同轴静电纺丝法制备PVA-胶原微纳米纤维

张晓莉， 汤克勇， 郑学晶

(1. 郑州大学 材料科学与工程学院，郑州 450001；2. 中原工学院 河南省功能性纺织面料技术重点实验室，郑州 450007)



同轴静电纺丝法制备PVA-胶原微纳米纤维

张晓莉1,2， 汤克勇1， 郑学晶1

(1. 郑州大学 材料科学与工程学院，郑州 450001；2. 中原工学院 河南省功能性纺织面料技术重点实验室，郑州 450007)

摘要:通过同轴静电纺丝技术，制备以胶原为壳层而PVA为核层的微纳米纤维，研究壳层胶原溶液的浓度和同轴静电纺丝工艺参数对PVA-胶原微纳米纤维形貌的影响。研究结果表明：壳层胶原溶液浓度越大，越容易获得串珠状PVA-胶原微纳米纤维；当纺丝电压为15～20 kV，纺丝距离为15～20 cm，壳层胶原溶液流速为0.1 mL/h时，可以获得表面相对光滑的微纳米纤维。

关键词:胶原；聚乙烯醇；静电纺丝；核壳结构；微纳米纤维

静电纺丝纤维直径通常分布在几十纳米至几微米之间，所得静电纺丝纤维毡具有极大的比表面积、高孔隙率和相互连通的三维网状结构，因而用途广泛，尤其在生物医学领域，如用在组织工程支架[1-2]和药物控制释放[3-5]等方面。胶原蛋白广泛分布于结缔组织、骨骼、内脏细胞间基质及肌腔、韧带、巩膜等部位，是结缔组织中极为重要的结构蛋白，起着支撑器官、保护机体的功能[6-7]。2001年，Huang等[8]将聚氧乙烯(PEO)添加到I型胶原溶液中可以改善胶原的静电纺丝性能，PEO添加量越多，越容易得到表面光滑的纳米纤维，但是这种方法不能得到纯胶原纳米纤维。2002年，Jamil A. Matthews等[9]最先采用1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFP)作溶剂，利用静电纺丝技术成功制备了纯胶原蛋白纳米纤维组织工程支架。Eugene D. Boland等[10]采用六氟异丙醇(HFP)作溶剂，对I型、III型胶原蛋白和弹性蛋白进行静电纺丝，制备了管状无缝纳米纤维毡，以用作血管组织工程支架材料。六氟异丙醇(HFP)和三氟乙醇(TFE)具有低的表面张力和强挥发性，是静电纺丝非常合适的溶剂，很多天然生物材料，如壳聚糖[11]、明胶[12]、丝素[13]等都可以通过采用HFP或TFE作溶剂而成功进行静电纺丝，得到表面光滑的静电纺纳米纤维。但是该类溶剂有一定的毒性、且价格较贵，如果在胶原蛋白纳米纤维中残留部分溶剂，那么将对胶原蛋白纳米纤维的应用产生影响；并且含氟类溶剂可能会导致胶原解螺旋变性而失去其优异的生物活性。Dimitrios I. Zeugolis等[14]较详细地研究了不同商品胶原和实验室自制胶原分别采用六氟异丙醇和三氟乙酸作溶剂进行静电纺丝，通过TEM、圆二色谱等方法，发现经过静电纺丝的胶原大部分失去自组装能力，即发生了变性。Lanti Yang等[15]通过圆二色谱计算了用六氟异丙醇作胶原静电纺丝溶剂时，有45%胶原发生变性，其三股螺旋结构被破坏，造成组装成67 nm周期性的特征纹不存在。为了避免含氟类有机溶剂对胶原纳米纤维的影响，同时改善纯胶原纳米纤维作为组织工程支架材料时的强度不足，生物降解快等缺点，可以通过同轴静电纺丝法制备壳层具有生物活性的胶原组分的核壳结构微纳米纤维。同轴静电纺丝的喷丝针头由两根内外径不同的金属毛细管构成[16]。Valerie Merkle等[17]采用同轴静电纺丝法制备了核壳结构的PVA/明胶静电纺纳米纤维，明胶作为壳层充分发挥其生物活性，而PVA作为核层以改善纤维的力学性能。Zhang等[18]制备了芯层为聚己内酯(PCL)而壳层为胶原蛋白的核-壳结构纳米纤维作为生物工程支架，在支架上培养人皮成纤细胞，发现细胞在同轴电纺支架上的存活率远高于仅涂覆胶原蛋白的PCL纤维支架。

本文通过同轴静电纺丝技术，制备以胶原为壳层而PVA为核层的微纳米纤维，主要研究壳层胶原乙酸溶液质量浓度和同轴静电纺丝工艺参数对核壳结构微纳米纤维形貌的影响。

1　实　验

1.1材料与仪器

材料：聚乙烯醇(PVA-1788，相对分子质量85 000～124 000，水解度87%～89%，Sigma-Aldrich)，胶原蛋白为实验室通过胃蛋白酶法从新鲜猪皮中提取，再经过多次提纯、冷冻干燥而制成的海绵状胶原。

仪器：GL-21M高速冷冻离心机(湘仪离心机仪器有限公司)，FD-1A-50型冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司)，Quanta-200扫描电镜(荷兰飞利浦公司)。

1.2静电纺丝液的制备

1.2.1胶原溶液的制备

胶原蛋白乙酸溶液的配制：将实验室冷冻干燥制备的胶原海绵加入到0.5 mol/L的乙酸溶液中，在室温下通过磁力搅拌使其溶解，配制成质量浓度分别为18、16、14 g/L和12 g/L的胶原蛋白乙酸水溶液，作为同轴静电纺丝的壳层溶液备用。

1.2.2PVA溶液的配制

质量分数8%PVA溶液的配制：称取一定量的PVA-1788粉末，将其加入到三口烧瓶中，并加入适量的去离子水，在85 ℃水浴条件下加热，同时进行电动搅拌，使其充分溶解2 h，作为同轴静电纺丝的核层溶液备用。

1.3静电纺纤维形貌的观察

将所得静电纺丝纤维膜(带铝箔)，喷金处理后，通过扫描电镜观察纤维形貌。

2　结果与分析

2.1胶原质量浓度对PVA-胶原微纳米纤维形貌的影响

将不同质量浓度的胶原乙酸溶液(18、16、14、12 g/L)分别作为同轴静电纺丝的壳层溶液，质量分数8%PVA水溶液作为核层溶液，在同轴静电纺丝工艺条件(核层流速为0.5 mL/h和壳层0.6 mL/h，纺丝电压为20 kV，接收距离为15 cm)下进行静电纺丝实验，所得纤维形貌如图1所示。

图1　胶原质量浓度对纤维形貌的影响Fig.1　Effects of collagen concentration on the morphology of fibers

从图1可以看出，随着壳层胶原溶液质量浓度的增加，采用同轴静电纺丝法所获得的PVA-胶原微纳米纤维中珠丝纤维数目越多，且珠的形状越圆，纤维直径越粗。分析原因可能是胶原与PVA分子间存在H键，当壳层溶液与核层溶液在喷丝针头处汇合时，壳层溶液胶原浓度越大，使核壳界面的胶原与PVA分子间作用力越大，由于胶原分子刚性较强，分子间缠结不足以克服电场力，静电纺丝性能较差，所以高浓度的胶原壳层溶液将限制PVA溶液受电场力拉伸细化成纤维的能力，导致珠丝状纤维的产生。而壳层胶原质量浓度为12 g/L时，所得微纳米纤维基本没有珠丝，纤维表面相对光滑，但是纤维粗细差别仍然较大。

2.2纺丝工艺参数对PVA-胶原微纳米纤维的影响

选用核层溶液为PVA(质量分数8%)，壳层溶液为质量浓度18 g/L(为了获得胶原含量较多的核壳结构微纳米纤维)的胶原乙酸溶液。分别在不同的纺丝电压、纺丝距离、纺丝流速下进行同轴法静电纺丝。

2.2.1纺丝电压的影响

固定核层PVA溶液的纺丝流速为0.5 mL/h，壳层胶原溶液纺丝流速为0.6 mL/h；纺丝距离固定为15 cm，纺丝电压分别为15、20、25 kV，所得同轴静电纺纤维形貌如图2所示。

图2　纺丝电压对纤维形貌的影响Fig.2　Effects of spinning voltage on the morphology of fibers

从图2可以看出，随着纺丝电压的增大，同轴静电纺丝纤维毡中的珠丝数目增多，且纺丝电压为25 kV时，静电纺纤维毡中不仅珠丝多，而且还存在几个微米大小的液膜状形貌，在液膜的边缘处有较多的细小的纤维抽出。分析原因可能是壳层溶液和核层溶液的导电性和表面张力不同所致，当纺丝电压不太高即为15 kV时，两层溶液的导电性和表面张力所引起的差异在纤维拉伸细化时不明显；而当纺丝电压增加，如增大到25 kV时，核壳两层所受的电场力差异较大，由于胶原是聚电解质，所以壳层胶原受到的电场力更大。而且胶原属于剪切稀化流体，当所受电场力增加后其黏度会大大降低，难以形成复合泰勒锥，且分子间不像PVA那样有充分的缠结，所以壳层胶原溶液在高纺丝电压下移向接受板的速率增大，且溶液变稀，直接影响壳层PVA溶液的纺丝性能。所以要得到表面光滑的核壳纤维要控制好纺丝电压，使核层和壳层所受的电场力和核壳界面的作用达到一个平衡状态，不致使两层界面分离。从实验可以看出选择纺丝电压为15～20 kV较合适。

2.2.2纺丝距离的影响

固定核层PVA溶液的纺丝流速为0.5 mL/h，壳层胶原溶液流速为0.6 mL/h；纺丝电压是20 kV，纺丝距离分别为10、15、20 cm，静电纺纤维形貌随纺丝距离的影响如图3所示。

图3　纺丝距离对纤维形貌的影响Fig.3　Effects of spinning distance on the morphology of the fibers

从图3可以看出，纺丝距离是10 cm时，同轴静电纺纤维内部有黏连，可能是距离太近溶剂挥发不充分所致。当增加纺丝距离后，静电纺丝纤维黏连减少，呈现三维多孔网状结构，且随着纺丝距离的增加，纤维形貌由珠丝状向梭珠状过渡。所以可以通过增加纺丝距离在一定程度上改善纤维形貌，使纤维表面趋于更加光滑，选择15～20 cm较为合适。

2.2.3胶原纺丝流速的影响

固定核层PVA溶液的纺丝流速为0.5 mL/h，纺丝电压为20 kV，纺丝距离为15 cm，静电纺纤维形貌随壳层胶原流速的影响如图4所示。

图4　壳层胶原纺丝流速对纤维形貌的影响Fig.4　Effects of collagen flow velocity in the shell on the morphology of the fibers

从图4可以看出，当壳层胶原溶液的流速大于核层PVA溶液时，静电纺纤维的形貌主要是珠丝状，且胶原流速越快，珠丝数量越多。当壳层胶原溶液的流速小于核层PVA溶液时，静电纺纤维的珠丝数量减少。分析原因可能是胶原流速越大，在喷丝针头处对PVA溶液的黏度影响越大，降低了PVA溶液的纺丝性能。所以要想得到表面光滑的核壳结构纳米纤维，壳层胶原溶液的流速要小于核层PVA溶液，取0.1 mL/h较为合适。

3　结　论

通过同轴静电纺丝技术，制备了胶原为壳层而PVA为核层的具有核壳结构的微纳米纤维，主要结论如下：

1)胶原溶液质量浓度对核壳结构纳米纤维形貌的影响比较大，随着胶原质量浓度的增加，纤维中珠丝数目增多。

2)在同轴静电纺丝工艺参数中，纺丝电压对纤维形貌的影响最明显，随着纺丝电压的增大，纺丝溶液所受电场力增大，纺丝液在空间向接受板运行速率增大，致使溶剂挥发不充分而产生纤维黏连。PVA-胶原核壳微纳米纤维制备的适宜纺丝工艺参数是：纺丝电压15～20 kV；纺丝距离15～20 cm；壳层胶原的纺丝流速小于核层PVA溶液，取0.1 mL/h时纤维表面相对较光滑。

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DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2016.06.002

收稿日期:2015-09-29; 修回日期: 2016-03-09

作者简介:张晓莉(1978—)，女，博士研究生，研究方向为胶原蛋白的性能及复合材料的制备。通信作者：汤克勇，教授，keyongtangzzu@yahoo.com。

中图分类号:TB383；TQ340.64

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2016)06-0006-05引用页码: 061102

Preparation of PVA-collagen micro-nano fibers by coaxial electrospinning

ZHANG Xiaoli1,2, TANG Keyong1, ZHENG Xuejing1

(1. College of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2. Henan Key Laboratory of Functional Textile Materials, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract:In this paper, the PVA-collagen micro-nano fibers were prepared by coaxial electrospinning technique. The effects of collagen concentration and parameters of the coaxial electrospinning process on the morphology of PVA-collagen were investigated. Results show that the greater shell collagen concentration is, the more easily obtained beaded PVA-collagen micro-nano fibers; when the spinning voltage is 15～20 kV, the spinning distance is 15～20 cm, and the flow rate of shell collagen solution is 0.1 mL/h, micro-nano fibers with relatively smooth surface can be obtained.

Key words:collagen; PVA; electrospinning; core-shell structure; micro-nano fibers