姚雙雙, 付少舉, 張佩華, 孫秀麗

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室, 上海 201620; 2. 東華大學 紡織學院, 上海 201620;3. 北京大學人民醫(yī)院 婦產(chǎn)科, 北京 100044)

靜電紡絲是生產(chǎn)納米纖維最高效[1]和最經(jīng)濟[2]的方法之一,其原理是借助高壓電場形成的靜電力,將液滴在短時間內(nèi)拉伸細化成絲[3]。相比于傳統(tǒng)紡絲,采用靜電紡絲制備的納米纖維膜具有比表面積大、孔隙率高[4]、利于細胞攀爬、可模擬細胞外基質[5]等優(yōu)點,常用于電池能源、過濾材料、食品工程等領域[6]。由于聚合物噴射流的運動軌跡是十分復雜的三維非線性鞭動[7],故接收裝置上通常收集到的是無取向納米纖維膜[8]。無取向納米纖維膜具有纖維排列無序、力學性能較差等缺陷,限制了其在生物醫(yī)學領域的應用[9]。取向納米纖維膜具有強力高、表觀密度大、有利于細胞的攀爬和黏附[10]、可引導細胞早期生長方向[11]和模擬人體內(nèi)取向結構與組織的特點。綜上所述,研究取向納米纖維膜對于提高其在生物醫(yī)學領域的應用潛力有一定指導意義。

蠶絲纖維是一種天然蛋白質纖維,具有優(yōu)異的力學性能[12]、良好的生物相容性[13]和可體內(nèi)降解性[14]。再生絲素蛋白(RSF)是蠶絲纖維經(jīng)過一系列流程去除可能引起人體副作用的雜質和絲膠而提取的蛋白質,單一組分的RSF分子構象主要為無規(guī)卷曲,這導致其強度與韌性差[15]。聚乙烯醇(PVA)是一種無毒、可降解、生物相容性好的高分子材料[16]。RSF與PVA常用于紡織生物醫(yī)學領域,作為紡絲原料二者共混可在一定程度上克服RSF成本高和可紡性、強度與柔韌性差的缺點。為此,本文以RSF和PVA為原料,通過靜電紡絲制備RSF/PVA共混取向納米纖維膜,通過單因子試驗與正交試驗優(yōu)選RSF/PVA取向納米纖維膜紡絲參數(shù),考察了最優(yōu)紡絲參數(shù)下取向納米纖維膜的形貌、厚度與面密度、化學結構、力學性能、熱穩(wěn)定性和孔徑分布。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

桑蠶繭,產(chǎn)自浙江湖州;碳酸鈉(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;乙二胺四乙酸(分析純)、碳酸氫鈉(分析純),上海泰坦科技股份有限公司;無水溴化鋰(純度為99%)、三氟乙酸(分析純),上海易恩化學技術有限公司;甲酸(純度為98%),北京伊諾凱科技有限公司;二氯甲烷(分析純),上海凌峰化學試劑有限公司;聚乙烯醇1788(分析純),上海麥克林生化科技有限公司;透析袋(截留相對分子質量為8 000～14 000),南通科士萊實驗器材有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 RSF的提取

從桑蠶繭中提取RSF需經(jīng)透析袋處理、脫膠、溶解、透析、冷凍干燥5個步驟。透析袋處理:在20 g/L碳酸氫鈉和1 mmol/L乙二胺四乙酸溶液中將透析袋煮沸10 min,用蒸餾水徹底洗凈,再用1 mmol/L的乙二胺四乙酸溶液煮沸10 min,冷卻后存放于4 ℃冰箱中備用。脫膠:配制0.5 g/L的碳酸鈉溶液,放入蠶繭,浴比為1∶50,煮沸30 min后洗凈,共重復3次,最后放入40 ℃烘箱中烘干12 h得到脫膠蠶絲纖維。溶解:將蠶絲纖維撕成小塊放入9.3 mol/L的溴化鋰溶液中,浴比為1∶10,在60 ℃水浴鍋中溶解2 h,過濾后得到RSF溴化鋰溶液。透析:將溶解得到的溶液裝入透析袋中密封,置于4 ℃冰箱中,用去離子水透析48 h得到RSF水溶液。冷凍干燥:將RSF水溶液放入-20 ℃冰箱中凍實,置于冷凍干燥機中72 h除冰,得到完全干燥的RSF。

1.2.2 納米纖維膜的制備

將RSF與PVA按照3∶2的質量比混合,根據(jù)所需紡絲液質量濃度加入適量溶劑,密封攪拌溶解3 h得到紡絲液。在溫度為15 ℃,相對濕度為30%的環(huán)境下,以直徑為10 cm的滾筒為接收裝置,采用內(nèi)徑為0.84 mm的18號不銹鋼針頭和內(nèi)徑為10 mm的一次性注射器針管,通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)選紡絲參數(shù),采用TL-Pro-BM靜電紡絲機進行靜電紡絲,得到RSF/PVA共混取向納米纖維膜。

1.2.3 形貌觀察及纖維直徑測量

采用FlexSEM10000掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜表面形貌,試樣尺寸為1 cm×1 cm。使用ImageJ軟件隨機選取50根纖維測量其直徑與取向角度,角度范圍為0°～180°。用Excel計算直徑CV值并統(tǒng)計45°～135°和70°～110°取向纖維占比。

1.2.4 化學結構測試

采用Thermo Scientific Nicolet iS5傅里葉變換紅外光譜儀測試RSF粉末、PVA顆粒及RSF/PVA取向納米纖維膜的化學結構。測試方法為溴化鉀壓片法,試樣量為1 mg。

1.2.5 厚度與面密度測試

采用GH-12.7-BTSX臺式厚度儀測試納米纖維膜的厚度。試樣尺寸為8 cm×8 cm,每個試樣測試10次,結果取平均值。

采用FA2004電子天平測試納米纖維膜的面密度。試樣尺寸為8 cm×8 cm,每個試樣測試5次,結果取平均值。

1.2.6 力學性能測試

采用YG(B)026G-500醫(yī)用多功能強力儀測試納米纖維膜的力學性能,試樣尺寸為1 cm×4 cm,每個試樣測試5次,結果取平均值。

1.2.7 熱穩(wěn)定性能測試

采用STA8000同步熱分析儀測試納米纖維膜熱穩(wěn)定性。試樣質量為8～10 mg,從50 ℃升溫到800 ℃,升溫速率為10 ℃/min,測試氣氛為氮氣。

1.2.8 孔徑分布測試

采用CFP-1100AI多孔材料孔徑分析儀測試納米纖維膜孔徑分布,試樣尺寸為4 cm×4 cm,通過測量經(jīng)過納米纖維膜的氣流量的變化測量其孔徑分布。

2 結果與討論

2.1 單因子試驗分析

2.1.1 滾筒轉速的影響

設定紡絲溶劑為甲酸,紡絲液質量濃度為0.15 g/mL,紡絲電壓為24 kV,出液速度為0.8 mL/h,接收距離為16 cm,在其它條件不變的情況下,分別設置滾筒轉速為600、1 200、1 800、2 400、2 800、3 200 r/min制備納米纖維膜,其掃描電鏡照片如圖1(a)所示。

滾筒使用機械力牽引纖維,誘導纖維取向。滾筒表面線速度與射流噴射速度越接近,纖維越容易取向。滾筒轉速越高,給予纖維的機械牽伸力越大,纖維直徑越細。由圖1(a)可知:滾筒轉速低于1 800 r/min時,由于其低于射流噴射速度,納米纖維膜幾乎無取向;轉速為2 400 r/min時,滾筒表面線速度與射流噴射速度趨近一致,纖維直徑均勻、高度取向;轉速高于2 400 r/min時,纖維直徑更細,滾筒轉速高于射流噴射速度,纖維取向變差。太高的滾筒轉速也會導致纖維易被扯斷,生產(chǎn)難度和危險性增加,對電動機和滾筒部件耗損增大。綜上,選取滾筒轉速為2 400 r/min進行后續(xù)正交試驗。

2.1.2 紡絲溶劑的影響

設定滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲液質量濃度為0.15 g/mL,紡絲電壓為24 kV,出液速度為0.8 mL/h,接收距離為16 cm,在其它條件不變的情況下,分別設置溶劑1(三氟乙酸與二氯甲烷體積比為7∶3的混合液)、溶劑2(甲酸)為紡絲溶劑制備納米纖維膜,其掃描電鏡照片如圖1(b)所示。可知,采用溶劑1制備的纖維直徑更粗,納米纖維膜取向度近乎100%,分析認為紡絲液黏度和溶劑揮發(fā)速度或紡絲溶劑是影響纖維直徑和取向的原因。采用溶劑1的紡絲液黏度大,分子間黏滯阻力大,纖維不易拉伸導致其直徑粗;三氟乙酸揮發(fā)過快,使射流運動到滾筒前已形成有一定強度的纖維,造成滾筒直接帶動纖維取向,難以控制射流轉動從而形成高度取向。采用溶劑1制備的納米纖維膜雖然取向度高但成膜性差,成本高且氣味刺鼻;采用溶劑2制備的納米纖維膜取向度高、成膜性好、成本低、無異味。綜上,采用溶劑2(甲酸)進行后續(xù)正交試驗。

2.1.3 紡絲液質量濃度的影響

設定紡絲溶劑為甲酸,滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲電壓為24 kV,出液速度為0.8 mL/h,接收距離為16 cm,在其它條件不變的情況下,分別設置紡絲液質量濃度為0.11、0.13、0.15、0.17、0.19 g/mL制備納米纖維膜,其掃描電鏡照片如圖1(c)所示。紡絲液質量濃度影響分子間黏滯阻力和射流噴射速度,進而影響纖維成形和取向。由圖1(c)可知,紡絲液質量濃度低于0.15 g/mL時,分子間黏滯阻力小,液滴還未來得及被拉伸細化就濺落在接收裝置上,使納米纖維膜上出現(xiàn)液滴且纖維難以成形。紡絲液質量濃度為0.15、0.17 g/mL時,射流噴射速度穩(wěn)定且與滾筒表面線速度接近,泰勒錐穩(wěn)定,纖維直徑均勻、取向明顯。紡絲液質量濃度增大到0.19 g/mL時,分子間黏滯阻力過大,纖維拉伸細化需克服的阻力更大,纖維直徑增粗,針頭堵塞造成泰勒錐不穩(wěn)定,纖維直徑不勻。綜上,選取紡絲液質量濃度為0.15、0.16、0.17 g/mL進行后續(xù)正交試驗。

2.1.4 紡絲電壓對取向納米纖維膜形貌的影響

設定紡絲溶劑為甲酸,滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲液質量濃度為0.15 g/mL,出液速度為0.8 mL/h,接收距離為16 cm,在其它條件不變的情況下,分別設置紡絲電壓為20、22、24、26 kV,制備的納米纖維膜掃描電鏡照片如圖1(d)所示。紡絲電壓影響射流噴射速度進而影響纖維成形和取向。由圖1(d)可知,紡絲電壓低于24 kV時,針頭和滾筒間形成的電場強度弱,部分纖維不能及時地充分拉伸,導致纖維出現(xiàn)粗節(jié)。紡絲電壓增大到24 kV時,射流噴射速度與滾筒表面線速度接近,纖維取向度高且直徑均勻;當電壓繼續(xù)增大到26 kV時,射流噴射速度過快且不穩(wěn)定,纖維粗細不勻。綜上,選取紡絲電壓為23、24、25 kV進行后續(xù)正交試驗。

2.1.5 出液速度對取向納米纖維膜形貌的影響

設定紡絲溶劑為甲酸,滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲液質量濃度為0.15 g/mL,紡絲電壓為24 kV,接收距離為16 cm,在其它條件不變的情況下,分別設置出液速度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.6 mL/h,制備的納米纖維膜掃描電鏡照片如圖1(e)所示。出液速度主要影響纖維成形和紡絲效率。由圖1(e)可知,出液速度低于0.4 mL/h時,出液速度過慢,與紡絲速度不匹配,纖維粗細不均勻且紡絲效率低。出液速度高于1.2 mL/h時,紡絲液還未被拉伸細化成纖維就滴落到接收裝置,導致部分纖維不能被充分拉伸細化,出現(xiàn)粗節(jié)。綜上,選取出液速度為0.4、0.6、0.8 mL/h進行后續(xù)正交試驗。

2.1.6 接收距離對取向納米纖維膜形貌的影響

設定紡絲溶劑為甲酸,滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲液質量濃度為0.15 g/mL,紡絲電壓為24 kV,出液速度為0.8 mL/h,在其它條件不變的情況下,分別設置接收距離為12、14、16、18 cm,制備的納米纖維膜掃描電鏡照片如圖1(f)所示。接收距離主要影響纖維成形。由圖1(f)可知,當接收距離小于14 cm時,溶劑未揮發(fā)但射流就被滾筒收集,造成多根纖維黏結。接收距離增大到18 cm,電場強度減弱,纖維難以被拉伸細化,導致粗細不勻。綜上,選取接收距離15、16、17 cm進行后續(xù)正交試驗。

2.2 正交試驗分析

根據(jù)單因子試驗分析結果設計正交試驗,考慮紡絲液質量濃度、紡絲電壓、出液速度、接收距離4個影響因素,不考慮因素間交互作用,選用四因素三水平L9(34)正交試驗。因素水平表如表1所示,結果分析如表2所示,制備的納米纖維膜掃描電鏡照片如圖2所示。

圖2 正交試驗制備的納米纖維膜形貌Fig. 2 Morphologies of nanofiber membrans obtained byorthogonal experiment

以纖維直徑、直徑CV值、45°～135°及70°～110°取向纖維占比作為評價指標,其中后3個指標更重要。纖維直徑越細,直徑CV值越小,表明納米纖維直徑越細且越均勻;45°～135°及70°～110°取向纖維占比越大,表明納米纖維膜取向度越高、形貌越好。根據(jù)綜合平衡法確定最優(yōu)紡絲參數(shù)。由表2中極差R值判斷各指標影響主次可知,因素A、B是對所有指標綜合影響最大的因素。A取A2,B取B1時,直徑CV值和45°～135°取向纖維占比達到最優(yōu)值;因素D取D3時,納米纖維膜取向度和直徑均達到最優(yōu)值;因素C取C2時,45°～135°取向纖維占比最大且對纖維直徑和直徑CV值影響最小。綜上,選擇A2B1C2D3,即紡絲液質量濃度為0.16 g/mL,紡絲電壓為23 kV,出液速度為0.6 mL/h,接收距離為17 cm作為最優(yōu)紡絲參數(shù)。

2.3 優(yōu)選紡絲參數(shù)下納米纖維膜性能

在上述優(yōu)選的取向納米纖維膜最優(yōu)紡絲參數(shù)(以甲酸為溶劑,滾筒轉速為2 400 r/min,紡絲液質量濃度為0.16 g/mL,紡絲電壓為23 kV,出液速度為0.6 mL/h,接收距離為17 cm)下連續(xù)紡絲5 h得到取向納米纖維膜,并對其進行表面形貌、化學結構、厚度與面密度、力學性能、熱穩(wěn)定性的測試。在本文課題組[17]優(yōu)選出的無取向納米纖維膜最優(yōu)紡絲參數(shù)(以甲酸為溶劑,滾筒轉速為20 r/min,紡絲液質量濃度為0.13 g/mL,紡絲電壓為19 kV,出液速度為0.7 mL/h,接收距離為17 cm)下連續(xù)紡絲5 h得到無取向納米纖維膜,將其作為對比進行分析。

2.3.1 表面形貌分析

取向與無取向納米纖維膜的表面形貌如圖3所示,納米纖維直徑與纖維角度測量結果如表3所示?？芍?取向與無取向納米纖維膜直徑CV值相近,由于前者質量濃度更大,因此直徑更粗,且由于高速滾筒對纖維有排列作用,因此前者取向度遠高于后者。

表3 納米纖維直徑與不同取向占比測量結果Tab. 3 Measurement results of diameter and proportion of different orientations of nanofibers

圖3 取向與無取向納米纖維膜表面形貌Fig. 3 Surface morphology of oriented (a)and non-oriented (b)nanofiber membranes

2.3.2 化學結構分析

RSF粉末、PVA顆粒、RSF/PVA取向納米纖維膜的紅外光譜圖如圖4所示?？煽闯?1 700～1 600 cm-1是RSF的酰胺Ι區(qū)[18],其中無規(guī)卷曲結構的特征吸收峰位于1 650～1 640 cm-1處,α螺旋的吸收峰位于1 658～1 650 cm-1處;1 600～1 500 cm-1處是RSF的酰胺 Ⅱ 區(qū),其中無規(guī)卷曲結構的特征吸收峰位于1 542～1 535 cm-1處,β折疊結構的特征吸收峰位于1 525～1 515 cm-1處。RSF粉末在1 650 cm-1處的峰在取向納米纖維膜中移到1 657 cm-1處,說明RSF的酰胺 Ⅰ 從無規(guī)卷曲向α螺旋轉變;在1 542 cm-1處的峰在取向納米纖維膜中移到1 538 cm-1處,說明RSF的酰胺 Ⅱ 從無規(guī)卷曲向β折疊方向移動。RSF粉末在3 426 cm-1處為氨基的特征吸收峰。取向納米纖維膜在1 180 cm-1處比RSF粉末多了1個中強峰,說明取向納米纖維膜中RSF和PVA之間有一定相互作用;C—O—C鍵的吸收峰位于1 270～1 010 cm-1處,說明二者形成C—O—C鍵。

圖4 RSF粉末、PVA顆粒和RSF/PVA取向納米纖維膜的紅外光譜圖Fig. 4 Infrared spectra of RSF power,PVA grain and RSF/PVA oriented fiber membranes

PVA顆粒在1 094 cm-1處為C—O鍵伸縮振動峰[15],1 423 cm-1處為CH2彎曲振動峰,1 732 cm-1處為羰基的振動峰,2 929 cm-1處為CH2不對稱伸縮振動峰,3 428 cm-1處為醇羥基之間形成氫鍵的特征吸收峰。PVA顆粒在1 732 cm-1處的羰基振動峰在取向納米纖維膜中移到1 717 cm-1處,說明取向納米纖維膜中RSF對PVA的羰基有影響;取向納米纖維膜在3 310 cm-1處峰強減弱,說明PVA的引入對氨基有影響。

2.3.3 厚度與面密度分析

取向與無取向納米纖維膜的厚度與面密度測試結果如圖5所示。紡絲時間均為5 h,取向納米纖維膜的厚度為(0.031±0.003)mm,無取向納米纖維膜的厚度為(0.038±0.005)mm。前者厚度接近但略薄于后者,是由于前者的出液速度略低于后者。取向納米纖維膜面密度為(9.615±1.044)g/m2,無取向納米纖維膜面密度為(4.550±1.244)g/m2,前者是后者的2.11倍,這說明相同時間內(nèi)收集到的取向納米纖維膜更重,即取向納米纖維膜產(chǎn)量更高。

圖5 取向與無取向納米纖維膜的厚度與面密度Fig. 5 Thickness and surface density of oriented and non-oriented nanofiber membranes

2.3.4 力學性能分析

取向與無取向納米纖維膜的力學性能列于表4。可看出,取向納米纖維膜的斷裂強力為無取向納米纖維膜的2倍以上,但前者斷裂伸長率低于后者。結合面密度分析,斷裂強力的提高與納米纖維膜面密度的增加有關。此外,高速旋轉的滾筒對纖維的拉伸作用在一定程度上提高了分子鏈的取向性,可以使之前沒有取向的鏈段再運動而形成規(guī)整排列,有利于提高纖維的結晶度,提高取向納米纖維膜斷裂強力,降低斷裂伸長率。

表4 取向和無取向納米纖維膜的力學性能Tab. 4 Mechanical properties of oriented and non-oriented nanofiber membranes

2.3.5 熱穩(wěn)定性分析

取向與無取向納米纖維膜的TG、DTG曲線如圖6所示。由圖6(a)可知:2種納米纖維膜的初始熱分解溫度均為284 ℃;284 ℃以前的質量損失是自由水和低沸點化合物導致的;284 ℃之后的質量損失主要是由RSF的主鏈和側鏈遭到破壞引起的[19]。由圖6(b)可知,取向與無取向納米纖維膜均在312 ℃達到最大分解速率。PVA的熱分解溫度約為220 ℃,RSF的熱分解溫度在275 ℃以上[20]。由于2種納米纖維膜中RSF含量都較高,因此其開始分解溫度與RSF的熱分解溫度相近。取向與無取向納米纖維膜的TG、DTG曲線幾乎重合,表明二者熱穩(wěn)定性基本一致,高速滾筒對纖維的拉伸和排列作用對RSF/PVA納米纖維膜的熱穩(wěn)定性基本無影響。

圖6 取向和無取向納米纖維膜TG與DTG曲線Fig. 6 TG (a)and DTG (b)curves of oriented and non-oriented nanofiber membranes

2.3.6 孔徑分布分析

取向與無取向納米纖維膜孔徑分布如圖7所示。

由圖7(a)可知,取向納米纖維膜的孔徑分布在0.46～1.50 μm之間,大部分集中在0.5 μm附近;由圖7(b)可知,無取向納米纖維膜孔徑分布在0.08～0.48 μm,大部分集中在0.1 μm附近。纖維的取向排列導致取向纖維間交錯減少,纖維間縫隙變大,即孔徑變大。大孔徑更有利于細胞的黏附和生長[21],因此取向納米纖維膜更有利于組織的再生。

3 結 論

1)采用靜電紡絲制備再生絲素蛋白/聚乙烯醇(RSF/PVA)共混取向納米纖維膜,經(jīng)過優(yōu)選得到最優(yōu)紡絲參數(shù)為:以甲酸為溶劑,滾筒轉速2 400 r/min,紡絲液質量濃度0.16 g/mL,紡絲電壓23 kV,出液速度0.6 mL/h,接收距離17 cm。在該紡絲參數(shù)下,取向納米纖維膜形貌規(guī)整、取向度高,纖維平均直徑為0.25 μm,直徑CV值為0.31,45°～135°取向纖維占比高達90%,70°～110°取向纖維占比達56%。

2)與RSF粉末相比,取向納米纖維膜中的部分無規(guī)結構向ɑ螺旋結構轉變,RSF與PVA之間有一定相互作用,可能形成C—O—C鍵。紡絲5 h得到的取向與無取向納米纖維膜厚度幾乎一致,但取向納米纖維膜面密度是無取向納米纖維膜的2.11倍,說明取向納米纖維膜的產(chǎn)量更高,且取向納米纖維膜的斷裂強力為無取向納米纖維膜的2倍以上,但其斷裂伸長率低于無取向納米纖維膜。

3)取向與無取向納米纖維膜的熱重曲線幾乎重合,均在284 ℃開始分解,并在312 ℃熱分解速率達到最快,表明取向納米纖維膜與無取向納米纖維膜熱穩(wěn)定性相近,高速滾筒對纖維的拉伸和排列作用對RSF/PVA納米纖維膜的熱穩(wěn)定性基本無影響。

4)取向與無取向納米纖維膜孔徑分別分布在0.46～1.50 μm與0.08～0.48 μm之間,分別集中在0.5 μm附近和0.1 μm附近。取向納米纖維膜孔徑更大,有望用于紡織生物醫(yī)學領域。