纖維的表面變得粗糙，這是由于在水溶液中交聯后海藻酸附著纖維表面，同時纖維發生輕微溶脹現象。

圖2 納米纖維膜材料的掃描電鏡圖片

圖3 納米纖維膜材料的直徑分布統計圖

2.3 熱重分析

圖4為纖維膜材料以及各組分的熱重曲線。由圖4可知，純PLA纖維在250℃左右就開始分解，到了360℃左右的時候就已經幾乎全部分解。相比于純PLA纖維，PLA/CS和PLA/CS-Al熱分解溫度均提前，分別為210℃和170℃，這是由于殼聚糖和海藻酸的熱穩定性均弱于聚乳酸，復合改性的結果使得復合纖維膜的熱穩定性比純聚乳酸材料差。

圖4 純PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al復合納米纖維膜的熱重曲線

2.4 親水性分析

圖5為纖維膜的靜態水接觸角數據統計圖。由圖5可知，純PLA纖維膜的靜態水接觸角為122°，說明單一的聚乳酸材料本身為疏水性特性。PLA/CS和 PLA/CS-Al的靜態水接觸角分別為93°和82°，表明通過混入殼聚糖和表面接枝海藻酸，均能有效改善聚乳酸纖維材料的親水性能。

圖5 純PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al復合納米纖維膜的靜態水接觸角數據統計圖

圖6為純PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al復合纖維膜在1h、2h、3h和6h的蛋白質吸附結果統計圖。由圖6可知，PLA/CS-Al的蛋白質吸附均弱于純PLA和PLA/CS，這也說明PLA/CS-Al的親水性最好。值得注意的是，在前2h內，各樣品的蛋白質吸附呈下降趨勢，從第3h起到第6h，各樣品的蛋白質吸附量又開始上升。這可能是因為當大量的蛋白質開始被吸附于纖維膜上時，蛋白質與材料表面的結合不是很緊密，此時解吸附的速率很大；隨著時間的推移，蛋白質與材料表面的結合趨于穩定，解吸附的蛋白質又開始緩慢地吸附于支架上，此時吸附速率遠大于解吸附的速率。

圖6 純PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al復合納米纖維膜的蛋白質吸附結果

2.5 降解性能分析

圖7為纖維膜樣品的體外降解測試后的質量損失變化曲線。如圖7所示，所有纖維材料的降解可分為快速降解和慢速降解兩個階段，前4周時間內的降解速率大于后四周的降解速率，其中降解速率PLA/CS-Al＞PLA/CS＞PLA。在降解第8周時，PLA/CS-Al的質量損失達14.35%，均大于PLA/CS和純PLA的質量損失。這說明殼聚糖的混入紡絲和海藻酸的表面改性可以有效提高聚乳酸纖維膜的降解性能。

圖7 純PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al復合納米纖維膜在PBS溶液中降解的質量損失變化

3 結語

本文采用靜電紡絲技術成功制備了以聚乳酸為基體的PLA/CS-Al復合納米纖維膜材料。通過混合紡絲聚乳酸與殼聚糖的混合物和EDC/NHS對PLA/CS混紡纖維的交聯，實現了合成高分子與天然高分子材料的有效結合。

實驗結果表明，相比于純PLA纖維材料，PLA/CS-Al復合納米纖維膜材料具有更小的纖維直徑，盡管殼聚糖和海藻酸的加入會稍微降低纖維膜材料的熱穩定性，但靜態水接觸角測試、蛋白質吸附和降解實驗表明PLA/CS-Al復合纖維膜材料的親水性明顯改善（接觸角為82°），降解性能亦有效提高（降解8周質量損失達14.35%）。