胆管支架静电纺覆膜工艺及性能

陈 媛, 刘延辉, 张佩华

(东华大学a. 纺织面料技术教育部重点实验室; b. 纺织学院, 上海 201620)

胆管支架静电纺覆膜工艺及性能

陈 媛a, b, 刘延辉a, b, 张佩华a, b

(东华大学a. 纺织面料技术教育部重点实验室; b. 纺织学院, 上海 201620)

以聚ε-己内酯(PCL)为溶质, 二甲基甲酰胺(DMF)和二氯甲烷(DCM) 为溶剂, 制备静电纺丝溶液．采用正交试验法研究静电纺溶液中PCL质量浓度、溶剂中DMF体积分数和静电纺电压值3个因素对纤维的形态和直径、纤维膜的孔隙率和表面积-体积比的影响, 并对纤维膜的力学性能进行了测试．结果表明: 溶剂中DMF体积分数对纤维膜结构影响最为显著, 其次是静电纺电压, PCL质量浓度影响最小; PCL质量浓度最大0.18 g/mL时, 静电纺纤维膜中纤维粗细最为均匀; PCL质量浓度、DMF体积分数和静电纺电压的最优水平分别为0.165 g/mL、43%、15 kV; 随着PCL质量浓度增大, PCL大分子链增多, 分子间作用力增大, 导致纤维膜拉伸强力增大．

静电纺丝; 胆管覆膜; 正交试验法; 性能

近年来, 恶性胆管梗阻患者逐渐增多, 对于不能手术切除恶性肿瘤所致的梗阻性黄疸, 内镜下置入胆管支架引流, 不仅可以达到胆肠吻合术的治疗效果, 而且安全、简便, 可减少手术带来的创伤, 并发症的发生率及病死率均明显小于开腹手术[1]．目前研究应用的胆管支架的材料一般分为3类: 塑料支架、金属支架、生物可降解支架．

虽然塑料和金属支架在内镜下置入体内已逐渐成为胆管良性狭窄的主要治疗手段, 但这两种支架均须在内镜下反复取出, 增加了手术风险和医疗费用, 且长期置于人体内容易导致胆管组织的异常病理反应．采用生物可降解高分子材料制备的胆管支架, 具有良好的组织相容性和生物可降解性, 不需反复取出, 一段时间后可自行降解．新型可降解胆管支架覆膜后, 可依靠覆膜阻挡肿瘤生长, 抑制胆泥淤积和结石形成, 以延缓管腔的再狭窄[2]．胆管覆膜支架是临床应用和发展的趋势, 表面覆膜结构可维持与胆管壁之间均匀、良好的应力关系, 缓解胆管局部组织的病理反应, 防止因肉芽组织的长入造成管腔再狭窄, 可有效缓解各种原因导致的胆管良性狭窄．日本和欧洲在本世纪初已有人体生物可降解胆管支架的临床应用报道, 但目前我国尚未见到任何种类可降解胆管支架投入商业生产的报道．

胆管支架覆膜可采用静电纺覆膜. 静电纺丝是在静电场作用下聚合物溶液(或熔体)经喷丝头喷射而制备微纳米纤维的工艺技术．静电纺纤维具有直径小、比表面积大、高孔隙率的结构特点[3], 由于静电纺丝技术能制备亚微米级甚至纳米级纤维, 在组织工程领域被广泛使用．

聚ε-己内酯(PCL)作为常用的静电纺材料, 具有较好的力学性能和生物相容性, 是可降解材料, 降解时间为6～12个月, 适用于胆管覆膜材料．对PCL进行静电纺丝, 可保持PCL优异的生物特性, 由于静电纺PCL纤维兼备了生物及纳米特性, 可以提高材料的渗透及吸附等性能．目前该材料被广泛用于骨折固定材料、手术缝线、药物控释材料和组织工程支架材料领域[4-6]．本文通过静电纺工艺在铝箔上进行覆膜, 采用正交试验法研究静电纺过程中工艺参数对PCL纤维形态、纤维直径、孔隙率和表面积-体积的影响, 并对纤维膜的力学性能进行了探讨, 在胆管支架上成功实现了覆膜．

1 试 验

1.1 原料

静电纺材料PCL是由ε-己内酯在引发剂的存在下开环聚合而得的一种半晶型高聚物[7], 其密度为1.14 g/cm3, 相对分子质量Mn=80 000, 由东华大学材料科学与工程学院提供. 溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)和二氯甲烷(DCM)混合溶液, DMF和DCM均由江苏永华化学科技有限公司提供．

1.2 静电纺丝

本试验采用常用的静电纺试验装置[8], 由高压电源、喷头及液体供给装置、纤维接收装置3部分组成, 如图1所示．高压电源的正极与针头连接, 针头型号为23 G, 负极与接收金属架相连, 接收装置上安装铝箔. 试验确定各项工艺参数及变化范围: 注射器推进速度为0.6 mL/h; 注射器内径为12.34 mm; 纤维接收距离为20 cm; PCL质量浓度范围为0.140～0.185 g/mL; 溶剂中DMF的体积分数范围为15%～45%; 高压电源电压的范围为10～16 kV．通过改变工艺参数使带电喷射流无规沉降于铝箔纸表面后固化, 得到一系列静电纺纤维膜．

图1 静电纺装置原理图Fig.1 Schematic diagram of electrospinning facility

1.3 正交试验设计

静电纺工艺参数的正交试验设定3个因素, 分别为PCL质量浓度、混合溶剂中DMF的体积分数和静电纺电压值．根据3个因素的变化范围对每个因素设定3水平, 如表1所示．

表1 因素与水平表

选用正交表L9(34)安排试验, 得到9个试验方案, 如表2所示．

表2 静电纺工艺参数

1.4 测试指标与方法

(2) 孔隙率.孔隙率指胆管支架未被材料覆盖的空白部分的体积占支架总体积的百分数, 反映细胞在胆管覆膜支架内的密度．较大的孔隙率有利于细胞黏附和细胞渗透[9], 提供了细胞增殖空间, 为细胞的生长提供气体交换、获取营养、代谢产物排出的环境. 根据式(1)可测得纤维膜的孔隙率[10]．

(1)

在被测试样中间较为均匀的区域剪取面积s=5 cm× 5 cm的试样, 用数显千分测厚规分别测量各个试样的厚度d1(铝箔+静电纺纤维膜), 再测量铝箔的厚度d2,d1-d2即为静电纺纤维膜的厚度d,d×s为静电纺纤维膜的体积v．材料的密度为1.14 g/cm3, 通过FA2004A型分析电子天平称量得到试样的质量m, 利用m/v得到静电纺纤维膜密度ρ．

(3) 表面积-体积比.表面积-体积比反映细胞与胆管覆膜支架之间相互反应的过程, 是胆管内支架的重要结构参数．较大的表面积-体积比有利于细胞黏附、渗透、增殖及生长. 根据式(2)和(3)可测得纤维膜的表面积-体积比[9]．

(2)

表面积-体积比=

(3)

(4) 静电纺纤维膜力学性能.将纤维膜剪成宽为15 mm、长为30 mm的长方形试样, 在YG(B)026G型医用纺织品多功能强力仪上进行拉伸测试．纤维膜夹持距离为10 mm, 拉伸速率为5 mm/min．每种试样测试5个样品, 取平均值．

(5) 胆管支架覆膜.将图1所示静电纺丝装置中的接收器换成旋转金属接收装置, 根据正交试验得到静电纺丝时的最优参数, 制备纺丝液, 并在静电纺电压值最优水平下对胆管支架进行静电纺覆膜．其中, 接收装置电机转速为1 000 r/min, 其他工艺条件与1.2节一致．

2 结果与讨论

2.1 静电纺纤维膜纤维形态

在扫描电子显微镜下进行1 000倍的放大, 电压为10 kV, 分别观察拍摄的9个试样, 如图2所示. 由图2可见, 1号、4号与7号样的纤维粗细不均匀, 串珠状纤维很多, PCL质量浓度均为0.150 g/mL; 2号、5号与8号样串珠状纤维较多, PCL质量浓度均为0.165 g/mL; 3号、6号与9号样的纤维粗细相对更加均匀, 几乎没有串珠状纤维, 3号、6号、9号样的PCL质量浓度均为0.180 g/mL．PCL质量浓度越大, 溶液黏度越大, 分子链相互之间充分缠结, 使得串珠状纤维减少, 纤维粗细更加均匀．综上可得, 3号样的3个因素水平为A3B1C2, 6号样的3个因素水平为A3B2C1, 9号样的3个因素水平为A3B3C3．

2.2 静电纺参数对纤维直径的影响

纤维直径试验结果如表3所示. 从表3中数据可以看出, PCL质量浓度、混合溶剂中DMF体积分数和静电纺电压的极差R分别为0.505、1.533、0.817, 溶剂中DMF的体积分数对纤维直径的影响最大, 其次为静电纺电压, 而PCL质量浓度对纤维直径的影响最小．DMF的电导率为36.7 S/m, 随着DMF体积分数的增加, 溶液电导率有了较大的提高, 高电导率的聚合物溶液形成的射流受到电场力作用较大, 增加了射流表面的电荷密度, 射流的轴向鞭动不稳定居于主导地位, 使纤维直径减小[11]．从表3还可以看出, 一定范围内要求纤维较细, 本试验应选取每个因素中K1、K2、K3最小的水平, 即参数的最优水平为A2B3C1．

表3 纤维直径试验结果分析

(续 表)

注:Ki为各因子在i水平时各测试指标的总和(i=1, 2, 3);R为极差, 表示同一因子的Ki最大值与最小值之差．

2.3 静电纺参数对纤维膜孔隙率的影响

根据式(1)计算得到静电纺纤维膜的孔隙率, 如表4所示．

表4 静电纺纤维膜孔隙率

静电纺纤维膜的孔隙率试验结果如表5所示. 从表5中数据可以看出, PCL质量浓度、溶剂中DMF的体积分数和静电纺电压的极差R分别为17.2、2.5、20.2, 可得到电压对孔隙率的影响最大, 其次为PCL质量浓度, 而DMF体积分数对孔隙率的影响最小．各个试样的孔隙率均大于80%, 通过静电纺得到的纤维膜的孔隙率基本可达到选用标准．由表5还可知, 随着电压的增加, 纤维直径减小, 孔隙率逐渐增大．这是因为增加电压使溶液射流表面的电荷密度增加, 射流所传到的电流也随之增加, 射流量增大, 导致纤维膜厚度增加, 从而增大纤维膜的孔隙率．较大的孔隙率可以提高覆膜支架的生物相容性, 调整电压是改变覆膜孔隙率大小的最有效方法．孔隙率越大则细胞新陈代谢越好, 本次试验应该选取每个因素中K1、K2、K3最大的水平, 即参数的最优水平为A2B3C3．

表5 孔隙率试验结果分析

2.4 静电纺参数对纤维膜表面积-体积比的影响

根据式(2)和(3)计算得到静电纺纤维膜的表面积-体积比如表6所示．

表6 静电纺纤维膜表面积-体积比

注:l为等效纤维长度.

静电纺纤维膜的表面积-体积比试验结果如表7所示. 从表7中数据可以看出, PCL质量浓度、DMF体积分数和静电纺电压的极差分别为81 646.8、89 561.4、72 068.8, 因此，DMF体积分数对表面积-体积比的影响最大, 其次为PCL质量浓度, 而静电纺电压对表面积-体积比的影响最小．参考2.2节中DMF体积分数对纤维直径的影响, 并根据式(2)和(3)可知, 表面积-体积比与纤维直径成反比, 较细的纤维直径有利于获得较高的表面积-体积比．由表7还可知, 随着PCL质量浓度的增加, 表面积-体积比有所波动, 但并未发现明显的规律变化．较大的表面积-体积比可以增加纤维与细胞的接触面积, 对于两者的黏附起到很大的作用．在一定范围内, 表面积-体积比越大越好. 本试验应该选取每个因素中K1、K2、K3最大的水平, 即参数的最优水平为A3B3C3．

表7 表面积-体积比试验结果分析

2.5 综合平衡分析

对纤维平均直径、纤维膜孔隙率、表面积-体积比进行极差分析后得到因素主次顺序, 假设权重分别为4、2、1．3个因素综合主次如表8所示. 由表8可知：B对纤维直径和纤维膜表面积-体积比影响最大, 应该首先分析; C对纤维膜孔隙率的影响最大, 对纤维平均直径影响一般, 次要分析; A对纤维膜孔隙率和表面积-体积比影响一般, 最后分析A．

表8 3个因素综合分析

这里要求表面积-体积比在一定范围内大些, 而纤维直径与其成反比, 所以确定B取B3最好; A、B、C 3个因素对于孔隙率(表5)的位极趋势图如图3所示. 由图3(c)可知, 得到更好的试验结果的充分条件是需要越来越大的电压值, 孔隙率在一定范围内也要求大点, 综合考虑成本、安全等因素, 本试验在电压较小范围内进行, 故确定C取C3最好; 对于高孔隙率和高表面积-体积比的要求, A可选A2或A3, 为了减少用量, 确定为A2; 结合纤维形态最后得到最优水平为A2B3C3．

(a) A因素

(b) B因素

(c)C因素图3 3个因素的位极趋势图Fig. 3 The bit polarity trend map of three factors

2.6 静电纺纤维膜力学性能分析

不同静电纺纤维膜的拉伸强力、断裂伸长率和拉伸强度如表9所示．由表9可知, 3号、6号、9号样拉伸强度较大, 其中9号样最高, 相应的断裂伸长率也最大．4号与9号的纤维膜厚度相近, 但9号的拉伸强度与断裂伸长率更大．由2.2节表3可知, 9号纤维直径较4号小, 纤维膜中纤维交错排列层次增加, 纤维间交织点增多, 拉伸强度变大．

表9 静电纺纤维膜的拉伸断裂性能

纤维膜拉伸强度试验结果如图10所示. 从表10中数据可以看出, PCL质量浓度、DMF体积分数和静电纺电压的极差分别为0.85、0.63、0.66, 因此，PCL质量浓度对纤维膜拉伸强度的影响最大．这是因为聚合物的断裂主要是破坏分子内化学键、分子间的范德华力和氢键或者分子链滑脱．PCL质量浓度增大, PCL大分子链数量增加, 分子间作用力增大, 导致纤维膜强力增大．

表10 纤维膜拉伸强度试验结果分析

(续 表)

2.7 胆管支架覆膜

胆管支架覆膜前后的表面形态对比如图4所示. 由图4可知, 纤维膜与胆管支架的黏合较均匀紧密, 纤维膜能够很好地覆盖胆管支架的网眼．

(a) 覆膜前 (b) 覆膜后图4 胆管支架覆膜前后的表面形态图Fig. 4 The surface morphology of covered and uncovered bile dust stents

3 结 论

(1) PCL质量浓度、混合溶剂中DMF的体积分数、静电纺电压值这3个因素中, DMF体积分数对纤维膜结构影响最为显著, 其次是静电纺电压, PCL质量浓度影响最小．

(2) 根据扫描电子显微镜的观察, 发现PCL质量浓度最大(0.180 g/mL)时, 静电纺纤维膜纤维形态最佳．

(3) 通过正交试验分析可得, PCL质量浓度、混合溶剂中DMF的体积分数和静电纺电压值3个因素的最优水平分别为A2(0.165 g/mL)、 B3(43%)、C3(15 kV)．

(4) PCL质量浓度对静电纺纤维膜的拉伸强度的影响最大, 随着PCL质量浓度增大, PCL大分子链数量增多, 分子间作用力增大, 导致纤维膜强力增大．

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Fabrication and Performance of Electrospinning Fiber Membrane for Bile Duct Stents

CHENYuana, b,LIUYan-huia, b,ZHANGPei-huaa, b

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education;b. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The electrospinning solution was prepared with the solute of Poly (ε-caprolactone) (PCL) and the mixture solvent of Dimethylformamide (DMF) and Dichloromethane (DCM). By using orthogonal experimental design, this work presented that the morphology and diameter of electrospinning fiber, the porosity of electrospinning fiber membrane as well as the surface-volume ratio were affected by three factors: the concentration of PCL, the volume fraction of DMF in mixture solvent, and the voltage of electrospinning fiber. Furthermore, the mechanical properties of the electrospinning fiber membrane were tested in this work. The result showed that the structure of electrospinning fiber membrane was mostly affected by the volume fraction of DMF in mixture solvent. The effect of voltage was lower than that of DMF volume fraction in mixture solvent, and the effect of concentration of PCL was the lowest among all three factors. The diameter value distribution of fiber in electrospinning fiber membrane was most uniform when the concentration of PCL was 0.180 g/ml. The optimal level of PCL concentration, DMF volume fraction in mixture solvent and voltage were 0.165g/ml, 43% and 15 kv respectively. With growing concentration of PCL, the number of PCL macromolecular chains as well as the intermolecular forces of PCL molecules increased, led to the rise of tensile strength of electrospinning fiber membrane.

electrospinning; bile duct coating; orthogonal experiment; performance

1671-0444 (2016)06

2015-06-04

高等学校学科创新引智计划资助项目(B07024)

陈 媛(1991—)，女，江西赣州人，硕士研究生，研究方向为人体生物胆管覆膜支架的研制.E-mail：cheny716@163.com 张佩华(联系人)，女，教授，E-mail：phzh@dhu.edu.cn

R 318.08; R 318.11

A