聚乳酸-透明質(zhì)酸復(fù)合膜的制備及其性能研究*

李俊起，王憲朋，劉陽，朱愛臣，王傳棟，王勤，馬麗霞，董浩

(山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101)

1 引 言

聚乳酸及其共聚物具有較高的力學(xué)強(qiáng)度及良好的生物相容性，以聚乳酸為原材料制備的植入器械已廣泛應(yīng)用于臨床，主要包括外科植入[1]、組織再生[2]、傷口敷料[3]以及載藥緩控釋等方面。但因其疏水性較強(qiáng)，細(xì)胞相容性較差等缺陷，易于引發(fā)無菌炎癥等，限制了其在臨床中的應(yīng)用。

靜電紡絲成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)，通過調(diào)整工藝參數(shù)可以制備出直徑在微米以下的纖維絲，纖維絲搭接而成的三維結(jié)構(gòu)具有高比表面積，且多孔結(jié)構(gòu)通透，這種三維結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)類似，可以為細(xì)胞在這種結(jié)構(gòu)中的粘附、增殖提供良好環(huán)境，促進(jìn)機(jī)體修復(fù)[4-7]。

透明質(zhì)酸是一種天然多糖，具有優(yōu)良的保水性、組織相容性和非免疫原性[8-11]，而單一透明質(zhì)酸制品在生物體內(nèi)降解時(shí)間短，臨床應(yīng)用中存在一定局限性。本研究通過靜電紡絲法制備得到聚乳酸納米纖維膜，采用等離子體表面處理技術(shù)將透明質(zhì)酸與納米纖維膜進(jìn)行復(fù)合。通過調(diào)整紡絲電壓、紡絲液濃度、等離子體處理時(shí)間等參數(shù)，得到具有不同力學(xué)性能和親水性的復(fù)合膜，以期改善單一疏水性材料或親水性材料在外科植入領(lǐng)域應(yīng)用受限的現(xiàn)狀。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚乳酸，重均分子量為10萬，自制；六氟異丙醇，分析純，濟(jì)南朗化化工有限公司；透明質(zhì)酸，重均分子量10～20萬，華熙福瑞達(dá)生物醫(yī)藥有限公司；純化水。

2.2 納米纖維膜的制備

將一定質(zhì)量的聚乳酸溶于六氟異丙醇中，攪拌溶解得到聚乳酸溶液；使用型號(hào)為1206(北京富友馬科技有限公司)的靜電紡絲機(jī)紡絲；接收輥與噴頭之間的距離設(shè)定為25 cm，接收輥轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000 r/min，紡絲溫度設(shè)定為40 ℃，給料裝置推進(jìn)速度為0.5 mL/h。

2.3 復(fù)合膜的制備

將得到的纖維膜固定于基板上，使用CIF的CPC-B等離子體清洗機(jī)對(duì)纖維膜進(jìn)行表面處理，射頻功率設(shè)定為100 W。處理一定時(shí)間后，將透明質(zhì)酸水溶液均勻涂覆于纖維膜表面，常溫下干燥24 h后，40℃真空烘箱干燥過夜，得到復(fù)合膜。

2.4 復(fù)合膜的性能表征

2.4.1纖維膜形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察 將樣品表面真空鍍金后，采用日本電子公司的JSM-6610LV掃描電子顯微鏡觀察纖維膜的表面形貌；隨機(jī)測(cè)量視野內(nèi)20根纖維絲的直徑，取平均值。

2.4.2力學(xué)性能的測(cè)定 將纖維膜裁切為長4 cm的條狀樣品，采用日本島津AGS-H型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)w維膜的力學(xué)性能；室溫下，以10 mm/min的速度拉伸直至纖維膜斷裂；軟件自動(dòng)記錄測(cè)試樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長率，每組樣品測(cè)試3次，取平均值。

2.4.3靜態(tài)接觸角的測(cè)量 將制備的樣品置于37℃條件下干燥過夜，使用上海軒準(zhǔn)儀器有限公司的XG-CAMC31型接觸角儀測(cè)試樣品表面的靜態(tài)接觸角，每個(gè)樣品測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，取5次的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 紡絲電壓對(duì)纖維膜的影響

靜電紡絲過程即紡絲液的靜電力克服其表面張力的過程。紡絲電壓是靜電紡絲過程中至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，適當(dāng)?shù)碾妷嚎梢跃S持泰勒錐的穩(wěn)定，得到直徑分布均勻、強(qiáng)度較高的纖維絲[12]。紡絲液為聚乳酸溶液且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，選取15、20、25 kv作為紡絲電壓，考察其對(duì)纖維膜性能的影響，見圖1，表1。

圖1紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，不同電壓下的纖維膜SEM照片(a).15kv；(b).20kv；(c).25kv

Fig1SEMphotosoffibersonthesurfaceatdifferentvoltagewhenspinningsolutionmassfractionis6% (a).15kv；(b).20kv；(c).25kv

由圖1可以看出，當(dāng)紡絲電壓設(shè)定為15 kv時(shí)，得到排列規(guī)整、直徑均一的纖維絲。當(dāng)紡絲電壓達(dá)到20 kv時(shí)，出現(xiàn)纖維絲粗細(xì)不均現(xiàn)象，所得纖維絲中存在少量串珠；隨著紡絲電壓逐漸增大到25 kv時(shí)，得到的纖維絲直徑明顯變小，纖維絲出現(xiàn)較多的串珠。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是，當(dāng)電壓選取恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，噴頭處出來的纖維絲能夠得到充分拉伸，纖維絲的直徑分布較為均一、排列有序，所得纖維膜的形貌得到改善。而紡絲電壓超出適當(dāng)范圍后，因紡絲液被過度拉伸，所得纖維絲的直徑變?。欢藭r(shí)泰勒錐亦處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使得纖維絲中的串珠增多[13]。

表1 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，不同紡絲電壓對(duì)纖維膜性能的影響

不同紡絲電壓條件下得到的纖維絲直徑有較大差異，從而對(duì)纖維膜的拉伸強(qiáng)度和伸長率產(chǎn)生影響。通過表1可以看出，隨著紡絲電壓的增大，纖維膜的拉伸強(qiáng)度和伸長率均呈減小趨勢(shì)。這種現(xiàn)象的原因可能是，當(dāng)紡絲電壓在適當(dāng)范圍內(nèi)時(shí)，得到的纖維絲直徑相對(duì)均一、排列有序、形貌規(guī)整，在外界拉力作用下，可以將這種拉伸力較好的分散開，測(cè)得纖維膜的拉伸強(qiáng)度和伸長率較高；而一旦紡絲電壓超過適當(dāng)范圍，因?yàn)槔w維絲中串珠的存在，使得拉伸過程中外界拉力在單根纖維絲上的分布不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所測(cè)得的拉伸強(qiáng)度和伸長率較低。紡絲電壓在15～20 kv之間，所得纖維膜的外觀及力學(xué)性能較好。

3.2 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維膜的影響

紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響纖維絲的形貌和直徑，并最終對(duì)纖維膜的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。當(dāng)選取15 kv為紡絲電壓、紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、7%和8%時(shí)，所得纖維絲的形貌均較好，見表2。

表2 當(dāng)紡絲電壓為15 kv時(shí)，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維膜性能的影響

由表2可知，隨紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，所得纖維絲的直徑逐漸增大。紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，紡絲過程連續(xù)，表明溶液中的聚合物之間已有足夠的分子鏈纏結(jié)；隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，單根纖維絲之間起分散作用的庫侖力不能抵消在電場(chǎng)中起拉伸作用的靜電力的增加，由噴頭噴出后到達(dá)接收輥的電荷載體質(zhì)量較大，使得纖維絲直徑變大，纖維膜的力學(xué)性能也得到提高。

3.3 等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合膜親水性能的影響

采用常壓等離子輝光放電處理聚乳酸纖維膜，以提高其表面極性，通過固定功率和氣源，考察了不同等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合膜親水性能的影響，見圖2。

由圖2可見，未經(jīng)處理的纖維膜的水靜態(tài)接觸角為124.96°，隨著等離子體處理時(shí)間的延長，纖維膜與透明質(zhì)酸復(fù)合后所得的復(fù)合膜表面的水靜態(tài)接觸角下降為62.4°，親水性有了較大改善。當(dāng)處理的時(shí)間為10 min時(shí)，因生熱嚴(yán)重，溫度升高，使得纖維膜發(fā)生收縮。因此，當(dāng)射頻功率設(shè)定為100 W時(shí)，最佳的處理時(shí)間為8 min。

圖2等離子體處理不同時(shí)間后，復(fù)合膜表面接觸角水滴圖型

(a).0min；(b).2min；(c).5min；(d).8min

Fig2Dropletpatternofcontactangleforcompositemembranessurfaceafterplasmatreatmentatdifferenttime

(a).0min;(b).2min;(c).5min;(d).8min

由圖3可見，透明質(zhì)酸溶液在未經(jīng)等離子體處理的纖維膜表面的鋪展效果差，涂覆后分布不均，顯微鏡放大照片顯示，透明質(zhì)酸鈉溶液呈孤島狀分散于纖維絲之間；纖維膜經(jīng)等離子體處理后，其表面的透明質(zhì)酸溶液均勻鋪展，與纖維絲緊密結(jié)合。這是因?yàn)槔w維膜表面經(jīng)等離子體處理后，引入了羧基、羥基等含氧極性基團(tuán)，使其表面親水性得到改善，進(jìn)而使得透明質(zhì)酸水溶液在纖維膜表面較好的鋪展。隨著等離子體處理時(shí)間的延長，纖維膜表面親水性逐漸提高，透明質(zhì)酸水溶液在纖維膜表面鋪展越均勻，最終測(cè)得的復(fù)合膜的接觸角越小。通過透明質(zhì)酸與聚乳酸材料的均勻復(fù)合，以期在植入體內(nèi)初期減輕異物炎癥反應(yīng)，提高復(fù)合膜的生物相容性。

4 結(jié)論

本研究以疏水性聚乳酸為原材料，通過靜電紡絲工藝得到纖維膜，采用等離子體處理技術(shù)對(duì)纖維膜進(jìn)行處理，然后與親水性透明質(zhì)酸復(fù)合，制備得到聚乳酸-透明質(zhì)酸復(fù)合膜。研究了靜電紡絲電壓、紡絲液濃度對(duì)纖維膜性能的影響，考察了等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合膜性能的影響。結(jié)果表明，紡絲電壓對(duì)纖維絲直徑有較大影響，最佳的紡絲電壓為15～20 kv之間。當(dāng)紡絲電壓超過此范圍時(shí)，纖維絲中出現(xiàn)串珠，進(jìn)而影響纖維膜的力學(xué)性能。纖維絲直徑隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，所得纖維膜的拉伸強(qiáng)度提高，伸長率下降。紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、7%和8%時(shí)，均能得到形貌均勻的纖維膜。隨著等離子體處理時(shí)間的延長，所得復(fù)合膜的親水性逐漸改善，當(dāng)射頻功率設(shè)定為100 W時(shí)，最佳的處理時(shí)間為8 min。

(a)未經(jīng)等離體子處理液滴照片 (b)等離子體處理后液滴照片

(c)未經(jīng)等離子體處理液滴涂覆照片 (d)等離子體處理后液滴涂覆照片

(e)未經(jīng)等離子體處理液滴涂覆后顯微鏡照片，放大100倍 (f)等離子體處理后液滴涂覆后顯微鏡照片，放大100倍

本研究所得的聚乳酸與透明質(zhì)酸緊密結(jié)合的復(fù)合膜，并未在本質(zhì)上改變透明質(zhì)酸的水溶性及降解速度快等問題，在后續(xù)的研究中，應(yīng)結(jié)合臨床需要，采用化學(xué)交聯(lián)等方法對(duì)透明質(zhì)酸進(jìn)一步改性。