SA溶液濃度對(duì)乳液靜電紡絲SA/PCL納米纖維成形的影響

林俊杰，許偉鴻，鄧玲利，嚴(yán)玉蓉

(華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640)

乳液靜電紡絲可在傳統(tǒng)靜電紡絲設(shè)備上，通過(guò)改變?nèi)橐褐蟹稚⑾嗯c連續(xù)相的成分，制備具有特定組成、結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合納米纖維，無(wú)需考慮采用皮-芯靜電紡絲技術(shù)所涉及的專有設(shè)備及皮、芯層聚合物溶劑的相互溶解或反應(yīng)等問(wèn)題[1-2]，因此該方法可應(yīng)用于藥物緩釋、傳感器、食品保存、組織工程支架材料等領(lǐng)域[3-4]。

聚己內(nèi)酯(PCL) 是一種生物相容性良好的生物可降解高分子材料，具有很好的柔韌性和加工性能[5]。但PCL本身為疏水性材料，對(duì)細(xì)胞的粘附及親和性較差，可通過(guò)表面改性方法提高其細(xì)胞親和性能[6]。而通過(guò)乳液靜電紡絲，可將水溶性藥物、生物親和性優(yōu)異的蛋白質(zhì)等大分子在纖維成形過(guò)程中直接附著在疏水性纖維表面，并可通過(guò)一定的成形工藝控制，形成具有3D 結(jié)構(gòu)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，為細(xì)胞培養(yǎng)提供支架材料[4]。

海藻酸鈉(SA)是一種廣泛存在于海帶等褐藻中的多糖物質(zhì)，具有優(yōu)異的抗菌性能、良好的親水性和生物相容性，通過(guò)離子交換作用，可在溫和條件下形成凝膠，是敏感性藥物、蛋白質(zhì)、細(xì)胞和酶等活性物質(zhì)的優(yōu)良載體，在環(huán)境保護(hù)、臨床應(yīng)用和生物制藥等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[7-9]。近年來(lái)，關(guān)于采用SA為原材料制備功能納米纖維的研究報(bào)道越來(lái)越多[4,10]。作者以PCL/氯仿溶液作為連續(xù)相，SA/水溶液為分散相，失水山梨醇脂肪酸酯(Span80)為乳化劑，制備紡絲乳液并進(jìn)行靜電紡絲；研究乳液配制對(duì)所制備SA/PCL復(fù)合納米纖維形貌的影響，并采用Ca2+置換制得海藻酸鈣(CA)/PCL復(fù)合纖維膜，從而為組織工程支架材料的開(kāi)發(fā)提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

PCL：相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)為1.0×105，深圳Esun科技股份有限公司提供；SA：分析純，阿拉丁科技(中國(guó))有限公司產(chǎn)；Span80、三氯甲烷：分析純，廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；無(wú)水氯化鈣(CaCl2)：分析純，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；去離子水：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 SA/ PCL乳液的配制

乳液制備有兩種方法：(1)兩步法，先將分散相配制好，加入到含有表面活性劑的溶劑中，完全分散后再加入連續(xù)相高聚物溶解，并再次分散；(2)一步法，先分別將分散相和連續(xù)相配制好，然后將分散相加入到含有表面活性劑的連續(xù)相中，充分分散。一步法適用于黏度較小的溶液，但由于SA水溶液的黏度比較大，難以分散均勻，因此本實(shí)驗(yàn)采用兩步法制備SA/PCL乳液。

首先將SA溶于去離子水中配制一定濃度的SA 水溶液，靜置脫泡備用。在 FJ200S型均質(zhì)分散機(jī)上按比例將三氯甲烷、SA 水溶液和Span80于7 000 r/min 轉(zhuǎn)速下均質(zhì)15 min，隨后加入一定質(zhì)量的PCL(PCL質(zhì)量與SA水溶液的體積之比為1 g:1 mL，Span80相對(duì)于PCL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)，置于恒溫?fù)u床連續(xù)均化12 h，待 PCL完全溶解，均質(zhì)分散機(jī)再以轉(zhuǎn)速7 000 r/min均質(zhì)15 min后，得到所需紡絲乳液。

1.3 乳液靜電紡絲制備SA/PCL復(fù)合纖維膜

采用華南理工大學(xué)自制ESF-Y1靜電紡絲成型儀器對(duì)上述溶液或乳液進(jìn)行靜電紡絲[11]制備SA/PCL復(fù)合纖維膜。紡絲液流量0.65 mL/h，紡絲電壓10.5 kV，接收距離10 cm，紡絲環(huán)境溫度(25±5)℃，相對(duì)濕度(60±5)%。

1.4 CA/PCL復(fù)合纖維膜的制備

將SA/PCL復(fù)合纖維膜浸泡于0.02 g/mL CaCl2溶液中，25 ℃恒溫?fù)u床震蕩4 h，實(shí)現(xiàn)SA與Ca2+交換，制得CA/PCL復(fù)合纖維膜，用去離子水沖洗3次，除去纖維膜表面殘留的無(wú)機(jī)鹽，于40 ℃下真空干燥24 h，密封備用。

1.5 測(cè)試與表征

乳液黏度：采用NDJ-79 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) (上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司制)在25 ℃條件下測(cè)定SA溶液、PCL溶液以及SA/PCL乳液的黏度，每個(gè)待測(cè)試樣平行測(cè)定5次，結(jié)果取平均值。

表面張力：采用最大氣泡法測(cè)定液體在空氣中的表面張力[4]，每個(gè)待測(cè)試樣平行測(cè)定5次，結(jié)果取平均值。

表面形貌：采用荷蘭FEI 公司NavaNano430場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察SA/PCL和CA/PCL復(fù)合納米纖維的表面形貌，并采用Digimizer 圖形軟件對(duì)纖維直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)：采用德國(guó)Bruker 公司Vector33傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)復(fù)合纖維膜進(jìn)行紅外表征，應(yīng)用衰減全反射附件，掃描波數(shù)500～4 000 cm-1，每個(gè)試樣掃描 30 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 SA濃度對(duì)SA/PCL乳液物理性質(zhì)的影響

Span80的親水親油平衡值(HLB)為4.3，是良好的油包水(W/O)體系乳液的乳化劑[12]。當(dāng)Span80的含量超過(guò)其臨界膠囊濃度時(shí)，Span80分子自聚集形成的反膠囊會(huì)有效減少水油兩相的接觸。對(duì)于SA/PCL乳液，SA與PCL界面完全由Span80兩親性分子隔開(kāi)，SA以膠囊的形式穩(wěn)定分布在連續(xù)相PCL溶液中。

由圖1可知，在固定分散相體積的前提下，SA水溶液濃度的上升對(duì)SA/PCL乳液黏度無(wú)明顯影響；而且實(shí)驗(yàn)測(cè)得10 g/L的SA水溶液黏度為862.0 mPa·s，遠(yuǎn)大于不同配比乳液的黏度，這表明SA水溶液以膠囊的形式存在乳液體系中，對(duì)乳液黏度起主要作用的是連續(xù)相PCL溶液。

圖1 分散相SA濃度對(duì)SA/PCL乳液黏度的影響Fig.1 Effect of dispersed phase SA concentration on viscosity of SA/PCL emulsion

由圖2可見(jiàn)，SA/PCL的W/O體系的表面張力隨SA溶液濃度的升高有小幅度下降。這是由于SA被Span80包在膠囊內(nèi)，SA溶液本身的表面張力對(duì)乳液體系的貢獻(xiàn)有限。

圖2 分散相SA濃度對(duì)SA/PCL乳液表面張力的影響Fig.2 Effect of dispersed phase SA concentration on surface tension of SA/PCL emulsion

根據(jù)J.W.Goodwin等[13]給出的分散相粒子粒徑的相關(guān)因素，見(jiàn)式(1)。在一定均質(zhì)速度和均質(zhì)時(shí)間下，可認(rèn)為各組輸入能量相同，決定乳液體系中分散相粒徑的因素為兩相間的界面張力。

D～E-0.4γ120.6ρ2-0.2

(1)

式中：D表示分散相粒徑；E表示輸入乳液體系能量；γ12表示兩相界面張力；ρ2為連續(xù)相密度。

隨著SA水溶液濃度的提高，SA分子鏈相互纏結(jié)的趨勢(shì)增加，對(duì)應(yīng)SA/PCL乳液體系的分散相粒徑越大，SA/水-PCL/三氯甲烷溶液兩相界面張力增加，對(duì)于乳化劑含量一定的情況下，位于兩相界面起橋鍵作用的Span80分子越少，連續(xù)相溶液中游離及自成膠囊的Span80分子越多，也表現(xiàn)在乳液與空氣交界處的Span80分子越多，一定程度上降低了乳液體系的表面張力。

2.2 SA濃度對(duì)SA/PCL乳液靜電紡絲成形的影響

從圖3可以看出：當(dāng)PCL/三氯甲烷溶液濃度較低且未加Span80時(shí)，由于PCL分子鏈之間的纏結(jié)不足，三氯甲烷極快的揮發(fā)速度使得靜電紡絲射流無(wú)法在電場(chǎng)力的作用下得到充分的拉伸， PCL纖維中含有很多串珠，且串珠大小不均勻；當(dāng)PCL溶液中加入Span80后，PCL纖維中串珠狀結(jié)構(gòu)消失，這與Span80減少溶液的表面張力有關(guān)[14]，從而改善了PCL溶液靜電紡絲纖維形貌。

圖3 PCL溶液添加表面活性劑前后靜電紡絲纖維形貌Fig.3 Morphology of electrospun fiber from PCL solution before and after surfactant addition

由表1可知，隨著紡絲乳液中SA濃度的增加，所得復(fù)合纖維的直徑出現(xiàn)極大值，且所有纖維的直徑均小于僅添加Span80的PCL溶液體系所得纖維。SA水溶液存在于Span80膠囊中，因此，SA水溶液對(duì)靜電紡絲過(guò)程不產(chǎn)生直接的影響，且隨著SA濃度的增加，SA水相的尺寸增加，Span80膠囊的數(shù)量有所改變，乳液體系表面張力降低，聚合物乳液在靜電力的作用下克服表面張力作用實(shí)現(xiàn)纖維的拉伸和細(xì)化的可能性增加，更利于靜電紡絲中細(xì)小纖維結(jié)構(gòu)的形成，但是，所得纖維直徑還與乳液體系中作為基體聚合物油相黏度和溶劑揮發(fā)性能的影響有關(guān)。綜合以上因素，隨著SA濃度的增加，所得SA/PCL復(fù)合納米纖維的直徑表現(xiàn)出極大值。

表1 SA濃度對(duì)SA/PCL復(fù)合納米纖維直徑的影響Tab.1 Effect of SA concentration on diameter of SA/PCL composite nanofiber

注： 1)無(wú)分散相，添加Span80(含量均相同)的PCL溶液體系。

2)SA/PCL體系中SA溶液以等體積的水代替。

2.3 SA在SA/PCL復(fù)合納米纖維中的分布

SA水溶液的導(dǎo)電性很好(導(dǎo)電率為0.876 S/m)，在高壓靜電場(chǎng)的作用下，推進(jìn)器針頭處乳液中的SA膠囊會(huì)因?yàn)闃O化而變形成橢球形[15]；大量存在于SA分子中的—COO—會(huì)由于正向高壓靜電場(chǎng)的作用，使橢球形液滴遠(yuǎn)離電場(chǎng)的那一端帶正電，電荷大量集中在橢球形液滴的兩側(cè)，液滴之間的界面分子會(huì)在液滴之間的電荷吸引力達(dá)到一定程度的時(shí)候被擠掉，這時(shí)候溶液的表面自由能達(dá)到最小，促使大液滴的形成；在外加正向靜電場(chǎng)的作用下，極化的大液滴向針頭的內(nèi)表面移動(dòng)[16]，在靜電場(chǎng)的拉伸下大液滴發(fā)生擠壓和兼并，并且由于三氯甲烷的快速揮發(fā)而產(chǎn)生的兩相相對(duì)黏度梯度，使得帶電的SA分子和Span80分子向纖維表面遷移，最終導(dǎo)致SA分子出現(xiàn)在納米纖維的表面。這從SA/PCL復(fù)合納米纖維膜的FTIR圖也可以得到證實(shí)，見(jiàn)圖4。

圖4 不同SA濃度SA/PCL復(fù)合納米纖維膜的FTIRFig.4 FTIR of SA/PCL composite nanofiber membrane at different SA concentration1—0，2—10 g/L；3—20 g/L

從圖4可以看出，PCL在1 722 cm-1處有一個(gè)羰基(CO)特征吸收峰，而SA的特征吸收峰在1 612 cm-1附近(SA的C—O—C伸縮振動(dòng)峰)，隨著SA濃度的提高，該峰出現(xiàn)并趨于明顯，但出峰強(qiáng)度極弱，這也說(shuō)明SA存在于復(fù)合納米纖維的表面。

由圖5可知，當(dāng)采用Ca2+置換Na+制備CA/PCL時(shí)，CA/PCL復(fù)合納米纖維膜的表面出現(xiàn)部分粘連。這與部分海藻酸根通過(guò)Ca2+的橋鍵作用形成一定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)有關(guān)，在微觀上表現(xiàn)為纖維間的粘連，該粘連作用也導(dǎo)致纖維膜本身機(jī)械強(qiáng)度的提升[4]。

圖5 不同SA濃度時(shí)SA/PCL和CA/PCL復(fù)合納米纖維膜的微觀形貌Fig.5 Micromorphology of SA/PCL and CA/PCL composite nanofiber membrane at different SA concentration

3 結(jié)論

a. 通過(guò)乳液靜電紡絲，制備SA/PCL復(fù)合納米纖維膜，然后采用Ca2+置換，可制得CA/PCL復(fù)合纖維膜。

b. 表面活性劑Span80可改善PCL溶液的靜電紡絲性能；在SA/PCL乳液體系中，當(dāng)SA溶液體積一定時(shí)，SA溶液濃度對(duì)SA/PCL乳液的黏度沒(méi)有顯著影響，但SA溶液濃度的增加會(huì)降低SA/PCL乳液體系的表面張力，所得SA/PCL復(fù)合納米纖維的直徑出現(xiàn)極大值，且均小于僅添加Span80的PCL溶液體系所得納米纖維。

c. 在乳液靜電紡絲過(guò)程中，SA有向纖維表面遷移的趨勢(shì)，F(xiàn)TIR譜圖顯示在高濃度SA溶液添加體系，所得SA/PCL復(fù)合納米纖維譜圖上出現(xiàn)極小的SA的特征C—O—C伸縮振動(dòng)吸收峰，且該遷移的SA可有效實(shí)現(xiàn)SA/PCL與Ca2+交換，從而形成具有凝膠結(jié)構(gòu)的CA/PCL復(fù)合納米纖維膜，為生物支架材料提供新的制備途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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