同軸靜電紡絲法制備PVA-膠原微納米纖維

張曉莉， 湯克勇， 鄭學(xué)晶

(1. 鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 中原工學(xué)院 河南省功能性紡織面料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450007)

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同軸靜電紡絲法制備PVA-膠原微納米纖維

張曉莉1,2， 湯克勇1， 鄭學(xué)晶1

(1. 鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 中原工學(xué)院 河南省功能性紡織面料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450007)

摘要:通過同軸靜電紡絲技術(shù)，制備以膠原為殼層而PVA為核層的微納米纖維，研究殼層膠原溶液的濃度和同軸靜電紡絲工藝參數(shù)對(duì)PVA-膠原微納米纖維形貌的影響。研究結(jié)果表明：殼層膠原溶液濃度越大，越容易獲得串珠狀PVA-膠原微納米纖維；當(dāng)紡絲電壓為15～20 kV，紡絲距離為15～20 cm，殼層膠原溶液流速為0.1 mL/h時(shí)，可以獲得表面相對(duì)光滑的微納米纖維。

關(guān)鍵詞:膠原；聚乙烯醇；靜電紡絲；核殼結(jié)構(gòu)；微納米纖維

靜電紡絲纖維直徑通常分布在幾十納米至幾微米之間，所得靜電紡絲纖維氈具有極大的比表面積、高孔隙率和相互連通的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而用途廣泛，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如用在組織工程支架[1-2]和藥物控制釋放[3-5]等方面。膠原蛋白廣泛分布于結(jié)締組織、骨骼、內(nèi)臟細(xì)胞間基質(zhì)及肌腔、韌帶、鞏膜等部位，是結(jié)締組織中極為重要的結(jié)構(gòu)蛋白，起著支撐器官、保護(hù)機(jī)體的功能[6-7]。2001年，Huang等[8]將聚氧乙烯(PEO)添加到I型膠原溶液中可以改善膠原的靜電紡絲性能，PEO添加量越多，越容易得到表面光滑的納米纖維，但是這種方法不能得到純膠原納米纖維。2002年，Jamil A. Matthews等[9]最先采用1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFP)作溶劑，利用靜電紡絲技術(shù)成功制備了純膠原蛋白納米纖維組織工程支架。Eugene D. Boland等[10]采用六氟異丙醇(HFP)作溶劑，對(duì)I型、III型膠原蛋白和彈性蛋白進(jìn)行靜電紡絲，制備了管狀無縫納米纖維氈，以用作血管組織工程支架材料。六氟異丙醇(HFP)和三氟乙醇(TFE)具有低的表面張力和強(qiáng)揮發(fā)性，是靜電紡絲非常合適的溶劑，很多天然生物材料，如殼聚糖[11]、明膠[12]、絲素[13]等都可以通過采用HFP或TFE作溶劑而成功進(jìn)行靜電紡絲，得到表面光滑的靜電紡納米纖維。但是該類溶劑有一定的毒性、且價(jià)格較貴，如果在膠原蛋白納米纖維中殘留部分溶劑，那么將對(duì)膠原蛋白納米纖維的應(yīng)用產(chǎn)生影響；并且含氟類溶劑可能會(huì)導(dǎo)致膠原解螺旋變性而失去其優(yōu)異的生物活性。Dimitrios I. Zeugolis等[14]較詳細(xì)地研究了不同商品膠原和實(shí)驗(yàn)室自制膠原分別采用六氟異丙醇和三氟乙酸作溶劑進(jìn)行靜電紡絲，通過TEM、圓二色譜等方法，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過靜電紡絲的膠原大部分失去自組裝能力，即發(fā)生了變性。Lanti Yang等[15]通過圓二色譜計(jì)算了用六氟異丙醇作膠原靜電紡絲溶劑時(shí)，有45%膠原發(fā)生變性，其三股螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，造成組裝成67 nm周期性的特征紋不存在。為了避免含氟類有機(jī)溶劑對(duì)膠原納米纖維的影響，同時(shí)改善純膠原納米纖維作為組織工程支架材料時(shí)的強(qiáng)度不足，生物降解快等缺點(diǎn)，可以通過同軸靜電紡絲法制備殼層具有生物活性的膠原組分的核殼結(jié)構(gòu)微納米纖維。同軸靜電紡絲的噴絲針頭由兩根內(nèi)外徑不同的金屬毛細(xì)管構(gòu)成[16]。Valerie Merkle等[17]采用同軸靜電紡絲法制備了核殼結(jié)構(gòu)的PVA/明膠靜電紡納米纖維，明膠作為殼層充分發(fā)揮其生物活性，而PVA作為核層以改善纖維的力學(xué)性能。Zhang等[18]制備了芯層為聚己內(nèi)酯(PCL)而殼層為膠原蛋白的核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維作為生物工程支架，在支架上培養(yǎng)人皮成纖細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在同軸電紡支架上的存活率遠(yuǎn)高于僅涂覆膠原蛋白的PCL纖維支架。

本文通過同軸靜電紡絲技術(shù)，制備以膠原為殼層而PVA為核層的微納米纖維，主要研究殼層膠原乙酸溶液質(zhì)量濃度和同軸靜電紡絲工藝參數(shù)對(duì)核殼結(jié)構(gòu)微納米纖維形貌的影響。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1材料與儀器

材料：聚乙烯醇(PVA-1788，相對(duì)分子質(zhì)量85 000～124 000，水解度87%～89%，Sigma-Aldrich)，膠原蛋白為實(shí)驗(yàn)室通過胃蛋白酶法從新鮮豬皮中提取，再經(jīng)過多次提純、冷凍干燥而制成的海綿狀膠原。

儀器：GL-21M高速冷凍離心機(jī)(湘儀離心機(jī)儀器有限公司)，F(xiàn)D-1A-50型冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，Quanta-200掃描電鏡(荷蘭飛利浦公司)。

1.2靜電紡絲液的制備

1.2.1膠原溶液的制備

膠原蛋白乙酸溶液的配制：將實(shí)驗(yàn)室冷凍干燥制備的膠原海綿加入到0.5 mol/L的乙酸溶液中，在室溫下通過磁力攪拌使其溶解，配制成質(zhì)量濃度分別為18、16、14 g/L和12 g/L的膠原蛋白乙酸水溶液，作為同軸靜電紡絲的殼層溶液備用。

1.2.2PVA溶液的配制

質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%PVA溶液的配制：稱取一定量的PVA-1788粉末，將其加入到三口燒瓶中，并加入適量的去離子水，在85 ℃水浴條件下加熱，同時(shí)進(jìn)行電動(dòng)攪拌，使其充分溶解2 h，作為同軸靜電紡絲的核層溶液備用。

1.3靜電紡纖維形貌的觀察

將所得靜電紡絲纖維膜(帶鋁箔)，噴金處理后，通過掃描電鏡觀察纖維形貌。

2　結(jié)果與分析

2.1膠原質(zhì)量濃度對(duì)PVA-膠原微納米纖維形貌的影響

將不同質(zhì)量濃度的膠原乙酸溶液(18、16、14、12 g/L)分別作為同軸靜電紡絲的殼層溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%PVA水溶液作為核層溶液，在同軸靜電紡絲工藝條件(核層流速為0.5 mL/h和殼層0.6 mL/h，紡絲電壓為20 kV，接收距離為15 cm)下進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，所得纖維形貌如圖1所示。

圖1　膠原質(zhì)量濃度對(duì)纖維形貌的影響Fig.1　Effects of collagen concentration on the morphology of fibers

從圖1可以看出，隨著殼層膠原溶液質(zhì)量濃度的增加，采用同軸靜電紡絲法所獲得的PVA-膠原微納米纖維中珠絲纖維數(shù)目越多，且珠的形狀越圓，纖維直徑越粗。分析原因可能是膠原與PVA分子間存在H鍵，當(dāng)殼層溶液與核層溶液在噴絲針頭處匯合時(shí)，殼層溶液膠原濃度越大，使核殼界面的膠原與PVA分子間作用力越大，由于膠原分子剛性較強(qiáng)，分子間纏結(jié)不足以克服電場(chǎng)力，靜電紡絲性能較差，所以高濃度的膠原殼層溶液將限制PVA溶液受電場(chǎng)力拉伸細(xì)化成纖維的能力，導(dǎo)致珠絲狀纖維的產(chǎn)生。而殼層膠原質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，所得微納米纖維基本沒有珠絲，纖維表面相對(duì)光滑，但是纖維粗細(xì)差別仍然較大。

2.2紡絲工藝參數(shù)對(duì)PVA-膠原微納米纖維的影響

選用核層溶液為PVA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%)，殼層溶液為質(zhì)量濃度18 g/L(為了獲得膠原含量較多的核殼結(jié)構(gòu)微納米纖維)的膠原乙酸溶液。分別在不同的紡絲電壓、紡絲距離、紡絲流速下進(jìn)行同軸法靜電紡絲。

2.2.1紡絲電壓的影響

固定核層PVA溶液的紡絲流速為0.5 mL/h，殼層膠原溶液紡絲流速為0.6 mL/h；紡絲距離固定為15 cm，紡絲電壓分別為15、20、25 kV，所得同軸靜電紡纖維形貌如圖2所示。

圖2　紡絲電壓對(duì)纖維形貌的影響Fig.2　Effects of spinning voltage on the morphology of fibers

從圖2可以看出，隨著紡絲電壓的增大，同軸靜電紡絲纖維氈中的珠絲數(shù)目增多，且紡絲電壓為25 kV時(shí)，靜電紡纖維氈中不僅珠絲多，而且還存在幾個(gè)微米大小的液膜狀形貌，在液膜的邊緣處有較多的細(xì)小的纖維抽出。分析原因可能是殼層溶液和核層溶液的導(dǎo)電性和表面張力不同所致，當(dāng)紡絲電壓不太高即為15 kV時(shí)，兩層溶液的導(dǎo)電性和表面張力所引起的差異在纖維拉伸細(xì)化時(shí)不明顯；而當(dāng)紡絲電壓增加，如增大到25 kV時(shí)，核殼兩層所受的電場(chǎng)力差異較大，由于膠原是聚電解質(zhì)，所以殼層膠原受到的電場(chǎng)力更大。而且膠原屬于剪切稀化流體，當(dāng)所受電場(chǎng)力增加后其黏度會(huì)大大降低，難以形成復(fù)合泰勒錐，且分子間不像PVA那樣有充分的纏結(jié)，所以殼層膠原溶液在高紡絲電壓下移向接受板的速率增大，且溶液變稀，直接影響殼層PVA溶液的紡絲性能。所以要得到表面光滑的核殼纖維要控制好紡絲電壓，使核層和殼層所受的電場(chǎng)力和核殼界面的作用達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，不致使兩層界面分離。從實(shí)驗(yàn)可以看出選擇紡絲電壓為15～20 kV較合適。

2.2.2紡絲距離的影響

固定核層PVA溶液的紡絲流速為0.5 mL/h，殼層膠原溶液流速為0.6 mL/h；紡絲電壓是20 kV，紡絲距離分別為10、15、20 cm，靜電紡纖維形貌隨紡絲距離的影響如圖3所示。

圖3　紡絲距離對(duì)纖維形貌的影響Fig.3　Effects of spinning distance on the morphology of the fibers

從圖3可以看出，紡絲距離是10 cm時(shí)，同軸靜電紡纖維內(nèi)部有黏連，可能是距離太近溶劑揮發(fā)不充分所致。當(dāng)增加紡絲距離后，靜電紡絲纖維黏連減少，呈現(xiàn)三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且隨著紡絲距離的增加，纖維形貌由珠絲狀向梭珠狀過渡。所以可以通過增加紡絲距離在一定程度上改善纖維形貌，使纖維表面趨于更加光滑，選擇15～20 cm較為合適。

2.2.3膠原紡絲流速的影響

固定核層PVA溶液的紡絲流速為0.5 mL/h，紡絲電壓為20 kV，紡絲距離為15 cm，靜電紡纖維形貌隨殼層膠原流速的影響如圖4所示。

圖4　殼層膠原紡絲流速對(duì)纖維形貌的影響Fig.4　Effects of collagen flow velocity in the shell on the morphology of the fibers

從圖4可以看出，當(dāng)殼層膠原溶液的流速大于核層PVA溶液時(shí)，靜電紡纖維的形貌主要是珠絲狀，且膠原流速越快，珠絲數(shù)量越多。當(dāng)殼層膠原溶液的流速小于核層PVA溶液時(shí)，靜電紡纖維的珠絲數(shù)量減少。分析原因可能是膠原流速越大，在噴絲針頭處對(duì)PVA溶液的黏度影響越大，降低了PVA溶液的紡絲性能。所以要想得到表面光滑的核殼結(jié)構(gòu)納米纖維，殼層膠原溶液的流速要小于核層PVA溶液，取0.1 mL/h較為合適。

3　結(jié)　論

通過同軸靜電紡絲技術(shù)，制備了膠原為殼層而PVA為核層的具有核殼結(jié)構(gòu)的微納米纖維，主要結(jié)論如下：

1)膠原溶液質(zhì)量濃度對(duì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維形貌的影響比較大，隨著膠原質(zhì)量濃度的增加，纖維中珠絲數(shù)目增多。

2)在同軸靜電紡絲工藝參數(shù)中，紡絲電壓對(duì)纖維形貌的影響最明顯，隨著紡絲電壓的增大，紡絲溶液所受電場(chǎng)力增大，紡絲液在空間向接受板運(yùn)行速率增大，致使溶劑揮發(fā)不充分而產(chǎn)生纖維黏連。PVA-膠原核殼微納米纖維制備的適宜紡絲工藝參數(shù)是：紡絲電壓15～20 kV；紡絲距離15～20 cm；殼層膠原的紡絲流速小于核層PVA溶液，取0.1 mL/h時(shí)纖維表面相對(duì)較光滑。

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DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2016.06.002

收稿日期:2015-09-29; 修回日期: 2016-03-09

作者簡(jiǎn)介:張曉莉(1978—)，女，博士研究生，研究方向?yàn)槟z原蛋白的性能及復(fù)合材料的制備。通信作者：湯克勇，教授，keyongtangzzu@yahoo.com。

中圖分類號(hào):TB383；TQ340.64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-7003(2016)06-0006-05引用頁碼: 061102

Preparation of PVA-collagen micro-nano fibers by coaxial electrospinning

ZHANG Xiaoli1,2, TANG Keyong1, ZHENG Xuejing1

(1. College of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2. Henan Key Laboratory of Functional Textile Materials, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract:In this paper, the PVA-collagen micro-nano fibers were prepared by coaxial electrospinning technique. The effects of collagen concentration and parameters of the coaxial electrospinning process on the morphology of PVA-collagen were investigated. Results show that the greater shell collagen concentration is, the more easily obtained beaded PVA-collagen micro-nano fibers; when the spinning voltage is 15～20 kV, the spinning distance is 15～20 cm, and the flow rate of shell collagen solution is 0.1 mL/h, micro-nano fibers with relatively smooth surface can be obtained.

Key words:collagen; PVA; electrospinning; core-shell structure; micro-nano fibers