潘 璐， 程亭亭， 徐 嵐,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215123； 2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

靜電紡納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大、生物相容性好等優(yōu)點，在組織工程支架領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。然而應(yīng)用該技術(shù)制備的納米纖維膜通?？讖叫?，易導(dǎo)致細胞生長受限，不利于營養(yǎng)物質(zhì)傳輸和廢棄物排泄，從而影響其在組織工程支架方面的應(yīng)用[1]；因此，采用靜電紡絲技術(shù)制備大孔徑納米纖維膜已成為該領(lǐng)域的研究熱點。

目前，大孔徑納米纖維膜常用的制備方法有溶劑燒鑄/顆粒浸出法[2]、改進接收裝置法[3]、微納米纖維沉積法[4]，物理修飾法[5]和調(diào)整紡絲參數(shù)法[6]。Nam等[2]使用同軸靜電紡絲裝置將NaCl顆粒附著在納米纖維表層，然后用去離子水沖洗去除NaCl顆粒，最終得到多孔的納米纖維支架；Blakeney等[7]將不銹鋼探針嵌入接地的半球形圓盤中作為接收裝置，成功制備了大孔徑的靜電紡納米纖維支架；Shim等[8]將制備好的殼聚糖納米纖維作為接收板，采用靜電紡絲法制備了納米-微米復(fù)合纖維膜；Gu等[9]利用超聲處理靜電紡絲技術(shù)制備了殼聚糖納米纖維膜，改變了納米纖維膜的孔徑和厚度；Cheng等[10]設(shè)計開發(fā)了一種使用銅網(wǎng)作為接收裝置，且其后放置有吹風(fēng)裝置的改進靜電紡絲裝置，并采用此裝置成功制備了大孔徑聚乙烯醇納米纖維膜。

然而，Cheng等[10]在實驗中采用的聚乙烯醇生物相容性較差，不利于其在組織工程中的應(yīng)用。聚己內(nèi)酯因其良好的生物降解性、藥物透過性、生物相容性、原料易得，以及不會對人體產(chǎn)生毒副作用，可提高藥物的穩(wěn)定性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域；但聚己內(nèi)酯的結(jié)晶性很強，親水性較差，屬于疏水性材料，作為組織工程材料時不利于細胞的黏附。聚乙二醇的分子中存在大量乙氧基，能夠與水形成氫鍵，具有良好的親水性，且其分子鏈兩端的羥基有較好的反應(yīng)性，可與很多化合物產(chǎn)生反應(yīng)，用于修飾聚合物。故可將其與其他高分子聚合物共混，降低高分子材料的結(jié)晶度，增加材料的親水性[11]。

綜合以上分析，本文采用改進的靜電紡絲裝置[10]制備了PLC/PEG大孔徑復(fù)合納米纖維膜，研究了紡絲溶液溶質(zhì)質(zhì)量配比及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合納米纖維膜形貌及其性能的影響，確定了最佳工藝參數(shù)，并探究了該大孔徑纖維膜在組織工程中應(yīng)用的可能性。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚己內(nèi)酯(PCL，相對分子質(zhì)量為80 000)，上海源葉生物科技有限公司；聚乙二醇(PEG，相對分子質(zhì)量為2 000)，國藥集團化學(xué)試劑蘇州有限公司；四氫呋喃(THF)，江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司；無水乙醇(分析純)，江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司；高糖完全培養(yǎng)基(DMEM)、胎牛血清(FBS)、青霉素&鏈霉素(雙抗型)、胰蛋白酶(EDTA)、磷酸鹽緩沖液(PBS)，蘇州明德生物科技有限公司；二甲基亞砜(細胞培養(yǎng)級，DMSO)、戊二醛固定液(電鏡專用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%)、噻唑蘭(MTT)，蘇州科創(chuàng)生物技術(shù)有限公司；丙酮，分析純，蘇州大學(xué)實驗材料供應(yīng)中心；人臍靜脈內(nèi)皮細胞(EC)，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)院。

1.2 實驗儀器

ISP01-A型恒流注射泵，保定蘭格恒流泵有限公司；DW-P403-1ACCC型高壓電源，天津東文高壓電器有限公司；靜電紡絲接收裝置，實驗室自制；S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司；INSTRON-3365型萬能材料試驗機，美國INSTRON公司；BPN-80CH(UV)型CO2培養(yǎng)箱，蘇州凱茵生物科技有限公司；Synergy HT型全自動酶標(biāo)儀，美國伯騰儀器有限公司；3524型24孔板、3599型96孔板，美國康寧公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紡絲溶液的配制

稱取一定質(zhì)量的PCL顆粒和PEG片狀物加入到質(zhì)量比為5∶1的四氫呋喃和無水乙醇混合溶液中，在室溫下磁力攪拌至均一澄清配制紡絲液；按照該方法配制PCL和PEG紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，其中PCL和PEG的質(zhì)量比分別為30∶70、50∶50、70∶30、80∶20、90∶10。確定PCL和PEG的最佳質(zhì)量配比后，使用最佳質(zhì)量配比，按上述方法繼續(xù)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、20%、25%、30%的紡絲液，以確定最佳紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2 大孔徑納米纖維膜的制備

改進靜電紡絲裝置如圖1所示。

圖1 改進的靜電紡絲裝置原理圖Fig.1 Schematic of modified electrospinning device

該裝置使用銅網(wǎng)作為接收裝置，且其后放置有吹風(fēng)裝置。采用此裝置制備PCL/PEG大孔徑復(fù)合納米纖維膜。根據(jù)文獻[10]中的最佳紡絲參數(shù)，設(shè)定接收銅網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為4 mm×4 mm，風(fēng)速為5 m/s，紡絲電壓為12 kV，紡絲距離為18 cm，紡絲速度為1.0 mL/h。

1.3.3 細胞培養(yǎng)

將納米纖維膜在紫外燈照射下殺菌4 h后，剪成1 cm×1 cm大小，放入乙醇溶液中浸泡1 h，然后用PBS沖洗3次后置于DMEM培養(yǎng)基中浸泡12 h，于室溫下干燥備用。

取凍存人臍靜脈內(nèi)皮細胞(EC)復(fù)蘇，置于CO2含量為5%和溫度為37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，觀察細胞生長狀態(tài)，待細胞增殖覆蓋培養(yǎng)瓶的90%時開始傳代。取生長狀況良好的第3代，用EDTA酶消化細胞后，調(diào)整細胞濃度為1×105個/mL，按照每孔1 mL細胞溶液的要求將細胞分別接種于空白24孔細胞培養(yǎng)板、大孔徑納米纖維膜和對照樣(傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜)上，每組設(shè)置3個平行樣，放入培養(yǎng)箱(5% CO2，37 ℃)中培養(yǎng)，每隔1～2 d更換1次培養(yǎng)基。

1.4 測試與表征

1.4.1 纖維膜表面形貌觀察及纖維直徑測試

在25 ℃條件下對樣品進行表面噴金處理，采用掃描電鏡觀察纖維膜的表面形貌。使用Image J軟件分析纖維的掃描電鏡照片，每個樣品中纖維直徑均隨機測量100次，計算平均值和直徑分布。

1.4.2 納米纖維膜的力學(xué)性能測試

將纖維膜制成長40 mm、寬10 mm的樣品后，置于溫度為20 ℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕室預(yù)調(diào)濕24 h以達到平衡回潮率。采用萬能材料試驗機對制備的纖維膜樣品進行力學(xué)性能測試。試樣的加持長度為20 mm，拉伸速度為20 mm/min，每組樣品測試5次，取平均值。

1.4.3 納米纖維膜的孔徑測試

選擇不同紡絲條件下制備的納米纖維膜樣品的相同倍數(shù)掃描電鏡照片，使用Image J軟件測量其孔徑，每個樣品各選10張，用Excel和OriginPro8.5計算纖維膜孔徑的平均值及其分布。

1.4.4 納米纖維膜的細胞相容性測試

采用四甲基偶氮噻唑藍(MTT)比色法表征細胞的黏附情況和增殖能力。在24孔板中的納米纖維膜上種植細胞后，分別在細胞培養(yǎng)了1、3、6、12 h和1、3、5、7 d時，向孔板每孔內(nèi)加入200 μL的MTT溶液，置于CO2培養(yǎng)箱中孵化4 h后，轉(zhuǎn)移至新的24孔板中并加入400 μL的DMSO搖晃10 min；再將混合后的溶液轉(zhuǎn)移至96孔板中，每孔100 μL，同時設(shè)置DMSO的空白對照；最后將96孔板置于酶標(biāo)儀中測定溶液吸光度值，選定波長為570 nm。根據(jù)測試的各樣品的吸光度值分析細胞的黏附和增殖情況。

1.4.5 細胞生長的形貌觀察

將細胞置于CO2含量為5%和溫度為37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)1、3、5、7 d后取出樣品，用PBS沖洗3次后，用戊二醛溶液將纖維膜上的細胞固定，置于4 ℃的冰箱中靜置一晚后取出，再用PBS沖洗3次；然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、50%、75%、90%和100%的乙醇梯度脫水各5 min；最后干燥樣品，噴金90 s后于冷場發(fā)射掃描電鏡下觀察細胞的生長情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶質(zhì)配比對納米纖維膜性能的影響

2.1.1 形貌與直徑分析

圖2為不同PCL和PEG質(zhì)量比的PCL/PEG納米纖維膜的掃描電鏡照片。

圖2 不同PEG和PCL質(zhì)量比納米纖維膜掃描電鏡照片(×10 000)Fig.2 SEM images of nanofiber membranes with different mass ratios of PEG and PCL(×10 000)

由圖2可知：當(dāng)PCL和PEG的質(zhì)量比為30∶70、50∶50和70∶30時，纖維上均有串珠產(chǎn)生，且隨著質(zhì)量比的增加呈減少趨勢；當(dāng)二者質(zhì)量比為80∶20和90∶10時，纖維上串珠消失，PCL/PEG納米纖維的表面光滑且平直。這是因為PCL的相對分子質(zhì)量比PEG大得多，因此，隨著PCL占比的增大，PCL分子鏈形成的無規(guī)線團體積增大且纏結(jié)充分，導(dǎo)致大分子運動時內(nèi)摩擦阻力增大，紡絲溶液的黏度增大[12]。當(dāng)溶液黏度較小時，其可紡性較差[12]，纖維上易有串珠生成。隨著溶液黏度增大，溶液可紡性變好，纖維的形貌也隨之變好，當(dāng)溶液黏度過大時，紡絲針頭易堵塞，紡絲過程不穩(wěn)定。

表1示出固定溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下不同PEG和PCL質(zhì)量比的PCL/PEG納米纖維膜的直徑統(tǒng)計結(jié)果。可知，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時，PCL/PEG納米纖維的平均直徑隨著PCL占比的增加而增大，且直徑分布的均勻性也越來越差。這是由于PCL占比增多使得溶液黏度增大，從而導(dǎo)致纖維平均直徑增大[12]。此外，當(dāng)紡絲溶液黏度較大時，紡絲針頭易發(fā)生堵塞，影響了紡絲過程的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致纖維直徑分布性越來越差。

表1 不同PEG和PCL質(zhì)量比納米纖維膜的直徑統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Diameter statistics of nanofibers with different mass ratios of PEG and PCL

2.1.2 力學(xué)性能分析

表2示出不同PCL和PEG質(zhì)量比的PCL/PEG納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率?？芍?，隨著PCL占比增加，PCL/PEG納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率均呈增加趨勢，斷裂強度由0.62 MPa增加到3.71 MPa，斷裂伸長率由25.13%增加至92.43%，表明PCL/PEG納米纖維膜的力學(xué)性能隨著PCL占比的增加而增強。這是因為隨著PEG占比的增加，PEG分散相將以液滴形式存在于PCL連續(xù)相中，極大影響了紡絲過程的穩(wěn)定性和纖維成形的連續(xù)性，破壞了纖維的成絲均一性，因此，隨著單軸抗拉強度較大的PCL的占比增加[13]，以液滴形式存在的PEG分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之減少，紡絲溶液的黏度增加，可紡性變好，紡絲過程穩(wěn)定，纖維形貌結(jié)構(gòu)變好，無串珠生成，降低了弱環(huán)效應(yīng)的影響，且纖維直徑也隨之增加，從而導(dǎo)致纖維膜的強度增加，且PCL納米纖維膜對比PEG納米纖維膜具有更好的柔韌性。

綜上可知，當(dāng)PCL和PEG的質(zhì)量比為80∶20時，PCL/PEG納米纖維膜的形貌較好，且纖維的平均直徑較小，分布較均勻，力學(xué)性能也較好，故確定以80∶20質(zhì)量比的PCL/PEG納米纖維膜進行下一步實驗分析。

表2 不同PCL和PEG質(zhì)量比納米纖維膜的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of nanofiber membranes with different mass ratios of PEG and PCL

2.2 紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維膜性能影響

2.2.1 對形貌結(jié)構(gòu)和直徑的影響

圖3示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紡絲溶液制備的PCL/PEG納米纖維膜的掃描電鏡照片?？芍寒?dāng)紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和20%時，纖維上有微球產(chǎn)生，這是因為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，其黏度也較低，可紡性差，溶劑快速揮發(fā)造成紡絲射流無法在外加電場的作用下被充分拉伸，故形成微球[14]；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，PCL/PEG納米纖維膜的形貌光滑、平直，無微球出現(xiàn)；但當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30%時，納米纖維出現(xiàn)彎曲、表面不光滑，且有串珠出現(xiàn)，這可能是由于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，導(dǎo)致溶液黏度過大，可紡性差造成的。此外，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，溶液黏度過大，流動性差，易凝結(jié)造成針頭的阻塞，從而影響紡絲的持續(xù)進行。

圖3 不同PCL/PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維的形貌(×10 000)Fig.3 Morphology of nanofibers with different PCL/PEG concentrations(×10 000)

表3為PCL和PEG質(zhì)量比為80∶20時不同紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下PCL/PEG納米纖維的直徑分布情況。

由表3可知，當(dāng)PCL和PEG的質(zhì)量配比不變時，納米纖維的平均直徑隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，這主要是因為聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，使得紡絲溶液的黏度增加，從而導(dǎo)致纖維直徑增加。

表3 不同PCL/PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維的直徑統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Diameter statistics of nanofibers with different PCL/PEG mass fractions

2.2.2 對力學(xué)性能的影響

表4示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紡絲溶液制備的PCL/PEG納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率測試結(jié)果?？芍?，隨著紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PCL/PEG納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率均呈增加的趨勢。這是由于當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，溶液黏度也較低，分子鏈相互纏結(jié)不充分，且纖維呈串珠狀纖維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維膜力學(xué)性能較差；隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，溶液的黏度增加，大分子鏈之間纏結(jié)充分，可紡性變好，纖維形貌結(jié)構(gòu)變好，從而使得纖維膜的斷裂強度增加，斷裂伸長率增加。

表4 不同PCL/PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維膜的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of nanofiber membranes with different PCL/PEG mass fractions

綜上可知，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，納米纖維膜的形貌最好，且力學(xué)性能也較好，因此，選擇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%進行下一步分析。

2.3 細胞在纖維膜上的黏附與增殖

圖4示出在PCL和PEG的混紡質(zhì)量比為80∶20，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%條件下制備的傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜和改進靜電紡納米纖維膜的掃描電鏡照片。表5示出2種方法制備的納米纖維膜的平均孔徑測試結(jié)果。可知，改進的靜電紡絲方法制備的納米纖維膜的孔面積較傳統(tǒng)靜電紡絲方法制備的納米纖維膜的孔面積大。

圖5示出人臍靜脈內(nèi)皮細胞在2種纖維膜及空白培養(yǎng)板上的黏附和增殖情況。從圖5(a)可看出：在培養(yǎng)12 h內(nèi)，細胞黏附在2種纖維膜和空白培養(yǎng)板上，且隨著時間的延長，黏附細胞的數(shù)量略有增加；前6 h內(nèi)細胞大都已經(jīng)黏附在納米纖維膜和空白培養(yǎng)板上，在后6 h吸光度值的變化不大，且改進靜電紡制備的大孔徑納米纖維膜上細胞的黏附情況較傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜的好。這是因為大孔徑納米纖維膜的孔徑大，更利于細胞的黏附。

圖4 傳統(tǒng)和改進靜電紡PCL/PEG納米纖維膜的掃描電鏡照片(×2 000)Fig.4 SEM images of traditional (a) and modified (b) electrospinning PCL/PEG membranes(×2 000)

表5 傳統(tǒng)和改進靜電紡PCL/PEG納米纖維膜的孔面積統(tǒng)計結(jié)果Tab.5 Pore size statistics of traditional and modified electrospinning PCL/PEG membranes

由圖5(b)可知：在細胞培養(yǎng)7 d的過程中，2種纖維膜上培養(yǎng)的細胞數(shù)量整體均呈增加趨勢；培養(yǎng)1 d時，吸光度值沒有顯著性差異；培養(yǎng)3 d時細胞增殖逐漸加快，培養(yǎng)5 d時急劇增加，而至培養(yǎng)7 d時增殖又變得緩慢。此外，還可明顯看出，培養(yǎng)1 d時2種纖維膜的吸光度值幾乎相同，培養(yǎng)3 d時改進靜電紡納米纖維膜的吸光度值略高于傳統(tǒng)的靜電紡納米纖維膜，而在培養(yǎng)5和7 d時，改進靜電紡大孔徑納米纖維膜的吸光度值明顯高于傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜。這表明改進的靜電紡大孔徑納米纖維膜上的細胞增殖較傳統(tǒng)的靜電紡納米纖維膜快，且細胞數(shù)量多，說明大孔徑納米纖維膜更易于細胞的生長與增殖。

圖6為人臍靜脈內(nèi)皮細胞在傳統(tǒng)和改進靜電紡納米纖維膜上分別培養(yǎng)1、3、5、7 d的掃描電鏡照片?？梢姡弘S著培養(yǎng)天數(shù)的增加，細胞數(shù)量增加，且培養(yǎng)3～5 d時，細胞增殖較快。此外，改進的靜電紡大孔徑納米纖維膜上培養(yǎng)的細胞的增殖情況和生長情況較傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜更好；培養(yǎng)7 d時，人臍靜脈內(nèi)皮細胞呈片狀覆蓋在傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜上，而改進的靜電紡大孔徑納米纖維膜的表面幾乎完全被細胞覆蓋。該結(jié)果進一步說明了PCL/PEG納米纖維膜對細胞無毒，細胞可在其上獲得良好的生長，并表明改進的靜電紡絲裝置制備的大孔徑PCL/PEG納米纖維膜更有利于細胞的生長和增殖。

圖6 培養(yǎng)不同時間時人臍靜脈內(nèi)皮細胞在傳統(tǒng)和改進的納米纖維膜上的掃描電鏡照片(×600)Fig.6 SEM images of EC cultured on traditional(a)and improved(b)nanofiber membranes at different times(×600)

3 結(jié) 論

1)PCL和PEG質(zhì)量比及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同均使得PCL/PEG納米纖維膜具有不同的形貌和性能。當(dāng)PCL和PEG的質(zhì)量比為80∶20，紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，納米纖維膜的形貌較好，纖維直徑較小且直徑分布相對均勻，力學(xué)性能也較好。

2)改進的靜電紡絲方法制備的PCL/PEG納米纖維膜的孔面積較傳統(tǒng)靜電紡絲納米纖維膜的大，其平均孔面積由9.00 μm2提高到了15.22 μm2。

3)人臍靜脈內(nèi)皮細胞在傳統(tǒng)和改進的靜電紡納米纖維膜上的黏附和增殖情況表明PCL/PEG納米纖維膜對細胞無毒，具有良好的細胞相容性，且改進靜電紡絲裝置制備的大孔徑PCL/PEG納米纖維膜更有利于細胞的生長和增殖，更適合應(yīng)用于組織工程支架。