可用于人造血管内层基底的电纺细菌纤维素/聚氨酯复合膜的制备与表征

黄诗婷 古津瑜 关钰莹 杨昀斌 刘 玮 辛斌杰

上海工程技术大学 纺织服装学院 (中国)

随着人类文明的发展和食物供应的不断增加,动脉栓塞性疾病也在不断威胁着人类生命。[1]目前,由膨胀氟聚四酯(ePTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的商业人造血管因便于储存和运输而在临床中广泛应用,但ePTFE和PET都具有非常强的化学惰性,以ePTFE和PET为原料制备人造血管的方法忽略了调节决定移植物命运的重要生物学机制,容易导致与血管细胞的相互作用不良,并触发凝血级联。[2]随着材料科学、工程技术和生物技术的蓬勃发展,原位组织工程技术被广泛地应用于开发血管植入物、骨修复支架及再生牙龈组织等领域。[3-4]目前在血管移植物原位组织工程方面,将天然可降解材料与合成惰性聚合物进行结合是非常有前景的一项研究,能得到一个使体内新开发组织可以逐步取代天然可降解材料,并长期有效保持其机械性功能的半降解血管移植物。[5]1

Van Uden等[5]10利用甲酸和二氯甲烷将再生丝素和医用非降解聚氨酯(PU)混合,制备了混合非降解电纺管片,研究结果表明该材料在原位组织工程领域具备新一代血管移植物的发展潜力。Bao等[6]制备了细菌纳米纤维素(BNC)与鱼明胶(Gel)复合管,制备的BNC/Gel管溶血率低,具有良好的力学性能和生物相容性。欧阳晨曦[7]等将聚氨酯静电纺丝膜放入木醋杆菌培养液中静态发酵,制得的细菌纤维素/聚氨酯复合膜具有优异的生物相容性及防渗血性能,但无法完全消除培养过程中产生的细菌内毒素。Urbina等[8]1将细菌纤维素湿膜浸入水性聚氨酯分散液中,制备了水活化的形状记忆细菌纤维素/聚氨酯纳米复合材料,但两者力学性能的顺应性还有待探究。

细菌纤维素的高纯度、高结晶度、优良的生物降解性、较强的亲水性、优异的生物相容性、超细纤维网络结构与可形成多孔结构、高持水性及广泛的化学和物理修饰能力,使其在血管移植物原位组织工程中成为热门的研究材料。[9-13]聚氨酯是一种弹性良好的高分子材料,相较于其他化学纤维,小径微孔的聚氨酯血管具有良好的水渗透性、血液相容性及与天然血管相匹配的顺应性。[14-15]天然血管结构分为内膜、中膜、外膜三层,许多研究表明,双层或三层的人造血管结构具有与天然血管相匹配的顺应性。[16-19]

本研究提出了制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜作为人造血管内层基底的研究方向。研究采用了不同于现有的制备方法,即细菌纤维素磨成超细粉末后,通过机械搅拌,均匀分散入聚氨酯/(四氢呋喃/N,N-二甲基甲酰胺)溶液,溶液用作共混纤维的纺丝液,再利用静电纺丝技术制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜。本研究目的是制备兼具细菌纤维素的生物相容性、可降解性和聚氨酯的弹性、长期稳定性的血管内层基底。通过对所研制复合膜的形貌、物理化学、力学性能及生物相容性等表征参数的测试,对该复合膜作为人造血管内层基底的应用潜力进行了评估。

1 材料、仪器和方法

1.1 材料

细菌纤维素分散液(桂林奇宏科技公司)、聚氨酯颗粒、无水乳酸、去离子水、四氢呋喃(CHO,THF)、N,N-二甲基甲酰胺(C3H7NO,DMF)。

1.2 仪器

烘箱、全方位行星球磨机(QM-QX0.4 L型,长沙米淇仪器设备有限公司)、超声波、磁力加热搅拌器、磁力搅拌器、静电纺丝机(RES-001型,莱州市电子仪器有限公司)、傅里叶变换红外光谱仪(Spectrum Two型,珀金埃尔默仪器上海有限公司)、测厚仪、差式扫描量热仪(DSC 4000,珀金埃尔默仪器上海有限公司)、OCA25型接触角测量仪、捷克TESCAN MIRA LMS型扫描电子显微镜、KP-4K-3DWA27型2 D/3D电子显微镜(科普艾斯科技有限公司提供)、拉伸断裂强力仪。

1.3 制备细菌纤维素粉

细菌纤维素分散液装入玻璃皿中,置于恒温真空干燥箱中,60 ℃下干燥,每隔4 h称取质量,样品质量恒定后即为试验用细菌纤维素膜。将细菌纤维素膜放入10%(质量分数)的乳酸溶液中,85～90 ℃水浴2 h,取出浸泡后的细菌纤维素膜,置于恒温真空干燥箱中,60 ℃干燥至恒定质量,取出后用研钵研磨数分钟,再放入行星球磨机中研磨90 min,得到细菌纤维素极细粉末。[20]

1.4 混合细菌纤维素和聚氨酯

将聚氨酯颗粒溶于DMF/THF共混溶液[DMF与THF的体积比[ψ(DMF):ψ(THF)=1∶1]中,磁力搅拌12 h后加入制备的细菌纤维素粉末,磁力搅拌12 h后再放入超声波清洗器中,震荡2 h后再磁力搅拌12 h,制得混合均匀的细菌纤维素和聚氨酯混合静电纺丝溶液。

1.5 静电纺丝制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜

选用不同比例的共混溶液,通过静电纺丝制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜,测试其物理化学性能,评估可调的细菌纤维素、聚氨酯的质量分数[ω(BC)、ω(PU)]及其范围,以探讨制备复合膜作为人造血管内层基底的可行性。经静电纺丝预试验测试发现,THF/DMF溶液体系中,溶质质量分数(ω溶质)为29%时静电纺丝制备的纤维均匀且体系稳定。故本研究选用ω溶质=29%,ω(BC)、ω(PU)不同的4种复合膜样品[3%ω(BC)+26%ω(PU)]、[7%ω(BC)+22%ω(PU)]、[11%ω(BC)+18%ω(PU)]和29%ω(PU)进行静电纺丝,采用RES-001型静电纺丝机,纺丝在标准温湿度环境下进行,具体静电纺丝参数如表1所示。

表1 静电纺丝参数

2 测试方法

2.1 物理化学分析

选取7%ω(BC)+22%ω(PU) 、29%ω(PU)及研磨后经充分干燥的细菌纤维素粉(PBC)为样品,采用傅里叶变换红外光谱测试方法和差示扫描量热法进行物理化学分析。

采用Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪透射模式进行测试,波数为0～4 500 cm-1,获得波长为0～4 000 cm-1的光谱。

采用DSC 4000差示扫描量热仪,利用加热坡道过程中热流的二阶导数确定玻璃化转变温度(Tg)、结晶温度(Tc)和降解温度(Td)。

2.2 结构和形貌

选取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和 11%ω(BC)+18%ω(PU)为样品,采用扫描电镜(SEM)方法分析纤维形貌。在样品的表面喷金,采用捷克TESCAN MIRA LMS型扫描电镜,获得样品的微观结构图。

2.3 力学性能

选取29%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)为样品,将样品剪裁为10 mm x 20 mm的长方形进行单轴拉伸试验。使用拉伸断裂强力仪,采用平面夹头,拉伸速度为20 mm/min,试验在室温下进行。通过计算可求得复合膜的弹性模量、抗张强度及断裂伸长率等力学参数。

2.4 水接触角

选取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)为样品,将样品裁剪为3 cm x 3 cm的正方形,于恒温真空干燥箱中60 ℃下干燥24 h后,在25 ℃、相对湿度50%的条件下,展平后置于接触角测定仪的载物台上。采用OCA25型自动接触角仪进行测试,每个样品取5个不同部位进行测量,取平均值。

2.5 复合膜面表面形貌

选取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)为样品,采用KP-4K-3DWA27型2D/3D电子显微镜测试复合膜膜面的表面形貌,样品放置在测试仪器的显微镜下,选取不同的方向对复合膜表面进行观察。

2.6 统计分析

采用Origin 2018 软件对得到的数据进行绘图、分析。使用适当的数学公式,对数据进行统计分析。

3 结果及讨论

3.1 结构和形貌

3.1.1 复合膜膜面形貌

使用三维显微镜,在相同的光线条件下,选取视野较清晰的视角观察各样本膜面。由图1可见,纯聚氨酯样品[29%ω(PU)]膜面光滑匀整[图1a)],添加了细菌纤维素的样品[图1b)～图1 d)]的复合膜表面明显可见有粉末分布,且分布较均匀,ω(BC)越大,膜面颗粒感越强,但肉眼观察下膜面仍然十分平整。由此可推测,细菌纤维素粉末与聚氨酯纺丝液混合有效且混合较为充分。

图1 复合膜膜面三维显微镜图

3.1.2 纤维表面微观形貌

复合膜膜面的SEM图像(图2)显示,所有样品29%ω(PU)[图2a)和图2e)]、3%ω(BC)+26%ω(PU)[图2b)和图2f)]、7%ω(BC)+22%ω(PU)[图2c)和图2g)]、11%ω(BC)+18%ω(PU)[图2d)和图2h)]中均存在纤维形态。可以发现,随着ω(BC)的增大,纤维直径有减小的趋势,纤维逐渐变细。样品29%ω(PU)的纤维均匀,形态良好,交错连接良好;添加细菌纤维素后,样品3%ω(BC)+26%ω(PU)和7%ω(BC)+22%ω(PU)纤维也较为均匀、良好,无明显串珠,而样品11%ω(BC)+18%ω(PU)中存在串珠,纤维不均匀、黏结,这可能是由于ω(BC)增大,ω(PU)减小,导致纺丝过程中射流不稳定,[21]但是这还需进一步试验与验证。因此,目前只能大概推断采用静电纺丝方法制备形态较好,且具有良好纤维网状结构的细菌纤维素/聚氨酯复合膜时ω(BC)和ω(PU)的范围。

3.2 物理化学性能

3.2.1 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

聚氨酯全称聚氨基甲酸酯,是一种高分子材料。其化学结构式如图3所示:

图3 聚氨酯化学结构式

细菌纤维素是一种主要由细菌产生的、具有生物可降解性的天然纳米结构高分子材料,细菌纤维素的分子结构[22]如图4所示。

图4 细菌纤维素分子结构

红外光谱文献中,聚氨酯红外吸收峰的指认已经得到较为一致的相关数据。包括:3 280 cm-1附近对应的氢键化N-H伸缩振动;1 730 cm-1和1 700 cm-1附近对应的游离氨酯羰基和氢键化氨酯羰基;1 414 cm-1和1 516 cm-1附近对应的苯环内C-C伸缩振动;1 535 cm-1附近对应的氨基甲酸酯N-H弯曲振动和C-N伸缩振动;1 222 cm-1附近对应的C-N伸缩振动;1 110 cm-1附近对应的醚键吸收。[23]关于细菌纤维素红外吸收峰的指认,也可从一些官方权威文献中查到,在3 440 cm-1的强带反映了氧合氢键(O-H)的拉伸振动,在1 250～850 cm-1强带反映了CO-C的拉伸振动峰。[24]

如图5所示,纯聚氨酯聚合膜[29%ω(PU)]及纯PBC的红外光谱的吸收特征峰与上述指认的十分吻合,细菌纤维素/聚氨酯复合膜的红外吸收特征峰与纯聚氨酯聚合膜[29%ω(PU)]、纯PBC的吸收特征峰也十分接近。图5中橙色划线是样品PBC的吸收特征峰标线,黑色划线为样品29%ω(PU)的吸收特征峰标线。分析图5中的划线可知,样品7%ω(BC)+22%ω(PU)的红外光谱图中分别出现了29%ω(PU)和PBC的特征吸收峰,且没有新的特征峰出现,说明复合膜中的聚氨酯和细菌纤维素之间应该没有化学键的键合,细菌纤维素与聚氨酯之间的作用形式主要以范德瓦尔斯力与氢键相互作用为主。[25]

图5 样品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的FTIR谱

3.2.2 复合膜的热性能

通过差示扫描量热法对样品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU) 进行测试,图6为样品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的DSC热流图,表2为样品的Tg、Tc和Td。样品29%ω(PU)和样品7%ω(BC)+22%ω(PU)的Tg在190 ℃左右,样品29%ω(PU)在300 ～350 ℃间发生吸热反应,样品7%ω(BC)+22%ω(PU)则是在300～370 ℃发生吸热反应,且在发生吸热反应的过程中,在325 ～350 ℃间存在热流差减少的现象。有关细菌纤维素物理化学性能分析的文献指出,细菌纤维素在300～500 ℃放热反应下经历了一个主要的降解步骤,这是典型的纤维素分解现象。[10]4本研究测试结果显示,在300～400 ℃间存在放热反应的热流差趋势,由此推断:样品7%ω(BC)+22%ω(PU)在吸热反应过程中热流出现拐折是由细菌纤维素的存在而引起的。

表2 样品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的Tg、Tc和Td

3.3 力学性能

测得样品29%ω(PU)膜厚度为0.03 mm,样品7%BC+22%PU膜厚度为0.026 mm。图7是样品29%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)的应力-应变曲线图,经计算,样品29%ω(PU)的初始模量为0.704 85 MPa,样品7%ω(BC)+22%ω(PU)的初始模量为0.813 28 MPa。由图7可见,样品29%ω(PU)的拉伸曲线大致可以分为弹性阶段、屈服阶段和强化阶段,样品7%ω(BC)+22%ω(PU)的拉伸性能曲线与29%ω(PU)的相似,但其断裂应力明显比样品29%ω(PU)的大,初始模量也高于样品29%ω(PU)的,表明加入细菌纤维素后样品强度增大。

图7 样品29%ω(PU)、7%ω(BC)+ 22%ω(PU)的应力-应变曲线图

3.4 水接触角

接触角是评价材料表面亲疏水性能的重要参数。由于血液是个含水体系,复合膜作为人造血管的内层材料,其亲水性对其生物相容性十分重要[19]。研究中复合膜的亲水性通过水接触角试验获得,水接触角越小,复合膜表面亲水性就越好。图8为样品29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)水接触角测试结果的平均值。可以看出纯聚氨酯制得的样品29%ω(PU)的水接触角>110°,为疏水材料,加入3%ω(BC)后,水接触角明显变小,且<80°,随着样品中ω(BC)的增加,水接触角越来越小,亲水性增强,说明细菌纤维素的加入使复合膜的亲水性得到明显的改善。

图8 样品29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)的水接触角

4 结论与展望

研究结果表明:利用机械作用将细菌纤维素粉与聚氨酯充分混合,通过静电纺丝的方法能够成功制备29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)复合膜;通过表征材料的物理化学性能可知,在适当的质量分数范围内,复合膜细菌纤维素粉均匀地附着在膜面上,且不影响膜面的平整度,纤维网状结构良好,细菌纤维素与聚氨酯能够良好地结合;FTIR谱图表明复合膜具有细菌纤维素与聚氨酯的化学官能团且互不影响;纯聚氨酯制备的聚合膜亲水角>110°,为疏水材料,细菌纤维素具有大量的氢键,因此添加细菌纤维素后,细菌纤维素/聚氨酯复合膜亲水性显著提高,增加了抗血栓性相关的血液相容性;复合膜拉伸应力达到(1.407±0.120) MPa,超过了许多天然血管所能承受的最大压力;通过对不同细菌纤维素/聚氨酯复合膜中不同ω(BC)和ω(PU)的比较,发现较适宜的质量分数[ω溶质=ω(BC)+ω(PU)=29%]为ω(BC)=5%～9%、ω(PU)=20%～24%,在该范围内,复合膜具有良好的亲水性、纤维结构及拉伸应力,且膜面平整,基本满足人造血管内层结构的要求,具有作为人造血管内层基底的应用潜力,在人造血管原位组织工程领域具有潜在的应用价值。

本研究采用的制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜的新方法,得到的复合膜的物理化学性能也较为理想,对于未来制备细菌纤维素/聚氨酯复合膜或双层、多层人造血管内层基底的研究,具有一定的参考价值,但在细菌纤维素粉的加入对静电纺丝过程中射流稳定性、纤维间力学性能的影响,以及样品在体外或体内细胞培养的效果方面还有待进一步研究。