聚乳酸/壳聚糖-海藻酸复合纳米纤维膜材料的结构与性能研究

王伟彬

（广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006）

静电纺丝是一种快速制造纳米纤维材料的新型加工技术，其所制得的纤维材料因具有较高的表面积与体积比、孔隙率，支架结构类似于天然的细胞外基质，有利于种子细胞的黏附、增殖和分化，近年来在各类组织工程支架的研究中备受关注［1］。

目前已经有多种材料成功地用静电纺丝制备出了纳米纤维材料，包括合成高分子材料，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚乙醇酸（PLGA）等和天然高分子材料，如壳聚糖（chitosan）、纤维素（cellulose）、胶原（collagen）等［2］。聚乳酸（PLA）是一种已被美国FDA批准可植入人体进行应用的人工合成高分子材料。它的分子式为H—［OCHCH3CO］n—OH，其降解产物为CO2和H2O，不会对人体产生刺激，具有优异的生物相容性和良好的加工性［3］。然而，单一的PLA材料本身亲水性不佳，缺乏细胞贴附活性位点，降解速度缓慢等缺点，不能单独作为支架主体发挥作用，因此研究者们主要将聚乳酸与天然高分子进行共混或表面改性制备复合材料［4-5］。Weiming Chen等人［6］通过静电纺丝和冷冻干燥制备了聚乳酸/明胶混合三维纳米纤维支架用以模仿细胞外基质中与胶原蛋白相似的生物结构。R.Revati等人［7］通过将狼尾草（PP）与聚乳酸共混制备了PP/PLA多孔支架，提高了材料的抗压强度和亲水性能。

壳聚糖与海藻酸是两种常见的天然高分子材料，常用于制作水凝胶在人体伤口周围保持并创造湿润的环境，控制抗生素的递送，促进人体单核细胞产生细胞因子［8-9］。静电纺丝的重要前提是纺丝材料需形成均相溶液（熔体），如何将只溶于有机溶剂的疏水聚乳酸材料与只溶于水的亲水海藻酸结合起来制备复合纤维材料，是研究者们重点关注的问题。

本文先采用聚乳酸与壳聚糖混合纺丝的方式制备了PLA/CS混纺纤维膜，并用EDC/NHS在保持纤维膜整体结构不变的情况下与海藻酸钠水溶液交联接枝改性，制备了微观形貌良好，亲水性能、降解性能显著提高的PLA/CS-Al复合纳米纤维膜材料。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

试剂：聚乳酸4032D（PLA）、壳聚糖（CS）、海藻酸钠（Alginate）、三氟乙酸（TFA）、EDC/NHS、牛血清蛋白溶液（BSA）、磷酸盐缓冲溶液（PBS）

主要仪器：全反射红外光谱仪（ATR-FTIR，Nicolet380型号）、扫描电子显微镜（SEM，JSM-6500F型号）、热重分析仪（TGA，STA 409 PC）、静态水接触角测试仪（Sindatek）、紫外可见光分光光度计（UV-Vis，UV-2450）

1.2 表征与测试

红外光谱测试：波长范围为中红外（4000～600 cm-1），以4 cm-1的光谱分辨率对每个光谱累积扫描32次。

扫描电子显微分析：样品表面喷金（25 mA，40s）处理，扫描时加速电压为10 kV，用Image J软件统计纤维直径的大小与分布，n为50。

热重分析：氮气氛围下（气体流量15 mL/min）从室温以10℃/min的升温速率逐渐加热至600℃。

静态水接触角测试：样品剪裁成2 cm×2cm的尺寸大小并将其固定在载玻片上，调节液滴大小稳定5 s后读数。

蛋白质吸附测试：样品剪裁成约10cm2大小，将其浸泡在20mL浓度为1 mg/mL的BSA溶液中一定时间，然后将纤维支架取出并用紫外可见光光谱测量280 nm处BSA溶液中的蛋白质残余浓度。

降解测试：将干燥后的样品称质量W0，然后将样品放入装有20 mL PBS溶液（pH 7.4）的离心管中，置于37℃恒温振荡箱中孵育8周，每周取出一组样品干燥后称其质量（Wt），根据式（1）计算失重率。

1.3 PLA/CS-Algi复合纳米纤维膜的制备

将聚乳酸（PLA）和壳聚糖（CS）按照 8.0/2.0、的比例称取1.4g的PLA颗粒与CS粉末的混合物溶解在10 mL三氟乙酸（TFA）中，搅拌均匀至完全溶解后，开始静电纺丝。纺丝结束后，将样品置于30℃的真空干燥箱中干燥12 h，得到PLA/CS纤维膜。作为对照组，采用同样的方法制备无CS的纯PLA纤维膜。

配置浓度为4mg/mL的海藻酸钠（Sodium Alginate）水溶液，然后将 0.06mol/L NHS和 0.03mol/L EDC加入到海藻酸钠溶液中搅拌2h，最后将PLA/CS纤维浸泡于活化后的海藻酸钠溶液中，进行交联反应12h后，将纤维支架取出并置于40℃真空干燥箱干燥48h，即得到经海藻酸接枝改性的PLA/CS-Al复合纤维膜材料。

2 结果与讨论

2.1 结构与成分分析

图1为纤维膜材料及其各组分的全反射红外光谱图。如图1所示，壳聚糖chitosan红外光谱在1670cm-1及1532cm-1处分别代表酰胺Ⅰ带（—NHCO—）和酰胺Ⅱ带（—NH2）的吸收峰。在纯PLA纤维的红外光谱中，2996cm-1和2949cm-1附近为聚乳酸分子中亚甲基（—CH2）吸收峰，1743cm-1附近为酯羰基（—C＝O—）的吸收峰。在PLA/CS共混纤维的红外光谱中聚乳酸与壳聚糖的特征峰均同时出现。海藻酸Alginate红外光谱中在1596cm-1附近为酯羰基（—C＝O—）的吸收峰。在PLA/CS-Al纤维膜的红外光谱中，PLA/CS纤维中壳聚糖酰胺Ⅱ带（—NH2）的吸收峰消失了，1606cm-1处出现了一个新的吸收峰，为海藻酸钠的羧基（—COOH）与壳聚糖（—NH2）交联反应后产生的酰胺基（—NHCO—）的吸收峰。由此说明PLA/CS-Al复合纤维膜材料制备成功。

图1 纯 PLA、PLA/CS、PLA/CS-Al复合纤维膜及其各组分的全反射红外光谱图

2.2 微观形貌分析

图2、图3分别为纤维膜的扫描电镜图和直径分布统计图。由图2可知，通过静电纺丝成功地制得各纤维膜，纤维的整体形貌平整较好，纤维与纤维之间互相交叉形成立体多孔结构。由图3可知，纯PLA纤维的平均直径为257.7nm，与壳聚糖混纺后的PLA/CS纤维平均直径为91.1nm，这是因为壳聚糖溶于TFA形成溶液时，增加了纺丝液的电荷密度，使得溶液中分子排斥力增大，在静电高压的作用下射流产生劈裂现象而形成更细的纤维，同时也使得纤维的直径分布变大。PLA/CS-Al复合纤维支架的直径为98.7nm，纤维直径比PLA/CS增加7.6nm，纤维的表面变得粗糙，这是由于在水溶液中交联后海藻酸附着纤维表面，同时纤维发生轻微溶胀现象。

图2 纳米纤维膜材料的扫描电镜图片

图3 纳米纤维膜材料的直径分布统计图

2.3 热重分析

图4为纤维膜材料以及各组分的热重曲线。由图4可知，纯PLA纤维在250℃左右就开始分解，到了360℃左右的时候就已经几乎全部分解。相比于纯PLA纤维，PLA/CS和PLA/CS-Al热分解温度均提前，分别为210℃和170℃，这是由于壳聚糖和海藻酸的热稳定性均弱于聚乳酸，复合改性的结果使得复合纤维膜的热稳定性比纯聚乳酸材料差。

图4 纯PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al复合纳米纤维膜的热重曲线

2.4 亲水性分析

图5为纤维膜的静态水接触角数据统计图。由图5可知，纯PLA纤维膜的静态水接触角为122°，说明单一的聚乳酸材料本身为疏水性特性。PLA/CS和 PLA/CS-Al的静态水接触角分别为93°和82°，表明通过混入壳聚糖和表面接枝海藻酸，均能有效改善聚乳酸纤维材料的亲水性能。

图5 纯PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al复合纳米纤维膜的静态水接触角数据统计图

图6为纯PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al复合纤维膜在1h、2h、3h和6h的蛋白质吸附结果统计图。由图6可知，PLA/CS-Al的蛋白质吸附均弱于纯PLA和PLA/CS，这也说明PLA/CS-Al的亲水性最好。值得注意的是，在前2h内，各样品的蛋白质吸附呈下降趋势，从第3h起到第6h，各样品的蛋白质吸附量又开始上升。这可能是因为当大量的蛋白质开始被吸附于纤维膜上时，蛋白质与材料表面的结合不是很紧密，此时解吸附的速率很大；随着时间的推移，蛋白质与材料表面的结合趋于稳定，解吸附的蛋白质又开始缓慢地吸附于支架上，此时吸附速率远大于解吸附的速率。

图6 纯PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al复合纳米纤维膜的蛋白质吸附结果

2.5 降解性能分析

图7为纤维膜样品的体外降解测试后的质量损失变化曲线。如图7所示，所有纤维材料的降解可分为快速降解和慢速降解两个阶段，前4周时间内的降解速率大于后四周的降解速率，其中降解速率PLA/CS-Al＞PLA/CS＞PLA。在降解第8周时，PLA/CS-Al的质量损失达14.35%，均大于PLA/CS和纯PLA的质量损失。这说明壳聚糖的混入纺丝和海藻酸的表面改性可以有效提高聚乳酸纤维膜的降解性能。

图7 纯PLA、PLA/CS和PLA/CS-Al复合纳米纤维膜在PBS溶液中降解的质量损失变化

3 结语

本文采用静电纺丝技术成功制备了以聚乳酸为基体的PLA/CS-Al复合纳米纤维膜材料。通过混合纺丝聚乳酸与壳聚糖的混合物和EDC/NHS对PLA/CS混纺纤维的交联，实现了合成高分子与天然高分子材料的有效结合。

实验结果表明，相比于纯PLA纤维材料，PLA/CS-Al复合纳米纤维膜材料具有更小的纤维直径，尽管壳聚糖和海藻酸的加入会稍微降低纤维膜材料的热稳定性，但静态水接触角测试、蛋白质吸附和降解实验表明PLA/CS-Al复合纤维膜材料的亲水性明显改善（接触角为82°），降解性能亦有效提高（降解8周质量损失达14.35%）。