超声处理对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜孔径的影响

张 洁，张海涛，邢同海，骆菁菁，熊 杰

（浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，杭州310018）

超声处理对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜孔径的影响

张 洁，张海涛，邢同海，骆菁菁，熊 杰

（浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，杭州310018）

利用静电纺丝技术制备聚乳酸/丝素蛋白（PLA/SF）复合纳米纤维膜。探讨90%甲醇溶液处理对PLA/SF复合纳米纤维膜结构的影响，以及超声处理对该纤维膜孔径的影响。用FE-SEM、FT-IR、XRD和孔径测试表征样品，结果表明：甲醇处理诱导组分SF的构象由无规卷曲转变成β-折叠，纤维发生明显溶胀现象；超声处理时间不变，随着超声处理功率的增加，PLA/SF复合纳米纤维堆积的越松散，孔径增大；超声处理功率不变，随着处理时间的增加，纳米纤维堆积的越松散，孔径增大；超声处理后，纤维膜厚度增加。

静电纺丝；超声处理；PLA/SF复合纳米纤维膜；孔径

0　引 言

聚乳酸是一种新型的生物降解材料，具有良好的生物相容性及生物可降解性，是理想的绿色高分子材料。丝素蛋白具有独特的力学性能、生物相容性、控制生物降解性、易加工性［1］，丝素蛋白在生物医学领域有着广阔的应用前景［2-3］。

组织工程支架作为细胞生长和繁殖的载体，要求有适合细胞生长的孔结构、较高的孔隙率和机械性能［4］。培养不同的细胞时，对纤维膜支架孔径大小有不同的要求。目前人们研究改变纤维膜孔径的方法有：改变纺丝参数［5-6］、改变接收装置［7-8］、材料舍弃法［9］、微米-纳米堆砌法［10］、物理处理法［11-12］等方法。物理处理法中超声处理法简便易行，其方法是将静电纺纤维膜浸入一定体积的去离子水中进行超声处理，通过超声处理震动的机械性分离使得纤维间发生相对滑动，改变纤维膜中纤维的堆积密度以改变纤维膜的孔径大小。Lee等［11］与Gu等［13］将静电纺纤维膜浸入一定体积的去离子水中进行超声处理，结果表明超声处理有效地增大了纤维支架的孔径及孔隙率。

由于纯丝素蛋白在力学性能上表现出较大的脆性，而聚乳酸则是一种具有良好韧性的高聚物，两者复合可以用来改善丝素蛋白的脆性。笔者在前期经多次试纺实验得知，当PLA与SF的质量比为1∶1时，PLA/SF复合纳米纤维的表面形貌及结构性能最好。本文利用静电纺丝制备PLA/SF复合纳米纤维膜（质量比为1∶1），甲醇处理后对其进行超声处理。并探讨甲醇处理对PLA/SF复合纳米纤维膜结构的影响，及超声处理对PLA/SF复合纳米纤维膜孔径的影响。

1　实验部分

1.1实验原料与设备

丝素蛋白（实验室自制）；聚乳酸（平均相对分子质量为100000，深圳光华伟业）；六氟异丙醇（HFIP，分析纯，盐城冬阳生物制品），甲醇（分析纯，杭州高晶精细化工），去离子水（实验室自制）。

静电纺丝装置（自制，其中，滚筒（自制）直径为9cm；注射泵：KDS220，KD Scientific，Inc.；高压电源：FC60P2，0～60 k V，Glassman High Voltage，Inc.；针筒：Popper&Sons，Inc.）；超声波细胞破碎仪（VCX130，美国Sonics）；冷冻干燥机（FreeZone®2.5 Liter Freeze Dry Systems，LABCONCO公司）；电子天平（DKB-501A，上海精宏实验设备）；恒温磁力搅拌器（IKA®CM-MAG HS 7，广州仪科实验室技术）；真空干燥箱（DZG-6050SA，上海森信实验仪器）；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，Ultra 55，德国蔡司）；X-射线衍射仪（XRD，ARL-X’TRA，美国赛默飞）；傅立叶红外光谱仪（FT-IR，Nicolet 5700，美国赛默飞）。

1.2聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的制备

称取适量的聚乳酸、丝素蛋白（质量比为1∶1），使其溶于HFIP中，得到质量分数为8%的PLA/SF纺丝液。将纺丝液倒入10 mL注射针筒内，以铝箔为接收装置，采用平板接收。采用传统静电纺丝装置，在纺丝电压为12 k V，纺丝流率为0.6 mL/h，纺丝距离为13 cm的纺丝条件下进行纺丝，纺得的PLA/SF复合纳米纤维膜于真空干燥箱中静置备用。

1.3超声处理

采用超声波细胞破碎仪对PLA/SF复合纳米纤维膜进行超声处理。将PLA/SF复合纳米纤维膜裁剪为2 cm×2 cm的正方形状，90%甲醇溶液处理20 min后使其浸入20 mL去离子水中，在0℃水浴内进行超声处理。第一，固定超声处理时间为3 min，改变超声处理功率（26、52、65、104、130 W），以研究超声处理功率对纤维膜孔径的影响；第二，固定超声处理功率为65 W，改变超声处理时间（3、5、10 min），以研究超声处理时间对纤维膜孔径的影响。将超声处理后的PLA/SF复合纳米纤维膜冷冻后放入冷冻干燥机内进行干燥，然后放入真空干燥箱中静置备用。

1.4测试与表征

首先利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察PLA/SF复合纳米纤维膜甲醇处理前后及超声处理后的形貌，并使用Image-Pro®Plus6.2图像分析软件测量SEM图片中纤维的平均直径及纤维膜的孔径。然后采用傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）分析纤维的结构。

2　结果与讨论

2.1甲醇处理对纤维结构及性能的影响

2.1.1甲醇处理对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维形貌的影响

SF不溶于水是其作为组织工程支架材料使用的前提条件。因此，将静电纺PLA/SF复合纳米纤维膜置于质量分数为90%的甲醇溶液中处理20 min以诱导SF构象由无规卷曲转变为β-折叠结构。图1为甲醇处理前后PLA/SF复合纳米纤维的扫描电镜图。从图1可以看出，处理前PLA/SF复合纳米纤维呈无序分布，纤维表面光滑，没有串珠产生，平均直径为424 nm；甲醇处理后，PLA/SF复合纳米纤维变卷曲，纤维间未发生明显的粘连现象，但纤维表面较粗糙，平均直径为928 nm，发生较明显的溶胀现象。

图1　甲醇处理前后聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的扫描电镜照片

2.1.2甲醇处理对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维结构的影响

图2为甲醇处理前后PLA/SF复合纳米纤维膜的FT-IR谱图。由图2曲线（a）可以看出，未经甲醇处理的PLA/SF复合纳米纤维膜中的组分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰分别为1 652、1 539 cm-1；由曲线（b）可以看出，经甲醇处理后的PLA/ SF复合纳米纤维膜中的组分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰分别为1 627、1 524 cm-1。静电纺纯PLA纳米纤维膜存在三个明显的峰，依次为1 756、1 184 cm-1和1 090 cm-1。由比较曲线（a）和（b）可知，甲醇处理前后，组分PLA的特征吸收峰未发生位置偏移，组分SF的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的特征吸收峰发生了明显的位置偏移。与表1中丝素蛋白的红外光谱特征谱带数据［14-15］作对照，表明甲醇处理后PLA/SF复合纳米纤维膜中的SF的构象由无规卷曲结构转向β-折叠结构，而组分PLA的结构不变。这是因为甲醇处理能诱导SF酰胺区发生明显的β化晶型转变，使得SF的构象从无规卷曲结构转变成规整排列的β-折叠结构。结果表明甲醇处理后，PLA/SF复合纳米纤维膜中组分SF不溶于水。

表1　丝素蛋白的红外光谱特征吸收峰位置　cm-1

图2　甲醇处理前后聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的红外光谱

图3为甲醇处理前后PLA/SF复合纳米纤维膜的X-衍射图谱，同样可证明甲醇处理诱导组分SF的构象从无规卷曲结构转变成规整排列的β-折叠结构。由图3可以看出，甲醇处理前PLA/SF复合纳米纤维只在中心为13.8°的宽峰处出现了衍射峰，PLA是难结晶的，说明PLA/SF复合纳米纤维中仅有少量为与β-折叠结晶相关的有序排列和少量的PLA晶体，大部分结构为无定形结构。甲醇处理后，PLA/SF复合纳米纤维除了在13.8°处出现强的衍射峰外，还在29.6°处出现了衍射峰。由图2的FT-IR谱图分析可知，甲醇处理前后PLA/SF复合纳米纤维中的PLA组分的结构不变，说明甲醇处理后PLA/SF复合纳米纤维中组分SF形成了与β-折叠相关的结晶结构，使其不溶于水。

图3　甲醇处理前后聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的XRD曲线

2.2超声处理对纤维膜的结构的影响

2.2.1超声处理功率对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜孔径的影响

图4为不同超声功率处理的PLA/SF复合纳米纤维膜的扫描电镜图。表2为超声处理前后的PLA/SF复合纳米纤维膜的孔径。图4（a）可以看出，超声处理前PLA/SF复合纳米纤维堆积的比较紧密，孔径比较小。同时图4可见，不同超声处理功率（26、52、65、104、130W），相同处理时间（3min）处理后，随着超声处理功率的增大，PLA/SF复合纳米纤维堆积的越松散，孔径增大（见表2）。

图4　不同超声功率处理聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的扫描电镜照片

表2　聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的孔径

2.2.2超声处理时间对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜孔径的影响

图5为不同超声处理时间处理PLA/SF复合纳米纤维膜的扫描电镜图。由图4（a）可知，超声处理前PLA/SF复合纳米纤维堆积得比较紧密，孔径比较小。由图5可知，在同一超声处理功率（65 W）下，随着超声处理时间的增加，PLA/SF复合纳米纤维堆积得越松散，孔径增大（如表2所示）。

图5　不同超声处理时间处理聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜的扫描电镜图

2.2.3超声处理对聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜宏观结构的影响

图6为超声处理前后的PLA/SF复合纳米纤维膜的宏观形貌。从图6（a）可以看出，超声处理前的PLA/SF复合纳米纤维膜比较薄，表面比较平整，纤维堆积得较紧密，呈薄膜状。从图6（b）可以看出，超声处理后的PLA/SF复合纳米纤维支架比较厚，表面比较不平整，纤维堆积得较松散，呈棉花状。比较图6（a）、（b）可知，超声处理改变了PLA/ SF复合纳米纤维支架的宏观结构，增加了纤维膜的厚度，增大了纤维支架的孔径，使其由薄膜状变为棉花状，由二维结构转变为三维结构。

图6　超声处理前后的聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维支架的宏观形貌

3　结 论

a）采用静电纺丝法可纺得PLA/SF复合纳米纤维膜。甲醇处理对PLA/SF复合纳米纤维中组分SF的构象有影响，组分SF的构象由无规卷曲转变成β-折叠，使其不溶于水，纤维的直径增加，发生较明显的溶胀现象。

b）在超声处理后，纤维支架呈三维立体结构，在超声处理时间不变的情况下，随着超声处理功率的增加，PLA/SF复合纳米纤维堆积得越松散，孔径增大；超声处理功率不变，随着超声处理时间的增加，PLA/ SF复合纳米纤维堆积得越松散，孔径增大。

c）超声处理对PLA/SF复合纳米纤维膜的宏观结构产生影响。在超声处理前，PLA/SF复合纳米纤维支架比较薄，表面比较平整，纤维堆积得较紧密，呈薄膜状。超声处理后，PLA/SF复合纳米纤维支架比较厚，表面比较不平整，纤维堆积得较松散，呈棉花状。超声处理使得PLA/SF复合纳米纤维膜的厚度增加、孔径增大，由二维结构转变为三维结构，成为具有大孔径的组织工程支架。

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Effects of Ultrasonic Treatment on Pore Size of Polylactic Acid/Silk Fibroin Composite Nanofiber Membrane

ZHANG Jie，ZHANG Hai-tao，XING Tong-hai，LUO Jing-jing，XIONG Jie
（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，310018，China）

Polylactic acid/silk fibroin（PLA/SF）composite nanofiber membrane was prepared by electrospinning technique.The effects of 90%methanol solution treatment on the structure of PLA/SF composite nanofiber membrane and the effects of ultrasonic treatment on the pore size of the fibrous membrane were investigated.FE-SEM，FT-IR，XRD and Aperture Test were used to characterize the samples.The results show that the conformation transition of SF from random coil toβ-sheet strueture was in duced by methand obvious swelling phenomenon happens to fibers；under the same ultrasonic treatment processing time，with the increase in ultrasonic treatment power，PLA/SF composite nanofibers cumulate in a looser way，and pore size increases；under the same ultrasonic treatment power，with the increase in the ultrasonic processing time，nanofibers cumulate in a looser way，and pore size increases；after the treatment，the thickness of the fiber membranes increases.

electrospinning；ultrasonic treatment；PLA/SF composite nanofibers；pore size

TQ340.65

A

1673-3851（2015）06-0771-05

（责任编辑：张祖尧）

2015-01-24

国家自然科学基金项目（11272289）

张 洁（1989-），女，安徽宿州人，硕士研究生，主要从事大孔径组织工程支架方面的研究。

熊 杰，E-mail：jxiong@zstu.edu.cn