PLGA/MXene纳米纤维膜的制备及光热性能影响因素

李朝威,安 琪,陈 迟,李大伟,2,付译鋆,2

(1. 南通大学纺织服装学院,江苏 南通 226019；2.安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心,江苏 南通 226019)

0 引言

聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)是一种可降解有机高分子化合物,在生物体内可水解成CO2和H2O[1],是目前组织工程研究中常用的生物材料[2],广泛应用于药物递送纳米载体、医用伤口敷料和组织再生支架等生物医学工程领域[3-4]。静电纺丝技术是得到纳米纤维最有优势的技术之一,通过静电纺丝生产的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、纤维直径小、可纺高分子种类多等优点[5-6],在过滤、组织工程、传感器、药物载体、创面敷料等方面具有很广泛的应用[7-9]。

近年来,过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXene)作为一种新型的二维材料受到科学界越来越多的关注[10]。这类材料的通式为Mn+1XnTx(n= 1、2或3),其中M代表早期过渡金属元素,如Ti、Sr、V、Cr、Ta、Nb、Zr、Mo等,X是C和/或N[11],T为片状MXene表面的官能团,通常为-OH、-O和-F[12-14]。MXene类似石墨烯的晶体特征和结构特性赋予其电导率高、比表面积大、光热转换优异等物理化学性质,在能源、催化、生物医学等领域得到广泛应用[15-18]。研究表明MXene是一种具有优异光热转换性能的材料,可在近红外激光照射下将入射的光能吸收转化为热能,实现肿瘤的光热治疗[19-20],具有治疗快速有效、恢复快、侵袭小的特性,可广泛应用于肿瘤治疗。

本文研究以PLGA和MXene为原料,通过静电纺丝技术制备PLGA/MXene纳米纤维膜,探究MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度、接触介质等因素对纳米纤维膜光热性能的影响,为光热性能研究实验参数的调控提供理论依据和实验参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

PLGA,分子量76000m(PLA)/m～115000m(PLA)/m,m(PLA)/m(PGA)=75/25,阿拉丁化学试剂有限公司；MXene单层胶体溶液,1μm～5μm,5mg/mL,北京北科新材科技有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析纯,西陇科学股份有限公司。

1.2 PLGA/MXene纳米纤维膜的制备

称取一定质量的PLGA溶解在DMF中,然后加入一定量的MXene单层胶体溶液,在室温下用磁力搅拌器搅拌8 h至完全溶解,按表1所述方案制备出PLGA浓度为18 %,MXene浓度分别为0.1 %、0.2 %、0.3 %的PLGA/MXene纺丝液,超声震荡5 min后进行静电纺丝,设置纺丝电压为20 KV,纺丝距离为12 cm,纺丝速率为1.0 mL/h,制备不同浓度的PLGA/MXene纳米纤维膜。

表1 实验方案设计

1.3 光热性能测试

采用图1所示实验装置,将PLGA/MXene纳米纤维膜随机裁剪成2 cm2×2 cm2放在不同接触介质上,利用EXPEC810型光纤激光器将光源对准试样中心位置,用LDF635型手持式红外热像仪采集0 s、2 s、5 s、10 s、20 s和40 s时刻的光热图像,并绘制温度变化曲线。研究分析MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度、接触介质等因素对纳米纤维膜光热性能的影响,实验因素设置如表2所示。

表2 实验参数设置表

2 结果与讨论

2.1 MXene浓度对光热性能的影响

设置光照功率密度为2.0 mW/cm2、环境温度为23.5 ℃、光照距离为2.0 cm、接触介质为高硼硅玻璃培养皿,分别测试MXene浓度为0.1 %、0.2%、0.3 %时纳米纤维膜的温度变化,结果如图2所示。从中图2(a)可以看出,随着MXene浓度的增加,红外热像图上的光圈越明显,且颜色由黄色逐渐变为红色,表明纳米纤维膜的温度随MXene浓度的增大而增大,具有显著的浓度依赖性。图2(b)表明纳米纤维膜的温度呈先急剧上升后趋于平稳的趋势,且在激光照射40 s后,MXene浓度为0.1 %的纳米纤维膜最高温度达52.0 ℃,MXene浓度为0.3 %的纳米纤维膜最高温度达68.3 ℃,该温度足以杀死癌细胞[21]。

图2 不同MXene浓度下PLGA/MXene纳米纤维膜的(a)红外热像图,(b)温度曲线

2.2 光照功率密度对光热性能的影响

设置MXene浓度为0.2 %、环境温度23.5 ℃、光照距离2.0 cm、接触介质为培养皿,分别测试光照 功 率 密 度 为0.5 mW/cm2、1.0 mW/cm2、1.5 mW/cm2、2.0 mW/cm2时PLGA/MXene纳米纤维膜的温度变化,结果如下页图3所示。由下页图3(a)可知,随着光照功率密度的增大,红外热像图上的光圈越明显,说明光热性能越好。这是由于红外激光器的功率越大,MXene所吸收的光能越多,转换成的热能也越多,从而表现出的光热性能越好。由图3(b)可知,在0.5 mW/cm2、1.0 mW/cm2、1.5 mW/cm2、2.0 mW/cm2功率密度下,纤维膜最 高 温 度 分 别 达37.4℃、49.8℃、56.5℃、66.2℃。纤维膜温度随着光照功率密度的增大呈增加趋势,表现出一定的功率依赖性。

图3 不同功率密度下PLGA/MXene纳米纤维膜的(a)红外热像图,(b)温度曲线

2.3 光照距离对光热性能的影响

在0.1 %浓度、34.6 ℃环境温度、光照功率为1.0 mW/cm2、接触介质为塑料板的实验条件下,分别测试光照距离为1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm时PLGA/MXene纳米纤维膜的温度变化,结果如图4所示。由图4(a)可知,光照距离越小,红外热像图上的光圈越明显,纤维膜体现出的光热性能越好。由图4(b)所示,在1.5 cm光照距离下,40 s内纤维膜最高温度达42.2 ℃,2.5 cm光照距离下,40 s内最高温度达41.4℃。PLGA/MXene纳米纤维膜温度随着光照距离的增大而降低。这是由于随着光照距离的增大,照射到纤维膜上的光能有所分散而导致纤维膜中间所吸收的能量也有所减少,从而光热温度降低。

图4 不同光照距离下PLGA/MXene纳米纤维膜的(a)红外热像图,(b)温度曲线

2.4 环境温度对光热性能的影响

在0.1 %浓度、光照距离为2.0cm、光照功率密度为1.0 mW/cm2、接触介质为塑料板的实验条件下,分别测试环境温度为23.5℃、29.1℃、34.6℃时PLGA/MXene纳米纤维膜的温度变化,结果如图5所示。由图5(a)可知,环境温度越高,红外热像图上的光圈越明显,MXene的光热性能越好。这是由于实验起始的温度越高,其散热越慢,而环境温度较低导致升温较慢。由图5(b)可知,在室温为23.5 ℃下,40 s内纤维膜最高温度可达35.3 ℃,室温为34.6 ℃下,40 s内最高温度达42℃。环境温度越高,PLGA/MXene纤维膜升温也越高,具有一定的室温依赖性。

图5 不同环境温度下PLGA/MXene纳米纤维膜的(a)红外热像图,(b)温度曲线

2.5 接触介质对光热性能的影响

在0.1 %浓度、环境温度为34.6 ℃、光照距离为2.0 cm、光照功率密度为1.0 mW/cm2的实验条件下,分别测试接触介质为塑料板、培养皿、硅胶时PLGA/MXene纳米纤维膜的温度变化,结果如图6所示。由图6(a)可知,与其他两种介质相比,当接触介质为塑料板时纤维膜的红外热像图上的光圈更为明显,MXene体现出的光热性能更好。究其原因是这三种材料导热系数的差异,培养皿、硅胶、塑料板的导热系数分别为1.01、0.35、0.03 W/(m·K),因此,培养皿的散热性最好,硅胶次之,塑料板最差。散热性越差,在40 s内纤维膜损失的热量越少,实验测得的温度变化也就会越明显。由图6(b)可知,纤维膜的光热温度为塑料板＞硅胶＞培养皿,在接触介质为培养皿条件下,40 s内纤维膜最高温度达40.4 ℃,在接触介质为塑料板时,40 s内最高温度达42 ℃。

图6 不同介质下PLGA/MXene纳米纤维膜的(a)红外热像图,(b)温度曲线

3 结论

以PLGA和MXene为原料,通过静电纺丝技术制备PLGA/MXene纳米纤维膜,研究MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度、接触介质等因素对纳米纤维膜光热性能的影响,结果表明:随着MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度的增大,PLGA/MXene纳米纤维膜红外热像图上的光圈愈发明显,其温度亦表现出一定的上升趋势；当接触介质为塑料板时,试样红外热像图上的光圈最明显,达到的光热温度最高,硅胶次之,培养皿最差；通过对MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度、接触介质等因素的调控,可得到不同的升温幅度,以适应不同情况的肿瘤治疗。