PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的制備及其吸濕性能評價*

興棟

五邑大學紡織材料與工程學院，廣東 江門 529020

靜電紡絲技術作為唯一能直接并連續制備聚合物納米纖維的一種技術，具有成本低廉、環節少、操作工藝簡單等優勢[1]。且理論上，任何高分子材料只要能找到合適的溶液體系，都有可能通過靜電紡絲制備出納米纖維，并具有批量生產的可能[2]。由靜電紡絲制備的纖維，組分可控、比表面積大、孔隙率高、軸向強度高，在生物醫用材料、過濾材料、傳感器及電子器件等方面具有廣闊的應用前景[3]。

近年來, 靜電紡絲的研究領域已從形貌控制發展到應用開發。科研工作者嘗試了各種可能的應用領域，并取得了一定的成果。在生物醫用材料領域，靜電紡超細纖維薄膜除了具備上述優異特性外，還在一定程度上具有類似細胞外基質(ECM)的結構和生物學功能，可為細胞的黏附、增殖和分化提供理想的微環境[4]。RHO等[5]利用與ECM結構和組成極為相似的膠原為原料，制備出靜電紡膠原超細纖維膜，并進行小鼠傷口修復試驗，結果表明：靜電紡膠原超細纖維膜在傷口愈合初期能誘導新生血管的生成，并促進成纖維細胞的增殖和遷移，加快傷口的愈合。顧書英等[6]采用靜電紡絲技術分別制備了純聚乳酸(PLLA)薄膜和殼聚糖/PLLA、明膠/PLLA復合納米纖維氈，研究表明：復合納米纖維氈的吸水、保水性能都優于純PLLA薄膜，可作為理想的創面敷料材料。靜電紡絲制備的纖維薄膜還可負載并緩釋多種分子及生物活性物質。陳臘梅等[7]將同軸靜電紡絲技術制備的殼/核結構納米纖維作為藥物緩釋載體，制備出具有優異抗菌功能的靜電紡醫用敷料。徐雄立[8]以明膠和殼聚糖作為主要原料，通過靜電紡絲制備出含有納米銀的明膠基納米纖維水凝膠，用于制作抗菌型水凝膠敷料，應用于體外創傷護理。綜上可見，靜電紡納米纖維膜是制備性能優良的醫用敷料的理想材料。

理想的醫用敷料能提供一個有利于創面愈合的濕潤環境，增強傷口再上皮化能力，加快創面愈合速度[9]。醫用敷料吸收水分的方式有兩種：將液體吸進纖維內部和將液體吸進纖維間的孔隙中。這兩種吸收方式通常都是同時發生的。當醫用敷料和傷口接觸時，纖維吸濕膨脹，纖維間的孔隙被封閉，敷料和傷口滲出液中的細菌同時被固定住，進而減少了傷口被細菌感染的機會；同時，由于毛細作用而被吸收在纖維間的液體，可以在短時間內沿著織物橫向擴展，從而使傷口周邊的健康皮膚保持潤濕。從臨床角度來看，理想的醫用敷料能吸收大量的液體[10]。因此，如何改善靜電紡納米纖維膜的吸濕性能具有重要的現實意義。

本文選用兩親性聚己內酯(PLC)-聚乙二醇(PEG)三嵌段型共聚物(PCL-PEG-PCL)為原料，采用靜電紡絲技術制備PCL-PEG-PCL納米纖維膜；再通過均質分散、冷凍干燥和熱處理工藝，分散PCL-PEG-PCL納米纖維膜再重組，制備出PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架(下文簡稱“三維納米支架”)。基于冷凍干燥工藝加工參數對三維納米支架的結構調控，研究冷凍溫度、冷凍時間、溫度梯度對三維納米支架的纖維形態、孔結構與吸濕性能的影響規律，以期得到吸濕性能更優異的三維納米支架用于醫用敷料領域。

1 試驗材料

1.1 試驗原料和溶劑

PCL-PEG-PCL，相對分子質量為30 000-20 000-30 000，工業級，上海麗昂化學有限公司提供；丙酮，AR級，廣東省精細化學品工程技術研究開發中心提供；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，質量分數 ≥ 99.5%，國藥集團化學試劑有限公司提供；Galwick潤濕液，15.9 mN/m，美國PMI公司提供。

1.2 主要試驗儀器及設備

PL200型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司提供；79-3型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司提供；注射器(10.0 mL，七號注射針頭)，上海雙鴿實業有限公司提供；LSP02-1B型注射泵，廣州市科橋實驗技術設備有限公司提供；DW-P503-1ACDF型高壓直流電源，天津東文高壓電源有限公司提供；FJ200-S型數顯高速分散均質機，上海索映儀器設備有限公司提供； Lab-1-80型凍干機，北京博醫康實驗儀器有限公司提供；GZX-9240 MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠提供；SH-5000M桌上型掃描電鏡，韓國HIROX公司提供；CFP-1100A型孔徑分布測定儀，美國PMI公司提供；DW-86L490J超低溫保存箱，青島海爾特種電器有限公司。

1.3 三維納米支架的制備

1.3.1 納米纖維膜的制備

準確稱取2.0 g PCL-PEG-PCL溶于6.0 g的DMF/丙酮(DMF與丙酮的質量配比為1∶1)混合溶液中，配制質量分數為25 %的PCL-PEG-PCL紡絲液，室溫下攪拌至溶液均勻，靜置備用；接著，將紡絲液轉移到10.0 mL的注射器內，噴射針頭為七號注射針頭；將注射器固定在推進器上，控制紡絲條件為紡絲溫度(25±3) ℃、相對濕度(50±5)%、紡絲電壓15 kV、紡絲水平距離12 cm、推進速度0.9 mL/h、接收滾筒轉速180 r/min，制得PCL-PEG-PCL納米纖維膜。

1.3.2 三維納米支架的制備

1.3.2.1 均質液的制備

準確稱取2.0 g PCL-PEG-PCL納米纖維膜置于裝有50.0 mL蒸餾水的燒杯中，調節FJ200-S型數顯高速分散均質機轉速為15 000 r/min，均質10 min后得到均勻的短纖維溶液即均質液，短纖維濃度為40 mg/mL。

1.3.2.2 冷凍干燥

量取均質液加入24孔細胞培養板中，每孔滴入均質液體積為1.0 mL；分別放置細胞培養板于不同的冷凍環境中存放不同的時間，凍干。

1.3.2.3 熱處理

將1.3.2.2中凍干后得到的樣品于54 ℃下恒溫加熱8 h，即得三維納米支架。

2 性能測試

2.1 微觀形態

將三維納米支架用雙面導電膠固定到金屬底座上，濺射噴金以消除電荷；再于5 kV加速電壓下使用SH-5000M桌上型掃描電鏡，觀察三維納米支架中纖維的微觀形態。

2.2 孔徑分布

將三維納米支架放入CFP-1100A型孔徑分布測定儀的樣品裝載槽中，設置測試氣壓為289.6 kPa，測試三維納米支架在濕潤狀態(利用Galwick潤濕液充分潤濕)和干燥狀態下的孔徑分布。

2.3 吸濕性能

三維納米支架的吸濕性能測試指標包括吸水率和失重率。

夾取三維納米支架，稱量其干態時的質量(M0)、室溫下于蒸餾水中浸泡完全后的質量(M1)，以及浸泡完全后再經凍干、熱處理后的質量(M2)，則其吸水率W(g/g)和失重率Q(%)：

(1)

(2)

3 結果與討論

由PCL-PEG-PCL納米纖維構成三維納米支架，纖維均勻、光滑，且無珠串結構，說明靜電紡絲過程中紡絲穩定且成纖較好，纖維間相互交錯且分散均勻，三維孔洞結構連續貫通。

3.1 對三維納米支架中纖維形態和孔結構的影響

3.1.1 冷凍溫度

圖1為均質液分別在-20、-50、-60、-70、-80 ℃的超低溫保存箱中冷凍24 h及在-196 ℃液氮中速凍15 min后，制得的三維納米支架中纖維形態和孔結構的SEM照片。

從圖1可以觀察到：

(1) 在溫度為-20和-80 ℃的條件下冷凍24 h后，制得三維納米支架的孔主要以大孔為主，且孔徑分布不均。

(a) -20 ℃×24 h (b) -50 ℃×24 h

(c) -60 ℃×24 h (d) -70 ℃×24 h

(e) -80 ℃×24 h (f) -196 ℃×15 min

(2) 在溫度為-50和-70 ℃的條件下冷凍24 h后，制得三維納米支架的孔徑大小較-20和-80 ℃的條件下冷凍24 h后所得三維納米支架的均勻。

(3) 在溫度為-60 ℃的條件下冷凍24 h和-196 ℃液氮速凍15 min后，所得三維納米支架(圖2和圖3)中纖維相互纏繞，孔徑分布均勻，多孔結構良好。

圖2 三維納米支架的SEM照片(-60 ℃冷凍24 h)

圖3 三維納米支架的SEM照片(-196 ℃液氮速凍15 min)

分析該現象的原因：

(1) 均質液在恒溫冷凍24 h的過程中，水分子會聚集形成冰晶。當冰晶的核心一旦形成，便會逐漸自核心向四周膨脹。冰晶經凍干升華后會留下大小與形狀不一的孔洞，且冰晶的數量與均質液的冷凍速度成正比。

(2) 均質液在液氮速凍過程中，冰晶的核心處于來不及形成或正在形成的狀態，此時冰晶體積相對較小，故導致冰晶凍干升華后纖維間孔洞分布均勻，孔徑大小均勻且整體偏小。

故液氮速凍所得三維納米支架的纖維形態和孔結構較恒溫冷凍24 h的更好。

接著利用CFP-1100A型孔徑分布測定儀測試-60 ℃冷凍24 h和-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的孔徑分布(圖4和圖5)，發現：

圖4 -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的孔徑分布

(1) -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的最大孔徑為4.04 μm、最小孔徑為0.67 μm，多孔結構密集；-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架也具備良好的多孔結構，其最大孔徑為3.38 μm、最小孔徑為0.78 μm。

圖5 -196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的孔徑分布

(2) -60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的主體孔徑分布在2.60～4.00 μm，-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的主體孔徑在3.50 μm附近。

3.1.2 冷凍時間

從圖6可以觀察到，同一冷凍溫度不同冷凍時間制得的三維納米支架的纖維形態和孔結構差異明顯：冷凍時間小于6 h的三維納米支架未形成良好的多孔結構，其纖維排列紊亂且纏繞不明顯；冷凍時間為6 h的三維納米支架孔洞分布最為均勻，多孔結構良好；冷凍時間超過6 h的三維納米支架，孔徑出現了兩極分化。

(a) 冷凍2 h (b) 冷凍4 h

(c) 冷凍6 h (d) 冷凍8 h

(e) 冷凍10 h (f) 冷凍12 h

纖維的密集度隨著冷凍時間的增加而增加。冷凍時間較短時，三維納米支架內部冰核和冰晶未完全形成，纖維排列不均，故造成纖維間孔洞分布不均；隨著冷凍時間的延長，三維納米纖維支架材料內部的冰晶逐漸膨脹并相互擠壓，形成了不規則的孔洞；繼續延長冷凍時間，則冰晶大小兩極分化，導致孔洞大小呈兩極分化，多孔結構變差。

圖7對-60 ℃冷凍6 h后所制得的三維納米支架的微觀照片進行了放大，可以觀察到其纖維間通過纏繞形成了均勻分布的三維孔結構。

圖7 -60 ℃冷凍6 h后制得的三維

再利用CFP-1100A型孔徑分布測定儀，對-60 ℃冷凍6 h制得的三維納米支架的孔徑分布進行測量(圖8)，發現：主體孔徑分布在0.00～1.00 μm，最大孔徑為5.16 μm，最小孔徑為0.38 μm。

圖8 三維納米支架的孔徑分布(-60 ℃冷凍6 h)

比較圖4、圖5及圖8可以發現：-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架的主體孔徑最大，-60 ℃冷凍6 h后制得的三維納米支架的主體孔徑最小，-60 ℃冷凍24 h后制得的三維納米支架的主體孔徑較大。

3.1.3 溫度梯度

在-196 ℃液氮中速凍15 min時，通過設置并調節細胞培養板距離液氮液面的高度，觀察三維納米支架在溫度梯度下各層截面的纖維形貌(圖9)，發現：隨著細胞培養板與液氮液面距離的減小，三維納米支架中纖維密度越來越高，孔徑逐漸減小，圓形孔洞數量逐漸增加。這是由于受溫度梯度的作用，距離液氮液面越遠處，晶核的數量就會增加，故上層截面中圓形孔洞數量比下層截面的少，不規則的長條形孔洞數量比下層截面多。

圖9 溫度梯度下三維納米支架各層截面的SEM照片

3.2 對三維納米支架吸水率和失重率的影響

選取納米纖維膜作為對照組，研究三維納米支架的吸濕性能。結果發現：納米纖維膜的吸水率為5.14 g/g，-196 ℃液氮速凍15 min所制得三維納米支架的吸水率最高(達21.3 g/g)，后者是前者4.1倍，可見三維納米支架的吸水性能優異；納米纖維膜和三維納米支架的失重率均不超過8.0%，表明納米纖維膜和三維納米支架幾乎都不溶于水，吸水試驗基本未造成材料的結構變化和脫落。

與納米纖維膜相比，三維納米支架在立體結構上具有較高的孔隙率，可以因毛細作用而儲存大量的水分，賦予三維納米支架優異的吸濕、保濕性能，能有效控制傷口組織滲出液，保持傷口濕潤，利于傷口愈合。

3.2.1 冷凍溫度和冷凍時間

各三維納米支架的吸水率和失重率歸納于表1。其中，-196 ℃液氮速凍15 min所制得的三維納米支架的吸水率最高(達21.3 g/g)，失重率為2.0%；-60 ℃下冷凍24 h所制得的三維納米支架的吸水率最低(為17.2 g/g)，失重率為5.3%。

表1 三維納米支架的吸水率和失重率

當冷凍時間一定時，三維納米支架吸水率隨冷凍溫度的降低呈先減小后增大的趨勢，這與不同冷凍溫度下所得三維納米支架中纖維形態和孔結構有關。當冷凍溫度一定時，三維納米支架吸水率變化趨勢不明顯。

-196 ℃液氮速凍15 min后制得的三維納米支架，因其中的冰晶和冰核的生長未得到充足的時間，故制得的三維納米支架較完整地保留了纖維在均質液中的分布情況，孔徑大小均一，且分布均勻，故其吸濕性能最佳。

3.2.2 溫度梯度

對相同制備條件的、有無溫度梯度作用的三維納米支架的吸濕性能進行測試，發現：經溫度梯度作用的三維納米支架的吸水率為16.6 g/g、失重率為1.7%，無溫度梯度作用的三維納米支架的吸水率為17.7 g/g、失重率為1.6%。可見，溫度梯度作用對三維納米支架的吸濕性能無較大影響。

4 結論

采用靜電紡絲工藝制備PCL-PEG-PCL納米纖維膜，再通過均質分散、冷凍干燥和熱處理工藝分散再重組，制備出具有仿生ECM結構的、吸濕性能優異的、立體網狀多孔的PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架。探索冷凍溫度、冷凍時間及溫度梯度對PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的影響，得到理想的冷凍條件為-196 ℃液氮速凍15 min，所得PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的吸水率為21.3 g/g、失重率為2.0%，吸濕性能最佳。設置-196 ℃液氮速凍15 min條件下的溫度梯度發現，PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架因溫度梯度存在而呈現自上而下孔徑逐漸減小、纖維密度逐漸增大的規律。對比相同制備條件下有無溫度梯度作用的PCL-PEG-PCL三維納米纖維支架的吸濕性能發現，其吸濕性能不受溫度梯度作用的影響。