多孔功能性PLA/纳米氧化铈复合纤维的制备及性能

李 玥，张恒飞，孟静静，常玉雪，周宏艳

(河南工程学院材料与化学工程学院，郑州 450007)

0 前言

PLA是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，可以生物降解，实现在自然界中的循环，是理想的绿色高分子材料[1-5]。此外，PLA本身还具有良好的生物相容性，目前被广泛的应用在医疗领域，如手术缝合线、防粘连膜、骨填充材料等[6-8]。但是，PLA本身只具备良好的生物相容性，不具备生物活性，因而需要对其进行改性以提高其生物活性[9-11]。文献表明，CeO2具有良好的促进成骨细胞生长和分化性能，因而将CeO2复合能够赋予PLA一定的功能性，从而拓宽其应用范围[12-13]。但是，PLA/CeO2复合材料无法直接应用到医疗中，需对其进行加工。静电纺丝技术是目前较为成熟的一种制备超细纤维膜的一种技术，其能够纺制具有可生物降解性、生物相容性并且无毒无害的聚合物的纳米级超细纤维，不仅保留其自身的优良性能，而且可制作肿瘤治疗载体材料、组织工程支架材料、药物释放载体材料，在医学中适用于创伤修复和移植涂膜等方面[14-18]。本文利用静电纺丝技术，制备了PLA/CeO2静电纺丝复合纤维，并系统地表征了CeO2对溶液的性质、电压和CeO2用量对纤维直径、CeO2对细胞在PLA/CeO2纤维膜上增殖的影响，期望为PLA/CeO2的实际应用提供理论和实验依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，粉料，相对分子质量为50 000，济南岱罡生物科技有限公司；

CeO2，纯度>99.99 %，平均颗粒直径为25 nm，上海晶纯生化科技股份有限公司；

二氯甲烷，分析纯(含量≥99 %)，天津市科密欧化学试剂有限公司；

N-N二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯(含量≥99 %)，上海晶纯生化科技股份有限公司；

小鼠成骨前体细胞，MC3T3-E1，暨南大学生物工程学院实验室冻存；

碱性磷酸酶试剂盒，南京建成生物工程研究所；

DMEM低糖培养基(含有多种氨基酸以及葡萄糖的培养基)、胎牛血清，美国Gibco公司。

1.2 主要设备及仪器

旋转黏度计，NDJ-1，上海平轩科学仪器有限公司；

全自动表面张力仪，QBZY，上海方瑞仪器有限公司；

电导率仪，DDB-303A，上海仪电科学仪器股份有限公司；

差示扫描量热仪(DSC)，Q20，美国TA公司；

X射线衍射仪(XRD)，D8ADVAE，德国布鲁克公司；

扫描电子显微镜(SEM)，Quanta 250，捷克FEI公司；

SANS拉力机，CMT8501，深圳新三思集团。

1.3 样品制备

静电纺丝液的配制：在制备PLA/CeO2共混体系静电纺丝溶液时，以二氯甲烷和DMF的混合溶剂(DMF与二氯甲烷体积比为3∶7)将PLA溶解，同时借助超声震荡仪对PLA进行扶助溶解，同时能够使CeO2在溶剂PLA溶液中充分分散，尽可能地减少CeO2在PLA溶液中形成团聚，从而对纺丝产生影响；同时根据本课题组之前的实验结果，PLA静电纺丝液的最佳浓度为10 %(质量分数，下同)，故在本文中PLA的浓度统一为10 %；此外，CeO2在PLA/CeO2复合体系中的浓度为0 %、0.5 %、1.0 %、2.0 %、4.0 %和8.0 %；在室温下，将不同质量干燥后的CeO2粉末添加到10 %的PLA溶液中，磁力搅拌12 h，超声除气泡后备用；

PLA/CeO2复合纤维膜的制备：将配置好的不同CeO2含量的PLA/CeO2纺丝溶液在静电纺丝机中纺成复合膜；纺丝电压为20～28 kV，纺丝机设备温度为35 ℃，静电纺丝液的注射速率为1.0 mL/h，每个比例的复合膜纺丝时间为6 h。

1.4 性能测试与结构表征

分别采用旋转黏度计测试不同CeO2用量的PLA/CeO2复合静电纺丝溶液的黏度，测试温度为25 ℃，旋转速度为12 r/min；采用全自动表面张力仪测试不同CeO2用量的PLA/CeO2复合静电纺丝溶液的表面张力，测试温度为25 ℃；采用电导率仪测试不同CeO2用量的PLA/CeO2复合静电纺丝溶液的电导率，测试温度为25 ℃；

PLA/CeO2复合纤维膜形貌的观察：将所得到的不同CeO2含量、不同纺丝电压下的PLA/CeO2复合纤维膜喷金处理后，通过SEM观察纤维膜的形貌；

PLA/CeO2复合纤维膜的DSC分析：将不同CeO2含量的PLA/CeO2复合纤维膜干燥后，剪取约6～10 mg的放到DSC坩埚内，在氮气气氛下，以20 ℃/min的升温速率升温至200 ℃，记录升温曲线；在200 ℃恒温5 min，然后以20 ℃/min的速率降温至25 ℃；

CeO2对PLA/CeO2纤维膜细胞增殖的影响：MC3T3-E1细胞株在含10 %小牛血清的细胞培养液DMEM中培养；将细胞置于37 ℃、5 %的CO2和95 %湿度的培养箱中培养，每2 d换一次培养液；同时将不同CeO2用量的PLA/CeO2静电纺丝膜剪成直径约为14 mm的圆形，放入24孔板中，每个PLA/CeO2比例的材料设置5个复孔，然后用75 %的医用酒精将材料浸泡过夜，然后用磷酸缓冲盐溶液(PBS)清洗3次，紫外灭菌3 h，然后用含10 %小牛血清的完全培养基浸泡1 h；培养接近融合的MC3T3-E1细胞，以0.25 %胰蛋白酶消化液制成细胞悬液，进行细胞计数，然后稀释成约1×104个/mL，将细胞悬液接种于放置材料的24孔板中，每孔加1 mL，37 ℃、5 %的CO2条件下孵育1、4、7 d；实验组为：在有材料的孔内1 mL、1×104个/mL的细胞悬液，其中材料分别为：PLA，PLA/0.5 %CeO2，PLA/1.0 %CeO2，PLA2.0 %/CeO2，PLA/4.0 %CeO2的静电纺丝膜；在细胞接种后的1、4、7 d分别取出一块24孔板，吸出培养液，然后每孔加入含有10 % CCK-8的完全培养液350 μL，然后在细胞培养箱中继续孵育4 h，4 h后将在每个培养孔中吸取100 μL的液体加入96孔板中，然后用酶联免疫检测仪于450 nm处测定吸光度值。

2 结果与讨论

2.1 PLA/CeO2静电纺丝液的性质

静电纺丝溶液性质对于静电纺丝是否能够顺利进行有着重要影响，尤其是黏度、电导率和表面张力对静电纺丝的影响尤为重要，因此，本文对不同CeO2用量的PLA/CeO2静电纺丝液的黏度、电导率和表面张力进行了表征，如表1所示。从表1可以看出，不同CeO2用量的PLA/CeO2复合静电纺丝液的黏度基本无变化，主要是因为CeO2的用量较小，不足以引起复合静电纺丝液的变化。PLA/CeO2复合静电纺丝液的表面张力随CeO2用量的增加而逐渐减小，且CeO2用量为8.0 %时减少较多，由于在纺丝过程中，溶液的表面张力较小时，在纺丝的过程中比较容易形成液滴，因而CeO2用量为8.0 %时，不适合进行静电纺丝。此外，PLA/CeO2复合静电纺丝液的电导率随CeO2的用量的增加而逐渐增加，这主要是由于CeO2本身是一种半导体材料，当其在溶液中的用量较多的时候，相应的溶液的电导率也逐渐增加。

表1 PLA/CeO2静电纺丝液的性质Tab.1 The properties of PLA/CeO2 electrospinning solution

2.2 PLA/CeO2复合静电纺丝纤维

(a)×1 000 (b)×5 000图1 PLA多孔纤维SEM照片Fig.1 SEM image of PLA fiber

多孔纤维主要包括纤维之间的空隙和纤维本身的孔，利用静电纺丝技术，通过控制静电纺丝的条件，可以纺制出多孔静电纺丝膜。如图1所示，PLA静电纺丝纤维在丝与丝之间存在着约5 μm大小的空隙，且在PLA纤维的表面也存在着纳米级的孔。纤维的比表面积得到了大幅的提升，这说明由PLA/CeO2杂化超细纤维在诸多领域具有应用潜力，如医用材料和吸附材料等。

2.3 电压对PLA/CeO2复合纤维的影响

在静电纺丝的实验过程中，纺丝的主要推动力就是电场力，当电场力过小时，将会对溶液的喷射以及纤维的成型造成影响，当电压过高时又会造成溶剂的挥发问题，因而本文研究了静电纺丝电压对于PLA纤维直径的影响。在不同电压下进行静电纺丝，得到PLA/CeO2超细纤维，通过SEM进行对纤维进行观察，如图2所示。从图2可以看出，随着静电纺丝电压的增加，得到的纤维直径先减小后增加，通过对不同电压下得到的纤维进行测量(每个电压统计100根纤维，取平均值)，如图3所示。从图3可以看出，纺丝电压在26 kV时，PLA纤维的直径最小，约为880 nm。其可能的原因是随着电压的增加“泰勒锥”表面电荷较多，电荷形成的场力对液滴的拉伸作用加强，破坏了原有的“电场力 - 表面张力”的之间的平衡，最终导致纤维变细，在电压为26 kV时达到最小值。但是当纺丝电压为28 kV时，纤维变粗，这时在泰勒锥表面积聚的电荷较多，泰勒锥变得不稳定，因而形成的纤维变得不稳定，因而形成的纤维直径分布不均匀，同时由于电压较高时，泰勒锥射流过快，导致溶剂不能够完全挥发，导致纤维不够紧密，最后统计的结果就是纤维直径增加，且分布不均匀。因而，通过对比可知，在电压为26 kV的条件下纺制出的纤维直径最小，因此确定出最优纺丝电压。

2.4 CeO2添加量对PLA/CeO2复合纤维的影响

根据上述实验结果，采用最优纺丝电压(26 kV)，研究不同CeO2添加量对PLA/CeO2复合纤维的影响。从图4中可以看出，在不同添加量的情况下，纺制出的纤维形貌具有一定差别，纯PLA纤维表面较为光滑且纤维粗细较为均匀，直径大小基本一致，当开始加入CeO2时，可以发现，纤维的表面开始出现孔洞，这也是本文的目的所在，随着CeO2用量的不断增加，纤维

电压/kV：(a)20 (b)22 (c)24 (d)26 (e)28图2 不同电压下复合纤维的SEM照片Fig.2 SEM images of ultrafine PLA/CeO2 fibers prepared by electrospinning at different voltages

图3 电压对PLA纤维直径的影响Fig.3 The effect of voltages on thediameter of PLA fiber

照片类型，CeO2用量/%：(a)SEM，0 (b)SEM，0.5 (c)SEM，1.0(d)SEM，2.0 (e)SEM，4.0 (f)TEM，2.0图4 不同CeO2用量对PLA/CeO2复合纤维直径的影响的SEM和TEM照片Fig.4 SEM and TEM image of PLA/CeO2 composite fiber with different content of CeO2

图5 CeO2用量对PLA/CeO2复合纤维直径的影响Fig.5 The effect of CeO2 content on the diameter ofPLA/CeO2 composite fiber

表面变得越来越粗糙，孔洞数目不断增加。此外，图4中CeO2用量为2 %时的TEM图显示出纤维表面变得粗糙，且并未看到CeO2团聚体，说明CeO2在纤维中的分散较为均匀。从图5中可以看出，CeO2用量为4 %时，CeO2分散在PLA机体中，且有少量的CeO2在PLA表面团聚成了小颗粒，但是由于PLA表面仅有少量孔的缘故，故未观察到CeO2在PLA内部的分散情况。此外，对图4中的纤维进行统计后(各取100根，取平均值)，得到纤维直径随CeO2用量变化的曲线，如图5所示。从图5可以看出，随着CeO2用量的增加，PLA/CeO2复合纤维的直径先减小后增加，在CeO2用量为1 %时达到最小值，且当CeO2用量过多时，纤维的直径逐渐增加，且纤维的直径分布逐渐变宽，造成粗细不均匀的现象。因而，在CeO2用量为1 %时是实验所需的最佳添加量，此时PLA/CeO2复合纤维的直径最小，且较为均匀，同时纤维上有较多的孔洞，能够满足实验需求。

2.5 热性能和结晶性能

1—PLACeO2用量/%：2—0.5 3—1.0 4—2.0 5—4.0图6 不同CeO2用量时PLA/CeO2复合纤维的DSC升温曲线Fig.6 DSC heating curves of PLA/CeO2 with different content of CeO2

1—PLACeO2用量/%：2—0.5 3—1.0 4—2.0 5—4.0图7 不同CeO2用量时PLA/CeO2复合纤维的DSC降温曲线Fig.7 DSC cooling curves of PLA/CeO2 with different content of CeO2

图6和图7分别为不同CeO2用量的PLA/CeO2复合纤维的DSC一次升温和降温曲线，主要是为了研究CeO2的用量对PLA的热性能和结晶性能的影响。从图6中可以看出，纯PLA有多重熔融峰，说明PLA静电纺丝纤维中含有2种晶型。当在PLA静电纺丝液中添加一定量的CeO2的后，PLA/CeO2复合纤维中的低温熔融峰逐渐变小，而高温熔融峰逐渐变大，且在CeO2用量为1.0 %时，低温熔融峰消失，全部转变为高温熔融峰，且图7中降温曲线中也显示出，CeO2用量为1 %时的结晶温度较PLA有所升高，说明CeO2能够促进PLA纤维的结晶性能，能够促使PLA形成晶格较为紧密的晶体。这主要是由于CeO2在溶剂挥发的过程中，能够作为晶核，促进PLA分子链依附在其表面排列，形成了较为致密的晶格。但是，当CeO2用量为4.0 %时，又出现了小的低温熔融峰，降温曲线中CeO2用量为4 %时的结晶温度与CeO2用量为2 %相比也有所降低，这可能是由于CeO2用量较多，在PLA纤维中的分散性变差所导致的。此外，从图中还可以看出，纯PLA纤维出现了较大的冷结晶峰，说明PLA结晶不完善，当体系中添加了少量的CeO2之后，冷结晶峰逐渐变弱，且在CeO2用量为1.0 %和2.0 %时，冷结晶峰基本消失，说明CeO2促进了PLA的结晶。与熔融峰一致的是，当CeO2用量为4.0 %时，PLA/CeO2复合纤维又出现了冷结晶峰，这说明在CeO2用量为4.0 %时，复合纤维的结晶性能变弱，也是由于CeO2在PLA纤维中团聚所导致的。

2.6 CeO2对PLA/CeO2纤维膜细胞增殖的影响

CeO2用量/%：■—0.5 ■—1.0 —2.0 —4.0 □—0图8 CeO2用量对复合纤维膜细胞增殖的影响Fig.8 The effect of CeO2 content on the cell proliferation

从图8中可以看出，在1、4、7 d时，不同材料组的吸光度值均大于空白组，这说明了添加了CeO2的PLA/CeO2复合纤维对细胞是无毒的，具有良好的生物相容性，同时还可以说明PLA静电纺丝膜对于细胞的增殖具有一定的促进作用。同时还可以看出，PLA/CeO2系列的静电纺丝膜的吸光度值均大于单纯的PLA纺丝膜，且CeO2添加量越高，其吸光度值越大，这说明了CeO2对于具有相当明显的细胞增殖的促进作用，这是因为CeO2是一种生物相容性较好，能够促进细胞生长的材料，将其于PLA进行复合后能发挥PLA和CeO2的特性。

3 结论

(1)CeO2的用量对PLA/CeO2静电纺丝液的黏度基本无影响；但随着CeO2用量的增加，静电纺丝液的表面张力逐渐下降，电导率逐渐提高；

(2)随着纺丝电压的增加，PLA静电纺丝纤维的直径先减小后增加，且电压较高时，纤维直径分布逐渐变宽；

(3)CeO2的添加使PLA/CeO2复合纤维变细，较多的CeO2形成团聚体后导致纤维变粗，直径分布变差；

(4)CeO2使PLA/CeO2复合纤维从多重熔融峰转变为单重熔融峰，且有效促进了PLA的结晶；当CeO2用量过多时，结晶性能下降，重新转变为多重熔融峰；

(5)PLA/CeO2复合薄膜具有良好的生物相容性，随CeO2含量的增加，对细胞增殖的促进作用更加明显。