PLGA/MXene納米纖維膜的制備及光熱性能影響因素

李朝威,安 琪,陳 遲,李大偉,2,付譯鋆,2

(1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019；2.安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,江蘇 南通 226019)

0 引言

聚乳酸—羥基乙酸共聚物(PLGA)是一種可降解有機(jī)高分子化合物,在生物體內(nèi)可水解成CO2和H2O[1],是目前組織工程研究中常用的生物材料[2],廣泛應(yīng)用于藥物遞送納米載體、醫(yī)用傷口敷料和組織再生支架等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域[3-4]。靜電紡絲技術(shù)是得到納米纖維最有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)之一,通過(guò)靜電紡絲生產(chǎn)的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、纖維直徑小、可紡高分子種類多等優(yōu)點(diǎn)[5-6],在過(guò)濾、組織工程、傳感器、藥物載體、創(chuàng)面敷料等方面具有很廣泛的應(yīng)用[7-9]。

近年來(lái),過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物(MXene)作為一種新型的二維材料受到科學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注[10]。這類材料的通式為Mn+1XnTx(n= 1、2或3),其中M代表早期過(guò)渡金屬元素,如Ti、Sr、V、Cr、Ta、Nb、Zr、Mo等,X是C和/或N[11],T為片狀MXene表面的官能團(tuán),通常為-OH、-O和-F[12-14]。MXene類似石墨烯的晶體特征和結(jié)構(gòu)特性賦予其電導(dǎo)率高、比表面積大、光熱轉(zhuǎn)換優(yōu)異等物理化學(xué)性質(zhì),在能源、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15-18]。研究表明MXene是一種具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的材料,可在近紅外激光照射下將入射的光能吸收轉(zhuǎn)化為熱能,實(shí)現(xiàn)腫瘤的光熱治療[19-20],具有治療快速有效、恢復(fù)快、侵襲小的特性,可廣泛應(yīng)用于腫瘤治療。

本文研究以PLGA和MXene為原料,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備PLGA/MXene納米纖維膜,探究MXene濃度、光照功率密度、光照距離、環(huán)境溫度、接觸介質(zhì)等因素對(duì)納米纖維膜光熱性能的影響,為光熱性能研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)控提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PLGA,分子量76000m(PLA)/m～115000m(PLA)/m,m(PLA)/m(PGA)=75/25,阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；MXene單層膠體溶液,1μm～5μm,5mg/mL,北京北科新材科技有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析純,西隴科學(xué)股份有限公司。

1.2 PLGA/MXene納米纖維膜的制備

稱取一定質(zhì)量的PLGA溶解在DMF中,然后加入一定量的MXene單層膠體溶液,在室溫下用磁力攪拌器攪拌8 h至完全溶解,按表1所述方案制備出PLGA濃度為18 %,MXene濃度分別為0.1 %、0.2 %、0.3 %的PLGA/MXene紡絲液,超聲震蕩5 min后進(jìn)行靜電紡絲,設(shè)置紡絲電壓為20 KV,紡絲距離為12 cm,紡絲速率為1.0 mL/h,制備不同濃度的PLGA/MXene納米纖維膜。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 光熱性能測(cè)試

采用圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置,將PLGA/MXene納米纖維膜隨機(jī)裁剪成2 cm2×2 cm2放在不同接觸介質(zhì)上,利用EXPEC810型光纖激光器將光源對(duì)準(zhǔn)試樣中心位置,用LDF635型手持式紅外熱像儀采集0 s、2 s、5 s、10 s、20 s和40 s時(shí)刻的光熱圖像,并繪制溫度變化曲線。研究分析MXene濃度、光照功率密度、光照距離、環(huán)境溫度、接觸介質(zhì)等因素對(duì)納米纖維膜光熱性能的影響,實(shí)驗(yàn)因素設(shè)置如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表

2 結(jié)果與討論

2.1 MXene濃度對(duì)光熱性能的影響

設(shè)置光照功率密度為2.0 mW/cm2、環(huán)境溫度為23.5 ℃、光照距離為2.0 cm、接觸介質(zhì)為高硼硅玻璃培養(yǎng)皿,分別測(cè)試MXene濃度為0.1 %、0.2%、0.3 %時(shí)納米纖維膜的溫度變化,結(jié)果如圖2所示。從中圖2(a)可以看出,隨著MXene濃度的增加,紅外熱像圖上的光圈越明顯,且顏色由黃色逐漸變?yōu)榧t色,表明納米纖維膜的溫度隨MXene濃度的增大而增大,具有顯著的濃度依賴性。圖2(b)表明納米纖維膜的溫度呈先急劇上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì),且在激光照射40 s后,MXene濃度為0.1 %的納米纖維膜最高溫度達(dá)52.0 ℃,MXene濃度為0.3 %的納米纖維膜最高溫度達(dá)68.3 ℃,該溫度足以殺死癌細(xì)胞[21]。

圖2 不同MXene濃度下PLGA/MXene納米纖維膜的(a)紅外熱像圖,(b)溫度曲線

2.2 光照功率密度對(duì)光熱性能的影響

設(shè)置MXene濃度為0.2 %、環(huán)境溫度23.5 ℃、光照距離2.0 cm、接觸介質(zhì)為培養(yǎng)皿,分別測(cè)試光照 功 率 密 度 為0.5 mW/cm2、1.0 mW/cm2、1.5 mW/cm2、2.0 mW/cm2時(shí)PLGA/MXene納米纖維膜的溫度變化,結(jié)果如下頁(yè)圖3所示。由下頁(yè)圖3(a)可知,隨著光照功率密度的增大,紅外熱像圖上的光圈越明顯,說(shuō)明光熱性能越好。這是由于紅外激光器的功率越大,MXene所吸收的光能越多,轉(zhuǎn)換成的熱能也越多,從而表現(xiàn)出的光熱性能越好。由圖3(b)可知,在0.5 mW/cm2、1.0 mW/cm2、1.5 mW/cm2、2.0 mW/cm2功率密度下,纖維膜最 高 溫 度 分 別 達(dá)37.4℃、49.8℃、56.5℃、66.2℃。纖維膜溫度隨著光照功率密度的增大呈增加趨勢(shì),表現(xiàn)出一定的功率依賴性。

圖3 不同功率密度下PLGA/MXene納米纖維膜的(a)紅外熱像圖,(b)溫度曲線

2.3 光照距離對(duì)光熱性能的影響

在0.1 %濃度、34.6 ℃環(huán)境溫度、光照功率為1.0 mW/cm2、接觸介質(zhì)為塑料板的實(shí)驗(yàn)條件下,分別測(cè)試光照距離為1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm時(shí)PLGA/MXene納米纖維膜的溫度變化,結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知,光照距離越小,紅外熱像圖上的光圈越明顯,纖維膜體現(xiàn)出的光熱性能越好。由圖4(b)所示,在1.5 cm光照距離下,40 s內(nèi)纖維膜最高溫度達(dá)42.2 ℃,2.5 cm光照距離下,40 s內(nèi)最高溫度達(dá)41.4℃。PLGA/MXene納米纖維膜溫度隨著光照距離的增大而降低。這是由于隨著光照距離的增大,照射到纖維膜上的光能有所分散而導(dǎo)致纖維膜中間所吸收的能量也有所減少,從而光熱溫度降低。

圖4 不同光照距離下PLGA/MXene納米纖維膜的(a)紅外熱像圖,(b)溫度曲線

2.4 環(huán)境溫度對(duì)光熱性能的影響

在0.1 %濃度、光照距離為2.0cm、光照功率密度為1.0 mW/cm2、接觸介質(zhì)為塑料板的實(shí)驗(yàn)條件下,分別測(cè)試環(huán)境溫度為23.5℃、29.1℃、34.6℃時(shí)PLGA/MXene納米纖維膜的溫度變化,結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知,環(huán)境溫度越高,紅外熱像圖上的光圈越明顯,MXene的光熱性能越好。這是由于實(shí)驗(yàn)起始的溫度越高,其散熱越慢,而環(huán)境溫度較低導(dǎo)致升溫較慢。由圖5(b)可知,在室溫為23.5 ℃下,40 s內(nèi)纖維膜最高溫度可達(dá)35.3 ℃,室溫為34.6 ℃下,40 s內(nèi)最高溫度達(dá)42℃。環(huán)境溫度越高,PLGA/MXene纖維膜升溫也越高,具有一定的室溫依賴性。

圖5 不同環(huán)境溫度下PLGA/MXene納米纖維膜的(a)紅外熱像圖,(b)溫度曲線

2.5 接觸介質(zhì)對(duì)光熱性能的影響

在0.1 %濃度、環(huán)境溫度為34.6 ℃、光照距離為2.0 cm、光照功率密度為1.0 mW/cm2的實(shí)驗(yàn)條件下,分別測(cè)試接觸介質(zhì)為塑料板、培養(yǎng)皿、硅膠時(shí)PLGA/MXene納米纖維膜的溫度變化,結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知,與其他兩種介質(zhì)相比,當(dāng)接觸介質(zhì)為塑料板時(shí)纖維膜的紅外熱像圖上的光圈更為明顯,MXene體現(xiàn)出的光熱性能更好。究其原因是這三種材料導(dǎo)熱系數(shù)的差異,培養(yǎng)皿、硅膠、塑料板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.01、0.35、0.03 W/(m·K),因此,培養(yǎng)皿的散熱性最好,硅膠次之,塑料板最差。散熱性越差,在40 s內(nèi)纖維膜損失的熱量越少,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度變化也就會(huì)越明顯。由圖6(b)可知,纖維膜的光熱溫度為塑料板＞硅膠＞培養(yǎng)皿,在接觸介質(zhì)為培養(yǎng)皿條件下,40 s內(nèi)纖維膜最高溫度達(dá)40.4 ℃,在接觸介質(zhì)為塑料板時(shí),40 s內(nèi)最高溫度達(dá)42 ℃。

圖6 不同介質(zhì)下PLGA/MXene納米纖維膜的(a)紅外熱像圖,(b)溫度曲線

3 結(jié)論

以PLGA和MXene為原料,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備PLGA/MXene納米纖維膜,研究MXene濃度、光照功率密度、光照距離、環(huán)境溫度、接觸介質(zhì)等因素對(duì)納米纖維膜光熱性能的影響,結(jié)果表明:隨著MXene濃度、光照功率密度、光照距離、環(huán)境溫度的增大,PLGA/MXene納米纖維膜紅外熱像圖上的光圈愈發(fā)明顯,其溫度亦表現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)；當(dāng)接觸介質(zhì)為塑料板時(shí),試樣紅外熱像圖上的光圈最明顯,達(dá)到的光熱溫度最高,硅膠次之,培養(yǎng)皿最差；通過(guò)對(duì)MXene濃度、光照功率密度、光照距離、環(huán)境溫度、接觸介質(zhì)等因素的調(diào)控,可得到不同的升溫幅度,以適應(yīng)不同情況的腫瘤治療。