形狀記憶取向纖維膜的形狀回復力調控

霍 影， 王先流， 易兵成， 沈炎冰， 張彥中

（東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620）

生物支架材料是運用組織工程策略完成組織缺損修復與再生的一個基本要素，如何最大程度地對天然組織的細胞外基質進行仿生是該領域的研究熱點[1-3]。常見的制備組織工程支架的方法中，電紡絲技術制備的纖維支架由于具有較高的比表面積和仿生天然組織的細胞外基質的納-微米纖維形態等優勢，在組織工程領域獲得了廣泛關注。

肌腱組織由高度取向的納-微米膠原纖維與散布其中的肌腱細胞構成。目前基于電紡絲技術已經可以構建出仿生肌腱組織取向纖維結構的生物材料支架[4-6]。肌腱作為一種承力組織，在其支架的構建中，賦予仿生纖維支架力學刺激功能，給肌腱細胞提供合適的力學微環境，對于增強肌腱組織的再生功效十分必要。如：Morita 等[7]的研究表明在2D 硅膜上，與施加5%或15%的應變相比，10%的循環拉伸更有利于人骨髓間充質干細胞（hBMSCs）的成肌腱分化。Farng 等[8]證明，在聚己內酯3D 支架上接種間充質干細胞（MSCs）并在定制的生物反應器中對其進行機械拉伸（10%應變，0.33 Hz）48 h 后，肌腱標志基因（Scleraxis、膠原蛋白I、膠原蛋白II）的表達量增加，結果表明適宜的力學微環境能夠有效提升肌腱組織的形成能力。但當前對于構建力學微環境的研究主要集中在2D、3D 拉伸裝置[9,10]和生物反應器[11-13]，均需借助外部裝置的協助，存在一定的局限性。若構建的肌腱組織工程支架不僅可以模擬生物學基質微環境，還能自發、可控地為種子細胞提供力學刺激，將對肌腱等力學相關性組織的再生具有重要意義。

形狀記憶聚合物（SMPs）是一種具有形狀記憶效應的智能材料，已受到生物醫學領域研究者的關注。SMPs 易于塑形，可在施加特定刺激（如熱[14]、光[15]、超聲[16]等）時發生形狀變形并固定，當重新施加這種刺激時，又可以從這種臨時形狀自發回復到其初始形狀[17]，從而達到對肌腱組織工程種子細胞施加主動式力學刺激的目的。將這類智能材料制備成纖維在發展智能手術縫合線[18]和組織再生[19]等與生物醫學相關領域有著較好的應用前景，但針對調控形狀記憶纖維形狀回復力的研究還鮮有報道。

本文基于本課題組近年來發展的穩定射流電紡絲方法（SJES）[20]，制備了具有形狀記憶特性的左旋聚乳酸/聚羥基丁酸戊酸共聚酯（PLLA/PHBV）取向纖維，通過在一定溫度下的拉伸塑形、冷卻固定及受熱刺激形狀回復處理和測試表征，研究該取向纖維形狀回復時的回復力與拉伸應變的關系。本研究將為利用形狀記憶取向纖維的形狀回復效應研究對工程化結構特異性組織（如肌腱、韌帶等）的細胞功能調控提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

PLLA：Mn=1.0 × 105，濟南岱罡生物材料有限公司；PHBV：Mn=5.2 × 105，寧波天安生物材料有限公司；六氟異丙醇（HFIP）：分析純，上海凌峰化學試劑有限公司。

1.2 測試與表征

利用掃描電子顯微鏡（日本日立公司TM-1000）觀察纖維膜形貌；用X 射線衍射儀（日本理光公司Rigaku D/MAX-2550PC）和傅里葉紅外光譜儀（美國賽默飛有限公司Nicolet 6700）對纖維膜的組成、結構及分子取向度進行測試分析；通過差示掃描量熱分析儀（德國耐馳儀器制造有限公司DSC-822）分析纖維膜熱性能；使用動態熱機械分析儀（德國耐馳儀器制造有限公司TA Instruments Q800）測試纖維膜形狀記憶性能；用電子力學測試機（中國上海恒馭儀器有限公司HY-940FS）對拉伸后的纖維膜進行力學性能檢測；恒溫加熱水浴鍋（中國上海豫明儀器有限公司HHS-2S）和數顯拉力計（中國艾普計量儀器有限公司SF-5）用于測定纖維膜的形狀回復力。

1.3 實驗步驟

1.3.1 PLLA/PHBV 取向纖維膜的制備 室溫下按照質量比6∶4 分別稱取PLLA 和PHBV 溶解于HFIP 溶液中，配制成質量濃度為0.12 mg/mL 的紡絲溶液。基于SJES[20]制備PLLA/PHBV 取向纖維膜，參數如下：電壓6 kV，注射速率0.5 mL/h，接收距離10 cm，滾筒轉速1 000 r/min，室溫，環境濕度70%～90%。電紡結束后，將制備的PLLA/PHBV 取向纖維膜置于真空干燥箱中干燥72 h 以上，以除去纖維中殘留的有機溶劑。

1.3.2 PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀記憶性能 將PLLA/PHBV 取向纖維膜裁剪成尺寸為15 mm × 6 mm ×0.06 mm 的樣品，利用動態熱機械分析儀（DMA）評估其形狀記憶性能[21]。測試前將樣品固定于DMA 儀器上，升溫至高于玻璃化轉變溫度（Tg）5 ℃，保溫2 min，記錄初始應變值（εbegin），然后按如下步驟測試：（1）關閉數據儲存；（2）升溫到50 ℃；（3）保溫3 min，得到初始應變εbegin；（4）打開數據儲存；（5）以0.25 MPa/s施加應力到2.5 MPa，得到臨時應變值εdeform；（6）維持應力2.5 MPa；（7）以3 ℃/min 降溫到0 ℃；（8）保溫2 min；（9）以0.25 MPa/s 撤去應力，得到固定應變值εfix；（10）以3 ℃/min 升溫到50 ℃；（11）保溫30 min，得到回復后應變值εfinal。按公式（1，2）分別計算形狀固定率（Rf）和形狀回復率（Rr）。

同時，對PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀記憶性能進行3D 宏觀演示：將紡制2 h 的取向纖維膜卷成纖維束，在50 ℃熱水中使其變形為臨時形狀“S”，并將其迅速轉移至0 ℃冰水中進行固定；然后將其重新置于50 ℃熱水中，觀察并記錄其形狀回復情況。

1.3.3 PLLA/PHBV 取向纖維膜不同拉伸應變的調控及表征 將1.3.1 制備的PLLA/PHBV 取向纖維膜裁剪成正方形（40 mm×40 mm），將裁剪好的纖維膜固定在夾具上，置于50 ℃蒸餾水中對纖維膜進行不同應變（40%、70%、100%）的拉伸；然后將不同應變下拉伸后的纖維膜在固定狀態下置于0 ℃冰水混合液中降溫固定；最后取下纖維膜置于4 ℃冰箱中保存。未經拉伸變形和降溫固定的纖維膜（ε = 0）作為對照組。

利用SEM 對不同拉伸應變（0、40%、70%、100%）的PLLA/PHBV 取向纖維膜的形貌進行表征，方法同上。

按照1.3.1 節所述方法紡絲2 h 制備纖維膜，剪成適當長度后粘貼在中空紙框上，按照上述方法進行拉伸、固定，干燥后進行拉伸力學測試（力傳感器范圍10 N，拉伸速率為15 mm/min）。

利用偏振紅外光譜法（p-FTIR）檢測纖維的分子取向度。將不同拉伸應變處理后的纖維固定于偏振紅外器上，調整偏振光片的角度，在400～4 000 cm-1進行掃描，分別得到平行纖維取向方向（//）和垂直纖維取向方向（⊥）的偏振紅外光譜圖。通過公式Dr= A///A⊥計算紅外二向色性（Dr）值，其中，A//和A⊥分別是偏振片平行和垂直于纖維取向方向的紅外吸收值。衡量分子取向度的Dr值越接近于1，材料的分子取向度越低；當Dr值遠大于或遠小于1 時，表示材料的分子取向度很高。

1.3.4 不同拉伸應變下PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀回復力檢測 將電紡2 h 制備的纖維膜裁剪成40 mm長的樣品，粘貼在中空紙框上，按照上述方法進行拉伸、固定，然后將拉伸固定后的纖維膜一端固定于焊接在恒溫水浴鍋底部的夾子上，一端固定于數顯拉力計上。調整數顯拉力計的距離至剛好出現數值，表明此時纖維膜處于臨界受力狀態。接著，緩慢加入50 ℃的蒸餾水，并通過拍攝視頻的方式記錄數顯拉力計上的數值，即纖維膜的形狀回復力，統計出形狀回復力與時間的關系，從而得到形狀回復應力與時間的對應關系。

1.3.5 統計學方法 利用Origin 8.0 統計軟件對數據進行統計學分析，評價實驗樣品間是否存在顯著性差異。組間比較采用t 檢驗和單因素方差分析（One way ANOVA）。當*P ＜ 0.05 時，表示數據之間存在顯著性差異；當**P ＜ 0.01 時，表示數據之間存在極顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 PLLA/PHBV 取向纖維膜的形貌與組成

從PLLA/PHBV 纖維膜的SEM 形貌圖（圖1（a））可以看出，電紡制備的PLLA/PHBV 復合纖維取向排列、形貌均一，平均直徑（d）為（1.37 ± 0.15）μm（圖1(b)）。從PLLA/PHBV 取向纖維及其組分的紅外光譜（圖1（c））可以看出：純PHBV 于1 728 cm-1處的強吸收峰為C＝O 的伸縮振動峰；1 188 cm-1和1 053 cm-1處是C―O―C 的振動吸收峰[22]；純PLLA 于1 754、1 080 cm-1處的強吸收峰分別歸屬于C＝O 的伸縮振動峰和C―O―C 的伸縮振動峰[23,24]。這兩種組分的特征吸收峰均在電紡PLLA/PHBV 復合纖維的紅外光譜圖中呈現，驗證了PLLA/PHBV 纖維的組成。比較X 射線衍射圖譜（圖1（d）），PHBV 衍射圖譜中的兩個較強的衍射峰（位于13.6°和17.0°[22]）和PLLA 由于結晶度較低在16.0°左右出現的駝峰[25]，經電紡復合后各自的特征衍射峰依然比較明顯呈現，進一步說明PLLA 和PHBV 成功復合。

圖 1 PLLA/PHBV 取向纖維膜的形貌（a）；直徑分布（b）；紅外光譜圖（c）和XRD 圖譜（d）Fig. 1 Morphology （a）, diameter distribution （b）, FT-IR spectra （c） and XRD pattern （d） of the aligned PLLA/PHBV fibrous films

2.2 PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀記憶性能

電紡PLLA/PHBV 取向纖維膜及各組分的DSC 熱分析結果見圖2（a）。由圖可以看出，PLLA 的Tg為59 ℃，而PLLA/PHBV 的Tg為46 ℃，表明PLLA 和PHBV 復合可以降低Tg，使該形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度（Ttrans）更接近體溫，方便運用間接熱刺激（如近紅外光、超聲等）手段在稍高于體溫條件下按需實現其形狀記憶效應。DMA 對PLLA/PHBV 取向纖維膜進行形狀記憶性能測試的結果見圖2（b）。在3 次形狀記憶測試循環中，PLLA/PHBV 均能較好地實現形狀回復；對其形狀固定率和形狀回復率進行統計，其平均形狀固定率和平均形狀回復率分別達到（96.79 ± 0.64）%和（71.64 ± 8.87）%。這些結果表明PLLA/PHBV 取向纖維膜具有良好的形狀記憶性能。

為更直觀證明PLLA/PHBV 取向纖維膜具有的形狀記憶特性，對其形狀記憶性能進行的宏觀演示見圖2（c）。可以看出，變形固定后的臨時形狀“S”可以在50 ℃的熱水中10 s 內基本回復至其初始直條形狀。

2.3 經應變固定處理的PLLA/PHBV 取向纖維膜的形貌

形狀記憶型支架具有回復初始形狀的能力，即高于Ttrans時對支架結構性能進行重塑，將溫度降低至Ttrans后對支架重塑形狀進行固定，稱之為臨時形狀；再次將支架升溫至Ttrans后，支架的內應力會使支架從臨時形狀回復到初始形狀。針對同一種初始形狀，如果將支架重塑成不同的臨時形狀，形狀回復過程產生的形狀回復力將不同。基于此原理，本文在2.2 節中驗證了所制備的PLLA/PHBV 取向纖維膜具有形狀記憶特性后，嘗試對該形狀記憶型PLLA/PHBV 取向纖維膜進行不同應變的固定，研究不同固定應變處理后PLLA/PHBV取向纖維膜的拉伸性能、分子取向特征及對形狀回復力的調控作用。

由宏、微觀形貌圖（圖3（a））可見，對取向纖維膜進行高溫拉伸和低溫固定的形狀編程后，纖維取向度趨于更優（圖3（b））。同時，纖維直徑降低，由ε = 0 時的（1.37 ± 0.15） μm 下降到ε = 100%時的（0.91 ± 0.08） μm（圖3（c））。拉伸變形處理引起的纖維直徑的變化，如果結合形狀記憶纖維膜的形狀回復效應，將有可能在細胞培養時嘗試通過纖維直徑的動態變化影響細胞的生物功能，這為動態調控細胞行為提供了較好的研究平臺。

圖 2 PLLA/PHBV 取向纖維膜的DSC 曲線（a），形狀記憶測試的應力-應變-溫度曲線（b）和在50 ℃ 熱水中進行的形狀記憶宏觀演示（c）Fig. 2 DSC curves （a）, stress-strain-temperature curves in shape memory testing （b） and macroscopic demonstration of shape recovery （c） of the aligned PLLA/PHBV fibrous sticks performed in warm water （50 ℃）

圖 3 不同拉伸應變PLLA/PHBV 取向纖維膜形貌（a），取向度（b）和直徑（c）（標尺30 μm，*P ＜ 0.05, **P ＜ 0.01）Fig. 3 Morphology （a）, orientation （b） and diameter （c） of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strain ratios （Scale bar is 30 μm, *P ＜ 0.05, **P ＜ 0.01）

2.4 經應變固定處理的PLLA/PHBV 取向纖維膜的拉伸性能與分子取向

對不同拉伸變形處理后的PLLA/PHBV 取向纖維膜進行拉伸力學性能測試。由應力-應變曲線（圖4（a））可知，隨著拉伸應變增加，PLLA/PHBV 取向纖維的力學性能也相應提高。以楊氏模量為例，未經拉伸（ε = 0）處理的PLLA/PHBV 取向纖維膜的楊氏模量是（1 489.27 ± 86.31） MPa；隨著拉伸應變的增大，其楊氏模量分別增加到（1 758.01 ± 94.99） MPa（ε = 40%）、（1 971.83 ± 73.57） MPa（ε = 70%）和（2 011.99 ± 97.45） MPa（ε =100%）（圖4（b））。這表明拉伸處理能夠提高纖維膜的拉伸力學性能。

不同拉伸應變PLLA/PHBV 取向纖維膜的偏振紅外測試[26]結果見圖4（c），根據公式Dr= A///A⊥計算出特征基團C―O―C（1 188 cm-1處）的Dr，得到圖4（d），通過Dr定量評價取向纖維分子鏈的取向度[27]。由結果可以看出，隨著拉伸應變由0 增加到100%，PLLA/PHBV 取向纖維分子鏈取向度呈現遞增的趨勢，說明通過調節拉伸應變可以調節纖維中的分子取向度，PLLA/PHBV 取向纖維膜的力學性能增強與其分子取向結構特征密切相關。

圖 4 不同拉伸應變PLLA/PHBV 取向纖維膜應力-應變曲線圖（a），楊氏模量（b），偏振紅外圖譜（c）及分子取向度統計（d）Fig. 4 Typical stress-strain curves （a），Young’s modulus （b），p-FTIR spectra （c） and Dr （d） with respect to the C―O―C group of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains （*P ＜ 0.05, **P ＜ 0.01）

2.5 經應變固定處理的PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀回復力

圖5 是對不同拉伸應變的PLLA/PHBV 取向纖維膜在50 ℃下形狀回復時檢測的形狀回復應力測試結果。由形狀回復應力-回復時間關系曲線（圖5（a））可以看出，形狀回復應力均呈現隨著回復時間的增加先增大到最大值然后再略降低的趨勢特征，這可能是伴隨形狀回復時間的延長發生的應力松弛現象。對最大形狀回復應力與拉伸應變的對應關系（圖5（b））進行統計，結果表明增大拉伸應變，纖維膜的最大形狀回復應力也增大，即從0（ε = 0）分別增加到 （5.32 ± 0.32）MPa （ε = 40%）、（7.63 ± 0.26）MPa （ε = 70%） 和 （9.24 ± 0.13）MPa（ε = 100%）。分析原因可能是對取向纖維膜進行拉伸、固定過程中，聚合物分子趨向規整排列（圖6（a）），拉伸應變越大，纖維儲存能量也越多；升高溫度后，纖維膜發生形狀回復，儲存的能量隨之釋放，從而導致產生的形狀回復力呈現梯度變化（圖6（b））。這些結果表明可以通過改變形狀記憶型取向纖維膜的拉伸應變調節其形狀回復（應）力的大小，這一特性使其在生物醫學領域有重要的應用價值。

圖 5 不同拉伸應變PLLA/PHBV 取向纖維形狀回復應力-時間曲線（a）和最大形狀回復應力（b）Fig. 5 Shape recovery stress-time curves （a） and the derived ultimate recovery stress （b） of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains （**P ＜ 0.01）

圖 6 形狀記憶取向纖維膜形狀記憶效應的宏、微觀機制示意圖（a）及不同拉伸應變形狀記憶纖維儲存和釋放能量示意圖（b）Fig. 6 Schematic of molecular mechanism （a） and energy storage and release （b） of the fibrous shape memory polymer films

3 結 論

（1）將PLLA 和PHBV 兩種生物相容性良好的聚合物通過共混電紡的方式成功制備出了形貌均一的取向復合纖維膜；且該取向纖維膜具有較好的形狀記憶效應，其形狀固定率和形狀回復率分別為（96.79 ± 0.64）%和（71.64 ± 8.87）%，其3D 結構可在50 ℃熱水中10 s 左右由臨時形狀基本回復至初始形狀。

（2）對PLLA/PHBV 取向纖維膜進行不同拉伸應變下的高溫拉伸和低溫固定處理，可使該復合纖維的取向度提高，直徑變小，拉伸力學性能顯著提高。

（3）不同拉伸應變（0～100%）處理的PLLA/PHBV 取向纖維膜的形狀回復應力在0～（9.24 ± 0.13） MPa 可調。