超聲處理對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜孔徑的影響

張 潔，張海濤，邢同海，駱菁菁，熊 杰

（浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州310018）

超聲處理對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜孔徑的影響

張 潔，張海濤，邢同海，駱菁菁，熊 杰

（浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州310018）

利用靜電紡絲技術(shù)制備聚乳酸/絲素蛋白（PLA/SF）復(fù)合納米纖維膜。探討90%甲醇溶液處理對PLA/SF復(fù)合納米纖維膜結(jié)構(gòu)的影響，以及超聲處理對該纖維膜孔徑的影響。用FE-SEM、FT-IR、XRD和孔徑測試表征樣品，結(jié)果表明：甲醇處理誘導(dǎo)組分SF的構(gòu)象由無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變成β-折疊，纖維發(fā)生明顯溶脹現(xiàn)象；超聲處理時間不變，隨著超聲處理功率的增加，PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積的越松散，孔徑增大；超聲處理功率不變，隨著處理時間的增加，納米纖維堆積的越松散，孔徑增大；超聲處理后，纖維膜厚度增加。

靜電紡絲；超聲處理；PLA/SF復(fù)合納米纖維膜；孔徑

0　引 言

聚乳酸是一種新型的生物降解材料，具有良好的生物相容性及生物可降解性，是理想的綠色高分子材料。絲素蛋白具有獨特的力學(xué)性能、生物相容性、控制生物降解性、易加工性［1］，絲素蛋白在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［2-3］。

組織工程支架作為細(xì)胞生長和繁殖的載體，要求有適合細(xì)胞生長的孔結(jié)構(gòu)、較高的孔隙率和機(jī)械性能［4］。培養(yǎng)不同的細(xì)胞時，對纖維膜支架孔徑大小有不同的要求。目前人們研究改變纖維膜孔徑的方法有：改變紡絲參數(shù)［5-6］、改變接收裝置［7-8］、材料舍棄法［9］、微米-納米堆砌法［10］、物理處理法［11-12］等方法。物理處理法中超聲處理法簡便易行，其方法是將靜電紡纖維膜浸入一定體積的去離子水中進(jìn)行超聲處理，通過超聲處理震動的機(jī)械性分離使得纖維間發(fā)生相對滑動，改變纖維膜中纖維的堆積密度以改變纖維膜的孔徑大小。Lee等［11］與Gu等［13］將靜電紡纖維膜浸入一定體積的去離子水中進(jìn)行超聲處理，結(jié)果表明超聲處理有效地增大了纖維支架的孔徑及孔隙率。

由于純絲素蛋白在力學(xué)性能上表現(xiàn)出較大的脆性，而聚乳酸則是一種具有良好韌性的高聚物，兩者復(fù)合可以用來改善絲素蛋白的脆性。筆者在前期經(jīng)多次試紡實驗得知，當(dāng)PLA與SF的質(zhì)量比為1∶1時，PLA/SF復(fù)合納米纖維的表面形貌及結(jié)構(gòu)性能最好。本文利用靜電紡絲制備PLA/SF復(fù)合納米纖維膜（質(zhì)量比為1∶1），甲醇處理后對其進(jìn)行超聲處理。并探討甲醇處理對PLA/SF復(fù)合納米纖維膜結(jié)構(gòu)的影響，及超聲處理對PLA/SF復(fù)合納米纖維膜孔徑的影響。

1　實驗部分

1.1實驗原料與設(shè)備

絲素蛋白（實驗室自制）；聚乳酸（平均相對分子質(zhì)量為100000，深圳光華偉業(yè)）；六氟異丙醇（HFIP，分析純，鹽城冬陽生物制品），甲醇（分析純，杭州高晶精細(xì)化工），去離子水（實驗室自制）。

靜電紡絲裝置（自制，其中，滾筒（自制）直徑為9cm；注射泵：KDS220，KD Scientific，Inc.；高壓電源：FC60P2，0～60 k V，Glassman High Voltage，Inc.；針筒：Popper&Sons，Inc.）；超聲波細(xì)胞破碎儀（VCX130，美國Sonics）；冷凍干燥機(jī)（FreeZone?2.5 Liter Freeze Dry Systems，LABCONCO公司）；電子天平（DKB-501A，上海精宏實驗設(shè)備）；恒溫磁力攪拌器（IKA?CM-MAG HS 7，廣州儀科實驗室技術(shù)）；真空干燥箱（DZG-6050SA，上海森信實驗儀器）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，Ultra 55，德國蔡司）；X-射線衍射儀（XRD，ARL-X’TRA，美國賽默飛）；傅立葉紅外光譜儀（FT-IR，Nicolet 5700，美國賽默飛）。

1.2聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的制備

稱取適量的聚乳酸、絲素蛋白（質(zhì)量比為1∶1），使其溶于HFIP中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的PLA/SF紡絲液。將紡絲液倒入10 mL注射針筒內(nèi)，以鋁箔為接收裝置，采用平板接收。采用傳統(tǒng)靜電紡絲裝置，在紡絲電壓為12 k V，紡絲流率為0.6 mL/h，紡絲距離為13 cm的紡絲條件下進(jìn)行紡絲，紡得的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜于真空干燥箱中靜置備用。

1.3超聲處理

采用超聲波細(xì)胞破碎儀對PLA/SF復(fù)合納米纖維膜進(jìn)行超聲處理。將PLA/SF復(fù)合納米纖維膜裁剪為2 cm×2 cm的正方形狀，90%甲醇溶液處理20 min后使其浸入20 mL去離子水中，在0℃水浴內(nèi)進(jìn)行超聲處理。第一，固定超聲處理時間為3 min，改變超聲處理功率（26、52、65、104、130 W），以研究超聲處理功率對纖維膜孔徑的影響；第二，固定超聲處理功率為65 W，改變超聲處理時間（3、5、10 min），以研究超聲處理時間對纖維膜孔徑的影響。將超聲處理后的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜冷凍后放入冷凍干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行干燥，然后放入真空干燥箱中靜置備用。

1.4測試與表征

首先利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）觀察PLA/SF復(fù)合納米纖維膜甲醇處理前后及超聲處理后的形貌，并使用Image-Pro?Plus6.2圖像分析軟件測量SEM圖片中纖維的平均直徑及纖維膜的孔徑。然后采用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、X射線衍射儀（XRD）分析纖維的結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與討論

2.1甲醇處理對纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響

2.1.1甲醇處理對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維形貌的影響

SF不溶于水是其作為組織工程支架材料使用的前提條件。因此，將靜電紡PLA/SF復(fù)合納米纖維膜置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的甲醇溶液中處理20 min以誘導(dǎo)SF構(gòu)象由無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)。圖1為甲醇處理前后PLA/SF復(fù)合納米纖維的掃描電鏡圖。從圖1可以看出，處理前PLA/SF復(fù)合納米纖維呈無序分布，纖維表面光滑，沒有串珠產(chǎn)生，平均直徑為424 nm；甲醇處理后，PLA/SF復(fù)合納米纖維變卷曲，纖維間未發(fā)生明顯的粘連現(xiàn)象，但纖維表面較粗糙，平均直徑為928 nm，發(fā)生較明顯的溶脹現(xiàn)象。

圖1　甲醇處理前后聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡照片

2.1.2甲醇處理對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維結(jié)構(gòu)的影響

圖2為甲醇處理前后PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的FT-IR譜圖。由圖2曲線（a）可以看出，未經(jīng)甲醇處理的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜中的組分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰分別為1 652、1 539 cm-1；由曲線（b）可以看出，經(jīng)甲醇處理后的PLA/ SF復(fù)合納米纖維膜中的組分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰分別為1 627、1 524 cm-1。靜電紡純PLA納米纖維膜存在三個明顯的峰，依次為1 756、1 184 cm-1和1 090 cm-1。由比較曲線（a）和（b）可知，甲醇處理前后，組分PLA的特征吸收峰未發(fā)生位置偏移，組分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰發(fā)生了明顯的位置偏移。與表1中絲素蛋白的紅外光譜特征譜帶數(shù)據(jù)［14-15］作對照，表明甲醇處理后PLA/SF復(fù)合納米纖維膜中的SF的構(gòu)象由無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向β-折疊結(jié)構(gòu)，而組分PLA的結(jié)構(gòu)不變。這是因為甲醇處理能誘導(dǎo)SF酰胺區(qū)發(fā)生明顯的β化晶型轉(zhuǎn)變，使得SF的構(gòu)象從無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成規(guī)整排列的β-折疊結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明甲醇處理后，PLA/SF復(fù)合納米纖維膜中組分SF不溶于水。

表1　絲素蛋白的紅外光譜特征吸收峰位置　cm-1

圖2　甲醇處理前后聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的紅外光譜

圖3為甲醇處理前后PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的X-衍射圖譜，同樣可證明甲醇處理誘導(dǎo)組分SF的構(gòu)象從無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成規(guī)整排列的β-折疊結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出，甲醇處理前PLA/SF復(fù)合納米纖維只在中心為13.8°的寬峰處出現(xiàn)了衍射峰，PLA是難結(jié)晶的，說明PLA/SF復(fù)合納米纖維中僅有少量為與β-折疊結(jié)晶相關(guān)的有序排列和少量的PLA晶體，大部分結(jié)構(gòu)為無定形結(jié)構(gòu)。甲醇處理后，PLA/SF復(fù)合納米纖維除了在13.8°處出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰外，還在29.6°處出現(xiàn)了衍射峰。由圖2的FT-IR譜圖分析可知，甲醇處理前后PLA/SF復(fù)合納米纖維中的PLA組分的結(jié)構(gòu)不變，說明甲醇處理后PLA/SF復(fù)合納米纖維中組分SF形成了與β-折疊相關(guān)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其不溶于水。

圖3　甲醇處理前后聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的XRD曲線

2.2超聲處理對纖維膜的結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1超聲處理功率對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜孔徑的影響

圖4為不同超聲功率處理的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡圖。表2為超聲處理前后的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的孔徑。圖4（a）可以看出，超聲處理前PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積的比較緊密，孔徑比較小。同時圖4可見，不同超聲處理功率（26、52、65、104、130W），相同處理時間（3min）處理后，隨著超聲處理功率的增大，PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積的越松散，孔徑增大（見表2）。

圖4　不同超聲功率處理聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡照片

表2　聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的孔徑

2.2.2超聲處理時間對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜孔徑的影響

圖5為不同超聲處理時間處理PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡圖。由圖4（a）可知，超聲處理前PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積得比較緊密，孔徑比較小。由圖5可知，在同一超聲處理功率（65 W）下，隨著超聲處理時間的增加，PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積得越松散，孔徑增大（如表2所示）。

圖5　不同超聲處理時間處理聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡圖

2.2.3超聲處理對聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜宏觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6為超聲處理前后的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的宏觀形貌。從圖6（a）可以看出，超聲處理前的PLA/SF復(fù)合納米纖維膜比較薄，表面比較平整，纖維堆積得較緊密，呈薄膜狀。從圖6（b）可以看出，超聲處理后的PLA/SF復(fù)合納米纖維支架比較厚，表面比較不平整，纖維堆積得較松散，呈棉花狀。比較圖6（a）、（b）可知，超聲處理改變了PLA/ SF復(fù)合納米纖維支架的宏觀結(jié)構(gòu)，增加了纖維膜的厚度，增大了纖維支架的孔徑，使其由薄膜狀變?yōu)槊藁睿啥S結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)。

圖6　超聲處理前后的聚乳酸/絲素蛋白復(fù)合納米纖維支架的宏觀形貌

3　結(jié) 論

a）采用靜電紡絲法可紡得PLA/SF復(fù)合納米纖維膜。甲醇處理對PLA/SF復(fù)合納米纖維中組分SF的構(gòu)象有影響，組分SF的構(gòu)象由無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變成β-折疊，使其不溶于水，纖維的直徑增加，發(fā)生較明顯的溶脹現(xiàn)象。

b）在超聲處理后，纖維支架呈三維立體結(jié)構(gòu)，在超聲處理時間不變的情況下，隨著超聲處理功率的增加，PLA/SF復(fù)合納米纖維堆積得越松散，孔徑增大；超聲處理功率不變，隨著超聲處理時間的增加，PLA/ SF復(fù)合納米纖維堆積得越松散，孔徑增大。

c）超聲處理對PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的宏觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在超聲處理前，PLA/SF復(fù)合納米纖維支架比較薄，表面比較平整，纖維堆積得較緊密，呈薄膜狀。超聲處理后，PLA/SF復(fù)合納米纖維支架比較厚，表面比較不平整，纖維堆積得較松散，呈棉花狀。超聲處理使得PLA/SF復(fù)合納米纖維膜的厚度增加、孔徑增大，由二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)，成為具有大孔徑的組織工程支架。

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Effects of Ultrasonic Treatment on Pore Size of Polylactic Acid/Silk Fibroin Composite Nanofiber Membrane

ZHANG Jie，ZHANG Hai-tao，XING Tong-hai，LUO Jing-jing，XIONG Jie
（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，310018，China）

Polylactic acid/silk fibroin（PLA/SF）composite nanofiber membrane was prepared by electrospinning technique.The effects of 90%methanol solution treatment on the structure of PLA/SF composite nanofiber membrane and the effects of ultrasonic treatment on the pore size of the fibrous membrane were investigated.FE-SEM，F(xiàn)T-IR，XRD and Aperture Test were used to characterize the samples.The results show that the conformation transition of SF from random coil toβ-sheet strueture was in duced by methand obvious swelling phenomenon happens to fibers；under the same ultrasonic treatment processing time，with the increase in ultrasonic treatment power，PLA/SF composite nanofibers cumulate in a looser way，and pore size increases；under the same ultrasonic treatment power，with the increase in the ultrasonic processing time，nanofibers cumulate in a looser way，and pore size increases；after the treatment，the thickness of the fiber membranes increases.

electrospinning；ultrasonic treatment；PLA/SF composite nanofibers；pore size

TQ340.65

A

1673-3851（2015）06-0771-05

（責(zé)任編輯：張祖堯）

2015-01-24

國家自然科學(xué)基金項目（11272289）

張 潔（1989-），女，安徽宿州人，碩士研究生，主要從事大孔徑組織工程支架方面的研究。

熊 杰，E-mail：jxiong@zstu.edu.cn