還原氧化石墨烯增強聚乳酸納米纖維膜的制備及其性能

王曙東， 董 青， 王 可， 馬 倩

(1. 鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215002； 3. 江蘇金麥穗新能源科技股份有限公司， 江蘇 鹽城 224013；4. 蘇州工業園區海歸人才子女學校， 江蘇 蘇州 215021)

組織工程學是一門通過具有生物相容性的支架材料修復或替代原有病變器官組織，并達到組織再生的交叉學科，組織工程支架材料應具有仿天然細胞外基質的結構，同時應具有良好的生物相容性、生物可降解性和一定的力學性能[1-2]。近年來，生物可降解材料因其可制備綠色、環境友好型的復合材料而引起研究人員的興趣[3-4]。聚乳酸(PLA)是一種新型可降解材料，可從玉米、淀粉、馬鈴薯等可再生資源中提取出的淀粉合成而得，因具有良好的生物相容性、力學性能和易于加工，已被廣泛應用于組織工程支架材料[5-6]。然而，聚乳酸組織工程支架材料仍存在力學強度不夠高，細胞相容性有待進一步提高等問題[7]。

近年來，石墨烯因其特有的機械、電、光等特性[8-9]，已被廣泛應用于傳感器、電池、光學設備和超級電容器[10-11]，石墨烯也已被證明具有潛在的生物醫學價值[12-13]。目前，已有多種方法可制備不同尺寸和結構的石墨烯[14-15]，本文課題組之前已采用氫碘酸還原法制備還原氧化石墨烯(rGO)[16]。靜電紡絲技術可將天然或合成聚合物材料制備成由微納米纖維構成的多孔支架材料，已被廣泛應用于制備組織工程支架材料[17-18]。目前，國內外已有采用靜電紡絲法制備PLA和石墨烯或氧化石墨烯復合材料的相關報道[19-20]，但采用rGO修飾或改性PLA納米纖維的報道較少。本文將PLA與制備的rGO以一定的質量比例復合，并采用靜電紡絲法制備PLA/rGO復合納米纖維膜，研究rGO的復合對納米纖維膜力學性能的影響，并對其細胞相容性進行表征，為該復合納米纖維膜應用于組織工程支架材料提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

PLA(相對分子質量為1 000 000)，山東岱罡生物科技有限公司；石墨粉，分析純，南京先豐納米材料科技有限公司；氯化鈉、濃硫酸、高錳酸鉀、過氧化氫、氫碘酸、N,N-二甲基甲酸胺(DMF)等，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；純水為實驗室自制。小鼠胚胎成骨細胞，蘇州大學基礎醫學與生物科學學院提供。

1.2 PLA/rGO復合納米纖維膜的制備

采用文獻[21]方法制備氧化石墨烯，并采用氫碘酸還原法制備rGO。首先，將PLA/rGO復合物溶解(rGO質量分數為0.2%、0.4%和0.6%，當rGO質量分數超過0.6%時，已很難在紡絲液中分散并形成團聚)分散于DMF溶液中，紡絲液的質量分數為15%。然后，按照圖1所示采用靜電紡絲方法制備PLA/rGO復合納米纖維膜(rGO 質量分數為0.0%、0.2%、0.4%和0.6%對應樣品編號為1#、2#、3#和4#)。靜電紡絲參數設置為：電壓15 kV，紡絲液流速0.5 mL/h，紡絲口至收集裝置的距離15 cm。

圖1 靜電紡PLA/rGO復合納米纖維膜的制備示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of preparation of electrospinning PLA/rGO blended nanofibrous membrane

1.3 測試與表征

紡絲液黏度測試：采用AR2000型流變儀(美國TA儀器公司)測試PLA/rGO復合紡絲溶液的黏度，旋轉剪切范圍為0.1～100 s-1。

形貌觀察及纖維直徑測試：對復合納米纖維膜進行噴金處理后，采用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM， 日本日立公司)觀察其表面形貌，并采用Photoshop 7.0測量掃描電鏡照片中100根纖維的直徑，取平均值得到納米纖維的平均直徑；將復合納米纖維膜放在銅網上，采用Hitachi 600型透射電子顯微鏡(TEM，日本日立公司)觀察PLA/rGO復合納米纖維膜的內部結構。

表面元素測試：采用S-4800型掃描電子顯微鏡及其配套TM3030型能譜儀(日本日立公司)掃描PLA/rGO復合納米纖維膜的微區中碳和氧元素的能譜圖。

拉曼光譜測試：采用HR800型共聚焦顯微拉曼光譜儀(法國HORIBA Jobin Yvon公司)測試PLA/rGO復合納米纖維膜的拉曼光譜，測試范圍為3 000～500 cm-1。

力學性能測試：采用Instron 3365型強伸度測試儀(美國Instron公司)測試PLA/rGO復合納米纖維膜的拉伸性能，夾持長度為20 mm，拉伸速率為20 mm/min， 預加張力為0.2 cN。根據納米纖維膜的斷裂強力、斷裂伸長率、彈性模量等數據，獲得應力-應變曲線[22]。每組樣品測試3組，取平均值。

細胞相容性測試：采用小鼠胚胎成骨細胞培養來表征PLA/rGO復合納米纖維膜的細胞相容性，采用四唑鹽比色(MTT)法測定細胞在纖維膜上的生長情況[23]。

2 結果與討論

2.1 PLA/rGO復合紡絲溶液的流變性能

圖2(a)示出PLA/rGO復合紡絲溶液的形貌。可見：純PLA紡絲溶液呈透明無色狀，加入rGO分散后紡絲液呈現黑色，且隨著rGO質量分數的提高，紡絲溶液顏色逐漸加深；rGO在PLA與DMF體系中分散良好，無團聚和沉淀現象。圖2(b)示出含有不同質量分數rGO的紡絲溶液的黏度。可見：隨著rGO質量分數的提高，復合紡絲溶液的黏度逐漸增加，這是由于rGO分散于聚乳酸紡絲溶液中，分子間相互作用力增強，導致溶液黏度增大。

圖2 PLA/rGO復合紡絲溶液的外觀形貌和流變性能Fig.2 Morphology (a) and rheological property (b) of PLA/rGO blended spinning solution

2.2 PLA/rGO復合納米纖維膜形貌結構

圖3示出PLA/rGO復合納米纖維膜的形貌結構照片。由圖3(a)可見，1#納米纖維膜具有多孔結構，纖維粗細和分布較為均勻，纖維平均直徑約為150 nm。 由圖3(b)～(d)可見：復合納米纖維膜的纖維直徑較1#納米纖維膜有一定程度的增加，納米纖維膜的纖維直徑達到180～220 nm，這是由于紡絲液黏度增加的緣故。與1#納米纖維膜相比，有不規則球狀物分布于復合納米纖維膜(2#～4#)表面及內層，且隨著rGO質量分數的增加，球狀物的數量也有一定程度增加。根據課題組之前相關研究結果表明[24]，分布于納米纖維膜中的不規則球狀物是PLA納米纖維包覆的rGO顆粒。

圖3 不同rGO質量分數的PLA/rGO 復合納米纖維膜的SEM照片(×5 000)Fig.3 SEM images of PLA/rGO blended nanofibrous membrane with different mass fraction of rGO(×5 000)

圖4示出rGO及PLA/rGO復合納米纖維膜的透射電鏡照片。由圖4(a)可見，rGO為單層片狀結構，尺寸大小為微納米級別。由圖4(b) rGO高分辨率透射電鏡照片可見，rGO擁有良好的晶體狀結構。由圖4(c)、(d) 4#復合納米纖維的透射電鏡照片可見，有不規則球狀物串于復合納米纖維上，這與掃描電鏡分析結果是一致的，且通過透射電鏡可清楚地觀察到不規則球狀物內部為片狀rGO，表明rGO被成功地復合至PLA納米纖維膜中。

圖4 rGO及PLA/rGO復合納米纖維膜的透射電鏡照片Fig.4 TEM images of rGO and PLA/rGO blended nanofibrous membrane. (a) Low resolution image of rGO; (b) High resolution image of rGO; (c) Low resolution image of 4#; (d) High resolution image of 4#

2.3 PLA/rGO復合納米纖維膜化學結構

為進一步驗證rGO被成功地復合至PLA納米纖維膜中，測定了PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜的拉曼光譜圖，如圖5所示。可知，rGO的復合未改變PLA的結構，與純PLA納米纖維膜相比，PLA/rGO復合納米纖維膜均在1 580和1 340 cm-1處出現2處特征峰，分別歸屬于rGO中碳的G峰和D峰[25]，進一步驗證了rGO被成功地復合至PLA納米纖維中。由圖5還可見，隨著rGO質量分數的增加，PLA/rGO復合納米纖維膜拉曼光譜圖的G峰的強度逐漸增加，進一步表明復合至PLA納米纖維膜rGO顆粒的數量逐漸增加，這與掃描電鏡分析結果是一致的。

圖5 不同rGO質量分數的PLA/rGO 復合納米纖維膜的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of PLA/rGO blended nanofibrous membrane with different mass fraction of rGO

2.4 PLA/rGO復合納米纖維膜力學性能

PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜的力學性能如圖6和表1所示。

表1 PLA/rGO復合納米纖維的力學性能Tab.1 Mechanical property of PLA/rGO blended nanofibrous membrane

圖6 PLA/rGO復合納米纖維的力學性能Fig.6 Mechanical property of PLA/rGO blended nanofibrous membrane

由圖6可見，1#納米纖維膜的斷裂強度以及彈性模量較小，分別為(0.88±0.12)和(1.52±0.21) MPa， 斷裂伸長率為(57.53±4.28)%，復合rGO后的PLA納米纖維膜的斷裂強度和彈性模量

較1#納米纖維膜有一定程度提高，斷裂伸長率有一定程度下降。隨著rGO質量分數的提高，復合納米纖維膜的斷裂強度和彈性模量逐漸增加，當rGO質量分數0.6%時，4#復合納米纖維膜的斷裂強度和彈性模量分別達到(2.02±0.21)和(4.93±0.51) MPa，分別是1#納米纖維膜的2.3倍和3.2倍，表明rGO的復合對于PLA納米纖維膜具有較好的增強作用。

2.5 PLA/rGO復合納米纖維膜細胞相容性

小鼠胚胎成骨細胞在PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜上培養7 d后的細胞增殖情況如表2所示。可見，小鼠胚胎成骨細胞在PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜上均可較好地生長和增殖，這是因為PLA具有良好的生物相容性，且納米纖維膜為多孔結構。MTT結果顯示，rGO的復合在一定程度上有利于細胞在PLA納米纖維膜上的增殖。這可能是由于rGO的電子傳遞特性，有利于促進細胞生長[26]；另一方面，可能是由于rGO的復合，使得PLA納米纖維膜的含氧基團數量增加，提升了納米纖維膜表面親水性，有利于細胞生長與增殖。

表2 小鼠胚胎成骨細胞在PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜上的增殖情況Tab.2 Proliferation of mouse embryonic osteoblasts on PLA and PLA/rGO blended nanofibrous membrane

圖7示出PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜能譜的碳和氧元素的分布圖。結果顯示，PLA納米纖維膜的表面氧碳元素含量比為0.20，隨著rGO質量分數的提高，復合納米纖維膜表面的氧碳元素比逐漸提高，當rGO質量分數為0.6%時，復合納米纖維膜的表面氧碳元素比增至0.27，驗證了rGO的復合，使得PLA納米纖維膜表面的含氧基團數量增加，提升了材料表面親水性，有利于細胞生長與增殖。上述結果表明本文制備的復合納米纖維膜具有良好的生物相容性。

圖7 PLA及PLA/rGO復合納米纖維膜的表面碳、氧元素分布情況Fig.7 EDS images of C and O elements on surface of PLA and PLA/rGO blended nanofibrous membrane. (a) C element on surface of 1#; (b) O element on surface of 1#; (c) C element on surface of 2#; (d) O element on of 2#; (e) C element on surface of 3#; (f) O element on surface of 3#; (g) C element on surface of 4#; (h) O element on surface of 4#

3 結 論

本文將一定質量的還原氧化石墨烯(rGO)分散于聚乳酸(PLA)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)紡絲溶液中，通過靜電紡絲法制備得到PLA/rGO復合納米纖維膜，并研究了其結構與細胞相容性，得出如下主要結論。

1)rGO可較好地分散于PLA和DMF紡絲液中，隨著rGO質量分數的提高，復合紡絲液的黏度增加。

2)PLA/rGO復合納米纖維平均直徑為180～220 nm， rGO以不規則球狀形式分布于PLA納米纖維膜中，隨著rGO質量分數的提高，復合在納米纖維中的球狀物的數量也有一定程度增加。

3)rGO的復合未改變PLA的結構，且使PLA納米纖維膜的力學性能有一定增加，隨著rGO質量分數的提高，復合納米纖維膜的斷裂強度逐漸增加。

4)小鼠胚胎成骨細胞可在復合納米纖維膜上生長和增殖，說明PLA/rGO復合納米纖維膜具有較好的細胞相容性，rGO的復合有利于細胞在PLA納米纖維膜上的增殖。