PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架的制备及其吸湿性能评价*

兴栋

五邑大学纺织材料与工程学院，广东 江门 529020

静电纺丝技术作为唯一能直接并连续制备聚合物纳米纤维的一种技术，具有成本低廉、环节少、操作工艺简单等优势[1]。且理论上，任何高分子材料只要能找到合适的溶液体系，都有可能通过静电纺丝制备出纳米纤维，并具有批量生产的可能[2]。由静电纺丝制备的纤维，组分可控、比表面积大、孔隙率高、轴向强度高，在生物医用材料、过滤材料、传感器及电子器件等方面具有广阔的应用前景[3]。

近年来, 静电纺丝的研究领域已从形貌控制发展到应用开发。科研工作者尝试了各种可能的应用领域，并取得了一定的成果。在生物医用材料领域，静电纺超细纤维薄膜除了具备上述优异特性外，还在一定程度上具有类似细胞外基质(ECM)的结构和生物学功能，可为细胞的黏附、增殖和分化提供理想的微环境[4]。RHO等[5]利用与ECM结构和组成极为相似的胶原为原料，制备出静电纺胶原超细纤维膜，并进行小鼠伤口修复试验，结果表明：静电纺胶原超细纤维膜在伤口愈合初期能诱导新生血管的生成，并促进成纤维细胞的增殖和迁移，加快伤口的愈合。顾书英等[6]采用静电纺丝技术分别制备了纯聚乳酸(PLLA)薄膜和壳聚糖/PLLA、明胶/PLLA复合纳米纤维毡，研究表明：复合纳米纤维毡的吸水、保水性能都优于纯PLLA薄膜，可作为理想的创面敷料材料。静电纺丝制备的纤维薄膜还可负载并缓释多种分子及生物活性物质。陈腊梅等[7]将同轴静电纺丝技术制备的壳/核结构纳米纤维作为药物缓释载体，制备出具有优异抗菌功能的静电纺医用敷料。徐雄立[8]以明胶和壳聚糖作为主要原料，通过静电纺丝制备出含有纳米银的明胶基纳米纤维水凝胶，用于制作抗菌型水凝胶敷料，应用于体外创伤护理。综上可见，静电纺纳米纤维膜是制备性能优良的医用敷料的理想材料。

理想的医用敷料能提供一个有利于创面愈合的湿润环境，增强伤口再上皮化能力，加快创面愈合速度[9]。医用敷料吸收水分的方式有两种：将液体吸进纤维内部和将液体吸进纤维间的孔隙中。这两种吸收方式通常都是同时发生的。当医用敷料和伤口接触时，纤维吸湿膨胀，纤维间的孔隙被封闭，敷料和伤口渗出液中的细菌同时被固定住，进而减少了伤口被细菌感染的机会；同时，由于毛细作用而被吸收在纤维间的液体，可以在短时间内沿着织物横向扩展，从而使伤口周边的健康皮肤保持润湿。从临床角度来看，理想的医用敷料能吸收大量的液体[10]。因此，如何改善静电纺纳米纤维膜的吸湿性能具有重要的现实意义。

本文选用两亲性聚己内酯(PLC)-聚乙二醇(PEG)三嵌段型共聚物(PCL-PEG-PCL)为原料，采用静电纺丝技术制备PCL-PEG-PCL纳米纤维膜；再通过均质分散、冷冻干燥和热处理工艺，分散PCL-PEG-PCL纳米纤维膜再重组，制备出PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架(下文简称“三维纳米支架”)。基于冷冻干燥工艺加工参数对三维纳米支架的结构调控，研究冷冻温度、冷冻时间、温度梯度对三维纳米支架的纤维形态、孔结构与吸湿性能的影响规律，以期得到吸湿性能更优异的三维纳米支架用于医用敷料领域。

1 试验材料

1.1 试验原料和溶剂

PCL-PEG-PCL，相对分子质量为30 000-20 000-30 000，工业级，上海丽昂化学有限公司提供；丙酮，AR级，广东省精细化学品工程技术研究开发中心提供；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，质量分数 ≥ 99.5%，国药集团化学试剂有限公司提供；Galwick润湿液，15.9 mN/m，美国PMI公司提供。

1.2 主要试验仪器及设备

PL200型电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司提供；79-3型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司提供；注射器(10.0 mL，七号注射针头)，上海双鸽实业有限公司提供；LSP02-1B型注射泵，广州市科桥实验技术设备有限公司提供；DW-P503-1ACDF型高压直流电源，天津东文高压电源有限公司提供；FJ200-S型数显高速分散均质机，上海索映仪器设备有限公司提供； Lab-1-80型冻干机，北京博医康实验仪器有限公司提供；GZX-9240 MBE型电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂提供；SH-5000M桌上型扫描电镜，韩国HIROX公司提供；CFP-1100A型孔径分布测定仪，美国PMI公司提供；DW-86L490J超低温保存箱，青岛海尔特种电器有限公司。

1.3 三维纳米支架的制备

1.3.1 纳米纤维膜的制备

准确称取2.0 g PCL-PEG-PCL溶于6.0 g的DMF/丙酮(DMF与丙酮的质量配比为1∶1)混合溶液中，配制质量分数为25 %的PCL-PEG-PCL纺丝液，室温下搅拌至溶液均匀，静置备用；接着，将纺丝液转移到10.0 mL的注射器内，喷射针头为七号注射针头；将注射器固定在推进器上，控制纺丝条件为纺丝温度(25±3) ℃、相对湿度(50±5)%、纺丝电压15 kV、纺丝水平距离12 cm、推进速度0.9 mL/h、接收滚筒转速180 r/min，制得PCL-PEG-PCL纳米纤维膜。

1.3.2 三维纳米支架的制备

1.3.2.1 均质液的制备

准确称取2.0 g PCL-PEG-PCL纳米纤维膜置于装有50.0 mL蒸馏水的烧杯中，调节FJ200-S型数显高速分散均质机转速为15 000 r/min，均质10 min后得到均匀的短纤维溶液即均质液，短纤维浓度为40 mg/mL。

1.3.2.2 冷冻干燥

量取均质液加入24孔细胞培养板中，每孔滴入均质液体积为1.0 mL；分别放置细胞培养板于不同的冷冻环境中存放不同的时间，冻干。

1.3.2.3 热处理

将1.3.2.2中冻干后得到的样品于54 ℃下恒温加热8 h，即得三维纳米支架。

2 性能测试

2.1 微观形态

将三维纳米支架用双面导电胶固定到金属底座上，溅射喷金以消除电荷；再于5 kV加速电压下使用SH-5000M桌上型扫描电镜，观察三维纳米支架中纤维的微观形态。

2.2 孔径分布

将三维纳米支架放入CFP-1100A型孔径分布测定仪的样品装载槽中，设置测试气压为289.6 kPa，测试三维纳米支架在湿润状态(利用Galwick润湿液充分润湿)和干燥状态下的孔径分布。

2.3 吸湿性能

三维纳米支架的吸湿性能测试指标包括吸水率和失重率。

夹取三维纳米支架，称量其干态时的质量(M0)、室温下于蒸馏水中浸泡完全后的质量(M1)，以及浸泡完全后再经冻干、热处理后的质量(M2)，则其吸水率W(g/g)和失重率Q(%)：

(1)

(2)

3 结果与讨论

由PCL-PEG-PCL纳米纤维构成三维纳米支架，纤维均匀、光滑，且无珠串结构，说明静电纺丝过程中纺丝稳定且成纤较好，纤维间相互交错且分散均匀，三维孔洞结构连续贯通。

3.1 对三维纳米支架中纤维形态和孔结构的影响

3.1.1 冷冻温度

图1为均质液分别在-20、-50、-60、-70、-80 ℃的超低温保存箱中冷冻24 h及在-196 ℃液氮中速冻15 min后，制得的三维纳米支架中纤维形态和孔结构的SEM照片。

从图1可以观察到：

(1) 在温度为-20和-80 ℃的条件下冷冻24 h后，制得三维纳米支架的孔主要以大孔为主，且孔径分布不均。

(a) -20 ℃×24 h (b) -50 ℃×24 h

(c) -60 ℃×24 h (d) -70 ℃×24 h

(e) -80 ℃×24 h (f) -196 ℃×15 min

(2) 在温度为-50和-70 ℃的条件下冷冻24 h后，制得三维纳米支架的孔径大小较-20和-80 ℃的条件下冷冻24 h后所得三维纳米支架的均匀。

(3) 在温度为-60 ℃的条件下冷冻24 h和-196 ℃液氮速冻15 min后，所得三维纳米支架(图2和图3)中纤维相互缠绕，孔径分布均匀，多孔结构良好。

图2 三维纳米支架的SEM照片(-60 ℃冷冻24 h)

图3 三维纳米支架的SEM照片(-196 ℃液氮速冻15 min)

分析该现象的原因：

(1) 均质液在恒温冷冻24 h的过程中，水分子会聚集形成冰晶。当冰晶的核心一旦形成，便会逐渐自核心向四周膨胀。冰晶经冻干升华后会留下大小与形状不一的孔洞，且冰晶的数量与均质液的冷冻速度成正比。

(2) 均质液在液氮速冻过程中，冰晶的核心处于来不及形成或正在形成的状态，此时冰晶体积相对较小，故导致冰晶冻干升华后纤维间孔洞分布均匀，孔径大小均匀且整体偏小。

故液氮速冻所得三维纳米支架的纤维形态和孔结构较恒温冷冻24 h的更好。

接着利用CFP-1100A型孔径分布测定仪测试-60 ℃冷冻24 h和-196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架的孔径分布(图4和图5)，发现：

图4 -60 ℃冷冻24 h后制得的三维纳米支架的孔径分布

(1) -60 ℃冷冻24 h后制得的三维纳米支架的最大孔径为4.04 μm、最小孔径为0.67 μm，多孔结构密集；-196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架也具备良好的多孔结构，其最大孔径为3.38 μm、最小孔径为0.78 μm。

图5 -196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架的孔径分布

(2) -60 ℃冷冻24 h后制得的三维纳米支架的主体孔径分布在2.60～4.00 μm，-196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架的主体孔径在3.50 μm附近。

3.1.2 冷冻时间

从图6可以观察到，同一冷冻温度不同冷冻时间制得的三维纳米支架的纤维形态和孔结构差异明显：冷冻时间小于6 h的三维纳米支架未形成良好的多孔结构，其纤维排列紊乱且缠绕不明显；冷冻时间为6 h的三维纳米支架孔洞分布最为均匀，多孔结构良好；冷冻时间超过6 h的三维纳米支架，孔径出现了两极分化。

(a) 冷冻2 h (b) 冷冻4 h

(c) 冷冻6 h (d) 冷冻8 h

(e) 冷冻10 h (f) 冷冻12 h

纤维的密集度随着冷冻时间的增加而增加。冷冻时间较短时，三维纳米支架内部冰核和冰晶未完全形成，纤维排列不均，故造成纤维间孔洞分布不均；随着冷冻时间的延长，三维纳米纤维支架材料内部的冰晶逐渐膨胀并相互挤压，形成了不规则的孔洞；继续延长冷冻时间，则冰晶大小两极分化，导致孔洞大小呈两极分化，多孔结构变差。

图7对-60 ℃冷冻6 h后所制得的三维纳米支架的微观照片进行了放大，可以观察到其纤维间通过缠绕形成了均匀分布的三维孔结构。

图7 -60 ℃冷冻6 h后制得的三维

再利用CFP-1100A型孔径分布测定仪，对-60 ℃冷冻6 h制得的三维纳米支架的孔径分布进行测量(图8)，发现：主体孔径分布在0.00～1.00 μm，最大孔径为5.16 μm，最小孔径为0.38 μm。

图8 三维纳米支架的孔径分布(-60 ℃冷冻6 h)

比较图4、图5及图8可以发现：-196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架的主体孔径最大，-60 ℃冷冻6 h后制得的三维纳米支架的主体孔径最小，-60 ℃冷冻24 h后制得的三维纳米支架的主体孔径较大。

3.1.3 温度梯度

在-196 ℃液氮中速冻15 min时，通过设置并调节细胞培养板距离液氮液面的高度，观察三维纳米支架在温度梯度下各层截面的纤维形貌(图9)，发现：随着细胞培养板与液氮液面距离的减小，三维纳米支架中纤维密度越来越高，孔径逐渐减小，圆形孔洞数量逐渐增加。这是由于受温度梯度的作用，距离液氮液面越远处，晶核的数量就会增加，故上层截面中圆形孔洞数量比下层截面的少，不规则的长条形孔洞数量比下层截面多。

图9 温度梯度下三维纳米支架各层截面的SEM照片

3.2 对三维纳米支架吸水率和失重率的影响

选取纳米纤维膜作为对照组，研究三维纳米支架的吸湿性能。结果发现：纳米纤维膜的吸水率为5.14 g/g，-196 ℃液氮速冻15 min所制得三维纳米支架的吸水率最高(达21.3 g/g)，后者是前者4.1倍，可见三维纳米支架的吸水性能优异；纳米纤维膜和三维纳米支架的失重率均不超过8.0%，表明纳米纤维膜和三维纳米支架几乎都不溶于水，吸水试验基本未造成材料的结构变化和脱落。

与纳米纤维膜相比，三维纳米支架在立体结构上具有较高的孔隙率，可以因毛细作用而储存大量的水分，赋予三维纳米支架优异的吸湿、保湿性能，能有效控制伤口组织渗出液，保持伤口湿润，利于伤口愈合。

3.2.1 冷冻温度和冷冻时间

各三维纳米支架的吸水率和失重率归纳于表1。其中，-196 ℃液氮速冻15 min所制得的三维纳米支架的吸水率最高(达21.3 g/g)，失重率为2.0%；-60 ℃下冷冻24 h所制得的三维纳米支架的吸水率最低(为17.2 g/g)，失重率为5.3%。

表1 三维纳米支架的吸水率和失重率

当冷冻时间一定时，三维纳米支架吸水率随冷冻温度的降低呈先减小后增大的趋势，这与不同冷冻温度下所得三维纳米支架中纤维形态和孔结构有关。当冷冻温度一定时，三维纳米支架吸水率变化趋势不明显。

-196 ℃液氮速冻15 min后制得的三维纳米支架，因其中的冰晶和冰核的生长未得到充足的时间，故制得的三维纳米支架较完整地保留了纤维在均质液中的分布情况，孔径大小均一，且分布均匀，故其吸湿性能最佳。

3.2.2 温度梯度

对相同制备条件的、有无温度梯度作用的三维纳米支架的吸湿性能进行测试，发现：经温度梯度作用的三维纳米支架的吸水率为16.6 g/g、失重率为1.7%，无温度梯度作用的三维纳米支架的吸水率为17.7 g/g、失重率为1.6%。可见，温度梯度作用对三维纳米支架的吸湿性能无较大影响。

4 结论

采用静电纺丝工艺制备PCL-PEG-PCL纳米纤维膜，再通过均质分散、冷冻干燥和热处理工艺分散再重组，制备出具有仿生ECM结构的、吸湿性能优异的、立体网状多孔的PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架。探索冷冻温度、冷冻时间及温度梯度对PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架的影响，得到理想的冷冻条件为-196 ℃液氮速冻15 min，所得PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架的吸水率为21.3 g/g、失重率为2.0%，吸湿性能最佳。设置-196 ℃液氮速冻15 min条件下的温度梯度发现，PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架因温度梯度存在而呈现自上而下孔径逐渐减小、纤维密度逐渐增大的规律。对比相同制备条件下有无温度梯度作用的PCL-PEG-PCL三维纳米纤维支架的吸湿性能发现，其吸湿性能不受温度梯度作用的影响。