聚氨酯/膠原蛋白復(fù)合納米纖維支架的性能

賈 琳, 陳莉娜, 張海霞, 覃小紅，2

(1. 河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

聚氨酯/膠原蛋白復(fù)合納米纖維支架的性能

賈 琳1, 陳莉娜1, 張海霞1, 覃小紅1，2

(1. 河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

針對(duì)聚氨酯(PU)力學(xué)性能較好，親水性較差，細(xì)胞在其表面的黏附較少，不適宜單獨(dú)作為血管組織工程支架材料的問(wèn)題，為提高PU納米纖維支架的親水性和生物相容性，通過(guò)靜電紡絲制備不同比例的復(fù)合聚氨酯/膠原蛋白納米纖維支架，利用掃描電鏡、紅外光譜儀等觀察測(cè)試納米纖維支架材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能等；并在納米纖維支架表面培養(yǎng)血管平滑肌細(xì)胞，通過(guò)掃描電鏡觀察細(xì)胞在支架表面的生長(zhǎng)情況。結(jié)果表明：膠原蛋白的加入使纖維直徑從453 nm減小到了154 nm，平均孔徑尺寸從0.64 μm降低到了0.28 μm，而且增加了細(xì)胞在其表面的黏附和增殖；當(dāng)聚氨酯和膠原蛋白的質(zhì)量比為3∶1時(shí)，納米纖維支架的拉伸強(qiáng)度最大，生物相容性最好，表面黏附生長(zhǎng)的細(xì)胞最多。

復(fù)合納米纖維； 靜電紡絲； 血管組織工程； 聚氨酯

靜電紡納米纖維具有納米級(jí)尺寸，大比表面積，與細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的微觀結(jié)構(gòu)更類(lèi)似，被越來(lái)越多的研究者用作組織工程支架材料[1-2]。靜電紡納米纖維支架材料具有較高孔隙率，為細(xì)胞轉(zhuǎn)移和營(yíng)養(yǎng)傳遞提供更好的通道；另外利用靜電紡絲可同時(shí)復(fù)合紡多種聚合物和生物活性材料，通過(guò)改變復(fù)合比例有效地調(diào)節(jié)支架材料的生物活性、生物降解性能和力學(xué)性能[3-4]，這些優(yōu)勢(shì)使靜電紡復(fù)合納米纖維成為非常有潛力的組織工程支架材料。

納米纖維支架材料的化學(xué)組成影響細(xì)胞在其表面的生長(zhǎng)黏附和遷移，聚乳酸、聚己內(nèi)酯等具有良好降解性和生物相容性的納米纖維已被應(yīng)用到各種組織工程中。血管組織工程要求其支架材料具有較高的柔韌性和力學(xué)拉伸性能，聚氨酯(PU)具有良好的生物相容性和非常優(yōu)異的柔韌性[5]，曾被用作骨組織工程材料、人工心瓣的涂層材料和乳房移植物等[6]。本文選擇PU作為血管組織工程的支架材料，但是PU本身缺少一些細(xì)胞活性基團(tuán)，單獨(dú)作為組織工程支架材料時(shí)不利于細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)[7]。而膠原蛋白(Coll)作為血管細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分，是人體最重要的蛋白質(zhì)之一，具有較低的抗原性和較高的細(xì)胞相容性和親水性，能促使組織再生[8]，因此，本文通過(guò)靜電紡絲復(fù)合紡的方法制備PU/Coll納米纖維，既保持PU納米纖維優(yōu)異的力學(xué)拉伸性能，又可提高PU納米纖維的生物相容性，增強(qiáng)細(xì)胞在其表面的黏附和生長(zhǎng)，為PU納米纖維在血管組織工程中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與儀器

親水性聚氨酯(PU，美國(guó)路博潤(rùn)公司)，Ⅰ型膠原蛋白(Coll,美國(guó)Sigma公司)，溶劑六氟異丙醇(HFIP，美國(guó)Sigma公司)。血管平滑肌細(xì)胞(SMCs，美國(guó)ScienceCell公司)。

Qanta 250掃描電子顯微鏡(捷克FEI公司)，CO2恒溫培養(yǎng)箱(日本SANYO公司)；CFP-1100AI滲透孔隙率儀(美國(guó)PMI公司)；VCA Optima水接觸角測(cè)試儀(美國(guó)AST公司)；Nicolet 6700傅里葉紅外光譜分析儀(美國(guó)Thermo公司)；Instron 5345拉伸試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米纖維膜的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的 PU溶液，稱(chēng)取一定量的PU顆粒置于10 mL的溶液配制瓶中，加入按比例量取的HFIP溶劑，室溫條件下放在磁力攪拌器上以500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌24 h，將配好的溶液放置1 h，消泡后待用。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的 PU/Coll溶液，按3∶1、1∶1、1∶3的質(zhì)量比稱(chēng)取一定量的PU和Coll，加入HFIP溶劑，混合攪拌24 h后待用。

將配置好的溶液抽取到3 mL的注射器中并放置在注射泵上控制聚合物溶液的流速，紡絲電壓為15 kV，紡絲液流速為1.0 mL/h，接收距離為15 cm，利用接地的鋁箔接收納米纖維膜(將制得的純PU膜和以m(PU)∶m(Coll)為3∶1、1∶1、1∶3混合溶液制備的PU/Coll纖維膜分別編號(hào)為1#～4#試樣)。將納米纖維噴射到直徑為15 cm的蓋玻片上作為血管組織工程支架材料來(lái)培養(yǎng)細(xì)胞。

1.2.2 納米纖維膜形貌表征

將靜電紡納米纖維膜進(jìn)行噴金處理，利用掃描電鏡(SEM)觀察納米纖維膜的形態(tài)特征。以納米纖維膜的SEM照片為基礎(chǔ)，利用ImageJ軟件隨機(jī)選擇100根納米纖維，測(cè)試?yán)w維的直徑并求取平均值。

1.2.3 納米纖維膜孔隙率測(cè)試

將納米纖維膜從鋁箔表面剝離下來(lái)，在低氣壓條件下,利用毛細(xì)管滲透孔隙率儀測(cè)量PU/Coll納米纖維膜的平均孔隙直徑。在樣品無(wú)損的情況下,毛細(xì)管滲透孔隙率儀可對(duì)納米纖維膜的孔隙分布和孔隙直徑進(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測(cè)試。

1.2.4 納米纖維膜親水性測(cè)試

利用水接觸角測(cè)試儀測(cè)試納米纖維膜的親水性。覆蓋有納米纖維膜的蓋玻片被放置在測(cè)試板的下方，將去離子水滴在納米纖維膜表面，測(cè)試3個(gè)不同的位置并記錄其水接觸角。

1.2.5 納米纖維膜紅外光譜測(cè)試

將納米纖維膜從鋁箔上剝離后直接放在紅外光譜分析儀上分析，紅外光譜的波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

1.2.6 納米纖維膜力學(xué)性能測(cè)試

利用樣品框架將納米纖維膜裁成尺寸為10 mm×20 mm的樣品，使用Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸力為10 N，拉伸速度為10 mm/min，最后根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.2.7 體外生物相容性測(cè)試

將覆蓋有PU和PU/Coll納米纖維膜的蓋玻片放置在24孔板底部，利用紫外線對(duì)樣品照射2 h 進(jìn)行消毒，在樣品中加入細(xì)胞培養(yǎng)液并放在培養(yǎng)箱中12 h以利于細(xì)胞的黏附。在不同納米纖維表面培養(yǎng)平滑肌細(xì)胞(SMCs)，密度為每孔8 000個(gè)細(xì)胞。將細(xì)胞放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境37 ℃，每隔2 d換1次培養(yǎng)液)。8 d后取出，用PBS緩沖溶液(pH值為7.4)清洗殘余的培養(yǎng)液，3%的戊二醛對(duì)細(xì)胞固定3 h，然后利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、70%、90%、100%的乙醇溶液分別對(duì)細(xì)胞脫水，每個(gè)乙醇溶液脫水10 min。將樣品放置在通風(fēng)櫥中，使水分充分蒸發(fā)，噴金后在SEM下觀察細(xì)胞的形態(tài)特征。

2 結(jié)果分析

2.1 納米纖維膜的形貌分析

通過(guò)靜電紡裝置制備純PU和復(fù)合PU/Coll納米纖維，圖1示出納米纖維的SEM照片。

從圖1可觀察到平滑連續(xù)的且均勻分布的納米纖維。由于PU親水性較好，彈性較大，因此純PU納米纖維表面有一定程度的熔融，纖維黏連比較嚴(yán)重。加入膠原蛋白后，納米纖維之間的黏連現(xiàn)象減輕了，而且有效地減小了納米纖維的直徑。表1示出納米纖維的直徑和親水性能。由表可知，純PU納米纖維的直徑為(453±126)nm，而復(fù)合的PU/Coll納米纖維試樣2#、3#、4#的直徑分別為(269±83)、(206±78)和(174±61)nm。電鏡照片和直徑測(cè)量結(jié)果顯示明膠蛋白的加入減小了納米纖維的直徑，增加了納米纖維的均勻度。這可能是由于膠原蛋白的加入增加了復(fù)合溶液的導(dǎo)電性，膠原蛋白是一種兩性電解質(zhì)，在有機(jī)溶液內(nèi)能解離產(chǎn)生正電荷或負(fù)電荷，增加溶液的電導(dǎo)率，所以PU/Coll復(fù)合納米纖維的直徑較小，較均勻[9]。Jia等[10]在聚乳酸(PLLA)溶液中加入了膠原蛋白，分別制備了純的PLLA納米纖維和復(fù)合的PLLA/Coll納米纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著膠原蛋白的加入，納米纖維的直徑從430 nm降低了210 nm，其結(jié)果與本文研究結(jié)果一致。

表1 納米纖維的直徑和親水性能Fig.1 Diameter and hydrophility of nanofibers

2.2 納米纖維膜的孔隙率分析

納米纖維膜的孔隙率和孔隙直徑對(duì)納米纖維應(yīng)用有很大的影響，特別是在組織工程、過(guò)濾材料和藥物釋放等方面。研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維膜材料的平均孔隙尺寸與納米纖維膜的厚度、納米纖維的直徑有關(guān)[11]，本文的純PU納米纖維膜和復(fù)合的PU/Coll納米纖維膜的厚度約為35 μm。利用毛細(xì)管滲透孔隙率儀測(cè)量靜電紡納米纖維膜的平均孔隙直徑，其結(jié)果見(jiàn)表1。試樣1#、2#、3#、4#納米纖維膜的平均孔徑是0.64、0.35、0.31和0.28 μm，復(fù)合的PU/Coll納米纖維膜的平均孔徑小于純PU納米纖維膜的，這主要是由于復(fù)合的PU/Coll納米纖維直徑較小，較均勻。Li等[12]研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維膜的平均孔隙直徑與納米纖維的直徑呈正比例，當(dāng)纖維膜的厚度一定時(shí)，纖維直徑的增加將導(dǎo)致纖維膜平均孔徑直徑增加，本文的結(jié)果與文獻(xiàn)[11-12]研究結(jié)果一致。

2.3 納米纖維膜的親水性能分析

靜電紡納米纖維膜的表面親水性在很大程度上影響細(xì)胞在其表面的黏附和生長(zhǎng)。PU的親水性非常好，PU納米纖維膜的水接觸角為(27.1±1.21)°，但是由于PU納米纖維膜的彈性非常好(斷裂伸長(zhǎng)率為345%)，遇水時(shí)會(huì)收縮起皺，嚴(yán)重影響細(xì)胞在其表面的黏附，所以純PU納米纖維不適合單獨(dú)作為血管組織工程支架材料。在PU溶液中加入不同含量的天然膠原蛋白，紡制成復(fù)合納米纖維試樣2#、3#、4#，其水接觸角分別為(39.2±1.58)°、(45.8±1.43)°、(52.1±0.98)°，如圖2和表1所示。從中可看出，依然具有較高的親水性，且遇水不會(huì)起皺收縮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠原蛋白的加入只是略微減弱了納米纖維的親水性，但可保持PU/Coll納米纖維膜的完整性，對(duì)提高細(xì)胞在納米纖維表面的黏附和生長(zhǎng)具有重要的作用。

2.4 納米纖維膜的紅外光譜分析

2.5 納米纖維膜的力學(xué)性能分析

納米纖維支架材料的力學(xué)性能對(duì)其在組織工程中的應(yīng)用也有很大的影響。圖4示出靜電紡PU和PU/Coll納米纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。熱塑性聚合物具有非常好的拉伸彈性，其斷裂伸長(zhǎng)率為345%。而PU/Coll納米纖維(試樣2#、3#、4#)的伸長(zhǎng)率為147%、102%、73%。雖然膠原蛋白的嵌入降低了PU/Coll復(fù)合納米纖維的拉伸彈性，但復(fù)合PU/Coll納米纖維支架(試樣2#、3#、4#)依然保持著比較大的斷裂伸長(zhǎng)率。另外，PU、PU/Coll納米纖維(試樣2#、3#)的拉伸強(qiáng)度分別為4.83、9.76、5.91 MPa，膠原蛋白的嵌入雖然降低了復(fù)合納米纖維膜的拉伸彈性，但有效地提高了其拉伸強(qiáng)度。當(dāng)膠原蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到75%時(shí)，PU/Coll復(fù)合納米纖維試樣4#的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都大幅降低，這主要是因?yàn)镻U/Coll納米纖維試樣4#直徑較細(xì)，膠原蛋白纖維的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較低。該結(jié)果表明尋找一個(gè)合適的混合比例對(duì)制備混合納米纖維是非常重要的，在PU納米纖維中嵌入適當(dāng)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)的膠原蛋白不但可使支架材料保持較高的拉伸率，還可提高支架材料的拉伸強(qiáng)度。

2.6 體外生物相容性分析

圖5示出平滑肌細(xì)胞(SMCs)在不同納米纖維膜表面的SEM圖片。從圖中可看出，PU納米纖維支架表面只有2個(gè)細(xì)胞，而PU/Coll復(fù)合納米纖維表面被SMCs完全覆蓋，說(shuō)明膠原蛋白促使SMCs的黏附和增殖，而且培養(yǎng)在PU/Coll納米纖維表面的SMCs沿著纖維方向得到了很好的取向延伸生長(zhǎng)(如圖5中白色箭頭所示)。比較復(fù)合PU/Coll納米纖維試樣2#、3#、4#表面的SMCs可發(fā)現(xiàn)，試樣2#PU/Coll表面的細(xì)胞數(shù)目最多，細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)被拉伸的長(zhǎng)梭形，與體內(nèi)血管平滑肌細(xì)胞的形態(tài)更類(lèi)似[15]。結(jié)果表明：膠原蛋白的加入可有效地提高SMCs在復(fù)合的PU/Coll納米支架表面的黏附和增殖；但膠原蛋白的含量并不是越多越好，當(dāng)加入25%的膠原蛋白時(shí)，復(fù)合PU/Coll納米纖維試樣2#具有較好的親水性能，最大的機(jī)械強(qiáng)度和拉伸率，同時(shí)又具有細(xì)胞識(shí)別集團(tuán)氨基官能團(tuán)，所以其生物相容性最好，是最好的血管組織工程支架材料。

3 結(jié) 論

利用靜電紡絲方法成功地制備了純PU和復(fù)合PU/Coll納米纖維支架材料，膠原蛋白的加入有效地降低了復(fù)合納米纖維的直徑，降低了納米纖維膜的孔隙直徑，使孔隙分布更均勻。PU/Coll納米纖維支架依然保持了PU納米纖維極好的親水性能和較高的拉伸彈性，而且還具有較高的拉伸強(qiáng)度。PU/Coll納米纖維支架表面存在細(xì)胞識(shí)別集團(tuán)氨基官能團(tuán)，能有效地增加SMCs在其表面的黏附和增殖。特別是試樣2#PU/Coll納米支架的力學(xué)性能最好，親水性能也相對(duì)最好，其表面黏附的SMCs最多，且呈現(xiàn)被拉伸的長(zhǎng)梭形，與體內(nèi)血管平滑肌細(xì)胞的形態(tài)更類(lèi)似，是目前最好的血管組織工程支架材料。

FZXB

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2016全國(guó)針織技術(shù)交流會(huì)：需求驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新 定制引領(lǐng)時(shí)尚

7月20日，由中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)針織專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心主辦的“2016年全國(guó)針織技術(shù)交流會(huì)”在江蘇省無(wú)錫市召開(kāi)。中國(guó)工程院院士孫晉良、俞建勇，江南大學(xué)副校長(zhǎng)高衛(wèi)東，中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)、科技發(fā)展部主任彭燕麗，中國(guó)紡織機(jī)械協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)王樹(shù)田，中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)李陵申，國(guó)家紡織產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心主任李斌紅等，以及來(lái)自科研院校、地方協(xié)會(huì)、產(chǎn)業(yè)集群地、針織企業(yè)的代表等近500人出席了大會(huì)。

此次會(huì)議以“需求驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新 定制引領(lǐng)時(shí)尚”為主題，從“需求驅(qū)動(dòng)”角度出發(fā)，探討了針織裝備技術(shù)、針織原料開(kāi)發(fā)、針織生產(chǎn)管理、針織染整技術(shù)等在新常態(tài)下的創(chuàng)新思路和創(chuàng)新實(shí)踐，探討了智能制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)背景下，針織企業(yè)從研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到銷(xiāo)售物流的智能化生產(chǎn)和個(gè)性化定制新模式，引領(lǐng)了針織產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展與時(shí)尚發(fā)展。

此外，會(huì)議還進(jìn)行了2016年“宗平生針織基金會(huì)”優(yōu)秀論文頒獎(jiǎng)。本屆會(huì)議共收到135篇會(huì)議論文，文章研究?jī)?nèi)容從廣度和深度上較往年均有所突破。專(zhuān)家評(píng)審并選出2016年宗平生論文獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3名，二等獎(jiǎng)11名，三等獎(jiǎng)23名，鼓勵(lì)獎(jiǎng)46名。

本次會(huì)議的召開(kāi)為國(guó)內(nèi)經(jīng)編、圓緯編和毛衫企業(yè)搭建了一個(gè)廣泛的技術(shù)交流平臺(tái)，通過(guò)廣泛的技術(shù)和信息交流，引發(fā)了對(duì)針織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新思考，為“十三五”針織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新思路。

Performance of composite polyurethane/collagen nanofiber scaffolds

JIA Lin1, CHEN Li′na1, ZHANG Haixia1, QIN Xiaohong1,2

(1.TextileCollege,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Polyurethane has excellent mechanical property, however, pure PU is not suitable as vascular tissue engineering scaffold due to its hydrophobicity and less cells were attached on its surface. In this paper, composite polyurethane/collagen nanofibrous scaffolds were prepared by electrospinning to enhance the hydrophilicity and biocompatibility of PU nanofibrous scaffolds. Firstly, the morphologies and chemical and mechanical characterization were carried out using scanning electron microscopy(SEM) and Fourier transform infrared, respectively. Then smooth muscle cells (SMCs) were cultured on nanofibrous scaffolds and the attachment and proliferation of cells were evaluated using(SMCs)). The results show that the addition of collagen decreased the diameter of nanofibers from 453 nm to 154 nm, decreased the pore diameter from 0.64 μm to 0.28 μm, and enhance the proliferation and attachment of cells. When the mass ratio of polyurethane and collagen is 3∶1, the tensile strength and biocompatibility of composite PU/collagen (3∶1) scaffolds were the best, hence, more SMCs were observed on this scaffold.

composite nanofiber; electrospinning; vascular tissue engineering; polyurethane

10.13475/j.fzxb.20150704706

2015-07-20

2015-11-24

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210301)；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(13IRTSTHN024，15IRTSTHN011)；河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A540001)；河南工程學(xué)院博士基金項(xiàng)目(D2014025)

賈琳(1986—)，女，講師，博士。主要研究方向?yàn)殪o電紡納米纖維的制備及應(yīng)用。E-mail：lynnjia0328@163.com。

TS 102.6

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