PEG／PLGA納米纖維膜的制備及其參數(shù)優(yōu)化*

趙月，陳灶妹，何婷，陳柯君，江麗，張俊輝，萬華印，李茹冰△

（1.廣東藥科大學(xué)，廣東 廣州510006；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣東 廣州510010；3.廣州市電紡生物科技有限公司，廣東 廣州510604）

1 引 言

靜電紡絲是一種利用電場力驅(qū)動成纖最簡單、高效的方法，其制備的納米纖維膜具有表面積大，孔隙率高及易于實(shí)現(xiàn)表面功能化等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)類似于細(xì)胞外基質(zhì)，能夠增強(qiáng)細(xì)胞遷移和增殖［1－2］。目前，靜電紡絲納米纖維膜已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如組織工程技術(shù)支架、創(chuàng)傷敷料和藥物載體等［3］。

聚乳酸－羥基乙酸共聚物（PLGA）是一種無毒，可完全生物降解的聚合物，具有優(yōu)良的成形性和生物相容性，降解產(chǎn)物易排除體外，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ尼t(yī)藥高分子材料［4］。但由于其力學(xué)性能強(qiáng)度不夠、親水性差等缺點(diǎn)，在生產(chǎn)和使用過程中容易斷裂、滑動，同時(shí)靜電紡絲制備的納米纖維呈無紡布形式排列，它不像傳統(tǒng)方法得到的纖維那樣具有高度的取向性，這在很大程度上限制了PLGA的應(yīng)用［5］。為了改善PLGA纖維膜的親水性，力學(xué)性能，優(yōu)化其防粘連效果，最簡單有效的方法是摻加一定量的如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）等含有柔性鏈段，親水性較好的聚合物［6］。

響應(yīng)面法（response suface methodology，RSM）是一種數(shù)字和統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方法，用來對所研究的響應(yīng)受多個參數(shù)影響的問題，通過建模和分析尋求最佳組合條件進(jìn)而優(yōu)化該響應(yīng)值。響應(yīng)面優(yōu)化最常用的設(shè)計(jì)方法主要有以下兩種：（central composite design，CCD、box behnken design，BBD）［7］。但較 CCD而言，BBD具有試驗(yàn)次數(shù)較少，預(yù)測精準(zhǔn)度高和實(shí)驗(yàn)因素不會同時(shí)處于極端水平等優(yōu)勢［8］。由于目前靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維的力學(xué)性能與其影響參數(shù)之間的關(guān)系無法準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化，而采用響應(yīng)曲面法則可以通過建模和分析，不僅可以建立拉伸強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的二元回歸模型，通過對所得模型的分析，可得到各個因素對拉伸強(qiáng)度的影響程度，而且可以通過響應(yīng)面分析的三維圖更直觀地看出拉伸強(qiáng)度隨著實(shí)驗(yàn)條件的變化趨勢［9－10］。本研究采用三因素（PEG含量、紡絲速度和電壓）三水平的BBD方法，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)對復(fù)合纖維膜力學(xué)性能影響，并進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的參數(shù)條件。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

聚乙二醇，粘均分子量，Mv＝6000，Beijing Solarbib Science＆technology Co.，Ltd；聚乳酸 －羥基乙酸共聚物，粘均分子量，Mv＝90000，濟(jì)南代罡生物材料有限公司；三氯甲烷（CHCl3），分析純，天津市宏達(dá)化學(xué)試劑廠；N，N－二甲基乙酰胺（DMAC），分析純，麥克林（MACKLIN）；丙酮（AC），分析純，廣州化學(xué)試劑廠。

電子掃描顯微鏡，JSM－7001F型，上海百賀儀器科技有限公司；膠粘帶初粘性測試儀，BLD－1007型，東莞博萊德儀器有限公司；高壓靜電紡絲機(jī)，TL－Pro型，深圳市通力微納米科技有限公司；磁力攪拌水浴鍋，XMTD203型，金壇市良友儀器有限公司；接觸角測試儀，PT－705－B，東莞市誠鼎儀器科技有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 PEG／PLGA復(fù)合纖維膜的紡制 將PLGA和 PEG按比例混合溶解在 V（AC）：V（DMAC）：V（CHCl3）＝5：3.5：1.5混合溶劑中，在磁力攪拌下37℃溶解攪拌，靜置脫泡，然后裝入注射器中，設(shè)定壓強(qiáng)，接受距離為19 cm，紡絲速度等參數(shù)，控制溫度為35℃，進(jìn)行五噴頭（21G）靜電紡絲；將制備出的納米纖維膜在真空干燥箱中干燥備用。

2.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化靜電紡絲條件 （1）單因素實(shí)驗(yàn)選取PEG含量、電壓、紡絲速度等因素，分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，分析其對PLGA／PEG復(fù)合纖維膜力學(xué)性能的影響。（2）在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以拉伸強(qiáng)度為響應(yīng)值，利用Box－Behnken設(shè)計(jì)三水平試驗(yàn)，因素編碼和水平見表1。

表1 Box－behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平Table 1 Factors and levels of Box－behnken design

2.2.3 納米纖維膜的力學(xué)性能測試 采用BLD－1007型膠粘帶初粘性測試儀測試?yán)w維膜厚度，每一樣品取3個點(diǎn)。用刀片從纖維膜上取尺寸為 10 mm×40 mm的細(xì)長條樣品，然后在常溫下對樣品進(jìn)行測試，試樣夾持長度30 mm，拉伸速度10 mm／min，每一樣品測5個數(shù)據(jù)，取平均值。

2.2.4 接觸角測定 分別剪取長寬為1 cm×3 cm大小的 納米纖維膜，采用接觸角／界面張力測量儀測定，首先在樣品上滴加直徑約為1 mm左右的去離子水滴，然后在接觸角／界面張力測量儀的顯示器上讀出接觸角的數(shù)據(jù)。每個樣品上滴加五滴去離子水，平行測五次，求平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 PEG含量對復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度的影響見圖1，PEG／PLGA復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度大于純PLGA纖維膜的拉伸強(qiáng)度；當(dāng)PEG含量在0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）～7.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之間，隨著PEG含量的增加，復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度增加，這可能因?yàn)楹腥嵝枣湺蜳EG的加入，使復(fù)合膜的宏觀柔性增加，從而表現(xiàn)為斷裂強(qiáng)度增加。但PEG含量進(jìn)一步增加時(shí)，復(fù)合纖維膜干燥后開始變透明，拉伸強(qiáng)度也降低，可能是因?yàn)榧尤氪罅縋EG時(shí)，由于熔點(diǎn)較低，在干燥時(shí)發(fā)生熔融。故選取PEG含量為2.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、7.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）作進(jìn)一步分析。

圖1 PEG含量對纖維膜拉伸強(qiáng)度的影響Fig 1 The effect of factors PEG concentration on tensile strength of fiber film

3.1.2 紡絲速度對復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度的影響見圖2，紡絲距離一定時(shí)，隨著紡絲速度的增加，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢。溶液的流速決定紡絲過程中噴頭處的溶液數(shù)量和噴射速度。靜電紡絲得到的纖維主要呈無紡布形式排列，它不像傳統(tǒng)方法制備的纖維那樣具有高度的取向性，紡絲速度增大，纖維直徑隨之增大，纖維間縱橫交錯程度變小，所以拉伸強(qiáng)度變小，反之亦然。當(dāng)紡絲速度小于1 ml／h時(shí)，針尖出現(xiàn)斷流。因此，綜合考慮，選取紡絲速度 1、3、5 ml／h作進(jìn)一步分析。

圖2 紡絲速度對纖維膜拉伸強(qiáng)度的影響Fig 2 The effect of factors spinning speedon on tensile strength of fiber film

3.1.3 電壓對復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度的影響 見圖3，電壓由13 KV升高至19KV，復(fù)合纖維膜的拉伸強(qiáng)度也明顯增加。由于當(dāng)電壓升高時(shí)，電場強(qiáng)度也增大，對噴射流的拉伸作用增強(qiáng)，分子取向增大，從而導(dǎo)致纖維膜的力學(xué)性能升高，宏觀表現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度也隨之增大。但當(dāng)電壓進(jìn)一步增大時(shí)，紡絲液從噴頭直接噴出導(dǎo)致射流不穩(wěn)定，并且電壓過高，針尖偶有火花，故而不能進(jìn)行探索。因此，綜合考慮，選取電壓為17、19、21KV作進(jìn)一步分析。

圖3 電壓對纖維膜拉伸強(qiáng)度的影響Fig 3 The effect of factors electric field intensity on tensile strength of fiber film

3.2 多項(xiàng)式響應(yīng)面建立及分析

3.2.1 表2示出Box－behnken設(shè)計(jì)的17組實(shí)驗(yàn)和對應(yīng)的響應(yīng)值，利用Design－Expert7.1.3軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到PEG／PLGA復(fù)合纖維膜拉伸強(qiáng)度的二次多元回歸方程為：D＝－92.86488＋1.05240*A＋0.27413*B＋9.92925*C－0.078500*A*B－0.021000*A*C＋0.038125*B*C＋0.063760*A2－0.099750*B2－0.25913*C2

表2 Box－behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表和響應(yīng)值Table 2 Box－behnken arrangement forl factors and response

對上述回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可知，該模型的P＜0.0001，表示該模型對響應(yīng)值影響是顯著的，該模型是有效的，因素 A，C2對纖維直徑影響顯著，因?yàn)槠銹＜0.05，而其他因素對拉伸強(qiáng)度影響不顯著。該模型中決定系數(shù)R2為0.9602，說明該模型對纖維直徑的預(yù)測效果達(dá)到96.02%，表明預(yù)測模型與實(shí)驗(yàn)擬合很好。失擬項(xiàng)P＝0.3017＞0.05，說明模型失擬不顯著，與實(shí)際擬合較好。校正系數(shù)等于0.9090，預(yù)測系數(shù)等于0.8800，兩者相接近，對模型的預(yù)測會產(chǎn)生正面效應(yīng)，表明回歸模型能描述響應(yīng)值的變化，因此，可利用該模型對復(fù)合纖維膜的力學(xué)性能進(jìn)行分析和預(yù)測。

3.2.2 模型交互項(xiàng)的解析 圖4（a）－（c）是根據(jù)二次多項(xiàng)式回歸方程作出的響應(yīng)面圖和等高線。圖4（b）、（c）等高線呈橢圓趨勢，證明 PEG含量和電壓，紡絲速度和電壓的相互作用對拉伸強(qiáng)度的影響較大。在一定范圍內(nèi)，3個因素的增加均會造成拉伸強(qiáng)度的增加。從圖4可以明顯看出在PEG含量為5%，紡絲速度為3 ml，電壓為19 KV時(shí)，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。

表3 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table3 Significance test of coefficient in regression equation

圖4 響應(yīng)面等高線圖顯示各因素對拉伸強(qiáng)度的影響（a）Effect of PEG concentration and flow race on tensile strength；（b）Effect of PEG concentration and electric field intensity on tensile strength；（c）Effect of flow race on and electric field intensity on tensile strengthFig 4 The effect of various factors on the tensile strength of the response surface and Contour Plots

3.3 模型適合性檢驗(yàn)

模型適合性檢驗(yàn)與構(gòu)建模型同等重要。模型診斷主要是殘差診斷，殘差診斷主要包括標(biāo)準(zhǔn)化殘差和學(xué)生化殘差［7，9］。

3.3.1 殘差的正態(tài)概率圖 正態(tài)概率圖主要用于驗(yàn)證殘差正態(tài)性，如果殘差符合正態(tài)性，那么此圖將近似為一條直線。但正態(tài)概率圖常出現(xiàn)的一個瑕疵是某些殘差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它的殘差，此類殘差稱為離群值。過多的離群值將嚴(yán)重歪曲方差分析［11］。從圖5可以看出，殘差各點(diǎn)的分布大部分在直線周圍，證明該模型擬合較好。

圖5 殘差的正態(tài)概率圖Fig 5 Normal probability plots of residuals

3.3.2 依時(shí)間順序的內(nèi)部學(xué)生化殘差圖 除了正態(tài)性及殘差的方差齊次性的驗(yàn)證，還需驗(yàn)證殘差之間的獨(dú)立性。依時(shí)間順序的殘差圖是探測殘差關(guān)聯(lián)性的有效工具。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，如果殘差圖呈現(xiàn)單一正或負(fù)的趨勢，則表明殘差間存在關(guān)聯(lián)性［12］。從圖6可以看出，殘差值沒有出現(xiàn)或正或負(fù)一邊倒的分布，而是既有正值又有負(fù)值，證明該模型擬合較好，且具有相對獨(dú)立性。

圖6 依時(shí)間順序的內(nèi)部學(xué)生化殘差圖Fig 6 In the time sequence of the internal student of the residual figure

3.4 纖維膜的親水性

一般當(dāng)材料分子與水分子之間的相互作用的內(nèi)聚力大于水分子之間的內(nèi)聚力時(shí)，水分子能很快在材料表面鋪散開來。此時(shí)，在材料、水和空氣水分子能很快的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與材料表面所成的夾角（稱潤濕角）θ≤90°，材料呈現(xiàn)親水性。若θ＞90°，材料呈現(xiàn)疏水性［13－14］。從圖 7（a）可以看出，純PLGA纖維膜上的水珠基本保持原球形，浸潤不明顯；從圖7（b）可以看出，加入PEG后的纖維膜上的水珠無法保持原球形，浸潤明顯。說明加入適量PEG可以改善純PLGA膜的親水性，另外，PEG／PLGA纖維膜親水性隨PEG含量增加而提高。

圖7 靜電紡絲膜接觸角：（a）純 PLGA纖維膜，118°；（b）5%PEG／PLGA纖維膜，86°。Fig 7 Nanofiber membrane contact angle：（a）pure PLGA fiber membrane，118°；（b）5%PEG／PLGA fiber membrane，86°。

4 結(jié)論

通過靜電紡絲方法制備得到PEG／PLGA復(fù)合納米纖維，通過響應(yīng)面試驗(yàn)分析紡絲工藝條件對拉伸強(qiáng)度的影響情況，并對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過回歸分析建立了PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電壓和紡絲速度對PEG／PLGA復(fù)合納米纖維直徑的多元響應(yīng)面模型，其預(yù)測值與實(shí)際值能較好的擬合，說明在PEG／PLGA復(fù)合納米纖維直徑的預(yù)測上是有效的。其中，PEG含量是影響纖維直徑的最顯著因素，其次是電壓和紡絲速度。最優(yōu)紡絲條件為，PEG含量5%、電壓10 KV、紡絲速度3 m l／h。在此條件下得到納米纖維膜親水性得到有效改善。