水滴模板法制備聚己內酯蜂窩狀多孔膜

劉瑞來，徐婕，趙瑨云，穆寄林，胡家朋，付興平

（福建省生態產業綠色技術重點實驗室，武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300）

聚己內酯（PCL）是一種人工合成的半結晶性聚酯高分子材料，具有良好的力學性能、生物相容性、可降解性和藥物通透性而被廣泛應用于組織工程支架材料[1-2]。然而PCL 為線性脂肪鏈結構，親水性差，細胞培養液很難充分浸潤支架的孔壁表面，影響細胞在支架表面的黏附和增殖，限制其在組織工程中的應用，因此對其表面物理形貌的改進是非常有必要的[3]。目前人們采用光刻技術[4]、軟刻技術[5]、自組裝方法[6]、相分離法[7]和水滴模板法[8]在材料表面構建溝、槽或蜂窩孔等不同圖案化結構來改變材料的拓撲結構和粗糙度。這些形貌構筑細胞生長的微環境，促進細胞的黏附與增殖，對細胞的生長起到“引導作用”[9]。

除水滴模板外，以上方法存在制備過程復雜、成本高和孔徑調控困難等缺點，使有序微孔薄膜的應用受到限制。1994 年，Francois[10]第一次在高濕度條件下制備聚苯乙烯蜂窩狀多孔膜，該方法稱為水滴模板法或水蒸氣輔助法。Srinivasarao[11]和Schatz 等[12]對蜂窩孔的形成機理做詳細的研究，使水滴模板法得到快速發展。蜂窩狀多孔膜的形成主要是通過高揮發性溶劑的揮發，使水蒸氣在聚合物表面冷凝并聚集，在毛細管流和回流的共同作用下，水滴在聚合物表面有序緊密堆積，當溶劑和水都揮發后，即得到有序規整的蜂窩狀多孔膜。目前已通過水滴模板法制備聚乳酸及其共聚物[13]、醋酸纖維素[14]、聚酰亞胺[15]、聚硅氧烷[16]和聚醚砜[17]等聚合物。然而到目前為止，利用水滴模板法制備聚己內酯蜂窩狀多孔膜卻無相關文獻報告。

基于以上原因，以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，不添加任何添加劑條件下，通過水滴模板法制備PCL蜂窩狀多孔膜，研究溶劑、環境濕度、濃度和成膜溫度等條件對蜂窩孔形成的影響，通過對這些試驗參數的控制，最終達到控制多孔膜表面形貌及孔大小的目的，以期使PCL 蜂窩狀多孔膜成為理想的組織工程支架材料。

1 試驗準備

1.1 材料

聚己內酯（PCL），重均分子質量3 萬，購于深圳光華偉業有限公司；四氫呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM），分析純，購于國藥化學試劑有限公司；其余試劑為市售分析純。

1.2 聚己內酯蜂窩狀多孔膜的制備

將PCL 分別溶于DCM 和THF 溶劑中，配制成質量分數為2%、4%和6%的鑄膜液，常溫下磁力攪拌溶解，用微量注射器吸取80 μL，在一定溫度和濕度條件下，將鑄膜液注射到玻璃基板上澆筑成膜。其中濕度由密閉條件下飽和鹽溶液控制，碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀和硝酸鉀飽和溶液分別對應的環境相對濕度分別為43%、56%、75%、83%和91%。密閉容器放在恒溫水浴中，控制環境的溫度分別為10、20、30、40 和50 ℃。待溶劑揮發后，30 ℃真空干燥得到PCL 蜂窩狀多孔膜。

1.3 表征

利用日本JEOL 公司JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡觀察蜂窩孔形貌，噴金處理，噴金電流30 mA，時間90 s，采用儀器自帶軟件Smileview 2.0 測量蜂窩孔孔徑大小，取20 個數值，求平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 DCM 為溶劑對蜂窩孔形貌影響

以DCM 為溶劑，濕度和聚合物質量分數對PCL蜂窩孔形貌的影響。聚合物質量分數為2%時，環境濕度為43%，得到表面少量稀松孔結構。隨著環境濕度增加至56%，表面的孔密度有所增加，且孔直徑從（3.04±1.23）μm 增加至（4.01±1.28）μm，隨著環境濕度進一步增加至75%～91%，蜂窩孔的直徑增加至（7.51±1.89）μm，且蜂窩孔變得更加規整。質量分數為4%，濕度對形貌變化規律與質量分數為2%一致。然而質量分數為6%，除了濕度為90%得到大小不規整的蜂窩孔外，其余濕度均無法得到蜂窩孔結構。主要因為聚合物濃度大，DCM 揮發速率大大降低，無法在聚合物表面形成足夠的溫度差，環境中無足夠的水蒸氣在其表面冷凝，因此濕度為43%～83%無法得到規整的蜂窩孔，而濕度為91%得到大小不規整的蜂窩孔結構，如圖1 所示。

圖1 PCL 蜂窩狀多孔膜的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of PCL honeycomb porous membranes

以DCM 為溶劑，孔徑與環境濕度的關系圖。從圖中可知，質量分數為2%和4%，隨著環境濕度的增加，蜂窩孔的孔徑均增加。Zhao 等[18]人認為孔徑大小與環境濕度存在如下關系：

式中：Ri為水滴半徑，Vw為水的摩爾體積，Hr為環境相對濕度，從上式可知水滴半徑與環境濕度成正比例關系。通過圖2A 可計算2%和4%擬合直線的斜率分別為0.202 和0.211，即環境濕度每增加1%，孔直徑分別增加0.202 和0.211 μm，孔徑的增長率分別為0.202%和0.211 %，說明溶劑對孔徑增長率并無太大影響，詳見圖2。

圖2 PCL 蜂窩狀多孔膜相對濕度與孔徑關系圖Fig.2 The relationship of relative humidity and pore size of PCL honeycomb porous membranes

2.2 THF 為溶劑對蜂窩孔形貌影響

以THF 為溶劑，環境濕度和聚合物質量分數對蜂窩孔形貌的影響，質量分數為2%，五種濕度均得到蜂窩孔形貌，且隨著環境濕度的增大孔徑增加。孔徑與環境濕度的關系如圖2B 所示，環境濕度從43%增加到91%，孔徑從（7.21±2.54）μm 增加到（16.83±3.45）μm，擬合直線的斜率為0.203，即孔徑增長率為0.203%。然而質量分數為4%，濕度為43%，無法得到蜂窩孔，質量分數增加至56%，得到稀疏孔，隨著環境濕度的進一步增大，孔密度和孔徑均增加。通過擬合直線得到斜率為0.212，即孔徑增長率為0.221 %。從圖2B 可知，聚合物質量分數對孔徑大小有影響，而對孔徑增長率并無太大影響。濃度為6%，只有環境濕度為83%和91%得到少量稀疏孔結構，而其余濃度均無法得到孔結構，詳見圖3。

圖3 PCL 蜂窩狀多孔膜的掃描電鏡圖（THF 為溶劑），溫度20 ℃Fig.3 SEM images of PCL honeycomb porous membranes(THF as solvent)

2.3 環境溫度對蜂窩孔形貌影響

以DCM 為溶劑，聚合物質量分數為4%條件下，環境溫度對蜂窩孔形貌的影響。環境溫度10～50 ℃范圍內，均得到蜂窩孔結構。溫度為10 ℃，得到直徑為（13.15±3.29）μm 不規整蜂窩孔，然而溫度為20 和30℃，得到孔徑分別為（6.78±1.74）和（6.30±1.64）μm 規整蜂窩孔結構。溫度進一步增加至40 和50 ℃，蜂窩孔直徑分別增加至（12.19±3.33）和（20.14±5.70）μm，且蜂窩孔變的不規整，詳見圖4。

圖4 溫度對PCL 蜂窩狀多孔膜形貌影響Fig.4 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

以THF 為溶劑，聚合物質量分數為4%條件下，環境溫度對蜂窩孔形貌的影響。環境溫度從10～50 ℃范圍內，均得到較規整的蜂窩孔結構。溫度為10 ℃，得到直徑為（6.14±1.96）μm 不規整蜂窩孔，然而溫度增加到20 ℃，得到孔徑為（12.33±2.74）μm 規整蜂窩孔結構。溫度進一步增加至30 ℃，蜂窩孔直徑增加至（13.14±3.01）μm。隨著質量分數進一步增加至40～50 ℃，蜂窩孔形貌和孔徑并無明顯變化，詳見圖5。

圖5 溫度對PCL 蜂窩狀多孔膜形貌影響，其余條件：DCM 為溶劑、環境濕度83%、聚合物濃度4%Fig.5 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

3 試驗結論

聚己內酯（PCL）具有良好的力學性能、生物相容性、可降解性和藥物通透性而被廣泛應用于組織工程支架材料。分別以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，通過水滴模板法制備得到PCL 蜂窩狀多孔膜。以二氯甲烷為溶劑，2%和4%濃度可得到規整蜂窩孔，而6%濃度無法得到規整蜂窩孔。而以四氫呋喃為溶劑，2%濃度得到規整蜂窩狀，而4%和6%無法得到規整的蜂窩狀。以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，蜂窩孔孔徑與濕度存在一階線性關系。蜂窩狀形貌構筑了細胞生長的微環境，促進了細胞的黏附與增殖，對細胞的生長起到了“引導作用”。PCL 蜂窩狀多孔膜有望成為理想的組織工程支架材料。