纖維素多孔膜的制備及其性能研究

唐蕊華， 劉麗娜， 鄭卓寅， 姚 雪，張素風(fēng)， 劉佳堯

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 輕化工程國家級實驗教學(xué)示范中心 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室 中國輕工業(yè)紙基功能材料重點實驗室, 陜西 西安 710021； 2.西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 教育部生物醫(yī)學(xué)信息工程重點實驗室 仿生工程與生物力學(xué)中心， 陜西 西安 710049)

0 引言

組織工程作為一門新興學(xué)科，可用體外制備的種植體替代人類器官功能，達到提高人類生存質(zhì)量和延長生命活動的目的，已受到人類的廣泛關(guān)注.組織工程支架材料作為組織工程的基礎(chǔ)，包括骨、軟骨、血管、神經(jīng)、皮膚、和人工器官等[1-3]，且必須具備生物相容性好、生物可降解性，較高的孔隙率，一定的結(jié)構(gòu)強度等特定的性質(zhì)[4-6].常見的組織工程支架材料有合成材料(如：聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚羥基乙酸等)和天然高分子材料(如：膠原、殼聚糖、瓊脂等).但其中一些合成材料存在缺乏細胞識別信號，脆性大，降解速度較慢等問題.因此，采用天然高分子材料制備新型支架材料具有重要意義.

纖維素作為自然界中分布最廣、儲量最大的天然高分子物質(zhì)，具有生物相容性好、生物可降解性、廉價易得、環(huán)境友好等優(yōu)點，已被用于制備組織工程支架[7-10].然而，目前用天然纖維素制備的支架往往不具備適合細胞生長的大孔，難以滿足理想的支架材料應(yīng)該具備的合適孔徑的要求[11].因此，制備合適孔徑的纖維素膜具有重要意義.

目前，已有的研究表明：纖維素膜的制備方法通常有真空過濾法、溶解再生法、靜電紡絲法、水蒸氣輔助法等[12-14].但是，真空過濾法制備的纖維素薄膜結(jié)構(gòu)致密，具有耗時耗能的缺點[13,15].溶解再生法制備的再生纖維素膜孔徑一般為10～30 nm左右[16-18].采用靜電紡絲法制備纖維素多孔膜，平均孔徑大約為80～1 100 nm[19,20].此外，有學(xué)者利用水蒸氣輔助法層-層自組裝制備了醋酸纖維素(CA)三維蜂窩狀多孔膜，此三維多孔膜有利于細胞粘附分化和增殖，可作為一種良好的組織工程支架材料[14].然而，以上方法制備的纖維素膜孔徑較小(往往小于20μm甚至為納米級)，難以滿足細胞增殖所需要的空間.另外，支架材料需要長期處于液體環(huán)境中，然而采用以上方法制備的支架材料存在強度和潤濕性差的缺陷，難以長期使用.而理想的適用于細胞培養(yǎng)、骨組織、皮膚組織等領(lǐng)域的支架材料需要微米級的孔徑、高的強度和好的潤濕性[21].因此，制備微米級孔徑、高強度和潤濕性好的纖維素膜支架材料對組織工程領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義.

針對以上存在的問題，本研究提出了一種擬采用溶解再生纖維素與模板法相結(jié)合制備纖維素膜，在再生的過程中加入致孔劑，通過控制致孔劑的尺寸，可制備出具有不同孔徑和孔隙率的纖維素膜；另外，本研究采用聚乙烯醇(PVA)改善纖維素多孔膜的強度和潤濕性，從而擴大纖維素基多孔材料在組織工程等方面的應(yīng)用.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

微晶纖維素(MCC)，化學(xué)純,成都市科龍化工試劑廠.氯化鋰(LiCl),天津市大茂化學(xué)試劑廠；N，N-二甲基乙酰胺(DMAC),天津市大茂化學(xué)試劑廠；氯化鈉(NaCl),天津市致遠化學(xué)試劑有限公司；以上試劑均為分析純，實驗所用水均為去離子水.

1.2 實驗方法

纖維素溶液的制備：稱取3 g微晶纖維素于20 mL DMAC中，在150℃油浴鍋中預(yù)熱1 h后，后冷卻至室溫.加入8 g LiCl和80 mL的DMAC在60℃中加熱攪拌30 min直至溶解，獲得微晶纖維素溶液.

纖維素多孔膜的制備：用研缽研磨NaCl顆粒，用不同孔徑的篩網(wǎng)篩分出不同尺寸的NaCl顆粒.稱取適量NaCl于溶解的纖維素溶液中作為致孔劑，混合均勻，平鋪于培養(yǎng)皿中，放置于60 ℃的烘箱中，直至混合液凝固，無流動現(xiàn)象.室溫下，在去離子水中反復(fù)進行溶劑交換24 h，直至溶劑和NaCl全部被置換出來.通過冷凍干燥的方法制備得到多孔纖維素膜.

纖維素/聚乙烯醇(PVA)復(fù)合膜的制備：配制不同濃度的PVA溶液，將上述制備的纖維素多孔薄膜浸漬在PVA溶液中一段時間，取出并干燥.

1.3 性能檢測

(1)形貌表征：采用捷克TESCAN公司TESCAN VEGA 3 SBH型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品.樣品經(jīng)過噴金處理，采用掃描電子顯微鏡對纖維及復(fù)合材料進行形貌觀察，利用高真空模式，二次電子成像，加速電壓為8 kV.

(2)孔結(jié)構(gòu)分析(MIP)：孔隙結(jié)構(gòu)分析采用美國Micromeritics公司的Auto Pore IV 9500壓汞儀，孔徑測量范圍為5.0～1 000μm，低壓測試范圍0.5～1 600 psi.

(3)強度測試：采用高特威爾(東莞)有限公司AI-7000-NGD型伺服材料多功能高低溫控制試驗機進行拉伸機械強度測試.

(4)結(jié)構(gòu)表征：采用德國布魯克Bruker公司的D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)，在5 °～70 °的2θ范圍內(nèi)記錄Cu Kα輻射的X射線衍射光譜曲線，掃描速度為0.2 °/s，采用分峰擬合法計算結(jié)晶度.采用NETZSCH公司的VERTEX 70傅里葉紅外光譜測試儀對樣品結(jié)構(gòu)進行分析，波長范圍為400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描信號累計.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素多孔膜形貌表征

本研究采用模板法制備多孔纖維素薄膜，通過調(diào)節(jié)致孔劑的尺寸和含量制備不同孔隙率和孔徑大小的多孔纖維素薄膜.為了觀察纖維素多孔膜形貌，本研究采用SEM對其進行了測量，圖1為添加不同含量NaCl制備的不同孔隙率的纖維素膜形貌圖.

從圖1(a)可以觀察到，未添加NaCl時，纖維素膜顯示出致密的結(jié)構(gòu)，表面光滑無孔，伴有一些褶皺，可能是干燥速率不均勻引起的；從圖1(b)可以觀察到，增加NaCl含量時，纖維素膜中的孔隙逐漸增多，在致孔劑與纖維素質(zhì)量比為10∶1時，纖維素膜表面不均勻的出現(xiàn)一些孔隙；而從圖1(c)和(d)可以觀察到，當NaCl與纖維素質(zhì)量比增大到30∶1和50∶1時，纖維素膜表面的孔隙均勻分布，且孔與孔之間相互連通.

(a)未添加 (b)NaCl∶纖維素=10∶1

(c)NaCl∶纖維素=30∶1 (d)NaCl∶纖維素=50∶1圖1 添加不同含量NaCl的纖維素多孔膜的SEM圖

圖2為采用不同尺寸的NaCl制備的具有不同孔徑大小的多孔纖維素膜的形貌圖(后記為M1、M2、M3)，隨著NaCl孔徑逐漸增大，所得到的纖維素膜的孔徑也不斷增大.壓汞儀測試結(jié)果顯示，M1、M2、M3的總孔容和孔徑在逐漸增大，孔徑分別為23μm、36μm和46μm，孔隙率也逐漸增大分別為77%、79%和90%，如表1所示.

表1 纖維素多孔膜的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

(a)M1 (b)M2

(c)M3圖2 不同孔徑的纖維素多孔膜的SEM圖

2.2 纖維素多孔膜的強度測試

據(jù)文獻報道，理想的組織工程支架材料要求不僅具有合適的孔徑，還需要具備一定的機械強度[22].因此，本研究首先觀察了不同孔隙率及孔徑對于纖維素多孔膜強度的影響.

如圖3(a)所示，未添加致孔劑時，纖維素膜結(jié)構(gòu)致密，強度也較大，最大應(yīng)力可達到9.06 MPa.而隨著致孔劑的加入，纖維素膜的強度急劇下降.當致孔劑：纖維素為30∶1時，最大應(yīng)力僅為0.91 MPa，且最大彈性應(yīng)變減小.這是由于致孔劑增多，導(dǎo)致纖維素膜的孔增多，孔隙率增大，結(jié)構(gòu)更為疏松，從而導(dǎo)致強度下降.類似的，纖維素膜的強度也隨著孔徑的增大而減小(如圖3(b))，當纖維素膜M3孔徑為46μm時，最大應(yīng)力僅為0.83 MPa.因此，纖維素多孔膜的孔徑越大，孔隙越多，則強度越低，從而限制了其在各方面的應(yīng)用.

(a)不同致孔劑含量

(b)不同孔徑

(c)纖維素/PVA復(fù)合膜圖3 不同纖維素多孔膜的強度

為了進一步改善纖維素多孔膜的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本研究將PVA加入纖維素多孔膜中制備具有一定力學(xué)強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的纖維素/PVA復(fù)合材料.纖維素膜浸漬于不同濃度的PVA溶液中(以纖維素膜M3為例)，干燥后測其拉伸強度.如圖3(c)所示，可以看出當PVA溶液濃度增大時，纖維素膜的拉伸強度也逐漸增大，當PVA溶液濃度為10%時，纖維素膜的最大拉伸應(yīng)力達最大為2.38 MPa，相比未浸漬PVA的纖維素膜強度(0.85 MPa)提高了近3倍.這是因為PVA是一種水溶性高分子聚合物，PVA鏈上富含羥基可與纖維素的羥基發(fā)生氫鍵作用，使纖維素中活性羥基變少、從而降低纖維素結(jié)合水的能力，提高纖維素膜的耐水性和強度.本研究將纖維素多孔膜浸漬PVA之后，一部分PVA填充到纖維素膜的孔徑中，導(dǎo)致纖維素表面的孔明顯減少，如圖4(a)所示.還有一部分PVA與纖維素之間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，增加了纖維素膜的力學(xué)強度，如圖4(b)所示.

(a)放大200倍 (b)放大1 000倍圖4 纖維素/PVA復(fù)合膜的SEM圖

2.3 纖維素多孔膜的結(jié)構(gòu)檢測

為了探究纖維素多孔膜制備過程對纖維素本身結(jié)構(gòu)的影響，分別采用XRD和紅外對其制備前后的結(jié)晶性能和表面官能團進行測試.圖5為微晶纖維素及其制備的纖維素膜的XRD曲線圖.由圖5可以看到，溶解前微晶纖維素在14.9 °、16.3 °、22.3 °、34.3 °存在衍射峰，其中22.5 °的高強度峰，是纖維素Ⅰ型的特征衍射峰.而纖維素溶解后此峰消失，在20 °左右出現(xiàn)較寬的特征衍射峰且峰強較原微晶纖維素有很大程度降低，說明纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，成為纖維素П型結(jié)構(gòu).微晶纖維素的結(jié)晶度也從75.8%降低到20.0%.

圖5 樣品的XRD圖

圖6是溶解前的纖維素、纖維素膜和纖維素膜/PVA復(fù)合膜的紅外光譜圖.對于溶解前的纖維素,可以看出3 550～3 068 cm-1處有一個寬的吸收峰，其屬于O-H的伸縮振動峰；2 891 cm-1歸屬于C-H的伸縮振動吸收峰；1 024 cm-1處窄且強的吸收峰是纖維素鏈上C-O-C的伸縮振動峰.纖維素膜的紅外譜圖與溶解前纖維素的紅外譜圖相似，說明溶解對于纖維素的特征峰沒有產(chǎn)生影響.而對于纖維素/PVA復(fù)合膜，在3 400 cm-1處的吸收峰變寬，這可能是由于纖維素的羥基與PVA產(chǎn)生氫鍵結(jié)合.

2.4 水接觸角測試

支架材料的表面潤濕性是影響細胞粘附和增殖行為的重要因素之一[23].圖7(a)～(c)分別為M1、M2、M3的接觸角，可以看出隨著纖維素膜孔徑增大，接觸角逐漸減小.而圖7(d)為M3纖維素/PVA復(fù)合膜的接觸角70.8 °，相比M3明顯增大，這可能是由于一部分PVA填充到纖維素膜的孔徑中，纖維素膜結(jié)構(gòu)變得致密，水分子不宜滲入.研究表明，親水性適中的表面可促進細胞粘附和增殖[24].因此，纖維素/PVA復(fù)合膜的潤濕性能更適用于支架材料.

(a)M1 (b)M2

(c)M3 (d)M3纖維素/PVA復(fù)合膜 圖7 纖維素膜的接觸角

3 結(jié)論

本研究采用溶解再生-模板法制備了纖維素多孔膜，通過調(diào)控致孔劑的含量和尺寸得到了孔徑分別為23μm、36μm和46μm的纖維素多孔膜；通過浸漬PVA使纖維素多孔膜的強度得到提升，當PVA濃度為10%時，強度可提高3倍，潤濕性也得到改善.本研究制備方法簡單有效，所制備的孔徑可調(diào)，擴大了纖維素基材料在組織工程等方面的應(yīng)用.