可用于人造血管內層基底的電紡細菌纖維素/聚氨酯復合膜的制備與表征

黃詩婷 古津瑜 關鈺瑩 楊昀斌 劉 瑋 辛斌杰

上海工程技術大學 紡織服裝學院 (中國)

隨著人類文明的發展和食物供應的不斷增加,動脈栓塞性疾病也在不斷威脅著人類生命。[1]目前,由膨脹氟聚四酯(ePTFE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的商業人造血管因便于儲存和運輸而在臨床中廣泛應用,但ePTFE和PET都具有非常強的化學惰性,以ePTFE和PET為原料制備人造血管的方法忽略了調節決定移植物命運的重要生物學機制,容易導致與血管細胞的相互作用不良,并觸發凝血級聯。[2]隨著材料科學、工程技術和生物技術的蓬勃發展,原位組織工程技術被廣泛地應用于開發血管植入物、骨修復支架及再生牙齦組織等領域。[3-4]目前在血管移植物原位組織工程方面,將天然可降解材料與合成惰性聚合物進行結合是非常有前景的一項研究,能得到一個使體內新開發組織可以逐步取代天然可降解材料,并長期有效保持其機械性功能的半降解血管移植物。[5]1

Van Uden等[5]10利用甲酸和二氯甲烷將再生絲素和醫用非降解聚氨酯(PU)混合,制備了混合非降解電紡管片,研究結果表明該材料在原位組織工程領域具備新一代血管移植物的發展潛力。Bao等[6]制備了細菌納米纖維素(BNC)與魚明膠(Gel)復合管,制備的BNC/Gel管溶血率低,具有良好的力學性能和生物相容性。歐陽晨曦[7]等將聚氨酯靜電紡絲膜放入木醋桿菌培養液中靜態發酵,制得的細菌纖維素/聚氨酯復合膜具有優異的生物相容性及防滲血性能,但無法完全消除培養過程中產生的細菌內毒素。Urbina等[8]1將細菌纖維素濕膜浸入水性聚氨酯分散液中,制備了水活化的形狀記憶細菌纖維素/聚氨酯納米復合材料,但兩者力學性能的順應性還有待探究。

細菌纖維素的高純度、高結晶度、優良的生物降解性、較強的親水性、優異的生物相容性、超細纖維網絡結構與可形成多孔結構、高持水性及廣泛的化學和物理修飾能力,使其在血管移植物原位組織工程中成為熱門的研究材料。[9-13]聚氨酯是一種彈性良好的高分子材料,相較于其他化學纖維,小徑微孔的聚氨酯血管具有良好的水滲透性、血液相容性及與天然血管相匹配的順應性。[14-15]天然血管結構分為內膜、中膜、外膜三層,許多研究表明,雙層或三層的人造血管結構具有與天然血管相匹配的順應性。[16-19]

本研究提出了制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜作為人造血管內層基底的研究方向。研究采用了不同于現有的制備方法,即細菌纖維素磨成超細粉末后,通過機械攪拌,均勻分散入聚氨酯/(四氫呋喃/N,N-二甲基甲酰胺)溶液,溶液用作共混纖維的紡絲液,再利用靜電紡絲技術制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜。本研究目的是制備兼具細菌纖維素的生物相容性、可降解性和聚氨酯的彈性、長期穩定性的血管內層基底。通過對所研制復合膜的形貌、物理化學、力學性能及生物相容性等表征參數的測試,對該復合膜作為人造血管內層基底的應用潛力進行了評估。

1 材料、儀器和方法

1.1 材料

細菌纖維素分散液(桂林奇宏科技公司)、聚氨酯顆粒、無水乳酸、去離子水、四氫呋喃(CHO,THF)、N,N-二甲基甲酰胺(C3H7NO,DMF)。

1.2 儀器

烘箱、全方位行星球磨機(QM-QX0.4 L型,長沙米淇儀器設備有限公司)、超聲波、磁力加熱攪拌器、磁力攪拌器、靜電紡絲機(RES-001型,萊州市電子儀器有限公司)、傅里葉變換紅外光譜儀(Spectrum Two型,珀金埃爾默儀器上海有限公司)、測厚儀、差式掃描量熱儀(DSC 4000,珀金埃爾默儀器上海有限公司)、OCA25型接觸角測量儀、捷克TESCAN MIRA LMS型掃描電子顯微鏡、KP-4K-3DWA27型2 D/3D電子顯微鏡(科普艾斯科技有限公司提供)、拉伸斷裂強力儀。

1.3 制備細菌纖維素粉

細菌纖維素分散液裝入玻璃皿中,置于恒溫真空干燥箱中,60 ℃下干燥,每隔4 h稱取質量,樣品質量恒定后即為試驗用細菌纖維素膜。將細菌纖維素膜放入10%(質量分數)的乳酸溶液中,85～90 ℃水浴2 h,取出浸泡后的細菌纖維素膜,置于恒溫真空干燥箱中,60 ℃干燥至恒定質量,取出后用研缽研磨數分鐘,再放入行星球磨機中研磨90 min,得到細菌纖維素極細粉末。[20]

1.4 混合細菌纖維素和聚氨酯

將聚氨酯顆粒溶于DMF/THF共混溶液[DMF與THF的體積比[ψ(DMF):ψ(THF)=1∶1]中,磁力攪拌12 h后加入制備的細菌纖維素粉末,磁力攪拌12 h后再放入超聲波清洗器中,震蕩2 h后再磁力攪拌12 h,制得混合均勻的細菌纖維素和聚氨酯混合靜電紡絲溶液。

1.5 靜電紡絲制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜

選用不同比例的共混溶液,通過靜電紡絲制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜,測試其物理化學性能,評估可調的細菌纖維素、聚氨酯的質量分數[ω(BC)、ω(PU)]及其范圍,以探討制備復合膜作為人造血管內層基底的可行性。經靜電紡絲預試驗測試發現,THF/DMF溶液體系中,溶質質量分數(ω溶質)為29%時靜電紡絲制備的纖維均勻且體系穩定。故本研究選用ω溶質=29%,ω(BC)、ω(PU)不同的4種復合膜樣品[3%ω(BC)+26%ω(PU)]、[7%ω(BC)+22%ω(PU)]、[11%ω(BC)+18%ω(PU)]和29%ω(PU)進行靜電紡絲,采用RES-001型靜電紡絲機,紡絲在標準溫濕度環境下進行,具體靜電紡絲參數如表1所示。

表1 靜電紡絲參數

2 測試方法

2.1 物理化學分析

選取7%ω(BC)+22%ω(PU) 、29%ω(PU)及研磨后經充分干燥的細菌纖維素粉(PBC)為樣品,采用傅里葉變換紅外光譜測試方法和差示掃描量熱法進行物理化學分析。

采用Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀透射模式進行測試,波數為0～4 500 cm-1,獲得波長為0～4 000 cm-1的光譜。

采用DSC 4000差示掃描量熱儀,利用加熱坡道過程中熱流的二階導數確定玻璃化轉變溫度(Tg)、結晶溫度(Tc)和降解溫度(Td)。

2.2 結構和形貌

選取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和 11%ω(BC)+18%ω(PU)為樣品,采用掃描電鏡(SEM)方法分析纖維形貌。在樣品的表面噴金,采用捷克TESCAN MIRA LMS型掃描電鏡,獲得樣品的微觀結構圖。

2.3 力學性能

選取29%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)為樣品,將樣品剪裁為10 mm x 20 mm的長方形進行單軸拉伸試驗。使用拉伸斷裂強力儀,采用平面夾頭,拉伸速度為20 mm/min,試驗在室溫下進行。通過計算可求得復合膜的彈性模量、抗張強度及斷裂伸長率等力學參數。

2.4 水接觸角

選取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)為樣品,將樣品裁剪為3 cm x 3 cm的正方形,于恒溫真空干燥箱中60 ℃下干燥24 h后,在25 ℃、相對濕度50%的條件下,展平后置于接觸角測定儀的載物臺上。采用OCA25型自動接觸角儀進行測試,每個樣品取5個不同部位進行測量,取平均值。

2.5 復合膜面表面形貌

選取29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)為樣品,采用KP-4K-3DWA27型2D/3D電子顯微鏡測試復合膜膜面的表面形貌,樣品放置在測試儀器的顯微鏡下,選取不同的方向對復合膜表面進行觀察。

2.6 統計分析

采用Origin 2018 軟件對得到的數據進行繪圖、分析。使用適當的數學公式,對數據進行統計分析。

3 結果及討論

3.1 結構和形貌

3.1.1 復合膜膜面形貌

使用三維顯微鏡,在相同的光線條件下,選取視野較清晰的視角觀察各樣本膜面。由圖1可見,純聚氨酯樣品[29%ω(PU)]膜面光滑勻整[圖1a)],添加了細菌纖維素的樣品[圖1b)～圖1 d)]的復合膜表面明顯可見有粉末分布,且分布較均勻,ω(BC)越大,膜面顆粒感越強,但肉眼觀察下膜面仍然十分平整。由此可推測,細菌纖維素粉末與聚氨酯紡絲液混合有效且混合較為充分。

圖1 復合膜膜面三維顯微鏡圖

3.1.2 纖維表面微觀形貌

復合膜膜面的SEM圖像(圖2)顯示,所有樣品29%ω(PU)[圖2a)和圖2e)]、3%ω(BC)+26%ω(PU)[圖2b)和圖2f)]、7%ω(BC)+22%ω(PU)[圖2c)和圖2g)]、11%ω(BC)+18%ω(PU)[圖2d)和圖2h)]中均存在纖維形態?？梢园l現,隨著ω(BC)的增大,纖維直徑有減小的趨勢,纖維逐漸變細。樣品29%ω(PU)的纖維均勻,形態良好,交錯連接良好;添加細菌纖維素后,樣品3%ω(BC)+26%ω(PU)和7%ω(BC)+22%ω(PU)纖維也較為均勻、良好,無明顯串珠,而樣品11%ω(BC)+18%ω(PU)中存在串珠,纖維不均勻、黏結,這可能是由于ω(BC)增大,ω(PU)減小,導致紡絲過程中射流不穩定,[21]但是這還需進一步試驗與驗證。因此,目前只能大概推斷采用靜電紡絲方法制備形態較好,且具有良好纖維網狀結構的細菌纖維素/聚氨酯復合膜時ω(BC)和ω(PU)的范圍。

3.2 物理化學性能

3.2.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

聚氨酯全稱聚氨基甲酸酯,是一種高分子材料。其化學結構式如圖3所示:

圖3 聚氨酯化學結構式

細菌纖維素是一種主要由細菌產生的、具有生物可降解性的天然納米結構高分子材料,細菌纖維素的分子結構[22]如圖4所示。

圖4 細菌纖維素分子結構

紅外光譜文獻中,聚氨酯紅外吸收峰的指認已經得到較為一致的相關數據。包括:3 280 cm-1附近對應的氫鍵化N-H伸縮振動;1 730 cm-1和1 700 cm-1附近對應的游離氨酯羰基和氫鍵化氨酯羰基;1 414 cm-1和1 516 cm-1附近對應的苯環內C-C伸縮振動;1 535 cm-1附近對應的氨基甲酸酯N-H彎曲振動和C-N伸縮振動;1 222 cm-1附近對應的C-N伸縮振動;1 110 cm-1附近對應的醚鍵吸收。[23]關于細菌纖維素紅外吸收峰的指認,也可從一些官方權威文獻中查到,在3 440 cm-1的強帶反映了氧合氫鍵(O-H)的拉伸振動,在1 250～850 cm-1強帶反映了CO-C的拉伸振動峰。[24]

如圖5所示,純聚氨酯聚合膜[29%ω(PU)]及純PBC的紅外光譜的吸收特征峰與上述指認的十分吻合,細菌纖維素/聚氨酯復合膜的紅外吸收特征峰與純聚氨酯聚合膜[29%ω(PU)]、純PBC的吸收特征峰也十分接近。圖5中橙色劃線是樣品PBC的吸收特征峰標線,黑色劃線為樣品29%ω(PU)的吸收特征峰標線。分析圖5中的劃線可知,樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)的紅外光譜圖中分別出現了29%ω(PU)和PBC的特征吸收峰,且沒有新的特征峰出現,說明復合膜中的聚氨酯和細菌纖維素之間應該沒有化學鍵的鍵合,細菌纖維素與聚氨酯之間的作用形式主要以范德瓦爾斯力與氫鍵相互作用為主。[25]

圖5 樣品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的FTIR譜

3.2.2 復合膜的熱性能

通過差示掃描量熱法對樣品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU) 進行測試,圖6為樣品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的DSC熱流圖,表2為樣品的Tg、Tc和Td。樣品29%ω(PU)和樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)的Tg在190 ℃左右,樣品29%ω(PU)在300 ～350 ℃間發生吸熱反應,樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)則是在300～370 ℃發生吸熱反應,且在發生吸熱反應的過程中,在325 ～350 ℃間存在熱流差減少的現象。有關細菌纖維素物理化學性能分析的文獻指出,細菌纖維素在300～500 ℃放熱反應下經歷了一個主要的降解步驟,這是典型的纖維素分解現象。[10]4本研究測試結果顯示,在300～400 ℃間存在放熱反應的熱流差趨勢,由此推斷:樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)在吸熱反應過程中熱流出現拐折是由細菌纖維素的存在而引起的。

表2 樣品29%ω(PU)、PBC和7%ω(BC)+22%ω(PU)的Tg、Tc和Td

3.3 力學性能

測得樣品29%ω(PU)膜厚度為0.03 mm,樣品7%BC+22%PU膜厚度為0.026 mm。圖7是樣品29%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)的應力-應變曲線圖,經計算,樣品29%ω(PU)的初始模量為0.704 85 MPa,樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)的初始模量為0.813 28 MPa。由圖7可見,樣品29%ω(PU)的拉伸曲線大致可以分為彈性階段、屈服階段和強化階段,樣品7%ω(BC)+22%ω(PU)的拉伸性能曲線與29%ω(PU)的相似,但其斷裂應力明顯比樣品29%ω(PU)的大,初始模量也高于樣品29%ω(PU)的,表明加入細菌纖維素后樣品強度增大。

圖7 樣品29%ω(PU)、7%ω(BC)+ 22%ω(PU)的應力-應變曲線圖

3.4 水接觸角

接觸角是評價材料表面親疏水性能的重要參數。由于血液是個含水體系,復合膜作為人造血管的內層材料,其親水性對其生物相容性十分重要[19]。研究中復合膜的親水性通過水接觸角試驗獲得,水接觸角越小,復合膜表面親水性就越好。圖8為樣品29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)水接觸角測試結果的平均值?？梢钥闯黾兙郯滨ブ频玫臉悠?9%ω(PU)的水接觸角>110°,為疏水材料,加入3%ω(BC)后,水接觸角明顯變小,且<80°,隨著樣品中ω(BC)的增加,水接觸角越來越小,親水性增強,說明細菌纖維素的加入使復合膜的親水性得到明顯的改善。

圖8 樣品29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)的水接觸角

4 結論與展望

研究結果表明:利用機械作用將細菌纖維素粉與聚氨酯充分混合,通過靜電紡絲的方法能夠成功制備29%ω(PU)、3%ω(BC)+26%ω(PU)、7%ω(BC)+22%ω(PU)和11%ω(BC)+18%ω(PU)復合膜;通過表征材料的物理化學性能可知,在適當的質量分數范圍內,復合膜細菌纖維素粉均勻地附著在膜面上,且不影響膜面的平整度,纖維網狀結構良好,細菌纖維素與聚氨酯能夠良好地結合;FTIR譜圖表明復合膜具有細菌纖維素與聚氨酯的化學官能團且互不影響;純聚氨酯制備的聚合膜親水角>110°,為疏水材料,細菌纖維素具有大量的氫鍵,因此添加細菌纖維素后,細菌纖維素/聚氨酯復合膜親水性顯著提高,增加了抗血栓性相關的血液相容性;復合膜拉伸應力達到(1.407±0.120) MPa,超過了許多天然血管所能承受的最大壓力;通過對不同細菌纖維素/聚氨酯復合膜中不同ω(BC)和ω(PU)的比較,發現較適宜的質量分數[ω溶質=ω(BC)+ω(PU)=29%]為ω(BC)=5%～9%、ω(PU)=20%～24%,在該范圍內,復合膜具有良好的親水性、纖維結構及拉伸應力,且膜面平整,基本滿足人造血管內層結構的要求,具有作為人造血管內層基底的應用潛力,在人造血管原位組織工程領域具有潛在的應用價值。

本研究采用的制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜的新方法,得到的復合膜的物理化學性能也較為理想,對于未來制備細菌纖維素/聚氨酯復合膜或雙層、多層人造血管內層基底的研究,具有一定的參考價值,但在細菌纖維素粉的加入對靜電紡絲過程中射流穩定性、纖維間力學性能的影響,以及樣品在體外或體內細胞培養的效果方面還有待進一步研究。