水滴模板法制备聚己内酯蜂窝状多孔膜

刘瑞来，徐婕，赵瑨云，穆寄林，胡家朋，付兴平

（福建省生态产业绿色技术重点实验室，武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

聚己内酯（PCL）是一种人工合成的半结晶性聚酯高分子材料，具有良好的力学性能、生物相容性、可降解性和药物通透性而被广泛应用于组织工程支架材料[1-2]。然而PCL 为线性脂肪链结构，亲水性差，细胞培养液很难充分浸润支架的孔壁表面，影响细胞在支架表面的黏附和增殖，限制其在组织工程中的应用，因此对其表面物理形貌的改进是非常有必要的[3]。目前人们采用光刻技术[4]、软刻技术[5]、自组装方法[6]、相分离法[7]和水滴模板法[8]在材料表面构建沟、槽或蜂窝孔等不同图案化结构来改变材料的拓扑结构和粗糙度。这些形貌构筑细胞生长的微环境，促进细胞的黏附与增殖，对细胞的生长起到“引导作用”[9]。

除水滴模板外，以上方法存在制备过程复杂、成本高和孔径调控困难等缺点，使有序微孔薄膜的应用受到限制。1994 年，Francois[10]第一次在高湿度条件下制备聚苯乙烯蜂窝状多孔膜，该方法称为水滴模板法或水蒸气辅助法。Srinivasarao[11]和Schatz 等[12]对蜂窝孔的形成机理做详细的研究，使水滴模板法得到快速发展。蜂窝状多孔膜的形成主要是通过高挥发性溶剂的挥发，使水蒸气在聚合物表面冷凝并聚集，在毛细管流和回流的共同作用下，水滴在聚合物表面有序紧密堆积，当溶剂和水都挥发后，即得到有序规整的蜂窝状多孔膜。目前已通过水滴模板法制备聚乳酸及其共聚物[13]、醋酸纤维素[14]、聚酰亚胺[15]、聚硅氧烷[16]和聚醚砜[17]等聚合物。然而到目前为止，利用水滴模板法制备聚己内酯蜂窝状多孔膜却无相关文献报告。

基于以上原因，以二氯甲烷和四氢呋喃为溶剂，不添加任何添加剂条件下，通过水滴模板法制备PCL蜂窝状多孔膜，研究溶剂、环境湿度、浓度和成膜温度等条件对蜂窝孔形成的影响，通过对这些试验参数的控制，最终达到控制多孔膜表面形貌及孔大小的目的，以期使PCL 蜂窝状多孔膜成为理想的组织工程支架材料。

1 试验准备

1.1 材料

聚己内酯（PCL），重均分子质量3 万，购于深圳光华伟业有限公司；四氢呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM），分析纯，购于国药化学试剂有限公司；其余试剂为市售分析纯。

1.2 聚己内酯蜂窝状多孔膜的制备

将PCL 分别溶于DCM 和THF 溶剂中，配制成质量分数为2%、4%和6%的铸膜液，常温下磁力搅拌溶解，用微量注射器吸取80 μL，在一定温度和湿度条件下，将铸膜液注射到玻璃基板上浇筑成膜。其中湿度由密闭条件下饱和盐溶液控制，碳酸钾、溴化钠、氯化钠、氯化钾和硝酸钾饱和溶液分别对应的环境相对湿度分别为43%、56%、75%、83%和91%。密闭容器放在恒温水浴中，控制环境的温度分别为10、20、30、40 和50 ℃。待溶剂挥发后，30 ℃真空干燥得到PCL 蜂窝状多孔膜。

1.3 表征

利用日本JEOL 公司JSM-7500F 型扫描电子显微镜观察蜂窝孔形貌，喷金处理，喷金电流30 mA，时间90 s，采用仪器自带软件Smileview 2.0 测量蜂窝孔孔径大小，取20 个数值，求平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 DCM 为溶剂对蜂窝孔形貌影响

以DCM 为溶剂，湿度和聚合物质量分数对PCL蜂窝孔形貌的影响。聚合物质量分数为2%时，环境湿度为43%，得到表面少量稀松孔结构。随着环境湿度增加至56%，表面的孔密度有所增加，且孔直径从（3.04±1.23）μm 增加至（4.01±1.28）μm，随着环境湿度进一步增加至75%～91%，蜂窝孔的直径增加至（7.51±1.89）μm，且蜂窝孔变得更加规整。质量分数为4%，湿度对形貌变化规律与质量分数为2%一致。然而质量分数为6%，除了湿度为90%得到大小不规整的蜂窝孔外，其余湿度均无法得到蜂窝孔结构。主要因为聚合物浓度大，DCM 挥发速率大大降低，无法在聚合物表面形成足够的温度差，环境中无足够的水蒸气在其表面冷凝，因此湿度为43%～83%无法得到规整的蜂窝孔，而湿度为91%得到大小不规整的蜂窝孔结构，如图1 所示。

图1 PCL 蜂窝状多孔膜的扫描电镜图Fig.1 SEM images of PCL honeycomb porous membranes

以DCM 为溶剂，孔径与环境湿度的关系图。从图中可知，质量分数为2%和4%，随着环境湿度的增加，蜂窝孔的孔径均增加。Zhao 等[18]人认为孔径大小与环境湿度存在如下关系：

式中：Ri为水滴半径，Vw为水的摩尔体积，Hr为环境相对湿度，从上式可知水滴半径与环境湿度成正比例关系。通过图2A 可计算2%和4%拟合直线的斜率分别为0.202 和0.211，即环境湿度每增加1%，孔直径分别增加0.202 和0.211 μm，孔径的增长率分别为0.202%和0.211 %，说明溶剂对孔径增长率并无太大影响，详见图2。

图2 PCL 蜂窝状多孔膜相对湿度与孔径关系图Fig.2 The relationship of relative humidity and pore size of PCL honeycomb porous membranes

2.2 THF 为溶剂对蜂窝孔形貌影响

以THF 为溶剂，环境湿度和聚合物质量分数对蜂窝孔形貌的影响，质量分数为2%，五种湿度均得到蜂窝孔形貌，且随着环境湿度的增大孔径增加。孔径与环境湿度的关系如图2B 所示，环境湿度从43%增加到91%，孔径从（7.21±2.54）μm 增加到（16.83±3.45）μm，拟合直线的斜率为0.203，即孔径增长率为0.203%。然而质量分数为4%，湿度为43%，无法得到蜂窝孔，质量分数增加至56%，得到稀疏孔，随着环境湿度的进一步增大，孔密度和孔径均增加。通过拟合直线得到斜率为0.212，即孔径增长率为0.221 %。从图2B 可知，聚合物质量分数对孔径大小有影响，而对孔径增长率并无太大影响。浓度为6%，只有环境湿度为83%和91%得到少量稀疏孔结构，而其余浓度均无法得到孔结构，详见图3。

图3 PCL 蜂窝状多孔膜的扫描电镜图（THF 为溶剂），温度20 ℃Fig.3 SEM images of PCL honeycomb porous membranes(THF as solvent)

2.3 环境温度对蜂窝孔形貌影响

以DCM 为溶剂，聚合物质量分数为4%条件下，环境温度对蜂窝孔形貌的影响。环境温度10～50 ℃范围内，均得到蜂窝孔结构。温度为10 ℃，得到直径为（13.15±3.29）μm 不规整蜂窝孔，然而温度为20 和30℃，得到孔径分别为（6.78±1.74）和（6.30±1.64）μm 规整蜂窝孔结构。温度进一步增加至40 和50 ℃，蜂窝孔直径分别增加至（12.19±3.33）和（20.14±5.70）μm，且蜂窝孔变的不规整，详见图4。

图4 温度对PCL 蜂窝状多孔膜形貌影响Fig.4 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

以THF 为溶剂，聚合物质量分数为4%条件下，环境温度对蜂窝孔形貌的影响。环境温度从10～50 ℃范围内，均得到较规整的蜂窝孔结构。温度为10 ℃，得到直径为（6.14±1.96）μm 不规整蜂窝孔，然而温度增加到20 ℃，得到孔径为（12.33±2.74）μm 规整蜂窝孔结构。温度进一步增加至30 ℃，蜂窝孔直径增加至（13.14±3.01）μm。随着质量分数进一步增加至40～50 ℃，蜂窝孔形貌和孔径并无明显变化，详见图5。

图5 温度对PCL 蜂窝状多孔膜形貌影响，其余条件：DCM 为溶剂、环境湿度83%、聚合物浓度4%Fig.5 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

3 试验结论

聚己内酯（PCL）具有良好的力学性能、生物相容性、可降解性和药物通透性而被广泛应用于组织工程支架材料。分别以二氯甲烷和四氢呋喃为溶剂，通过水滴模板法制备得到PCL 蜂窝状多孔膜。以二氯甲烷为溶剂，2%和4%浓度可得到规整蜂窝孔，而6%浓度无法得到规整蜂窝孔。而以四氢呋喃为溶剂，2%浓度得到规整蜂窝状，而4%和6%无法得到规整的蜂窝状。以二氯甲烷和四氢呋喃为溶剂，蜂窝孔孔径与湿度存在一阶线性关系。蜂窝状形貌构筑了细胞生长的微环境，促进了细胞的黏附与增殖，对细胞的生长起到了“引导作用”。PCL 蜂窝状多孔膜有望成为理想的组织工程支架材料。