胶原蛋白肽/聚乙二醇共混静电纺纳米纤维膜的制备及其性能

刘星辰, 钱永芳, 吕丽华, 王 迎

(大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034)

纳米纤维具有比表面积大的特点,具有小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等,具备良好的理化性能,在食品、医药、电子、能源、航空等领域应用广泛[1]。现已有多种制备纳米纤维的方法,如静电纺丝法、复合纺丝法、喷丝板法、生物培养法等,其中静电纺丝法是实现连续高效生产纳米纤维的重要技术之一。William Gilbert在1600年观测到液体的静电引力现象,Geoffrey Taylor于1964—1969年,对电场作用下的液滴形态进行数学建模,开创了静电纺丝的理论基础[2]。在静电场的作用下,喷丝口的聚合物液滴受到电场力和表面张力2股方向相反的力,形态从半球形变成圆锥形,当电场力克服表面张力时被抽长拉细形成纤维,经溶剂挥发和聚合物冷却凝固后,纳米纤维沉积在接地收集器上[3-4],最终得到的纤维直径从几微米到几十纳米不等。

为不断推进和实现绿色可持续的发展理念,静电纺丝技术为天然高聚物的加工生产提供了一种思路,目前已在医疗、食品、化妆品等[5]诸多领域得到应用。胶原蛋白广泛存在于动物的结缔组织、皮肤、肌腱、软骨、韧带、毛发中,由3个α螺旋链构成稳定的三螺旋结构,是细胞外基质的重要组成部分,在动物体内起力学支撑作用,但不能被人体直接吸收[6-7]。在静电纺胶原纤维时,通常选用高极性溶剂,如六氟异丙醇(HFIP)、六氟丙烯(HFP)等,这些溶剂会破坏胶原的三螺旋结构[8]。将胶原蛋白加热得到明胶,再经酶解得到胶原蛋白肽(COP),其具有良好的溶解性,且易于吸收,具有低免疫原性[9]。卢伟鹏等[10]将COP与壳寡糖共混制备纳米纤维膜,二者通过氢键形成天然的半互穿聚合物网络结构,弥补了COP不抗菌的缺点。Han等[11]将从果胶海星提取的COP制备弹性纳米脂质体,可降低紫外线诱导的光老化,在环保抗衰老化妆品领域应用前景广阔。Lu等[12]将罗非鱼胶原肽封装在海藻酸盐-壳聚糖水凝胶体系中,在胃酸作用下水凝胶黏附在胃黏膜表面形成保护屏障,释放COP减轻抗氧化和炎症反应,提高了生物利用度。

天然高聚物独特的生物结构使其具有良好的生物相容性,但其大都是聚电解质,静电纺丝过程中具有一定困难,通常需要与合成聚合物共混进行纺丝[13]。聚乙二醇(PEG)是一种聚醚化合物,其分子链两端的羟基有较好的反应性,在水和有机溶剂中有极好的溶解性,具有良好的化学稳定性和生物相容性,广泛应用于生物和医学领域,如表面修饰、生物共轭、药物传递和组织工程等[14-15]。目前,PEG常与壳聚糖[16]、聚乙烯醇、氧化石墨烯[17]、葡聚糖[18]、聚乳酸(PLA)[19]等制备复合材料。本文将COP与PEG共混后进行静电纺丝,以期改善COP的可纺性,借助热场发射扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪以及X射线衍射仪,对COP/PEG纳米纤维膜的结构和性能进行表征与分析。

1 实验部分

1.1 实验材料

I型胶原蛋白肽(COP,分子质量为2 000～5 000 u, 宝鸡森瑞生物化工有限公司);聚乙二醇(PEG, 分子质量为900 ku,分析纯,北京百灵威科技有限公司;甲酸(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);去离子水(实验室自制)。

1.2 实验方法

1.2.1 纺丝液配制

使用质量分数为60%的甲酸作为溶剂,配制质量分数为1%的PEG溶液,常温下磁力搅拌24 h;再加入不同质量分数(12%、16%、20%、24%)的COP,于常温下磁力搅拌均匀得到COP/PEG纺丝液。

1.2.2 静电纺丝

在室温下利用实验室自组装的静电纺丝机进行纺丝。将纺丝液吸入一次性注射器中,连接在78-9100C型推进器(美国科尔帕默仪器有限公司)上,推进速度为0.75 mL/h,通过JDF-1型高压静电发生器(中国北京EST仪器有限公司)施加20 kV电压进行静电纺丝,接收距离为15 cm,纺丝使用铝箔覆盖的接地板收集器接收,得到胶原蛋白肽/聚乙二醇共混纳米纤维膜。

1.3 测试与表征

1.3.1 纺丝液溶液性质测试

使用K100型全自动表面张力仪(德国KRUSS公司)和DDS-307型电导率仪(上海雷磁有限公司),分别测试室温下添加不同质量分数COP的纺丝液的表面张力和电导率。每个样品检测5次,取平均值。

1.3.2 纳米纤维的形态结构表征

利用JSM-7800F型热场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社)在高真空条件下观察纤维膜的形貌特征,并通过ImageJ软件随机选取60根纤维,测量并计算纤维的平均直径及其分布情况。

1.3.3 化学结构表征

通过Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪(美国铂金埃尔默仪器有限公司)对COP、PEG及其不同COP质量分数纳米纤维膜的化学结构进行测试,扫描范围为4 000～500 cm-1,扫描次数为64,光谱分辨率为4 cm-1。

1.3.4 热性能测试

采用Q2000型差示扫描量热仪(美国TA公司)分别测定COP粉末、PEG粉末、COP/PEG纳米纤维膜的吸热峰。在氮气环境下,将样品放入坩埚中,以空坩埚作为对照样,实验温度设置为25～250 ℃,升温速率为10 ℃/min。

1.3.5 晶体结构测试

采用Discover D8型X射线衍射仪(德国布鲁克公司)对COP、PEG和COP/PEG纳米纤维膜进行测试分析,研究静电纺丝过程对聚合物结晶度的影响。以Cu为辐射源,采用步进阶梯式扫描,扫描2θ范围为10°～50°,步长为0.005(°)/s,步长时间为60 s。

2 结果与讨论

2.1 纺丝液的溶液性质分析

表1示出不同质量分数COP/PEG纺丝液的性质测试结果。纺丝液的表面张力与静电力是一组相抗衡的力[20]。较低的表面张力能使液滴在静电力作用下充分抽长牵伸,形成具有良好形貌的纤维,不易产生串珠和液滴。由表1可知,由于COP具有非常优异的溶解性,COP/PEG纺丝液的表面张力波动范围较小,其随着COP质量分数增加而提高。电导率可反映溶液的带电能力,电导率越高,液滴更易在电场力作用下被牵伸。从结果可以看出,纺丝液电导率随COP质量分数增加而上升,这在纺丝过程中有利于纤维的牵伸,可实现改善COP可纺性的目的。

表1 不同COP质量分数纺丝液的溶液性质Tab. 1 Solution properties of spinning solution with different mass fraction of COP

2.2 纳米纤维的形态特征分析

COP作为胶原的水解产物,具有与胶原十分相似的氨基酸组成和含量,由于大分子解体和分子质量的降低使其具有非常优异的溶解性,因此,COP溶液具有较低的黏度,分子间缠结作用较弱。基于此,将COP与PEG共混进行静电纺丝,PEG作为一种高分子聚合物,具有良好的水溶性和黏结性,加入PEG可改善COP的可纺性。

图1示出纯COP纳米纤维膜的扫描电镜照片。可以清晰地看到纤维上出现大量纺锤体,难以成丝,可纺性很差。

图1 纯COP纳米纤维膜扫描电镜照片(×5 000)Fig. 1 SEM image of pure COP nanofiber membrane(×5 000)

图2示出不同COP质量分数的COP/PEG纳米纤维膜的扫描电镜照片及纤维直径分布图。

图2 不同COP质量分数COP/PEG纳米纤维膜扫描电镜照片及直径分布图Fig. 2 SEM image and diameter distribution diagram of fiber membrane with different COP mass fraction

当COP质量分数为12%时,纤维上出现大量串珠。在质量分数达到16%以上时,可以得到直径大于 200 nm 的均匀纤维,平均直径随着COP质量分数增加而增加。其中当COP质量分数为20%时,纤维直径分布情况高度集中在280～300 nm之间,平均直径为308 nm。同时在纺丝过程中证实,当COP质量分数高于24%时,纺丝难以顺利进行。综上分析,当COP质量分数为20%时可得到成形良好、均匀度最高的纳米纤维。

2.3 纳米纤维的化学结构分析

COP、PEG和不同COP质量分数的COP/PEG纳米纤维膜的红外光谱测试结果如图3 (a)所示。

在图3(a)中,COP曲线上胶原酰胺结构A、B带的吸收峰分别位于3 303和 2 939 cm-1处[21]。在1 652、1 532和1 243 cm-1处分别为胶原酰胺结构的酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ带吸收峰[22]。可知,PEG曲线上在 3 420 cm-1处出现了O—H伸缩振动吸收峰,2 891 cm-1处属于C—H的振动带,而PEG主链构象所产生的吸收峰出现在1 467～843 cm-1范围内[23]。在COP/PEG纳米纤维膜曲线中,与氢键相关的N—H和O—H基团的吸收峰移至3 400 cm-1处左右的较低位置,这说明COP的N—H和O—H基团与PEG的O—H基团之间存在氢键作用。

为研究纳米纤维形成过程中氢键的变化,利用Origin将3 600～3 000 cm-1范围内的光谱曲线对不同类型氢键的位置、强度进行高斯拟合分析,结果如图3(b)～(d)和表2所示。可以看出,分子内氢键作用主要通过羟基(OH…OH)的相互作用表现,还有部分以环状聚合物的形式存在,分子间氢键有OH…O(醚)、 OH…N、 OH…π几种不同类型,以OH…O(醚)为主[24]。拟合结果数据表明,经静电纺丝后,COP与PEG分子内氢键的相对强度降低,分子间氢键的相对强度增加,说明这2种复合物间的氢键作用是通过破坏分子内氢键形成分子间氢键,使静电纺纳米纤维的分子间作用力结合更稳定。

图3 红外光谱和不同氢键类型拟合曲线图Fig. 3 Infrared spectra and fitting curves of different hydrogen bond types.(a)Infrared spectra;(b)COP fitting curves;(c)PEG fitting curves;(d)COP/PEG fitting curves

表2 COP、PEG及纳米纤维膜不同类型氢键高斯拟合结果Tab. 2 Fitting results of different types of hydrogen bonds of COP, PEG and nanofiber membrane

2.4 纳米纤维膜的热性能分析

对COP粉末、PEG粉末和COP/PEG纳米纤维膜进行差示扫描量热分析,结果如图4所示。由图可以看出,COP和PEG分别在100和72 ℃出现 1个明显的吸热峰,而静电纺COP/PEG纳米纤维膜出现了2个吸热峰: 54 ℃出现的吸热峰是由于PEG的存在引起的,熔融焓为55.81 J/g;COP位于100 ℃的典型吸收峰在经过静电纺丝后移至 88 ℃, 降低了12 ℃,这是因为静电纺丝加工方式会使聚合物分子链段流动性增强,使COP的变性温度降低[25]。

图4 COP、PEG及纳米纤维膜的DSC曲线Fig. 4 DSC curves of COP, PEG and nanofiber membrane

2.5 纳米纤维的晶体结构分析

通过对COP、PEG及COP/PEG纳米纤维膜进行X射线衍射测试,研究静电纺丝对COP和PEG结晶行为产生的影响,结果如表3和图5所示。

图5 COP、PEG及COP/PEG纳米纤维膜的X射线衍射图Fig. 5 XRD images of COP and PEG(a)and COP/PEG nanofiber membrane(b)

表3 COP、PEG及不同COP质量分数纤维膜结晶度Tab. 3 Crystallinity of COP, PEG and different mass fraction of COP membranes

从XRD数据可以看到,COP在2θ为21.6°处有1个宽峰,PEG在2θ为19.2°、23.4°处分别有 1个晶体衍射峰,且2θ在26°～28°范围内表现出较小的峰值。在纳米纤维膜的XRD谱图中,分别出现了代表COP的宽峰和PEG的晶体衍射峰,且强度随着COP质量分数的增加而增强,说明经静电纺丝后的纤维膜结晶度也得到了提高。

3 结 论

本文将胶原蛋白肽(COP)与聚乙二醇(PEG)共混,以60%甲酸为溶剂进行静电纺丝得到光滑无串珠的COP/PEG纳米纤维膜。研究发现,纯COP纳米纤维呈未牵伸的纺锤体状,在与PEG共混后得到的纳米纤维均匀度明显改善,COP质量分数为20%时的纤维平均直径为308 nm。对COP/PEG纳米纤维膜红外光谱测试结果进行氢键分峰拟合发现,静电纺丝后,2种聚合物通过破坏分子内氢键形成分子间氢键以实现稳定结合,相对结晶度最高可达到62.53%,COP难以成丝的问题可通过与PEG共混经静电纺丝加工的方式得到改善,可纺性显著提升。