凝固浴對(duì)再生膠原纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

杜 璇， 丁長(zhǎng)坤， 岳程飛， 蘇杰梁， 閆旭煥， 程博聞

1. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進(jìn)纖維與儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387; 3. 天津科技大學(xué), 天津 300457)

膠原(Col)是哺乳動(dòng)物體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)蛋白，大多分布于皮膚、肌腱、骨、軟骨等部位中，具有獨(dú)特的三螺旋結(jié)構(gòu)[1-3]，具備生物相容性和生物可降解性優(yōu)良以及免疫原性低等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。其中，再生膠原纖維是可吸收手術(shù)縫合線的主要品種之一。

迄今，科研人員對(duì)膠原纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]。在傳統(tǒng)纖維成形技術(shù)中，濕法紡絲和干濕法紡絲應(yīng)用最為普遍[7-8]。其中，凝固浴無(wú)疑是影響膠原纖維成形、結(jié)構(gòu)和性能的重要因素之一。已報(bào)道的膠原纖維成形的凝固浴有丙酮[9-10]、硫酸鈉(Na2SO4)溶液[11]、碳酸鈉(Na2CO3)溶液[12]、磷酸鹽(PBS)緩沖液、氯化鈉(NaCl)溶液和聚乙二醇(PEG)溶液[13-14]等，其凝固成形時(shí)間分別為3～5 min(丙酮)、2 h(Na2SO4)、20 s(Na2CO3)、15 min(NaCl和PEG(相對(duì)分子質(zhì)量為8 000)混合液)和48 h(PBS緩沖液)，制備的纖維的斷裂強(qiáng)度差別亦較大(20～180 MPa(丙酮)、0.4～0.7 cN/dtex(Na2CO3)和154 MPa左右(PBS緩沖液))[15]?？梢钥闯?，目前所報(bào)道的凝固浴組成多種多樣，纖維凝固成形時(shí)間長(zhǎng)短不一，而纖維的性能亦有所差別。

目前，對(duì)再生膠原纖維凝固成形系統(tǒng)的研究報(bào)道還比較少。為此，本文選擇4種(丙酮、NaCl溶液、PEG溶液、PBS緩沖液)使膠原紡絲液脫水及凝固速度不同的溶液作為凝固浴，運(yùn)用干濕法紡絲技術(shù)制備再生膠原纖維，系統(tǒng)研究凝固條件對(duì)纖維微纖結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，總結(jié)不同凝固浴和成形條件下的纖維成形規(guī)律，為制備結(jié)構(gòu)可控的醫(yī)用可吸收手術(shù)縫合線等膠原纖維材料提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：膠原(提取自牛肌腱)，天津市賽寧生物工程技術(shù)有限公司；聚乙二醇(PEG，相對(duì)分子質(zhì)量分別為4 000、6 000、8 000、10 000)、氯化鈉(NaCl)、磷酸鹽(PBS)緩沖液、氫氧化鈉、鹽酸，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司；冰醋酸、丙酮、氨水，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

儀器：干噴濕法紡絲裝置，實(shí)驗(yàn)室自制；DW-I系列無(wú)極調(diào)速電動(dòng)攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；TGL-16M型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司；LLY-06系列電子單纖維強(qiáng)力儀，萊州市電子儀器有限公司；S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；D8 DISCOVER型X射線衍射儀，德國(guó)布魯克公司；Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 再生膠原纖維的制備

再生膠原纖維紡絲原液的制備：以濃度為0.5 mol/L的冰醋酸溶液為溶劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的膠原紡絲原液，為避免溶解時(shí)膠原發(fā)生熱變性，溶解全程使溫度保持在4 ℃左右；膠原充分溶解后，于4 ℃下離心脫泡獲得膠原紡絲原液。

再生膠原纖維的制備：用自制干噴濕法紡絲裝置，將紡絲原液以0.5 mL/min的速度擠入凝固浴(氣隙高度為5～10 mm)，溶液細(xì)流經(jīng)過(guò)脫溶劑固化成形后獲得凝膠態(tài)膠原初生纖維；使用去離子水將初生纖維沖洗3～5次，再于室溫下以5 g砝碼懸吊拉伸，自然風(fēng)干得到再生膠原纖維。凝固浴分別為丙酮[16](丙酮、氨水、去離子水按一定體積比例配制)、NaCl溶液(0.5、0.8、1.0、1.5 mol/L)、PEG溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，溶于5 mg/mL的PBS緩沖液中)、PBS緩沖液(10 mg/mL，pH值為7.4)，體積均為120 mL。本文實(shí)驗(yàn)用1 mol/L NaOH和HCl調(diào)節(jié)NaCl溶液和PEG溶液的pH值進(jìn)行相關(guān)分析。為方便敘述，4種凝固浴所得纖維分別記為丙酮-Col纖維、NaCl-Col纖維、PEG-Col纖維以及PBS-Col纖維。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

使用電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試再生膠原纖維的力學(xué)性能，夾距為10 mm，拉伸速率為10 mm/min，溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為75%。每個(gè)試樣測(cè)試10次，取平均值。

1.3.2 形貌觀察

使用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面、剖面與斷面形貌。測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行干燥與噴金處理，加速電壓為10 kV。

1.3.3 結(jié)晶性能測(cè)試

通過(guò)X射線衍射儀對(duì)干燥后的纖維進(jìn)行結(jié)晶性能分析，具體測(cè)試條件：Cu靶為放射源，電流為30 mA，電壓為40 kV，掃描速度為5 (°)/min，掃描范圍為5°～40°。

1.3.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

使用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。取少量纖維與KBr粉末一起放入研缽中混勻磨細(xì)，壓成薄片制樣，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維力學(xué)性能分析

圖1示出丙酮-Col纖維的力學(xué)性能曲線，依次以去離子水體積、氨水體積以及凝固時(shí)間為變量進(jìn)行分析。丙酮會(huì)顯著降低水的介電常數(shù)[17]，導(dǎo)致膠原分子脫水和聚集，凝固的速度相對(duì)較快，因此，可以加入適量水調(diào)節(jié)紡絲原液中的溶劑(去離子水)與凝固浴中的凝固劑(丙酮)之間的雙擴(kuò)散速度。由圖1(a)可以看出：當(dāng)去離子水的添加量較低時(shí)，雙擴(kuò)散過(guò)程很快，導(dǎo)致纖維內(nèi)部空隙較多，微纖堆積不夠緊密，纖維斷裂強(qiáng)度較低；隨著去離子水添加量的增加，雙擴(kuò)散速度放緩，再生膠原纖維脫水變慢，纖維結(jié)構(gòu)變得均勻，使得纖維的斷裂強(qiáng)度提高；當(dāng)去離子水添加量為0.4 mL時(shí)，所得再生膠原纖維的斷裂強(qiáng)度最高為1.22 cN/dtex。但去離子水添加量持續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致雙擴(kuò)散過(guò)于緩慢，以致于在相同時(shí)間內(nèi)纖維成形程度低，使紡出的纖維力學(xué)性能變差。

目前，繼電保護(hù)裝置整機(jī)生產(chǎn)測(cè)試主要停留在手動(dòng)測(cè)試或借助商用測(cè)試儀（如博電、昂立）和自主開(kāi)發(fā)的測(cè)試儀進(jìn)行的半自動(dòng)測(cè)試階段。無(wú)論哪種測(cè)試方案，整個(gè)測(cè)試過(guò)程都過(guò)于依賴測(cè)試工程師的參與：測(cè)試工程師要不斷根據(jù)保護(hù)裝置的類型選擇測(cè)試線，并選擇相關(guān)功能進(jìn)行測(cè)試。缺點(diǎn)是測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，測(cè)試時(shí)間稍長(zhǎng)。為此，本文深入研究智能電網(wǎng)保護(hù)裝置生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)子環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)測(cè)試子過(guò)程的不斷集成及優(yōu)化，生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)的綜合利用，整機(jī)測(cè)試儀的技術(shù)改進(jìn)，氣動(dòng)系統(tǒng)的靈活控制等，設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)裝置整機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置的智能化大生產(chǎn)測(cè)試。

從圖1(b)可以看出，再生膠原纖維的力學(xué)性能隨凝固浴中氨水添加量的增加呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)，當(dāng)氨水添加量為2～4 mL時(shí)，此時(shí)pH值更接近膠原的等電點(diǎn)[18]，膠原分子脫水及聚集、凝固速度較快，所得再生膠原纖維斷裂強(qiáng)度較高。由圖1(c)可知，纖維的斷裂強(qiáng)度隨著凝固時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，凝固時(shí)間太短使纖維成形慢，纖維內(nèi)部膠原分子間作用力小，力學(xué)性能不高，而凝固時(shí)間太長(zhǎng)則又使纖維斷裂強(qiáng)度下降。綜上所述，丙酮凝固浴的最佳條件為：去離子水添加量0.4 mL，氨水添加量2 mL，凝固時(shí)間3 min。

圖1 丙酮-Col纖維的力學(xué)性能

圖2示出NaCl-Col纖維的力學(xué)性能曲線，依次以NaCl濃度、pH值以及凝固時(shí)間為變量進(jìn)行分析。由圖2(a)可看出，NaCl濃度的增加會(huì)使纖維的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)NaCl濃度較低時(shí)，膠原溶液細(xì)流脫水較慢，造成纖維成形困難、強(qiáng)度差。隨著NaCl濃度的增加，鹽離子會(huì)使膠原分子表面的靜電作用力變大，分子間通過(guò)靜電作用更易聚集，使得膠原微纖自組裝過(guò)程加快，最終纖維力學(xué)強(qiáng)度得到提升。但當(dāng)凝固浴中的NaCl超過(guò)一定濃度時(shí)，纖維的斷裂強(qiáng)度反而下降。這可能是因?yàn)槔w維中一定量的NaCl殘留會(huì)使膠原分子及微纖的排列和堆積密度減小，微纖間的相互作用力下降[19]，纖維力學(xué)性能變差。結(jié)合圖2(b)、(c)可以看出，當(dāng)NaCl濃度為0.8 mol/L、pH值為7.4、凝固時(shí)間為10 min時(shí)，再生膠原纖維斷裂強(qiáng)度最高可達(dá)0.62 cN/dtex。

圖2 NaCl-Col纖維的力學(xué)性能

圖3示出PEG-Col纖維的力學(xué)性能曲線，依次以PEG相對(duì)分子質(zhì)量、pH值以及凝固時(shí)間為變量進(jìn)行分析。由圖3(a)可以看出，以PEG相對(duì)分子質(zhì)量為8 000的溶液為凝固浴所得纖維的斷裂強(qiáng)度最優(yōu)，達(dá)到0.43 cN/dtex。原因可能是短鏈的低相對(duì)分子質(zhì)量的PEG 不僅比長(zhǎng)鏈的高相對(duì)分子質(zhì)量的PEG更易使膠原分子自組裝產(chǎn)生短原纖，還會(huì)隨機(jī)雜亂排列在膠原分子之間，影響膠原分子之間的相互作用和膠原微纖排列的規(guī)整程度，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度較低。而PEG相對(duì)分子質(zhì)量為8 000時(shí)正好可以在多肽螺旋結(jié)構(gòu)有限的空間內(nèi)促進(jìn)膠原分子的運(yùn)動(dòng)和微纖的有序排列[13]。綜合圖3(b)、(c)可以看出，當(dāng)PEG相對(duì)分子質(zhì)量為8 000、pH值為7.4、凝固時(shí)間為8 min時(shí)，PEG-Col纖維力學(xué)性能較好。

圖3 PEG-Col纖維的力學(xué)性能

圖4示出不同凝固時(shí)間的PBS-Col纖維的力學(xué)性能曲線?？梢钥闯?，與前3種凝固浴相比，PBS緩沖液中再生膠原纖維的成形時(shí)間要長(zhǎng)得多。這主要是因?yàn)榻M成PBS緩沖液的無(wú)機(jī)鹽的濃度很低，膠原溶液表面水化層的脫除速度很慢。當(dāng)凝固時(shí)間為2 h時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度較低;當(dāng)凝固時(shí)間為24 h時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)最優(yōu)為1.08 cN/dtex。較長(zhǎng)的凝固時(shí)間使得膠原分子可以緩慢地進(jìn)行自組裝，所形成微纖的有序、規(guī)整程度較好。但隨著凝固時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，纖維的斷裂強(qiáng)度卻有所下降，這可能是因?yàn)槔w維內(nèi)部殘留的更多的無(wú)機(jī)鹽引起的。

圖4 PBS-Col纖維的力學(xué)性能

2.2 纖維形貌分析

圖5示出2.1節(jié)得到的力學(xué)性能最優(yōu)的丙酮-Col、NaCl-Col、PEG-Col和PBS-Col纖維的表面、剖面和斷面SEM形貌。

圖5 再生膠原纖維SEM照片

由圖5(a)可見(jiàn)，所有纖維表現(xiàn)出相似的表面形貌。丙酮-Col纖維和PEG-Col纖維表面較為光滑，且丙酮-Col纖維表現(xiàn)出更明顯的致密原纖化結(jié)構(gòu)[20]。而NaCl-Col纖維和PBS-Col纖維因?yàn)橛宣}的殘留使纖維中微纖堆積致密程度下降，表面稍顯粗糙。

由圖5(b)可以看出，丙酮-Col纖維內(nèi)部的微纖較為細(xì)小，其沿著纖維軸向有序排列且堆積成緊密的聚集體，微纖間有很強(qiáng)的相互作用力，纖維的斷裂強(qiáng)度最高。而NaCl-Col纖維和PEG-Col纖維內(nèi)部的微纖尺寸較大，排列較為疏松，微纖間隙較大；且NaCl-Col纖維可能因?yàn)镹aCl的存在導(dǎo)致微纖尺寸有較大差異，PEG-Col纖維微纖較為均勻但微纖間連接仍然較少，這些原因?qū)е逻@2種纖維的斷裂強(qiáng)度均較低。相比較，PBS-Col纖維的微纖尺寸也較大且均一性強(qiáng)，排列規(guī)整緊密，使得其斷裂強(qiáng)度要高于NaCl-Col纖維和PEG-Col纖維，但仍低于丙酮-Col纖維。圖5(c)的纖維斷面形貌呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

2.3 纖維結(jié)晶性能分析

圖6示出再生膠原纖維的XRD曲線。可見(jiàn):在2θ為7°～8°處出現(xiàn)1個(gè)比較尖銳的小峰，反映的是膠原分子間的距離;第2個(gè)峰出現(xiàn)在20°左右，是1個(gè)較寬的饅頭峰，是纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層次漫散射造成的[21]。

圖6 再生膠原纖維XRD曲線

根據(jù)布拉格方程，NaCl-Col纖維(2θ=7.2°)、PEG-Col纖維(2θ=7.3°)和PBS-Col纖維(2θ=7.3°)的第1個(gè)衍射峰向左有微弱偏移，表明膠原分子間距變大，而丙酮-Col纖維(2θ=7.8°)的膠原分子間距較小，排列緊密而有序，這與纖維斷面的形貌觀察結(jié)果一致。

2.4 纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖7示出再生膠原纖維的紅外光譜圖?？芍?，再生膠原纖維存在典型的酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶、Ⅲ帶和酰胺A帶、B帶的特征峰。在4 000～2 500 cm-1范圍內(nèi)，3個(gè)吸收峰依次對(duì)應(yīng)酰胺A帶、酰胺B帶以及—CH2的反對(duì)稱彎曲振動(dòng)。1 635 cm-1處對(duì)應(yīng)膠原的酰胺Ⅰ帶特征峰，該振動(dòng)頻率通常受到肽鏈側(cè)基的影響，而酰胺Ⅱ帶(1 550 cm-1)對(duì)膠原螺旋結(jié)構(gòu)不敏感。酰胺Ⅲ帶的吸收峰出現(xiàn)在1 241 cm-1處[22-23]。

圖7 再生膠原纖維紅外光譜圖

由圖7還可以看出，酰胺A帶和酰胺I帶2個(gè)特征峰并未發(fā)生明顯偏移，說(shuō)明膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)保持完好，即不同凝固浴所得纖維均完整地保留了膠原的特征結(jié)構(gòu)，其可以發(fā)揮膠原的一系列生物學(xué)功能。對(duì)于PEG-Col纖維出現(xiàn)的差異性，認(rèn)為是PEG分子在三股螺旋之間有限的空間內(nèi)平行排列，導(dǎo)致紅外光譜圖中出現(xiàn)了PEG分子的特征峰[15,24]。

3 結(jié) 論

本文以丙酮、NaCl溶液、聚乙二醇(PEG)溶液、磷酸鹽(PBS)緩沖液為凝固浴，通過(guò)干濕法紡絲技術(shù)制備了再生膠原(Col)纖維，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試，得到如下主要結(jié)論。

1)丙酮會(huì)顯著降低水的介電常數(shù)，導(dǎo)致膠原分子脫水和聚集，凝固的速度相對(duì)較快。NaCl溶液和PBS緩沖液均通過(guò)脫除膠原表面的水化層使其析出，且二者都可使膠原表面的靜電作用力變大而易于聚集，但PBS緩沖液因鹽的濃度過(guò)低導(dǎo)致其脫水速度很慢。PEG及其相對(duì)分子質(zhì)量大小會(huì)影響膠原分子之間的相互作用。

2)丙酮-Col纖維的微纖較為細(xì)小，排列有序程度高且堆積緊密，微纖間有很強(qiáng)的相互作用力，纖維斷裂強(qiáng)度最高。PBS-Col纖維的微纖尺寸較大且均一性強(qiáng)，排列較為緊密，斷裂強(qiáng)度次之。NaCl-Col和PEG-Col纖維微纖尺寸亦較大且有一定間隙，排列較為疏松，微纖間相互作用力低，二者斷裂強(qiáng)度較低。4種凝固浴所得纖維均完整地保留了膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)。