俞楊銷，李 楓，王煜煜，王善龍，王建南,2，許建梅,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學(xué) 紡織行業(yè)醫(yī)療健康用蠶絲制品重點實驗室，江蘇 蘇州 215123)

納米纖維膜具有小尺寸、高比表面積以及高孔隙率等特點，能夠模仿細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)為細(xì)胞提供仿生地形信號，從而誘導(dǎo)細(xì)胞黏附生長，已被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域[1-2]。從天然蠶絲脫膠得到的絲素蛋白(SF)具有優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性、生物可降解性以及較低的免疫原性等特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注[3-4]。采用SF制備的靜電紡納米纖維膜能夠模仿細(xì)胞外基質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)，是一種理想的組織工程支架材料[5]。然而由單一SF材料制備的納米纖維膜缺乏誘導(dǎo)細(xì)胞增殖分化的能力，難以使受損組織的形狀和功能完全恢復(fù)。

研究表明，電刺激能夠激活組織干細(xì)胞的細(xì)胞外反應(yīng)，促進(jìn)受損組織的修復(fù)[6-7]。生物體內(nèi)存在自由離子、偶極子和極化分子，能夠使生物體產(chǎn)生和傳導(dǎo)電流并形成內(nèi)部弱電場[8]。如果細(xì)胞在導(dǎo)電介質(zhì)上生長，內(nèi)部電場則會得到加強，從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化以及生長因子的分泌，進(jìn)一步促進(jìn)組織的再生和生長[9]，因此一些導(dǎo)電材料如碳納米管、石墨烯，導(dǎo)電聚合物如聚吡咯(PPy)、聚苯胺等在生物醫(yī)用領(lǐng)域備受關(guān)注。其中PPy因其良好的導(dǎo)電性和生物相容性[10-11]，易于與其他材料如SF[12-14]、聚乳酸-聚己內(nèi)酯[15-16]、殼聚糖[17]等天然生物材料復(fù)合加工的特性，在組織再生領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用優(yōu)勢。Zhao等[14]制備的PPy/SF復(fù)合支架在電刺激協(xié)同作用下，表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性，血旺細(xì)胞增殖、遷移以及神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)相對純SF支架均有顯著增加。Liang等[18]研究表明，PPy涂層的SF靜電紡絲膜能夠增強心臟特異性蛋白表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞間偶聯(lián)。

目前將PPy與SF復(fù)合制備納米纖維膜用于生物材料的技術(shù)主要有原液共混與纖維表面涂層2種方法，納米纖維成形技術(shù)主要有3D打印和靜電紡絲。Zhao等[14]通過對3D打印的平行SF纖維進(jìn)行涂層的方式制得了PPy/SF復(fù)合導(dǎo)電纖維，再與純SF靜電紡絲膜復(fù)合制得的導(dǎo)電性神經(jīng)導(dǎo)管，其電導(dǎo)率為1.14×10-3S/cm。Liang等[18]將摻雜的PPy加入六氟異丙醇的絲素溶液中共混，過濾后靜電紡絲制成PPy/SF膜，從電鏡照片上可看到纖維表面出現(xiàn)大量珠狀物，可見共混溶液中PPy是呈較大顆粒狀存在的，由此紡制的導(dǎo)電膜破壞了純SF納米膜的納米纖維狀表面，且電導(dǎo)率并不理想，僅為 0.52×10-3S/cm。

基于以上分析可知，PPy與SF二者結(jié)合而成的復(fù)合材料在組織工程再生中展現(xiàn)出了巨大的潛力。而為了制備出電導(dǎo)率更優(yōu)同時具有理想的納米纖維表面結(jié)構(gòu)與形態(tài)的PPy/SF復(fù)合膜，仍需對制備工藝參數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究與探索。為此，本文通過靜電紡絲技術(shù)制備了SF納米纖維膜，探究了不同紡絲工藝下SF納米纖維膜的表面形貌；采用原位聚合方法對SF納米纖維膜進(jìn)行涂層，制備了PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜，并對其表面形貌、導(dǎo)電性和化學(xué)結(jié)構(gòu)等性能進(jìn)行表征，以求獲得最佳導(dǎo)電性的復(fù)合配方，為開發(fā)組織修復(fù)材料提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：再生絲素蛋白(SF)海綿，自制；甲酸(分析純)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；吡咯(Py，化學(xué)純)，阿拉丁生化科技股份有限公司；無水FeCl3(分析純)，上海麥恪林生化科技有限公司；對甲苯磺酸(分析純)，生工生物工程(上海)股份有限公司。

儀器：JDF05靜電紡絲機，長沙納儀儀器科技有限公司；AR224CN電子天平，美國奧豪斯公司；SK-0180-pro 數(shù)控圓周搖床，大龍興創(chuàng)實驗儀器(北京)有限公司；TM3030掃描電子顯微鏡，日本日立公司；ST-2258C四探針測試儀，蘇州晶格電子有限公司；NICOLET IS5傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 SF納米纖維膜的制備

取一定量的再生SF海綿溶解于甲酸中，配制成一定質(zhì)量濃度的紡絲溶液，進(jìn)行靜電紡絲。紡絲針頭針號為20 G，接收滾筒直徑為7.6 cm，接收間距為10 cm，噴頭橫動距離為0 cm，溫度為(30±3)℃，濕度為(30±4)%，紡絲液質(zhì)量濃度分別為0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 g/mL；推注速度分別為0.1、0.2、0.3 mL/h；電壓分別為16、20、24 kV；滾筒轉(zhuǎn)速分別為500、1 000 r/min。通過掃描電子顯微鏡觀察纖維形貌，確定最佳工藝參數(shù)。采用此工藝參數(shù)進(jìn)行靜電紡絲，噴絲頭橫向往返距離為100 mm，橫向移動速度為0.3 mm/s，紡絲時間為7 h，制得SF納米纖維膜。將制得的SF納米纖維膜剪成1.5 cm×1.5 cm，作為后續(xù)的試樣膜。

1.2.2 PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的制備

稱取一定量的對甲苯磺酸加入到去離子水中，然后加入一定量的Py溶液，配制成含有摻雜劑的Py混合液，其中Py單體濃度為0.3 mol/L，對甲苯磺酸濃度為0.3 mol/L。稱取一定量的無水FeCl3加入到去離子水中，分別配制成0.15、0.3、0.6、0.9、1.2 mol/L的FeCl3溶液。

取10 mL含有摻雜劑的Py混合液加入到25 mL 玻璃瓶中，加入試樣膜，在冰水混合物中振蕩 1 h，然后加入10 mL FeCl3溶液，Py單體與FeCl3的量比分別為1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，繼續(xù)在冰水混合物中振蕩6 h。聚合完畢后取出試樣，在室溫下干燥，得到PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜。

1.3 測試與表征

1.3.1 表面形貌表征

從試樣膜上剪取小塊粘貼至樣品臺，使用SwiftED3000真空離子濺射機噴金，在掃描電子顯微鏡下觀察納米纖維膜形貌。使用Image J軟件隨機在SF納米纖維膜電鏡照片中選取100根纖維測量其直徑，并進(jìn)行統(tǒng)計。

1.3.2 導(dǎo)電性測試

利用四探針測試儀在室溫下測量PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的電阻率ρ，測量8次，正反兩面各4次，取平均值，并通過下式計算電導(dǎo)率：

式中：σ為電導(dǎo)率，S/cm；ρ為電阻率，Ω·cm。

1.3.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

將試樣膜在干燥器中干燥30 min后直接用傅里葉變換紅外光譜儀對PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。測試條件：測試范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為16，分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電紡絲參數(shù)對SF纖維形貌的影響

2.1.1 紡絲液質(zhì)量濃度

設(shè)置注射泵推注速度為0.2 mL/h，紡絲電壓為20 kV，接收滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，紡絲液質(zhì)量濃度分別為0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 g/mL時制備的SF納米纖維膜表面形貌和纖維直徑分布如圖1所示?？煽闯?，紡絲液質(zhì)量濃度從0.10 g/mL增加至0.18 g/mL，纖維直徑呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，珠狀物先減少后增加。紡絲液質(zhì)量濃度較低時會導(dǎo)致射流不穩(wěn)定，SF分子鏈間纏結(jié)不夠，不能有效抵抗靜電場中的拉伸作用而發(fā)生斷裂，同時分子鏈由于其自身黏彈性作用而產(chǎn)生一定的收縮，形成珠狀物。隨著質(zhì)量濃度的增加，所得纖維膜表面珠狀物明顯減少，近似圓形的珠狀物向紡錘形轉(zhuǎn)變。當(dāng)紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL時，所得纖維膜表面珠狀物少，纖維較為規(guī)整，直徑較為均勻。而當(dāng)紡絲液質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，所得纖維膜表面珠狀物再次出現(xiàn)，且紡絲液易在噴絲頭末端固化造成噴絲頭末端堵塞，紡絲液不能以均勻推注速度噴出。綜合考慮，選擇紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL作為后續(xù)實驗的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖1 不同紡絲液質(zhì)量濃度的SF納米纖維膜表面形貌(×3 000)和直徑分布圖

2.1.2 紡絲液推注速度

設(shè)置紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL，紡絲電壓為20 kV，接收滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，注射泵推注速度分別為0.1、0.2、0.3 mL/h時制備的SF納米纖維膜表面形貌和纖維直徑分布如圖2所示。可看出，隨著推注速度的增加，纖維直徑不斷增加。推注速度為0.1 mL/h時，紡絲液易在噴絲頭末端固化造成噴絲頭末端堵塞。推注速度為0.3 mL/h時，噴絲頭末端噴出了過量的溶液，射流將多余的溶液帶走，而電場力不能對其充分拉伸，導(dǎo)致紡錘形珠狀物的形成。過量的溶液還會導(dǎo)致溶劑難以在到達(dá)接收滾筒前揮發(fā)完全，會破壞接收滾筒上已成膜的纖維形貌。綜合考慮，選擇推注速度為0.2 mL/h作為后續(xù)實驗的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖2 不同紡絲液推注速度的SF納米纖維膜表面形貌(×3 000)和直徑分布圖

2.1.3 紡絲電壓

設(shè)置紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL，推注速度為0.2 mL/h，接收滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，紡絲電壓分別為16、20、24 kV時制備的SF納米纖維膜表面形貌和纖維直徑分布如圖3所示。

由圖3可看出，隨著電壓的增加，纖維直徑呈現(xiàn)不斷減小的趨勢。當(dāng)電壓為16 kV時，所得纖維膜表面出現(xiàn)部分未充分拉伸的紡錘形珠狀物。隨著電壓的提高，當(dāng)電壓為20 kV時，所得纖維直徑減少，表面紡錘形珠狀物減少。當(dāng)電壓提高至24 kV時，所得纖維膜表面又出現(xiàn)了紡錘形珠狀物。電壓過大增加了射流的不穩(wěn)定性，部分纖維被電場力扯斷。綜合考慮，選擇紡絲電壓為20 kV作為后續(xù)實驗的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖3 不同紡絲電壓的SF納米纖維膜表面形貌(×3 000)和直徑分布圖

2.1.4 滾筒轉(zhuǎn)速

設(shè)置紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL，注射泵推注速度為0.2 mL/h，紡絲電壓為20 kV，接收滾筒轉(zhuǎn)速分別為500和1 000 r/min時制備的SF納米纖維膜表面形貌和纖維直徑分布如圖4所示。可看出，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，纖維直徑有一定的減小，滾筒對纖維具有一定的牽伸作用，但纖維排列并未見明顯的單軸取向趨勢。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為 1 000 r/min 時已達(dá)到設(shè)備轉(zhuǎn)速極限，然而此時滾筒表面線速度依舊低于電場中射流的速度，因此所得纖維取向度沒有明顯提高。綜合考慮，選擇滾筒轉(zhuǎn)速為1 000 r/min作為后續(xù)實驗的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖4 不同滾筒轉(zhuǎn)速的SF納米纖維膜表面形貌照片(×3 000)和直徑分布圖

2.2 PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜性能

PPy原位氧化聚合過程如圖5所示。PPy分子鏈中的碳原子屬于sp2雜化，聚合過程中，吡咯環(huán) β位上的碳原子易質(zhì)子化，形成陽離子自由基。當(dāng)2個陽離子自由基相遇發(fā)生偶合，脫掉2個質(zhì)子形成二聚體，形成的二聚體又可被氧化劑奪取電子形成新的陽離子自由基，并與其他陽離子自由基繼續(xù)偶合，隨著反應(yīng)的繼續(xù)，聚合鏈不斷增長。在這個過程中還伴隨著陰離子的摻雜，PPy鏈段中間的吡咯環(huán)β位上的碳原子依舊可被氧化劑氧化失電子，吸引溶液中的陰離子，并與之結(jié)合，最終形成穩(wěn)定的PPy[19]。

注：A-表示氧化劑所帶的陰離子；B-表示摻雜劑所帶的陰離子。

在聚合過程中PPy能與SF發(fā)生如圖6所示的相互作用，帶有陽離子自由基的Py單體能與SF分子鏈肽鍵上帶有部分負(fù)電荷的氧原子和氮原子相互作用，通過氫鍵作用和靜電吸引使得Py與SF相互結(jié)合[20]。與此同時，溶液中的陽離子自由基與SF相互結(jié)合的Py偶合形成聯(lián)Py，并不斷重復(fù)這一過程，最終在SF表面聚合形成PPy。

圖6 PPy與SF大分子鏈的相互作用

2.2.1 表面形貌分析

用不同量比Py單體與FeCl3混合液處理的SF納米纖維膜的表面形貌如圖7所示。由于Py單體溶液呈油性，SF納米纖維膜放入Py單體溶液后漂浮于溶液表面，分為與空氣接觸的未充分浸潤面和與溶液接觸的充分浸潤面，2面的浸潤程度不同。PPy在與空氣接觸面沉積較薄，保留SF納米纖維的表面形貌(見圖7(a))，在與溶液接觸面沉積較厚，SF納米纖維的表面形貌模糊或消失(見圖7(b))。從圖中還可看出，當(dāng)二者的量比為 1∶0.5 時，溶液中氧化劑不足，氧化產(chǎn)生的陽離子自由基較少，在SF納米纖維膜表面沉積的PPy也較少。隨著物質(zhì)的量比的增加，反應(yīng)過程中形成的陽離子自由基數(shù)量增加，與SF納米纖維膜產(chǎn)生相互作用的陽離子自由基數(shù)量增加，在SF納米纖維膜表面沉積的PPy數(shù)量也增加。當(dāng)氧化劑過量時，PPy會被過氧化，單位時間內(nèi)PPy難以在SF表面均勻沉積，在材料表面形貌上也表現(xiàn)為聚吡咯顆粒的大量團聚。

圖7 不同量比的PPy/SF納米纖維膜表面形貌(×2 000)

2.2.2 導(dǎo)電性能分析

不同Py單體與FeCl3的量比處理的SF納米纖維膜的電導(dǎo)率如圖8所示?？煽闯?，隨著量比的增加，PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)反應(yīng)體系中FeCl3濃度不足時，PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜表面聚合的PPy量較少，因此電導(dǎo)率較低。隨著FeCl3濃度的增加，增加了PPy聚合的量，從而在SF納米纖維膜表面沉積了更多的PPy，提高了PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的電導(dǎo)率。當(dāng)Py單體與FeCl3的量比為1∶2時，電導(dǎo)率為(0.44±0.07)S/cm，電導(dǎo)率最高。此時，PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜的正反兩面涂層較為均勻，Py單體主要是以單體上α碳與α碳相連的連接方式聚合排布成高分子，整個分子鏈段較為規(guī)整，有效共軛鏈變長，因此PPy/SF膜導(dǎo)電性最好。物質(zhì)的量比繼續(xù)增加，Py在聚合過程中由于過量的氧化劑導(dǎo)致氧化速率過大，分子鏈中的 Py單體之間出現(xiàn)α碳與β碳相連甚至是β碳與β碳相連的連接方式，PPy異構(gòu)體增多，分子鏈段排布無序、扭曲、纏結(jié)，材料載流子遷移率下降，從而使得導(dǎo)電率降低[21-22]。綜合考慮，選擇物質(zhì)的量比為1∶2進(jìn)行聚合較為適宜。

圖8 不同物質(zhì)的量比的PPy/SF納米纖維膜電導(dǎo)率

2.2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖9 試樣的紅外光譜圖

3 結(jié) 論

本文采用靜電紡絲技術(shù)制備了絲素蛋白(SF)納米纖維膜，并與聚吡咯(PPy)進(jìn)行復(fù)合，得到了PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜，為制備適用于組織再生材料提供了前期的研究基礎(chǔ)，得出以下主要結(jié)論：

1)在紡絲液質(zhì)量濃度為0.16 g/mL，推注速度為 0.2 mL/h，電壓20 kV，接收間距10 cm，紡絲針頭針號20 G，滾筒轉(zhuǎn)速1 000 r/min，滾筒直徑 7.6 cm，溫度(30±3)℃，濕度(30±4)%條件下，制備的SF納米纖維膜平均直徑為(520.70±140.81)nm、絲條較為均一且珠狀物少。

2)在Py單體濃度為0.3 mol/L，摻雜劑濃度為0.3 mol/L，Py單體與FeCl3的量比為1∶2，聚合時間為6 h，先將SF納米纖維膜浸泡在Py混合液中，然后加入氧化劑所制備PPy/SF導(dǎo)電性納米纖維膜保留了SF納米纖維膜原有的納米纖維結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率達(dá)到(0.44±0.07)S/cm，導(dǎo)電性良好。