聚吡咯/丝素导电纳米纤维膜的制备及其性能

俞杨销，李 枫，王煜煜，王善龙，王建南,2，许建梅,2

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.苏州大学 纺织行业医疗健康用蚕丝制品重点实验室，江苏 苏州 215123)

纳米纤维膜具有小尺寸、高比表面积以及高孔隙率等特点，能够模仿细胞外基质结构为细胞提供仿生地形信号，从而诱导细胞黏附生长，已被广泛应用于组织工程领域[1-2]。从天然蚕丝脱胶得到的丝素蛋白(SF)具有优异的力学性能、生物相容性、生物可降解性以及较低的免疫原性等特性，在生物医学领域受到越来越广泛的关注[3-4]。采用SF制备的静电纺纳米纤维膜能够模仿细胞外基质成分和结构，是一种理想的组织工程支架材料[5]。然而由单一SF材料制备的纳米纤维膜缺乏诱导细胞增殖分化的能力，难以使受损组织的形状和功能完全恢复。

研究表明，电刺激能够激活组织干细胞的细胞外反应，促进受损组织的修复[6-7]。生物体内存在自由离子、偶极子和极化分子，能够使生物体产生和传导电流并形成内部弱电场[8]。如果细胞在导电介质上生长，内部电场则会得到加强，从而促进细胞的增殖分化以及生长因子的分泌，进一步促进组织的再生和生长[9]，因此一些导电材料如碳纳米管、石墨烯，导电聚合物如聚吡咯(PPy)、聚苯胺等在生物医用领域备受关注。其中PPy因其良好的导电性和生物相容性[10-11]，易于与其他材料如SF[12-14]、聚乳酸-聚己内酯[15-16]、壳聚糖[17]等天然生物材料复合加工的特性，在组织再生领域具有非常好的应用优势。Zhao等[14]制备的PPy/SF复合支架在电刺激协同作用下，表现出了优异的生物相容性，血旺细胞增殖、迁移以及神经营养因子的表达相对纯SF支架均有显著增加。Liang等[18]研究表明，PPy涂层的SF静电纺丝膜能够增强心脏特异性蛋白表达，促进细胞与细胞间偶联。

目前将PPy与SF复合制备纳米纤维膜用于生物材料的技术主要有原液共混与纤维表面涂层2种方法，纳米纤维成形技术主要有3D打印和静电纺丝。Zhao等[14]通过对3D打印的平行SF纤维进行涂层的方式制得了PPy/SF复合导电纤维，再与纯SF静电纺丝膜复合制得的导电性神经导管，其电导率为1.14×10-3S/cm。Liang等[18]将掺杂的PPy加入六氟异丙醇的丝素溶液中共混，过滤后静电纺丝制成PPy/SF膜，从电镜照片上可看到纤维表面出现大量珠状物，可见共混溶液中PPy是呈较大颗粒状存在的，由此纺制的导电膜破坏了纯SF纳米膜的纳米纤维状表面，且电导率并不理想，仅为 0.52×10-3S/cm。

基于以上分析可知，PPy与SF二者结合而成的复合材料在组织工程再生中展现出了巨大的潜力。而为了制备出电导率更优同时具有理想的纳米纤维表面结构与形态的PPy/SF复合膜，仍需对制备工艺参数进行基础性的研究与探索。为此，本文通过静电纺丝技术制备了SF纳米纤维膜，探究了不同纺丝工艺下SF纳米纤维膜的表面形貌；采用原位聚合方法对SF纳米纤维膜进行涂层，制备了PPy/SF导电性纳米纤维膜，并对其表面形貌、导电性和化学结构等性能进行表征，以求获得最佳导电性的复合配方，为开发组织修复材料提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：再生丝素蛋白(SF)海绵，自制；甲酸(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；吡咯(Py，化学纯)，阿拉丁生化科技股份有限公司；无水FeCl3(分析纯)，上海麦恪林生化科技有限公司；对甲苯磺酸(分析纯)，生工生物工程(上海)股份有限公司。

仪器：JDF05静电纺丝机，长沙纳仪仪器科技有限公司；AR224CN电子天平，美国奥豪斯公司；SK-0180-pro 数控圆周摇床，大龙兴创实验仪器(北京)有限公司；TM3030扫描电子显微镜，日本日立公司；ST-2258C四探针测试仪，苏州晶格电子有限公司；NICOLET IS5傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo Nicolet公司。

1.2 试样制备

1.2.1 SF纳米纤维膜的制备

取一定量的再生SF海绵溶解于甲酸中，配制成一定质量浓度的纺丝溶液，进行静电纺丝。纺丝针头针号为20 G，接收滚筒直径为7.6 cm，接收间距为10 cm，喷头横动距离为0 cm，温度为(30±3)℃，湿度为(30±4)%，纺丝液质量浓度分别为0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 g/mL；推注速度分别为0.1、0.2、0.3 mL/h；电压分别为16、20、24 kV；滚筒转速分别为500、1 000 r/min。通过扫描电子显微镜观察纤维形貌，确定最佳工艺参数。采用此工艺参数进行静电纺丝，喷丝头横向往返距离为100 mm，横向移动速度为0.3 mm/s，纺丝时间为7 h，制得SF纳米纤维膜。将制得的SF纳米纤维膜剪成1.5 cm×1.5 cm，作为后续的试样膜。

1.2.2 PPy/SF导电性纳米纤维膜的制备

称取一定量的对甲苯磺酸加入到去离子水中，然后加入一定量的Py溶液，配制成含有掺杂剂的Py混合液，其中Py单体浓度为0.3 mol/L，对甲苯磺酸浓度为0.3 mol/L。称取一定量的无水FeCl3加入到去离子水中，分别配制成0.15、0.3、0.6、0.9、1.2 mol/L的FeCl3溶液。

取10 mL含有掺杂剂的Py混合液加入到25 mL 玻璃瓶中，加入试样膜，在冰水混合物中振荡 1 h，然后加入10 mL FeCl3溶液，Py单体与FeCl3的量比分别为1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，继续在冰水混合物中振荡6 h。聚合完毕后取出试样，在室温下干燥，得到PPy/SF导电性纳米纤维膜。

1.3 测试与表征

1.3.1 表面形貌表征

从试样膜上剪取小块粘贴至样品台，使用SwiftED3000真空离子溅射机喷金，在扫描电子显微镜下观察纳米纤维膜形貌。使用Image J软件随机在SF纳米纤维膜电镜照片中选取100根纤维测量其直径，并进行统计。

1.3.2 导电性测试

利用四探针测试仪在室温下测量PPy/SF导电性纳米纤维膜的电阻率ρ，测量8次，正反两面各4次，取平均值，并通过下式计算电导率：

式中：σ为电导率，S/cm；ρ为电阻率，Ω·cm。

1.3.3 化学结构测试

将试样膜在干燥器中干燥30 min后直接用傅里叶变换红外光谱仪对PPy/SF导电性纳米纤维膜的结构进行表征。测试条件：测试范围为4 000～500 cm-1，扫描次数为16，分辨率为4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 静电纺丝参数对SF纤维形貌的影响

2.1.1 纺丝液质量浓度

设置注射泵推注速度为0.2 mL/h，纺丝电压为20 kV，接收滚筒转速为500 r/min，纺丝液质量浓度分别为0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 g/mL时制备的SF纳米纤维膜表面形貌和纤维直径分布如图1所示。可看出，纺丝液质量浓度从0.10 g/mL增加至0.18 g/mL，纤维直径呈现不断增加的趋势，珠状物先减少后增加。纺丝液质量浓度较低时会导致射流不稳定，SF分子链间缠结不够，不能有效抵抗静电场中的拉伸作用而发生断裂，同时分子链由于其自身黏弹性作用而产生一定的收缩，形成珠状物。随着质量浓度的增加，所得纤维膜表面珠状物明显减少，近似圆形的珠状物向纺锤形转变。当纺丝液质量浓度为0.16 g/mL时，所得纤维膜表面珠状物少，纤维较为规整，直径较为均匀。而当纺丝液质量浓度继续增加，所得纤维膜表面珠状物再次出现，且纺丝液易在喷丝头末端固化造成喷丝头末端堵塞，纺丝液不能以均匀推注速度喷出。综合考虑，选择纺丝液质量浓度为0.16 g/mL作为后续实验的基础参数。

图1 不同纺丝液质量浓度的SF纳米纤维膜表面形貌(×3 000)和直径分布图

2.1.2 纺丝液推注速度

设置纺丝液质量浓度为0.16 g/mL，纺丝电压为20 kV，接收滚筒转速为500 r/min，注射泵推注速度分别为0.1、0.2、0.3 mL/h时制备的SF纳米纤维膜表面形貌和纤维直径分布如图2所示。可看出，随着推注速度的增加，纤维直径不断增加。推注速度为0.1 mL/h时，纺丝液易在喷丝头末端固化造成喷丝头末端堵塞。推注速度为0.3 mL/h时，喷丝头末端喷出了过量的溶液，射流将多余的溶液带走，而电场力不能对其充分拉伸，导致纺锤形珠状物的形成。过量的溶液还会导致溶剂难以在到达接收滚筒前挥发完全，会破坏接收滚筒上已成膜的纤维形貌。综合考虑，选择推注速度为0.2 mL/h作为后续实验的基础参数。

图2 不同纺丝液推注速度的SF纳米纤维膜表面形貌(×3 000)和直径分布图

2.1.3 纺丝电压

设置纺丝液质量浓度为0.16 g/mL，推注速度为0.2 mL/h，接收滚筒转速为500 r/min，纺丝电压分别为16、20、24 kV时制备的SF纳米纤维膜表面形貌和纤维直径分布如图3所示。

由图3可看出，随着电压的增加，纤维直径呈现不断减小的趋势。当电压为16 kV时，所得纤维膜表面出现部分未充分拉伸的纺锤形珠状物。随着电压的提高，当电压为20 kV时，所得纤维直径减少，表面纺锤形珠状物减少。当电压提高至24 kV时，所得纤维膜表面又出现了纺锤形珠状物。电压过大增加了射流的不稳定性，部分纤维被电场力扯断。综合考虑，选择纺丝电压为20 kV作为后续实验的基础参数。

图3 不同纺丝电压的SF纳米纤维膜表面形貌(×3 000)和直径分布图

2.1.4 滚筒转速

设置纺丝液质量浓度为0.16 g/mL，注射泵推注速度为0.2 mL/h，纺丝电压为20 kV，接收滚筒转速分别为500和1 000 r/min时制备的SF纳米纤维膜表面形貌和纤维直径分布如图4所示。可看出，随着滚筒转速的提高，纤维直径有一定的减小，滚筒对纤维具有一定的牵伸作用，但纤维排列并未见明显的单轴取向趋势。当滚筒转速为 1 000 r/min 时已达到设备转速极限，然而此时滚筒表面线速度依旧低于电场中射流的速度，因此所得纤维取向度没有明显提高。综合考虑，选择滚筒转速为1 000 r/min作为后续实验的基础参数。

图4 不同滚筒转速的SF纳米纤维膜表面形貌照片(×3 000)和直径分布图

2.2 PPy/SF导电性纳米纤维膜性能

PPy原位氧化聚合过程如图5所示。PPy分子链中的碳原子属于sp2杂化，聚合过程中，吡咯环 β位上的碳原子易质子化，形成阳离子自由基。当2个阳离子自由基相遇发生偶合，脱掉2个质子形成二聚体，形成的二聚体又可被氧化剂夺取电子形成新的阳离子自由基，并与其他阳离子自由基继续偶合，随着反应的继续，聚合链不断增长。在这个过程中还伴随着阴离子的掺杂，PPy链段中间的吡咯环β位上的碳原子依旧可被氧化剂氧化失电子，吸引溶液中的阴离子，并与之结合，最终形成稳定的PPy[19]。

注：A-表示氧化剂所带的阴离子；B-表示掺杂剂所带的阴离子。

在聚合过程中PPy能与SF发生如图6所示的相互作用，带有阳离子自由基的Py单体能与SF分子链肽键上带有部分负电荷的氧原子和氮原子相互作用，通过氢键作用和静电吸引使得Py与SF相互结合[20]。与此同时，溶液中的阳离子自由基与SF相互结合的Py偶合形成联Py，并不断重复这一过程，最终在SF表面聚合形成PPy。

图6 PPy与SF大分子链的相互作用

2.2.1 表面形貌分析

用不同量比Py单体与FeCl3混合液处理的SF纳米纤维膜的表面形貌如图7所示。由于Py单体溶液呈油性，SF纳米纤维膜放入Py单体溶液后漂浮于溶液表面，分为与空气接触的未充分浸润面和与溶液接触的充分浸润面，2面的浸润程度不同。PPy在与空气接触面沉积较薄，保留SF纳米纤维的表面形貌(见图7(a))，在与溶液接触面沉积较厚，SF纳米纤维的表面形貌模糊或消失(见图7(b))。从图中还可看出，当二者的量比为 1∶0.5 时，溶液中氧化剂不足，氧化产生的阳离子自由基较少，在SF纳米纤维膜表面沉积的PPy也较少。随着物质的量比的增加，反应过程中形成的阳离子自由基数量增加，与SF纳米纤维膜产生相互作用的阳离子自由基数量增加，在SF纳米纤维膜表面沉积的PPy数量也增加。当氧化剂过量时，PPy会被过氧化，单位时间内PPy难以在SF表面均匀沉积，在材料表面形貌上也表现为聚吡咯颗粒的大量团聚。

图7 不同量比的PPy/SF纳米纤维膜表面形貌(×2 000)

2.2.2 导电性能分析

不同Py单体与FeCl3的量比处理的SF纳米纤维膜的电导率如图8所示。可看出，随着量比的增加，PPy/SF导电性纳米纤维膜的电导率呈现出先增加后减小的趋势。当反应体系中FeCl3浓度不足时，PPy/SF导电性纳米纤维膜表面聚合的PPy量较少，因此电导率较低。随着FeCl3浓度的增加，增加了PPy聚合的量，从而在SF纳米纤维膜表面沉积了更多的PPy，提高了PPy/SF导电性纳米纤维膜的电导率。当Py单体与FeCl3的量比为1∶2时，电导率为(0.44±0.07)S/cm，电导率最高。此时，PPy/SF导电性纳米纤维膜的正反两面涂层较为均匀，Py单体主要是以单体上α碳与α碳相连的连接方式聚合排布成高分子，整个分子链段较为规整，有效共轭链变长，因此PPy/SF膜导电性最好。物质的量比继续增加，Py在聚合过程中由于过量的氧化剂导致氧化速率过大，分子链中的 Py单体之间出现α碳与β碳相连甚至是β碳与β碳相连的连接方式，PPy异构体增多，分子链段排布无序、扭曲、缠结，材料载流子迁移率下降，从而使得导电率降低[21-22]。综合考虑，选择物质的量比为1∶2进行聚合较为适宜。

图8 不同物质的量比的PPy/SF纳米纤维膜电导率

2.2.3 化学结构分析

图9 试样的红外光谱图

3 结 论

本文采用静电纺丝技术制备了丝素蛋白(SF)纳米纤维膜，并与聚吡咯(PPy)进行复合，得到了PPy/SF导电性纳米纤维膜，为制备适用于组织再生材料提供了前期的研究基础，得出以下主要结论：

1)在纺丝液质量浓度为0.16 g/mL，推注速度为 0.2 mL/h，电压20 kV，接收间距10 cm，纺丝针头针号20 G，滚筒转速1 000 r/min，滚筒直径 7.6 cm，温度(30±3)℃，湿度(30±4)%条件下，制备的SF纳米纤维膜平均直径为(520.70±140.81)nm、丝条较为均一且珠状物少。

2)在Py单体浓度为0.3 mol/L，掺杂剂浓度为0.3 mol/L，Py单体与FeCl3的量比为1∶2，聚合时间为6 h，先将SF纳米纤维膜浸泡在Py混合液中，然后加入氧化剂所制备PPy/SF导电性纳米纤维膜保留了SF纳米纤维膜原有的纳米纤维结构，电导率达到(0.44±0.07)S/cm，导电性良好。