电纺聚-L-乳酸 /β-磷酸三钙复合物纳米纤维膜

孙复钱 姚 琛 李新松 范凯红 浦跃朴

(1东南大学化学化工学院,南京 210018)(2东南大学公共卫生学院,南京 210018)

近年来,静电纺丝技术引起了研究者的极大兴趣.静电纺丝是通过在聚合物溶液中施加外电场来制造纳米纤维的一种有效的纺丝技术.静电纺丝法制备的纤维直径比普通纺丝方法所制得的纤维直径小 100～1 000倍,通常在几十纳米到几微米之间.通过电纺制备的纳米纤维膜具有超大的比表面积,不仅可以用作高效过滤材料,而且在生物医学材料、化学传感器、防护材料、纳米复合材料等领域也有广泛应用前景[1-3].通过将具有催化、发光、吸附等功能的材料引入电纺纳米纤维中,可以获得具有特殊功能的纳米纤维[4-5].采用冷凝-印迹[6]、相分离[7]等手段,还可以获得具有纳米多孔结构等特殊几何结构的纳米纤维.这些具有特殊结构或功能的纳米纤维将进一步扩大其应用范围.由于电纺纤维直径与肌体细胞外基质生物大分子材料的尺寸接近,将电纺纳米纤维用作组织工程支架、防粘连膜、创面修复材料、人造血管等的研究尤为引人注目.

聚-L-乳酸(PLLA)类材料因其具有良好机械强度和较好的生物降解性能及生物相容性,在组织修复和再生领域被广泛地应用,如生物可吸收骨折内固定器、药物释放载体、可吸收外科缝合线等.Benjamin等[8]将聚乳酸等进行电纺,所得到的纳米纤维膜应用于防止手术后组织粘连的研究.Mo等[9]将聚乳酸纳米纤维应用于组织工程支架研究.但是,聚乳酸纳米纤维膜在体内降解后生成酸性产物可能对机体带来不良影响.β-磷酸三钙(β-TCP)是一种重要的骨缺损修复材料[10],具有良好的生物相容性.将 PLLA与 β-TCP共电纺,有可能有效地控制 PLLA纳米纤维降解产物导致的酸性环境.本文研究了PLLA/β-TCP复合物的电纺过程,探讨了各种工艺条件对电纺纳米纤维结构的影响,制得了复合物纳米纤维膜,并对其力学性能和体外细胞相容性进行了初步研究,为 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜应用于组织修复和再生奠定基础.

1 实验

1.1 原料与试剂

聚-L-乳酸(PLLA)：合成方法参照文献[11],黏均分子量 Mη为 9.74万.β-磷酸三钙(β-TCP)：合成方法参照文献[12],所得生料在 900℃下灼烧 4 h,以质量比 1∶1.5的比例与一缩二乙二醇混合,在球磨机(南京大学仪器厂,QM-C1型)中研磨12 h,转速 400 r/min,用丙酮替换出一缩二乙二醇即可获得超细 β-TCP(粒径约 300 nm).其他试剂均为分析纯.

1.2 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜的电纺

将 PLLA溶解于混合溶剂中(N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的体积比 1∶1),配成质量浓度为 0.05,0.1,0.15 g/m L的溶液,按 1∶20,2∶20,4∶20,10∶20 β-TCP/PLLA质量比 (Wβ-TCP/WPLLA)加入 β-TCP超细粒子,超声混匀.混合物在自动电纺仪(东南大学生物材料和药物释放实验室自制)上进行电纺,改变 PLLA溶液浓度 c、Wβ-TCP/WPLLA、喷头与接收网之间的距离 d、加料速度等条件制得一系列复合物纳米纤维膜,经真空干燥除去溶剂.实验环境温度为 25℃,湿度为 60%.

1.3 结构与性能表征

1)扫描电子显微镜观察.将复合物纳米纤维膜样品剪成2mm×8mm条状,经表面喷金处理后用 Hitachi X-650型扫描电子显微镜(日本日立制作所,SEM)或 FEI Sirion场发射扫描电子显微镜(荷兰菲利浦公司,FESEM)观察形貌.根据扫描电镜照片观察测量至少 100根纤维的直径,并进行统计分析.

2)力学性能测试.采用 INSTRON力学试验机测定不同 PLLA/β-TCP配比复合物电纺纳米纤维膜的拉伸力学性质.样条宽 5 mm,拉伸速率50mm/min,测试结果取平均值.

1.4 噻唑蓝比色法(MTT)细胞增殖实验

电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜(Wβ-TCP/WPLLA为 0,1∶20,2∶20,4∶20)用质量分数75%酒精浸泡 20m in,灭菌消毒,置于 96孔板内,每组 3孔.取对数生长期的 L-929细胞,用细胞培养基配制成 5×104个/m L均匀细胞悬液,分注于含样品的 96孔塑料培养皿内,置于含体积分数5%二氧化碳空气培养箱内培养 72h.72 h后,每孔依次加入 20μL的 0.5%的 MTT液、80μL的无血清培养基,继续培养 4 h,吸去原液,加入每孔100μL二甲亚砜.震荡 10min,在免疫酶标仪上以575 nm波长测定吸光度(A)值.

细胞增殖率为

细胞抑制率为

式中,Aex为实验组测定的吸光度值;Aco为对照组测定的吸光度值.

2 结果与讨论

2.1 电纺条件对纳米纤维结构的影响

PLLA/β-TCP复合物电纺的基本过程是使混合物溶液通过带电的金属喷头,形成极细的液体流.液体流在高电压作用下被拉伸并经快速鞭动形成纳米纤维,由于纳米纤维相互排斥,沉积在接收网上获得纤维无规分散的 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜.在电纺过程中,溶液浓度、喷头与接收网之间距离、溶液流速等条件对纤维的结构和形态影响很大.

2.1.1 溶液浓度

图 1是不同质量浓度 PLLA/β-TCP溶液在Wβ-TCP/WPLLA为 4∶20,喷头与接收网之间距离为 10 cm,溶液流速为 6m L/h的条件下电纺得到的复合物纳米纤维膜的扫描电镜照片.由图可见,随着聚合物溶液浓度增加,纤维直径增大.对应地,图2(a)、(b)、(c)为不同质量浓度下电纺 PLLA/β-TCP纤维的直径分布统计图,溶液质量浓度从0.05 g/m L增至 0.15 g/m L,纤维直径 df显著增加,分布 F也逐渐变宽.

图1 不同 PLLA质量浓度电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维膜的扫描电子显微镜照片

电纺过程中,溶液浓度对复合物纳米纤维的形态和直径有非常明显的影响.溶液浓度很低时,高分子线团相互缠结很少,电纺时得不到连续的纤维,通常得到的是颗粒(照片未列出).溶液浓度较低时,聚合物溶液的黏度也较低,尽管由于液体流所带相同电荷的相互作用会使液体流的表面积尽可能的增加,并使液体流变得更细.但是,当黏度较低时,表面张力仍然会使液体的表面积尽量缩小,使液体流形成一些球形结构,最终得到连珠状纤维[13](见图 1(a)).随着浓度的增大,溶液的自身黏度会尽量使液体流保持原状或减慢液体流形变的速度而使连珠体消失,得到直且均匀的纤维(见图 1(b)).随着浓度继续增大,电纺纤维直径增大(见图 1(c)).

图2 电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维的直径分布图

图 3是不同 PLLA/β-TCP配比在 PLLA质量浓度 0.1 g/mL,喷头与接收网之间距离为 10 cm,溶液流速为 6 m L/h条件下电纺制备的复合物纳米纤维膜扫描电镜照片.单纯 PLLA电纺纳米纤维(见图 3(a))轮廓分明、表面光滑.PLLA/β-TCP复合物纳米纤维表面出现斑点状颗粒,且随着 β-TCP含量增加,纳米纤维表面颗粒逐渐增多(见图3(b)～(e)),但 β-TCP的加入对纳米纤维直径影响不大.对比图 2(b)和(d)相同 PLLA质量浓度下不同 β-TCP含量的纳米纤维直径分布统计图可以看出,不同 β-TCP含量的纳米纤维的直径分布几乎一致.

为了进一步考察纤维的精细结构和 β-TCP在复合物纳米纤维中的分散情况,采用场发射扫描电镜对不同 β-TCP含量的复合物纤维进行观察,结果如图 4所示.从图中可以清楚地看到纤维表面密布 β-TCP颗粒,当 β-TCP与聚合物质量比为10∶20时最为明显,β-TCP簇聚在纤维上形成了大量疙瘩(见图 4(b)).表明 β-TCP的加入对电纺 PLLA纳米纤维表面形貌有很大影响.

图3 不同 Wβ-TCP/WPLLA电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维膜的扫描电子显微镜照片

图4 不同 Wβ-TCP/WPLLA电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维膜的场发射扫描电子显微镜照片

2.1.2 喷头与接收网之间距离

改变喷头与接收网之间距离,在 PLLA质量浓度 0.1 g/m L,Wβ-TCP/WPLLA为 4∶20,溶液流速6m L/h条件下,电纺收集 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜扫描电镜观察结果如图 5所示.可以看出,当喷头与接收网之间距离很小时,纤维略有弯曲且较粗(见图 5(a)),而且在成纤过程中,如果溶剂在较短的时间内不能充分挥发,还会导致纤维之间出现粘连;间距很大时接收到的纤维直径较细(见图 5(c)),这是因为液体流带有同种电荷相互排斥,液体流快速鞭动,形成纤维并拉伸,上述过程经过的路程越长,纤维拉伸越充分,且溶剂挥发越彻底,纤维的直径越小.

图5 不同喷头与接收网间距电纺PLLA/β-TCP复合物纤维膜的扫描电子显微镜照片

2.1.3 溶液流速

不同液体流速得到 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜的扫描电镜照片如图 6所示,可以看出纤维直径随着流速提高而增大.主要是因为高流速下液体流的直径比低流速时大,这样才能在相同时间内喷射出更多的溶液.而经过相同的路程,液体流快速鞭动的过程可能大致相同,所以最终导致高流速时纤维直径增大[14].

图6 不同溶液流速电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维膜的扫描电子显微镜照片

2.2 电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜的力学性能

不同 PLLA/β-TCP配比的复合物纳米纤维膜的拉伸力学性能测试结果见表 1.结果显示,复合物纳米纤维膜的拉伸强度和杨氏模量都随着β-TCP含量的增加而下降.当 β-TCP与 PLLA质量比为 1∶20时,复合物纳米纤维膜的拉伸强度比纯 PLLA纳米纤维膜降低了 20%左右,当 β-TCP与 PLLA质量比达 10∶20时,复合物纳米纤维膜的拉伸强度降至 7.034MPa.显然,β-TCP粒子的加入降低了复合物纳米纤维膜的力学性能,这可能是因为 β-TCP粒子在复合物纳米纤维中分布不均,β-TCP与 PLLA之间相互作用较弱,成为纳米纤维中的缺陷部分.但总体来说,PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜的力学性能都较好,完全满足在组织工程支架、防粘连膜、创面修复材料等方面应用的强度要求.

表1 电纺 PLLA/β-TCP复合物纤维膜力学性能 MPa

2.3 电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜的细胞相容性

通过 MTT法以细胞增殖率对电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜进行体外细胞相容性评价,结果如表 2所示.结果表明,4种电纺 PLLA/β-TCP复合纳米纤维膜的细胞增殖率都大于 100%,具有良好的细胞相容性,根据细胞毒性分级标准判断其细胞毒性都属于 0级,即无细胞毒性.表明电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜具有良好的生物相容性,可作为生物材料,有望在组织修复和再生领域得到应用.

表2 电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜 MTT实验结果

3 结语

利用静电纺丝方法制得 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜,纤维直径在 50 nm～3μm之间;电纺纤维的结构与聚合物浓度、β-TCP与 PLLA质量比、喷头与接收装置间距、溶液流速等因素有关,其中聚合物浓度的影响最为明显,调整这些参数可以得到不同组成、结构的复合物纳米纤维膜.电纺PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜具有良好的力学性能,其拉伸强度和杨氏模量随着复合物中 β-TCP含量的增加而下降.电纺 PLLA/β-TCP复合物纳米纤维膜对 L-929细胞系无细胞毒性,有良好的细胞相容性,有望应用于骨组织修复和再生领域.

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