趙瑨云 陳良壁

(福建省高校綠色化工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院 福建武夷山 354300)

為了滿足功能化材料發(fā)展的需求，納米技術(shù)作為一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。由于納米纖維大的長(zhǎng)徑比和高的比表面積，其顯示出良好的尺寸效應(yīng)。納米纖維膜的形貌與細(xì)胞外基質(zhì)非常相似，因此其可作為組織工程支架材料使用［1］。作為組織工程支架材料除了應(yīng)具有可降解性和生物相容性外，其應(yīng)具備滿足細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所需的機(jī)械強(qiáng)度［2，3］。聚乳酸 (PLLA)由于其來源廣泛、無毒、無刺激性，是一種具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解性的材料。已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ目缮锝到獠牧希?－7］。但是由于PLLA的親水性差，細(xì)胞難以在支架上粘附并生長(zhǎng)。并且PLLA比較脆，力學(xué)性能較差，使其應(yīng)用受到了一定程度的限制［8，9］。目前一些親水性的聚合物如:聚 乙 二醇 (PGE)［8］、聚 乙烯 吡 咯 烷 酮(PVP)［9］、PVA［10］等已與支架共混，提高支架膜的透水性及其力學(xué)強(qiáng)度。聚乙烯醇 (PVA)是一種親水性優(yōu)良、對(duì)人體無毒，無副作用，具有良好的生物相容性并可降解的水溶性高分子，使其在工程材料領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景［13］。由于共混后的支架材料具有很好的組織相容性、可滲透性，使其作為藥物和蛋白質(zhì)釋放的載體。

靜電紡絲是一項(xiàng)簡(jiǎn)單易行、“自上而下”制備納米纖維膜的技術(shù)。電紡制備的膜是由無數(shù)納米纖維組成的多孔膜，其形貌與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)非常相似。因此電紡纖維膜可作為細(xì)胞粘附生長(zhǎng)的支架材料使用。Inoue等［14］人研究認(rèn)為 PLLA與PVA之間的相容性取決于兩者之間的組分，且PVA分子中的羥基與PLLA分子中的羰基形成氫鍵是兩者相容性提高的主要原因。Sheetal等［13］人通過分子模擬預(yù)測(cè)共混物之間的相容性，表明PLLA與PVA分子之間具有一定的相容性。

本文以PLLA與PVA為成膜物，DMSO為溶劑通過靜電紡絲方法制備PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜，研究了兩者之間的相容性及其PVA的加入對(duì)纖維膜的形貌、親水性及其孔隙率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 原料

聚乳酸 (PLLA)，Mw=1．0×105，深圳光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司;聚乙烯醇 (PVA)，聚合度為1700，醇解度99%，上海國(guó)藥試劑廠，二甲亞砜(DMSO)分析純，上海國(guó)藥試劑廠;其它試劑均為市售分析純。

1．2 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的制備

將5g的PLLA和0．5g的PVA溶解在 DMSO溶劑中，配置成質(zhì)量濃度為10wt%的紡絲液，常溫下磁力攪拌10h，使其完全溶解，形成均一紡絲溶液。把紡絲液裝入內(nèi)徑為16mm，體積為10mL的注射器 (針頭規(guī)格為18)中，然后將該注射器安置在微量注射泵上。將高壓電源的正電極夾在注射器的金屬針頭上，另一個(gè)電極與距針頭15cm的鋁箔紙收集板相連。利用微量注射泵的推力把紡絲液從注射器的針頭擠出，在針頭形成Taylor錐體，在高壓電場(chǎng)力作用下紡絲液被抽拉成絲。紡絲過程中的供料速度1mL/h。制得的 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜于80℃真空干燥12h，以便去除殘余溶劑。真空干燥后，把膜放在干燥器中備用。利用相同的方法制備PLLA納米纖維膜和PVA納米纖維膜

1．3 PLLA/PVA復(fù)合多孔膜的結(jié)構(gòu)表征

1．3．1 表面形貌測(cè)定 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的形貌用SEM測(cè)量 (JMS－7500F)，樣品表面經(jīng)過噴金處理，采用SEM自帶的軟件Smile－view(versions 2．0)測(cè)量纖維直徑大小，每組數(shù)據(jù)取100根纖維測(cè)量，后取平均值。

1．3．2 接觸角測(cè)定 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的接觸角采用SL2008型接觸角儀 (上海梭倫信息科技有限公司)測(cè)量，測(cè)量時(shí)溫度為25℃。

1．3．3 孔隙率測(cè)定 選用一個(gè)比重瓶裝滿乙醇，稱重W1，把重Ws的樣品浸入乙醇中，真空脫氣，務(wù)必使乙醇充滿纖維膜，然后再加滿乙醇，稱重為W2;把浸滿了乙醇的纖維膜取出后，剩余的乙醇與比重瓶稱重W3。纖維膜的孔隙率按以下公式計(jì)算，

1．3．4 吸水率測(cè)定 將PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜干燥至恒重稱量W1，后在室溫下浸泡在蒸餾水中，每隔一段時(shí)間后取出，迅速用濾紙吸干表面水后測(cè)其質(zhì)量 W2，按下列公式計(jì)算吸水率(WB):

2 結(jié)果與討論

PLLA和PVA溶液都可以溶解在DMSO溶劑中，后將這兩個(gè)溶液混合，在常溫下磁力攪拌，溶液仍然澄清透明，說明PLLA和PVA在DMSO溶劑中的相容性比較好。主要是因?yàn)镻VA分子鏈的羥基與PLLA分子上的羰基形成氫鍵，從而提高了PLLA與PVA之間的相容性［12］。

圖1 納米纖維的掃描電鏡圖

圖1A為質(zhì)量濃度為10 wt%PLLA/DMSO溶液通過靜電紡絲方法制備的PLLA納米纖維膜，從圖1A中可知制備的纖維表面光滑，纖維直徑為600±76nm(見表1)。相比較而言，質(zhì)量濃度為10wt%PVA/DMSO溶液，通過電紡制備的纖維如圖1B所示，從圖IB中可知，纖維表面光滑，但纖維發(fā)生了一定程度的扭曲，可能是纖維紡絲后處理過程中所導(dǎo)致的。纖維的直徑大小為450±58nm(見表1)，直徑分布也較窄。表1根據(jù)以上所得，PLLA和PVA都可以在DMSO的溶劑中，通過電紡得到表面光滑、均一的纖維。因此仍然以DMSO為溶劑，PLLA:PVA=9:1(w/w)為溶劑，在不改變其它條件下，通過電紡制備PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜，如圖1C所示。從圖1C中可知，制備的纖維表面光滑，直徑為650±110nm(見表1)，相比較純的PLLA和PVA納米纖維而言，纖維的形貌幾乎沒有發(fā)生改變，但是纖維的直徑增大了。這主要是由于PLLA/PVA混合溶液的粘度比相同濃度的PLLA和PVA溶液的粘度大，因此在靜電紡絲過程中就更難以被拉伸，因此纖維的直徑變大。圖2A為通過數(shù)碼相機(jī)拍照得到的纖維膜形貌，纖維膜呈現(xiàn)乳白色不透明。不透明的主要原因是纖維為多孔材料，光通過纖維時(shí)發(fā)生了一定程度的折射現(xiàn)象［14］。圖2B為PLLA/PVA復(fù)合納米纖維的顯微鏡圖，從圖中可知纖維非常均勻，沒有缺陷 (如珠子、珠串結(jié)構(gòu)等)。說明PLLA和PVA在DMSO溶劑中相容性非常好，而且在電紡過程中，也不會(huì)發(fā)生相分離。因此當(dāng)DMSO溶劑發(fā)揮后，就形成了相容性非常好的PLLA/PVA復(fù)合納米纖維。

水接觸角是表征材料親水性非常重要的指標(biāo)。接觸角越小表明材料的親水性越好。從表1可知，PLLA納米纖維膜的接觸角為92±5°，表明PLLA納米纖維膜是強(qiáng)疏水性材料，這主要是由于PLLA疏水性材料，因此其制備的納米膜也是疏水性的材料。相比較而言，PVA納米纖維膜的接觸角為31±3°，說明PVA納米纖維膜是親水性材料，主要因?yàn)镻VA分子量上有大量的羥基，因此其親水性比較好。PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的接觸角為58±3°，說明在 PLLA材料中加入10 wt%的PVA，材料的親水性得到了很大程度的改善。主要因?yàn)榧尤氲腜VA材料分子鏈上的羥基對(duì)改善PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜起到了非常關(guān)鍵的作用。

作為一個(gè)組織工程支架材料，細(xì)胞滲透對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)起到了關(guān)鍵的作用，而營(yíng)養(yǎng)和氧氣必須擴(kuò)散到細(xì)胞中且代謝產(chǎn)物必須從細(xì)胞中去除。因此組織工程支架材料必須是多孔結(jié)構(gòu)，這樣才有利于細(xì)胞的滲透和養(yǎng)分的傳輸。從表1中可知，PLLA和PVA納米纖維膜的孔隙率分別為85%和70%，雖然PVA納米纖維膜的直徑比較小，但是PVA是一個(gè)強(qiáng)親水性材料，在溶劑揮發(fā)后，由于空氣中的水蒸氣會(huì)使PVA納米纖維膜上的纖維發(fā)生一定程度的粘結(jié)，因此其孔隙率有所降低。PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的孔隙率為82%，說明加入10wt%的PVA后，纖維膜的孔隙率略有降低。也是由于PVA上的羥基的親水性導(dǎo)致的。

表1 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的平均直徑、接觸角、孔隙率和吸水率

為了使細(xì)胞黏附、擴(kuò)散、分裂和顯型都能夠得到控制直至一個(gè)新的組織的形成，支架材料必須具有一定吸水性。圖3為PLLA、PVA和PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的吸水性實(shí)驗(yàn)。從圖3中可知，PLLA納米纖維膜在10h基本上達(dá)到吸水平衡，且吸水率為14%(見表1)，說明PLLA納米纖維膜是疏水性材料。而PVA納米纖維膜在40h后達(dá)到吸水平衡，吸水率為182%(見表1)，說明PVA納米纖維膜是親水性材料。PLLA/PVA納米纖維膜的吸水率為72%(見表1)，相比較PLLA納米纖維膜而言，加入10 wt%的PVA后，材料的吸水性得到了很大程度的提高。

3 結(jié)論

PLLA納米纖維膜是一個(gè)疏水性的材料，加入10wt%親水性的PVA后制備的PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜的親水性得到了很好的改善。由于電紡制備的纖維膜為多孔性材料且與細(xì)胞外基質(zhì)形貌非常相似。因此PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜有利于細(xì)胞的黏附與生長(zhǎng)，因而有望作為組織工程支架材料。

圖2 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜

圖3 PLLA/PVA復(fù)合納米纖維膜吸水實(shí)驗(yàn)

［1］ Matthews JA，Wnek GE，Simpson DG，et al．Electrospinning of collagen nanofibers ［J］．Biomacromolecules．2002，3(2):232．

［2］ Liang D，Hsiao BS，Chu B．Functional electrospun nanofibrous scaffolds for biomedical applications ［J］．Advanced Drug Delivery Reviews，2007，59(14):1392．

［3］Holzwarth JM，Ma PX．Biomimetic nanofibrous scaffolds for bone tissue engineering［J］．Biomaterials，2011，32(36):9622．

［4］Garlotta D．A literature review of poly(lactic acid) ［J］．Journal of Polymers and the Environment．2001，9(2):63．

［5］ Wu CS．Improving polylactide/starch biocomposites by grafting polylactide with acrylic acid–characterization and biodegradability assessment［J］．Macromo Biosci，2005，5(4):352．

［6］ Martin O，Averous L．Poly(lactic acid):plasticization and properties of biodegradable multiphase systems ［J］．Polymer，2001，42(14):6209．

［7］ Meneghello G，Parker DJ，Ainsworth BJ，et al．Fabrication and characterization of poly(lactic－co－glycolic acid)/polyvinyl alcohol blended hollow fibre membranes for tissue engineering applications［J］．Journal of Membrane Science．2009，344(1－2):55．

［8］ Lin WJ，Lu CH．Characterization and permeation of microporous poly(ε －caprolactone)films［J］．Journal of Membrane Science，2002，198(1):109．

［9］ Kondolot Solak E，Asman G．Sorption，diffusion，and pervaporation characteristics of dimethyl－formamide/water mixtures using sodium alginate/polyvinyl pyrrolidone blend membranes ［J］．Vacuum，2008，82(6):579．

［10］Tiwari SK，Tzezana R，Zussman E，et al．Optimizing partition －controlled drug release from electrospun core－shell fibers［J］．International Journal of Pharmaceutics，2010，392(1－2):209．

［11］ Ramires P，Milella E．Biocompatibility of poly(vinyl alcohol) －h(huán)yaluronic acid and poly(vinyl alcohol) －gellan membranes crosslinked by glutaraldehyde vapors［J］．Journal of Materials Science:Materials in Medicine，2002，13(1):119．

［12］ Shuai X，He Y，Asakawa N，et al．Miscibility and phase structure of binary blends of poly(L－lactide)and poly(vinyl alcohol)［J］．Journal of Applied Polymer Science，2001，81(3):762．

［13］Jawalkar SS，Aminabhavi TM．Molecular modeling simulations and thermodynamic approaches to investigate compatibility/incompatibility of poly(l－lactide)and poly(vinyl alcohol)blends［J］．Polymer，2006，47(23):8061．

［14］ Chen GFS，Liu HQ．Electrospun cellulose nanofiber reinforced soybean protein isolate composite film ［J］．Journal of Applied Polymer Science，2008，110(2):641．