PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的制备及性能研究

王新 骆菁菁 熊杰

摘要：利用静电纺丝技术，制备了聚苯胺掺杂的聚乳酸/聚己内酯复合导电纳米纤维膜，通过扫描电镜（SEM），探讨了不同质量分数配比下的聚苯胺对纤维膜相关性能和纤维表面形貌的影响，并采用红外光谱分析（FTIR）、X射线衍射（XRD）和热重分析法（DSC）等测试手段对纤维膜的形貌和结构进行了分析。结果表明，具有一定形貌和电导性的PANI复合纳米纤维支架，对细胞在纤维上的吸附和增殖有一定的促进作用，具有良好的生物相容性，作为生物支架材料在组织工程上具有一定的应用前景。

关键词：聚苯胺;聚乳酸;聚己内酯;导电性;表面形貌;组织工程

中图分类号：TQ342.94

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）01-0001-05

细胞和材料之间的相互作用是组织工程中的关键性问题，支架材料本身的物理化学性质直接影响细胞的行为[1]。数十年来，研究人员通过改变不同物质的物理化学性质，包括材料的化学组成、润湿能力和表面形态等，来调控细胞和材料之间的相互作用[2]。支架材料的结构和形貌控制着再生组织的结构、尺寸和形貌，作为连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态[3]。因此，设计具有适合特定组织类型特征的支架对于实现组织的再生至关重要。原生组织中的细胞被细胞外基质（ECM）包围，因此模仿ECM的特征有利于组织再生[4]。纳米纤维形态被认为是ECM的主要结构特征之一。在众多制备纳米纤维的方法中，静电纺技术具有大尺度的加工，容易控制纤维直径或形貌等优点[5]。此外，导电聚合物近年来受到了广泛关注，研究表明电刺激或物质的电活动会影响细胞行为[6]。导电聚合物如聚吡咯（PPY）和聚苯胺（PANI）可促进神经元的生长和分化，促进神经细胞的吸附和增殖[7]，在体外和体内都具有良好的生物相容性[8]。纤维膜的特性影响着细胞的增殖和分化[9]，本文制备了一种具有特殊形貌和电导性的PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜，研究这些性质对细胞行为的影响。

1实验

1.1材料

聚乳酸（PLA，Mn=150 000），聚己内酯（PCL，Mn=80 000）深圳光华伟业有限公司;六氟异丙醇（HFIP，分析纯，盐城冬阳生物制品有限公司）;聚苯胺（PANI，Mn=65 000），樟脑磺酸（CPSA）美国sigma公司。

1.2溶液的配制

称取一定量的PLA和PCL（4∶1w/w）溶解在HFIP中，在室温条件下，使用磁力搅拌器搅拌24 h，获得质量分数为8%的PLA/PCL混合溶液。称取相同质量的PANI（Mn=65 000 g/mol）和CPSA将其溶解在HFIP中，水浴超声处理1 h后，在室温条件下，使用磁力搅拌器搅拌24 h，使用孔径为0.45 μm的注射器式的过滤器进行过滤，得到墨绿色溶液。将上述配置的两种溶液以一定比例混合，最终得到PLA/PCL质量分数为8%混合溶液（其中PANI的含量为1%），以同样方式分别配置PANI质量分数为2%和3%的混合溶液。

1.3PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的制备

将上述配置的溶液添加到注射器中，在接收距离为13 cm、纺丝电压为12 kV、溶液流速为0.60 mL/h、相对湿度为30%～40%、室温的纺丝条件下进行纺丝，得到复合纳米纤维膜，将其放在真空干燥箱中干燥24 h。

2PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的表征

通过场发射扫描电子显微镜（FE—SEM）（S4800，日本）观察复合纳米纤维的形貌，样品被镀金60 s后观察以增加纤维形貌的清晰度;静电纺纳米纤维膜的直徑通过图片分析软件（Image—J software）进行分析。静电纺纳米纤维膜的润湿性通过水接触角进行测试，液滴的大小为0.5 μL，同一个样品在相同间距下对多个点进行测试求取水接触角的标准偏差;用傅里叶红外交换光谱仪（ATR—FTIR）检测纤维膜化学结构的变化，采用溴化钾压片，光谱范围为4 000～400 cm-1。使用差示扫描量热仪（DSC）（Q20，美国）对复合纳米纤维膜的热力学性能进行分析，升温速率为10 ℃/min，升温范围为20～200 ℃。采用X射线衍射仪（XRD）（D8 discover，美国）对复合纳米纤维膜的结晶度进行检测，扫描范围为10°～45°，扫描速度为2°/min。用紫外可见光光度计（UV—VIS）对PLA/PCL—PANI纳米纤维膜的光学性能进行检测，根据吸收谱上的某些特征波长处的吸光度的高低来判别或测定该物质的含量，测定的波长范围为190～1 100 nm。电导性测试则通过循环伏安法进行测试。细胞增殖测试（MTT分析法）是将制备好的纤维膜裁剪成直径为10 mm的圆，放置在96孔板中。接种小鼠胚胎成骨细胞（NIH—3T3）前，用70%的乙醇浸泡4 h，然后用无菌的PBS反复漂洗3次。使用70%的乙醇溶液对PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜进行消毒。具体步骤如下：用含10%胎小牛血清得培养液配成单个细胞悬液，以每孔5×103个细胞接种到96孔板，每孔体积100 μL。培养1，4，7 d后，每孔加MTT溶液（5 mg/ml PBS）20 μL。继续孵育4 h，终止培养，小心吸弃孔内培养上清液，对于悬浮细胞需要离心后再吸弃孔内培养上清液。每孔加150 μL DMSO，振荡10 min，使结晶物充分融解。选择490 nm波长，在酶联免疫监测仪上测定各孔光吸收值，记录结果，以时间为横坐标，吸光值为纵坐标绘制细胞生长曲线。

3结果与讨论

3.1PLA/PCL和PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的形貌分析

图1中显示了在相对湿度为40%，不同PANI含量下制得复合纳米纤维膜的电镜图片，其中a、b、c、d分别代表PANI质量分数为0，1%，2%，3%的纳米纤维，在这里分别用PLA/PCL、PLA/PCL—PANI（1%）、PLA/PCL—PANI（2%）、PLA/PCL—PANI（3%）代替不同PANI含量下的纳米纤维。图1可以观察到PLA/PCL、PLA/PCL—PANI（2%）纳米纤维表面有密集的沟槽出现，可能是因为非溶剂诱导溶液相分离，即空气中的水蒸气与射流溶液中的溶剂混合，起到非溶剂的作用，引起溶液发生液—液相分离，形成聚合物富集相和溶剂富集相[10]。而溶剂挥发过程中，射流随之固化，溶剂富集相形成孔道，聚合物富集相形成纤维骨架，从而形成的纤维具有褶皱的表面，且表面具有纵向的沟槽和凸起的棱，纤维内部为实心结构。

静电纺纳米纤维的直径受到聚合物溶液的浓度、溶液的电导率、流率和电压等多种因素影响。图2观察到纳米纤维的直径随着PANI含量的增加而逐渐减小，可能是因为溶液电导率的增加。从直径频率分布曲线可以看出，PLA/PCL和PLA/PCL—PANI（2%）下纳米纤维直径分布的比较分散，而PLA/PCL—PANI（1%）和PLA/PCL—PANI（3%）中纳米纤维的直径分布相对比较集中，纳米纤维的平均直径随着PANI含量的增加而逐渐减小。

3.2FTIR光谱分析

从图3中可以看出，曲线d在3 436 cm-1对应是—OH，—NH的伸缩振动吸收峰。其中以分子中氢键为主，然而通过比较可以发现，曲线b，c，d在此处的吸收峰的峰宽和峰面积随着聚合物中PANI含量的增加而增加。在3 100～3 000 cm-1对应著芳环上C—H伸缩振动，3 000～2 700 cm-1对应着饱和C—H伸缩振动吸收。曲线c中波数2 335 cm-1，1 759 cm-1，1 462 cm-1，1 350 cm-1分别对应着PANI，PLA和PCL中的CN伸缩振动，CO伸缩振动，C—H面内弯曲振动，C—N伸缩振动吸收。而1 184 cm-1和1 087 cm-1则对应着PLA和PCL中的C—O伸缩振动及对称振动的特征吸收峰。曲线d所表示的PANI复合纳米纤维的红外光谱上，除了含有曲线a的特征峰外，PANI所具有的特征峰也存在，这说明经掺杂后的复合纤维和PANI是共混体系。此外，除了上述PLA，PCL和PANI的特征峰外，曲线d中没有其他特征峰的出现，这说明PANI在添加过程中并未与聚合物及溶液发生化学反应，复合纤维的分子链未发生变化。

3.3DSC表征

图4DSC分析谱图显示了3个特征峰，分别是共混物中PCL位于58 ℃的熔融峰（Tm）和PLA在96.6 ℃处的结晶峰（Tc），以及PLA位于152 ℃的熔融峰（Tm）。在添加PANI后熔融峰位置几乎没有发生改变，熔融峰的峰宽却随着PANI含量的增加而增加。两个熔融峰的存在，以及峰宽的增加都能够说明PLA和PCL间是不相容的。结晶峰的峰位置发生了明显的位移，相比较PLA/PCL添加了PANI后PLA更容易结晶。PLA作为一种半结晶聚合物，其峰的位移和结晶度的增大，这是由于PANI和少量的PCL作为异相成核剂使得PLA的分子链，能够依附于残留在熔体中粗糙的杂质表面有序排列，PANI中氨基基团与熔体分子中的羟基产生的分子间氢键，也有助于结晶的生成，使得PLA相能够快速成核结晶。

3.4XRD图谱分析

图5为纯的PLA/PCL和不同PANI含量下的PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的XRD图谱，从图5中可以看出PLA作为一类结构无序度高的能量介稳态半结晶聚合物，在衍射角为14.20°和24.42°处分别出现了不是很尖锐的峰包和比较明锐的衍射峰，这也说明了PANI诱导后形成的聚乳酸晶体主要是α晶型。加入PANI后复合体系衍射峰位置与纯PLA/PCL相比无明显偏移，且没有新的衍射峰出现，这说明PANI并不会诱导PLA/PCL出现新的晶型，但少量的PANI却能起到很好的异相成核作用，诱导PLA形成了大量的晶体。这是由于当PANI的质量分数较小时，少量的PANI可以充当成核剂，起到异相成核的作用，诱导无定形的PLA进行结晶。但当PNAI的含量增大时，有较强运动能力的PANI链段自身会先聚集在一起，规整排列形成较大体积的晶核，这时PANI晶核的比表面积相比于质量分数为1%时的有所下降，PLA和PANI的相对接触面积减小，溶液中只有少量的PLA可以围绕PANI晶核进行生长，其余大部分的PLA分子链依然处于无序状态。因此可以看出少量的PANI对PLA结晶有促进作用，但随着PANI含量的增加PLA结晶将受到影响。

3.5UV—VIS分析

在紫外可见光谱图中（图6），PLA—PCL紫外吸收曲线并没有特征的吸收峰，吸收强度沿长波方向没什么变化，对光呈透过性。PANI复合纳米纤维膜在200～1 000 nm波长范围内则有明显的吸收峰，在203 nm处的E2带，中等强度吸收是由苯环的共轭二烯所引起，又称K带;K带是由共轭体系的π→π*跃迁产生的，跃迁所需要的能量较R吸收带要大，K吸收带是共轭分子的特征吸收带，PANI含有苯环和苯醌，分子有共轭CC，CN双键，二者都能够吸收紫外光或可见光的发色团;B带也是苯环上3个双键共轭体系中的π电子向π*反键轨道跃迁和苯环的振动相重叠引起的，但相对来说，该吸收带强度较弱。芳香族化合物的特征吸收带，一般在230～270 nm之间出现精细的结构吸收，又称苯的多重吸收。之所以在321→451 nm间观察到紫外的特征吸收带，首先这是因为作为发色团的CC双键在PANI掺杂后形成的助色基团的作用下，可以使生色基团吸收波长变长，吸收强度增强。助色基团中的n电子可以产生P-π共轭，使π→π*跃迁能量降低，因而使吸收波向长波方向移动，发生所谓的红移;其次是因为苯醌结构含有CC，CN双键，两个生色基团相互影响，且随着共轭体系的增长，其最大吸收峰移向长波方向甚至可达到可见光区域，随着波长的红移，吸收强度也增大。因此，E带和B带都发生了红移，出现了谱图中观察到的现象。

3.6纳米纤维膜润湿性能分析

从PANI复合纳米纤维膜的水接触角变化趋势图7可以看出，纳米纤维膜的水接触角随着PANI含量的增加而减小，润湿性能逐渐增强;而在PANI3时水接触角减少的趋势减缓，这是由于对于一定的固体表面，在液相中加入表面活性物质常可改善润湿性能，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势。PANI容易团聚从而使纳米纤维膜的粗糙程度增加，润湿性能减弱。

3.7纳米纤维膜的电导性分析

本征态聚苯胺是蓝色的，处于中间氧化态，它本身不导电;然而经过樟脑磺酸掺杂之后，得到了一种呈墨绿色的聚苯胺，是处于中间氧化态和全还原态之间的一种特殊的状态，这种掺杂态即是我们所熟知的具有一定导电性的聚苯胺。聚苯胺有较高的电导率，但聚苯胺在普通溶剂中溶解性很差，可选择的溶剂也很少，且随着聚苯胺在混合溶液中含量的增加，溶液的可纺性也变得很差。图8中可以看出随着PANI含量的增加，电导率逐渐增加。

a.PLA/PCLb.PLA/PCL—PANI（1%）c.PLA/PCL—PANI（2%）d.PLA/PCL—PANI（3%）图8纳米纤维膜的电导率测试

3.8细胞增殖分析（MTT分析）

通过MTT法检测PLA/PCL—PANI复合纳米纤维膜的生物性能，检测原理为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性MTT还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲瓒（Formazan）并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。二甲基亚砜（DMSO）能溶解细胞中的甲瓒，用酶标仪在490 nm波长处测定其光吸收值，在一定细胞数范围内，MTT结晶形成的量與细胞数成正比。根据测得的吸光度值（OD值），来间接反映活细胞数量，OD值越大，细胞活性越强。从图9中可以看出，不同含量的PANI复合纳米纤维组与PLA/PCL组及细胞培养板组相比，细胞在PANI复合纳米纤维膜未显示出细胞毒性，随着培养时间的增加，细胞在不同含量的PANI复合纳米纤维膜上能够很好的增殖，且细胞数量随着培养时间的增加而逐渐增加。与其他组份相比较，在复合纳米纤维膜PANI2上细胞增殖的数量的尤其明显。

4结论

a）通过DSC和XRD热力学测试结果表明PANI并不会诱导PLA/PCL出现新的晶型，但少量的PANI却能起到很好的异相成核作用。

b）通过FTIR和UV—vis测试进一步表征经樟脑磺酸掺杂后PANI官能团的变化，发现PLA—PCL纳米纤维膜的紫外吸收曲线并没有特征的吸收峰，吸收强度沿长波方向没什么变化，对吸收光呈透过性。随着PANI含量的增加，其最大吸收峰移向长波方向甚至可达到可见光区域，随着波长的红移，吸收强度也逐渐增大。

c）通过MTT、SEM、水接触角测试说明具有一定形貌和电导性的PANI复合纳米纤维膜能够很好地促进细胞的吸附和增殖，在细胞支架应用领域具有一定的前景。

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