还原氧化石墨烯增强聚乳酸纳米纤维膜的制备及其性能

王曙东， 董 青， 王 可， 马 倩

(1. 盐城工业职业技术学院 纺织服装学院， 江苏 盐城 224005； 2. 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215002； 3. 江苏金麦穗新能源科技股份有限公司， 江苏 盐城 224013；4. 苏州工业园区海归人才子女学校， 江苏 苏州 215021)

组织工程学是一门通过具有生物相容性的支架材料修复或替代原有病变器官组织，并达到组织再生的交叉学科，组织工程支架材料应具有仿天然细胞外基质的结构，同时应具有良好的生物相容性、生物可降解性和一定的力学性能[1-2]。近年来，生物可降解材料因其可制备绿色、环境友好型的复合材料而引起研究人员的兴趣[3-4]。聚乳酸(PLA)是一种新型可降解材料，可从玉米、淀粉、马铃薯等可再生资源中提取出的淀粉合成而得，因具有良好的生物相容性、力学性能和易于加工，已被广泛应用于组织工程支架材料[5-6]。然而，聚乳酸组织工程支架材料仍存在力学强度不够高，细胞相容性有待进一步提高等问题[7]。

近年来，石墨烯因其特有的机械、电、光等特性[8-9]，已被广泛应用于传感器、电池、光学设备和超级电容器[10-11]，石墨烯也已被证明具有潜在的生物医学价值[12-13]。目前，已有多种方法可制备不同尺寸和结构的石墨烯[14-15]，本文课题组之前已采用氢碘酸还原法制备还原氧化石墨烯(rGO)[16]。静电纺丝技术可将天然或合成聚合物材料制备成由微纳米纤维构成的多孔支架材料，已被广泛应用于制备组织工程支架材料[17-18]。目前，国内外已有采用静电纺丝法制备PLA和石墨烯或氧化石墨烯复合材料的相关报道[19-20]，但采用rGO修饰或改性PLA纳米纤维的报道较少。本文将PLA与制备的rGO以一定的质量比例复合，并采用静电纺丝法制备PLA/rGO复合纳米纤维膜，研究rGO的复合对纳米纤维膜力学性能的影响，并对其细胞相容性进行表征，为该复合纳米纤维膜应用于组织工程支架材料提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

PLA(相对分子质量为1 000 000)，山东岱罡生物科技有限公司；石墨粉，分析纯，南京先丰纳米材料科技有限公司；氯化钠、浓硫酸、高锰酸钾、过氧化氢、氢碘酸、N,N-二甲基甲酸胺(DMF)等，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；纯水为实验室自制。小鼠胚胎成骨细胞，苏州大学基础医学与生物科学学院提供。

1.2 PLA/rGO复合纳米纤维膜的制备

采用文献[21]方法制备氧化石墨烯，并采用氢碘酸还原法制备rGO。首先，将PLA/rGO复合物溶解(rGO质量分数为0.2%、0.4%和0.6%，当rGO质量分数超过0.6%时，已很难在纺丝液中分散并形成团聚)分散于DMF溶液中，纺丝液的质量分数为15%。然后，按照图1所示采用静电纺丝方法制备PLA/rGO复合纳米纤维膜(rGO 质量分数为0.0%、0.2%、0.4%和0.6%对应样品编号为1#、2#、3#和4#)。静电纺丝参数设置为：电压15 kV，纺丝液流速0.5 mL/h，纺丝口至收集装置的距离15 cm。

图1 静电纺PLA/rGO复合纳米纤维膜的制备示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of preparation of electrospinning PLA/rGO blended nanofibrous membrane

1.3 测试与表征

纺丝液黏度测试：采用AR2000型流变仪(美国TA仪器公司)测试PLA/rGO复合纺丝溶液的黏度，旋转剪切范围为0.1～100 s-1。

形貌观察及纤维直径测试：对复合纳米纤维膜进行喷金处理后，采用S-4800型扫描电子显微镜(SEM， 日本日立公司)观察其表面形貌，并采用Photoshop 7.0测量扫描电镜照片中100根纤维的直径，取平均值得到纳米纤维的平均直径；将复合纳米纤维膜放在铜网上，采用Hitachi 600型透射电子显微镜(TEM，日本日立公司)观察PLA/rGO复合纳米纤维膜的内部结构。

表面元素测试：采用S-4800型扫描电子显微镜及其配套TM3030型能谱仪(日本日立公司)扫描PLA/rGO复合纳米纤维膜的微区中碳和氧元素的能谱图。

拉曼光谱测试：采用HR800型共聚焦显微拉曼光谱仪(法国HORIBA Jobin Yvon公司)测试PLA/rGO复合纳米纤维膜的拉曼光谱，测试范围为3 000～500 cm-1。

力学性能测试：采用Instron 3365型强伸度测试仪(美国Instron公司)测试PLA/rGO复合纳米纤维膜的拉伸性能，夹持长度为20 mm，拉伸速率为20 mm/min， 预加张力为0.2 cN。根据纳米纤维膜的断裂强力、断裂伸长率、弹性模量等数据，获得应力-应变曲线[22]。每组样品测试3组，取平均值。

细胞相容性测试：采用小鼠胚胎成骨细胞培养来表征PLA/rGO复合纳米纤维膜的细胞相容性，采用四唑盐比色(MTT)法测定细胞在纤维膜上的生长情况[23]。

2 结果与讨论

2.1 PLA/rGO复合纺丝溶液的流变性能

图2(a)示出PLA/rGO复合纺丝溶液的形貌。可见：纯PLA纺丝溶液呈透明无色状，加入rGO分散后纺丝液呈现黑色，且随着rGO质量分数的提高，纺丝溶液颜色逐渐加深；rGO在PLA与DMF体系中分散良好，无团聚和沉淀现象。图2(b)示出含有不同质量分数rGO的纺丝溶液的黏度。可见：随着rGO质量分数的提高，复合纺丝溶液的黏度逐渐增加，这是由于rGO分散于聚乳酸纺丝溶液中，分子间相互作用力增强，导致溶液黏度增大。

图2 PLA/rGO复合纺丝溶液的外观形貌和流变性能Fig.2 Morphology (a) and rheological property (b) of PLA/rGO blended spinning solution

2.2 PLA/rGO复合纳米纤维膜形貌结构

图3示出PLA/rGO复合纳米纤维膜的形貌结构照片。由图3(a)可见，1#纳米纤维膜具有多孔结构，纤维粗细和分布较为均匀，纤维平均直径约为150 nm。 由图3(b)～(d)可见：复合纳米纤维膜的纤维直径较1#纳米纤维膜有一定程度的增加，纳米纤维膜的纤维直径达到180～220 nm，这是由于纺丝液黏度增加的缘故。与1#纳米纤维膜相比，有不规则球状物分布于复合纳米纤维膜(2#～4#)表面及内层，且随着rGO质量分数的增加，球状物的数量也有一定程度增加。根据课题组之前相关研究结果表明[24]，分布于纳米纤维膜中的不规则球状物是PLA纳米纤维包覆的rGO颗粒。

图3 不同rGO质量分数的PLA/rGO 复合纳米纤维膜的SEM照片(×5 000)Fig.3 SEM images of PLA/rGO blended nanofibrous membrane with different mass fraction of rGO(×5 000)

图4示出rGO及PLA/rGO复合纳米纤维膜的透射电镜照片。由图4(a)可见，rGO为单层片状结构，尺寸大小为微纳米级别。由图4(b) rGO高分辨率透射电镜照片可见，rGO拥有良好的晶体状结构。由图4(c)、(d) 4#复合纳米纤维的透射电镜照片可见，有不规则球状物串于复合纳米纤维上，这与扫描电镜分析结果是一致的，且通过透射电镜可清楚地观察到不规则球状物内部为片状rGO，表明rGO被成功地复合至PLA纳米纤维膜中。

图4 rGO及PLA/rGO复合纳米纤维膜的透射电镜照片Fig.4 TEM images of rGO and PLA/rGO blended nanofibrous membrane. (a) Low resolution image of rGO; (b) High resolution image of rGO; (c) Low resolution image of 4#; (d) High resolution image of 4#

2.3 PLA/rGO复合纳米纤维膜化学结构

为进一步验证rGO被成功地复合至PLA纳米纤维膜中，测定了PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜的拉曼光谱图，如图5所示。可知，rGO的复合未改变PLA的结构，与纯PLA纳米纤维膜相比，PLA/rGO复合纳米纤维膜均在1 580和1 340 cm-1处出现2处特征峰，分别归属于rGO中碳的G峰和D峰[25]，进一步验证了rGO被成功地复合至PLA纳米纤维中。由图5还可见，随着rGO质量分数的增加，PLA/rGO复合纳米纤维膜拉曼光谱图的G峰的强度逐渐增加，进一步表明复合至PLA纳米纤维膜rGO颗粒的数量逐渐增加，这与扫描电镜分析结果是一致的。

图5 不同rGO质量分数的PLA/rGO 复合纳米纤维膜的拉曼光谱图Fig.5 Raman spectra of PLA/rGO blended nanofibrous membrane with different mass fraction of rGO

2.4 PLA/rGO复合纳米纤维膜力学性能

PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜的力学性能如图6和表1所示。

表1 PLA/rGO复合纳米纤维的力学性能Tab.1 Mechanical property of PLA/rGO blended nanofibrous membrane

图6 PLA/rGO复合纳米纤维的力学性能Fig.6 Mechanical property of PLA/rGO blended nanofibrous membrane

由图6可见，1#纳米纤维膜的断裂强度以及弹性模量较小，分别为(0.88±0.12)和(1.52±0.21) MPa， 断裂伸长率为(57.53±4.28)%，复合rGO后的PLA纳米纤维膜的断裂强度和弹性模量

较1#纳米纤维膜有一定程度提高，断裂伸长率有一定程度下降。随着rGO质量分数的提高，复合纳米纤维膜的断裂强度和弹性模量逐渐增加，当rGO质量分数0.6%时，4#复合纳米纤维膜的断裂强度和弹性模量分别达到(2.02±0.21)和(4.93±0.51) MPa，分别是1#纳米纤维膜的2.3倍和3.2倍，表明rGO的复合对于PLA纳米纤维膜具有较好的增强作用。

2.5 PLA/rGO复合纳米纤维膜细胞相容性

小鼠胚胎成骨细胞在PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜上培养7 d后的细胞增殖情况如表2所示。可见，小鼠胚胎成骨细胞在PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜上均可较好地生长和增殖，这是因为PLA具有良好的生物相容性，且纳米纤维膜为多孔结构。MTT结果显示，rGO的复合在一定程度上有利于细胞在PLA纳米纤维膜上的增殖。这可能是由于rGO的电子传递特性，有利于促进细胞生长[26]；另一方面，可能是由于rGO的复合，使得PLA纳米纤维膜的含氧基团数量增加，提升了纳米纤维膜表面亲水性，有利于细胞生长与增殖。

表2 小鼠胚胎成骨细胞在PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜上的增殖情况Tab.2 Proliferation of mouse embryonic osteoblasts on PLA and PLA/rGO blended nanofibrous membrane

图7示出PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜能谱的碳和氧元素的分布图。结果显示，PLA纳米纤维膜的表面氧碳元素含量比为0.20，随着rGO质量分数的提高，复合纳米纤维膜表面的氧碳元素比逐渐提高，当rGO质量分数为0.6%时，复合纳米纤维膜的表面氧碳元素比增至0.27，验证了rGO的复合，使得PLA纳米纤维膜表面的含氧基团数量增加，提升了材料表面亲水性，有利于细胞生长与增殖。上述结果表明本文制备的复合纳米纤维膜具有良好的生物相容性。

图7 PLA及PLA/rGO复合纳米纤维膜的表面碳、氧元素分布情况Fig.7 EDS images of C and O elements on surface of PLA and PLA/rGO blended nanofibrous membrane. (a) C element on surface of 1#; (b) O element on surface of 1#; (c) C element on surface of 2#; (d) O element on of 2#; (e) C element on surface of 3#; (f) O element on surface of 3#; (g) C element on surface of 4#; (h) O element on surface of 4#

3 结 论

本文将一定质量的还原氧化石墨烯(rGO)分散于聚乳酸(PLA)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)纺丝溶液中，通过静电纺丝法制备得到PLA/rGO复合纳米纤维膜，并研究了其结构与细胞相容性，得出如下主要结论。

1)rGO可较好地分散于PLA和DMF纺丝液中，随着rGO质量分数的提高，复合纺丝液的黏度增加。

2)PLA/rGO复合纳米纤维平均直径为180～220 nm， rGO以不规则球状形式分布于PLA纳米纤维膜中，随着rGO质量分数的提高，复合在纳米纤维中的球状物的数量也有一定程度增加。

3)rGO的复合未改变PLA的结构，且使PLA纳米纤维膜的力学性能有一定增加，随着rGO质量分数的提高，复合纳米纤维膜的断裂强度逐渐增加。

4)小鼠胚胎成骨细胞可在复合纳米纤维膜上生长和增殖，说明PLA/rGO复合纳米纤维膜具有较好的细胞相容性，rGO的复合有利于细胞在PLA纳米纤维膜上的增殖。