膠原蛋白肽/聚乙二醇共混靜電紡納米纖維膜的制備及其性能

劉星辰, 錢永芳, 呂麗華, 王 迎

(大連工業大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034)

納米纖維具有比表面積大的特點,具有小尺寸效應、表面或界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等,具備良好的理化性能,在食品、醫藥、電子、能源、航空等領域應用廣泛[1]。現已有多種制備納米纖維的方法,如靜電紡絲法、復合紡絲法、噴絲板法、生物培養法等,其中靜電紡絲法是實現連續高效生產納米纖維的重要技術之一。William Gilbert在1600年觀測到液體的靜電引力現象,Geoffrey Taylor于1964—1969年,對電場作用下的液滴形態進行數學建模,開創了靜電紡絲的理論基礎[2]。在靜電場的作用下,噴絲口的聚合物液滴受到電場力和表面張力2股方向相反的力,形態從半球形變成圓錐形,當電場力克服表面張力時被抽長拉細形成纖維,經溶劑揮發和聚合物冷卻凝固后,納米纖維沉積在接地收集器上[3-4],最終得到的纖維直徑從幾微米到幾十納米不等。

為不斷推進和實現綠色可持續的發展理念,靜電紡絲技術為天然高聚物的加工生產提供了一種思路,目前已在醫療、食品、化妝品等[5]諸多領域得到應用。膠原蛋白廣泛存在于動物的結締組織、皮膚、肌腱、軟骨、韌帶、毛發中,由3個α螺旋鏈構成穩定的三螺旋結構,是細胞外基質的重要組成部分,在動物體內起力學支撐作用,但不能被人體直接吸收[6-7]。在靜電紡膠原纖維時,通常選用高極性溶劑,如六氟異丙醇(HFIP)、六氟丙烯(HFP)等,這些溶劑會破壞膠原的三螺旋結構[8]。將膠原蛋白加熱得到明膠,再經酶解得到膠原蛋白肽(COP),其具有良好的溶解性,且易于吸收,具有低免疫原性[9]。盧偉鵬等[10]將COP與殼寡糖共混制備納米纖維膜,二者通過氫鍵形成天然的半互穿聚合物網絡結構,彌補了COP不抗菌的缺點。Han等[11]將從果膠海星提取的COP制備彈性納米脂質體,可降低紫外線誘導的光老化,在環保抗衰老化妝品領域應用前景廣闊。Lu等[12]將羅非魚膠原肽封裝在海藻酸鹽-殼聚糖水凝膠體系中,在胃酸作用下水凝膠黏附在胃黏膜表面形成保護屏障,釋放COP減輕抗氧化和炎癥反應,提高了生物利用度。

天然高聚物獨特的生物結構使其具有良好的生物相容性,但其大都是聚電解質,靜電紡絲過程中具有一定困難,通常需要與合成聚合物共混進行紡絲[13]。聚乙二醇(PEG)是一種聚醚化合物,其分子鏈兩端的羥基有較好的反應性,在水和有機溶劑中有極好的溶解性,具有良好的化學穩定性和生物相容性,廣泛應用于生物和醫學領域,如表面修飾、生物共軛、藥物傳遞和組織工程等[14-15]。目前,PEG常與殼聚糖[16]、聚乙烯醇、氧化石墨烯[17]、葡聚糖[18]、聚乳酸(PLA)[19]等制備復合材料。本文將COP與PEG共混后進行靜電紡絲,以期改善COP的可紡性,借助熱場發射掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、差示掃描量熱儀以及X射線衍射儀,對COP/PEG納米纖維膜的結構和性能進行表征與分析。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

I型膠原蛋白肽(COP,分子質量為2 000～5 000 u, 寶雞森瑞生物化工有限公司);聚乙二醇(PEG, 分子質量為900 ku,分析純,北京百靈威科技有限公司;甲酸(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司);去離子水(實驗室自制)。

1.2 實驗方法

1.2.1 紡絲液配制

使用質量分數為60%的甲酸作為溶劑,配制質量分數為1%的PEG溶液,常溫下磁力攪拌24 h;再加入不同質量分數(12%、16%、20%、24%)的COP,于常溫下磁力攪拌均勻得到COP/PEG紡絲液。

1.2.2 靜電紡絲

在室溫下利用實驗室自組裝的靜電紡絲機進行紡絲。將紡絲液吸入一次性注射器中,連接在78-9100C型推進器(美國科爾帕默儀器有限公司)上,推進速度為0.75 mL/h,通過JDF-1型高壓靜電發生器(中國北京EST儀器有限公司)施加20 kV電壓進行靜電紡絲,接收距離為15 cm,紡絲使用鋁箔覆蓋的接地板收集器接收,得到膠原蛋白肽/聚乙二醇共混納米纖維膜。

1.3 測試與表征

1.3.1 紡絲液溶液性質測試

使用K100型全自動表面張力儀(德國KRUSS公司)和DDS-307型電導率儀(上海雷磁有限公司),分別測試室溫下添加不同質量分數COP的紡絲液的表面張力和電導率。每個樣品檢測5次,取平均值。

1.3.2 納米纖維的形態結構表征

利用JSM-7800F型熱場發射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)在高真空條件下觀察纖維膜的形貌特征,并通過ImageJ軟件隨機選取60根纖維,測量并計算纖維的平均直徑及其分布情況。

1.3.3 化學結構表征

通過Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀(美國鉑金埃爾默儀器有限公司)對COP、PEG及其不同COP質量分數納米纖維膜的化學結構進行測試,掃描范圍為4 000～500 cm-1,掃描次數為64,光譜分辨率為4 cm-1。

1.3.4 熱性能測試

采用Q2000型差示掃描量熱儀(美國TA公司)分別測定COP粉末、PEG粉末、COP/PEG納米纖維膜的吸熱峰。在氮氣環境下,將樣品放入坩堝中,以空坩堝作為對照樣,實驗溫度設置為25～250 ℃,升溫速率為10 ℃/min。

1.3.5 晶體結構測試

采用Discover D8型X射線衍射儀(德國布魯克公司)對COP、PEG和COP/PEG納米纖維膜進行測試分析,研究靜電紡絲過程對聚合物結晶度的影響。以Cu為輻射源,采用步進階梯式掃描,掃描2θ范圍為10°～50°,步長為0.005(°)/s,步長時間為60 s。

2 結果與討論

2.1 紡絲液的溶液性質分析

表1示出不同質量分數COP/PEG紡絲液的性質測試結果。紡絲液的表面張力與靜電力是一組相抗衡的力[20]。較低的表面張力能使液滴在靜電力作用下充分抽長牽伸,形成具有良好形貌的纖維,不易產生串珠和液滴。由表1可知,由于COP具有非常優異的溶解性,COP/PEG紡絲液的表面張力波動范圍較小,其隨著COP質量分數增加而提高。電導率可反映溶液的帶電能力,電導率越高,液滴更易在電場力作用下被牽伸。從結果可以看出,紡絲液電導率隨COP質量分數增加而上升,這在紡絲過程中有利于纖維的牽伸,可實現改善COP可紡性的目的。

表1 不同COP質量分數紡絲液的溶液性質Tab. 1 Solution properties of spinning solution with different mass fraction of COP

2.2 納米纖維的形態特征分析

COP作為膠原的水解產物,具有與膠原十分相似的氨基酸組成和含量,由于大分子解體和分子質量的降低使其具有非常優異的溶解性,因此,COP溶液具有較低的黏度,分子間纏結作用較弱。基于此,將COP與PEG共混進行靜電紡絲,PEG作為一種高分子聚合物,具有良好的水溶性和黏結性,加入PEG可改善COP的可紡性。

圖1示出純COP納米纖維膜的掃描電鏡照片。可以清晰地看到纖維上出現大量紡錘體,難以成絲,可紡性很差。

圖1 純COP納米纖維膜掃描電鏡照片(×5 000)Fig. 1 SEM image of pure COP nanofiber membrane(×5 000)

圖2示出不同COP質量分數的COP/PEG納米纖維膜的掃描電鏡照片及纖維直徑分布圖。

圖2 不同COP質量分數COP/PEG納米纖維膜掃描電鏡照片及直徑分布圖Fig. 2 SEM image and diameter distribution diagram of fiber membrane with different COP mass fraction

當COP質量分數為12%時,纖維上出現大量串珠。在質量分數達到16%以上時,可以得到直徑大于 200 nm 的均勻纖維,平均直徑隨著COP質量分數增加而增加。其中當COP質量分數為20%時,纖維直徑分布情況高度集中在280～300 nm之間,平均直徑為308 nm。同時在紡絲過程中證實,當COP質量分數高于24%時,紡絲難以順利進行。綜上分析,當COP質量分數為20%時可得到成形良好、均勻度最高的納米纖維。

2.3 納米纖維的化學結構分析

COP、PEG和不同COP質量分數的COP/PEG納米纖維膜的紅外光譜測試結果如圖3 (a)所示。

在圖3(a)中,COP曲線上膠原酰胺結構A、B帶的吸收峰分別位于3 303和 2 939 cm-1處[21]。在1 652、1 532和1 243 cm-1處分別為膠原酰胺結構的酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶吸收峰[22]。可知,PEG曲線上在 3 420 cm-1處出現了O—H伸縮振動吸收峰,2 891 cm-1處屬于C—H的振動帶,而PEG主鏈構象所產生的吸收峰出現在1 467～843 cm-1范圍內[23]。在COP/PEG納米纖維膜曲線中,與氫鍵相關的N—H和O—H基團的吸收峰移至3 400 cm-1處左右的較低位置,這說明COP的N—H和O—H基團與PEG的O—H基團之間存在氫鍵作用。

為研究納米纖維形成過程中氫鍵的變化,利用Origin將3 600～3 000 cm-1范圍內的光譜曲線對不同類型氫鍵的位置、強度進行高斯擬合分析,結果如圖3(b)～(d)和表2所示。可以看出,分子內氫鍵作用主要通過羥基(OH…OH)的相互作用表現,還有部分以環狀聚合物的形式存在,分子間氫鍵有OH…O(醚)、 OH…N、 OH…π幾種不同類型,以OH…O(醚)為主[24]。擬合結果數據表明,經靜電紡絲后,COP與PEG分子內氫鍵的相對強度降低,分子間氫鍵的相對強度增加,說明這2種復合物間的氫鍵作用是通過破壞分子內氫鍵形成分子間氫鍵,使靜電紡納米纖維的分子間作用力結合更穩定。

圖3 紅外光譜和不同氫鍵類型擬合曲線圖Fig. 3 Infrared spectra and fitting curves of different hydrogen bond types.(a)Infrared spectra;(b)COP fitting curves;(c)PEG fitting curves;(d)COP/PEG fitting curves

表2 COP、PEG及納米纖維膜不同類型氫鍵高斯擬合結果Tab. 2 Fitting results of different types of hydrogen bonds of COP, PEG and nanofiber membrane

2.4 納米纖維膜的熱性能分析

對COP粉末、PEG粉末和COP/PEG納米纖維膜進行差示掃描量熱分析,結果如圖4所示。由圖可以看出,COP和PEG分別在100和72 ℃出現 1個明顯的吸熱峰,而靜電紡COP/PEG納米纖維膜出現了2個吸熱峰: 54 ℃出現的吸熱峰是由于PEG的存在引起的,熔融焓為55.81 J/g;COP位于100 ℃的典型吸收峰在經過靜電紡絲后移至 88 ℃, 降低了12 ℃,這是因為靜電紡絲加工方式會使聚合物分子鏈段流動性增強,使COP的變性溫度降低[25]。

圖4 COP、PEG及納米纖維膜的DSC曲線Fig. 4 DSC curves of COP, PEG and nanofiber membrane

2.5 納米纖維的晶體結構分析

通過對COP、PEG及COP/PEG納米纖維膜進行X射線衍射測試,研究靜電紡絲對COP和PEG結晶行為產生的影響,結果如表3和圖5所示。

圖5 COP、PEG及COP/PEG納米纖維膜的X射線衍射圖Fig. 5 XRD images of COP and PEG(a)and COP/PEG nanofiber membrane(b)

表3 COP、PEG及不同COP質量分數纖維膜結晶度Tab. 3 Crystallinity of COP, PEG and different mass fraction of COP membranes

從XRD數據可以看到,COP在2θ為21.6°處有1個寬峰,PEG在2θ為19.2°、23.4°處分別有 1個晶體衍射峰,且2θ在26°～28°范圍內表現出較小的峰值。在納米纖維膜的XRD譜圖中,分別出現了代表COP的寬峰和PEG的晶體衍射峰,且強度隨著COP質量分數的增加而增強,說明經靜電紡絲后的纖維膜結晶度也得到了提高。

3 結 論

本文將膠原蛋白肽(COP)與聚乙二醇(PEG)共混,以60%甲酸為溶劑進行靜電紡絲得到光滑無串珠的COP/PEG納米纖維膜。研究發現,純COP納米纖維呈未牽伸的紡錘體狀,在與PEG共混后得到的納米纖維均勻度明顯改善,COP質量分數為20%時的纖維平均直徑為308 nm。對COP/PEG納米纖維膜紅外光譜測試結果進行氫鍵分峰擬合發現,靜電紡絲后,2種聚合物通過破壞分子內氫鍵形成分子間氫鍵以實現穩定結合,相對結晶度最高可達到62.53%,COP難以成絲的問題可通過與PEG共混經靜電紡絲加工的方式得到改善,可紡性顯著提升。