明胶_胶原的静电纺丝研究进展_李欢

　综述评论　明胶、胶原的静电纺丝研究进展

李　欢北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029

摘要:静电纺丝技术是利用聚合物溶液(或熔体)在电场下的喷射,来制备纳米级超精细纤维的一种新型加工方法,具有快速、高效、设备简单、易于操作,而且易于控制制品化学组分和物理性能等优点。近年来,对合成和天然聚合物电纺的不断研究和发展,使其成为一种新型组织工程多孔支架制备方法;由于电纺支架具有独特的微观结构和适当的力学性能,与天然细胞外基质相近的纳米级结构,并能够仿生细胞外基质的结构特点,静电纺丝越来越有望成为制备理想的组织工程支架的技术。本文对明胶、胶原,及其与其他合成或天然高分子的静电纺丝行为进行了总结。关键词:静电纺丝,明胶,胶原,纳米纤维,组织工程。电纺丝(electrospinning)又称静电纺丝(electrostaticspinning),是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。近年来,电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法,引起了人们的广泛关注。理论上,任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工[2]。目前世界上已成功地进行电纺丝加工的聚合物超过30种,包括聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙烯醇、聚己内酯、聚羟基烷酸酯等合成高分子,以及明胶、胶原、透明质酸、右旋糖酐、DNA、丝蛋白等天然高分子。在组织工程快速发展的今天,研究者们在构建诸如骨或软骨再生支架、血管支架这类材料时,越来越注重原料的仿生性能,不但要求其有很好的生物相容性,还要求其能够模拟细胞外基质或具有生物传导性或诱导性;又由于电纺支架具有独特的微观结构和适当的力学性能,与天然细胞外基质相近的纳米级结构,并能够仿生细胞外基质的结构特点。因此,天然高分子的电纺已成为目前研究的热点。近几年国内外在此领域的研究当中,与其他天然高分子相比,明胶和胶原具有更为广泛的应用。本文综述了明胶和胶原单独、与其他原料混合、叠层、同轴电纺,以及用明胶改性电纺聚合物等的研究现状。

1　静电纺丝技术简介在电纺丝过程中,喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下,受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴,在电场诱导下表面聚集电荷,受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时,喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状,形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)。而当电场强度增加至一个临界值时,电场力就会克服液体的表面张力,从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳,产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中,喷射流被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,最终形成直径在纳米(nm)级的纤维,并以随机的方式散落在收集装置上,形成无纺布,或者用移动或旋转的接收装置获得朝一定方向取向的纳米纤维毡。影响电纺丝加工过程及制品形貌的参数

第27卷第1期2007年3月明　胶　科　学　与　技　术TheScienceandTechnologyofGelatinVol.27.No.1Mar.2007.主要有:(1)溶液性质,包括浓度、黏度、导电性、表面张力等;(2)可控加工参数,包括溶液在注射装置中的静压力、电场强度、电压、喷嘴到收集屏的距离、液体传送速率(以下称“挤出速率”)等;(3)环境参数,包括温度、湿度,以及电纺周围空气流速等。目前,电纺已经被广泛应用在组织工程研究的各个领域。与其他支架制备技术相比,电纺技术主要有以下几个特点:(1)能够制备直径与天然ECMs(其中胶原纤维的直径为5O～5O0nm)相近的连续超细纤维,因而支架可以最大程度地仿生人体内ECMs结构;(2)能够简捷地制备各种聚合物支架,支架材料可以是单一的聚合物,也可以是多种聚合物的复合体,并可以在支架中引入无机粒子(如羟基磷灰石等)、生长因子、细胞调控因子,甚至活细胞;(3)制备的支架具有较高的孔隙率和较好的孔道连通。通过调节加工参数,电纺纳米纤维的孔隙率可达9O%左右,能够满足细胞生长对材料孔隙率的要求;由纳米纤维层层堆积而成的结构也确保了支架具有良好的孔道连通性。此外,纳米纤维具有极大的比表面积,这些都为细胞的生存提供了良好的微环境,有利于细胞的粘附、分化、增殖和分泌ECMs;(4)通过选择适当的材料和加工参数,可以获得降解率可控的纳米纤维支架,并能对材料表面进行理化修饰,提高支架的生物相容性;(5)通过调节溶液浓度、纺丝参数等,可以很好地控制支架的厚度、三维结构和力学性能;(6)采用同轴电纺技术能够将生物活性分子加入到聚合物支架中,从而有效地将天然材料和人工合成材料有机地融合起来,既能发挥天然材料良好的生物活性和亲水性,又能利用合成材料较高的力学强度和较好的可加工性能[1]。

2　明胶静电纺丝2.1　明胶的单独电纺明胶是一种从动物的结缔或表皮组织中的胶原部分水解得到的蛋白质,化学本质是由胶原的三螺旋肽链水解成的单螺旋肽链。它具有许多优良的物理、化学性能,如溶胶与凝胶的可逆转变、侧链基团反应活性高、两性电解质特性等。2.1.1　明胶的有机溶液电纺在工业上,直径为几百微米的纤维早已可以由湿法或干法纺丝制得。明胶易溶于40℃以上的水中形成水溶液。这种水溶液可以用湿法纺丝制成直径较大的明胶纤维,用于治疗大量出血。在静电纺丝中,聚合物溶液或熔体在高压直流电压下被迫形成极细的、直径从几微米到几纳米的纤维。用于制备聚合物溶液的溶剂在聚合物溶液可纺性方面起主导作用。由于明胶的成纤能力较差,通常要加入其它合成聚合物来提高它的成纤性能。然而,就算在加热和非凝胶化的条件下,明胶的水溶液还是不能被电纺成极细的纤维。这可能是因为明胶的高分子电解质性质所致。合成高聚物一般不离子化,是通过溶质与溶剂之间的非离子相互作用溶解于有机溶剂中;而与合成高聚物不同的是,明胶是一种具有许多离子基团的高分子电解质,它的氨基和羧基官能团能被酸或碱水解而带上正电荷或负电荷。在水溶液中,这种离子化使带有大量电荷的聚离子的数目增加,并伴随有大量抗衡离子,如下图所示。

另外,强大的氢键作用于明胶的行为,导致3D高分子网络的形成,这使聚合物分子链

·2·明　胶　科　学　与　技　术2007年3月的活动性大大降低。因此,虽然水被普遍用来制备明胶溶液,但是探索一种新的有机溶剂,对于这种生物高聚物的成功电纺起着决定性的作用。明胶是一种极性很强的生物高分子,几乎没有可以溶解明胶的高极性的有机溶剂。已经知道,氟化乙醇,例如,三氟乙醇和六氟异丙醇是多肽生物高聚物如胶原的良溶剂。Mat-thews等人用六氟异丙醇作溶剂成功地用电纺将胶原制成纳米纤维。因为明胶可被看作为一种变性的胶原,所以类似的氟化溶剂可能会同样适用于明胶。在这个研究中,我们发现2,2,2-三氟乙醇(TFE)可以在室温下溶解明胶,使在不加入任何成纤材料的条件下单独电纺明胶成为可能[3]。黄争鸣等人[3]用2,2,2-三氟乙醇(TFE)作溶剂,将明胶(从猪皮得到的A型聚合物明胶粉末)质量浓度在5%～12.5%w v之间溶于其中,室温溶解并电磁搅拌6h,制成透明溶液,成功地通过电纺制成直径在100～340nm范围的纳米纤维。浓度小于5%和大于12.5%的溶液很难电纺成为纳米纤维。黄的实验的力学表征表明:最高和最低质量浓度的溶液电纺制得的纳米纤维薄膜并不能获得最高的机械性能,而是7.5%的溶液得到的具有最细纤维结构并且表面没有珠状体的纳米纤维薄膜显示出最大的拉伸模量和极限拉伸强度,其拉伸模量和拉伸强度分别比其他浓度(5%、10%和12.5%)所得纤维薄膜高40%和60%。纤维的直径和表面珠状体都会影响电纺纳米薄膜的力学性能。纤维直径越细的薄膜具有越高的拉伸模量和极限拉伸强度,而纤维表面具有珠状体除外。具有最细纤维但是纤维表面有珠状体的纳米纤维薄膜的力学性能比具有最大纤维直径但是没有珠状体的薄膜的力学性能更差。ChangSeokKi等[4]成功地用明胶的甲酸溶液电纺制得了明胶纳米纤维。明胶在室温下易溶于甲酸,而且甲酸有很大的挥发性,因此用甲酸作明胶电纺的溶液。通过测量黏度随时间的变化来评价明胶 甲酸浓溶液的稳定性,发现明胶在甲酸中会发生降解(5h后其黏度显著减小),但是这并不影响溶液的可纺性和电纺明胶纤维的形态。通过在适当的条件下控制溶液浓度,得到了直径从70～170nm不等的明胶纳米纤维。Chang指出,制备纤维时要很好地控制电场和纺丝距离(电场强度1.0kV cm,喷嘴与接收屏距离10cm),尤其浓度是影响直径和珠线体形成的主要因素。FT-IR光谱和CD结构分析的结果表明,电纺明胶纳米纤维呈现了无规线团和螺旋构象。当用甲酸溶解明胶时,明胶的结构发生了一定程度上的从螺旋(α螺旋和三螺旋)到无规线团构象的转变。这与由电纺明胶-甲酸溶液所得的明胶纳米纤维的无定形本性有关。XRD和DSC分析证实了这种无定形结构和很低的结晶性。2.1.2　明胶的水溶液电纺然而,2,2,2-三氟乙醇(TFE)、甲酸等这些用来电纺明胶的有机溶剂在电纺产物中的残留毒性仍然是生物医学应用中的问题。水是明胶在加工过程和生物医学应用中的理想溶剂,而且在中性pH中电纺能够避免明胶的降解。电纺明胶水溶液不仅能够避免残留有机溶剂的毒性,还能通过在其中加入水溶性药物来制备生物医用功能纤维。然而,以前的研究结果认为,即使在明胶凝胶化温度以上进行水纺也是不可能的。但是中科院化学所高分子物理实验室的JunxingLi等[5]探索出了电纺明胶水溶液的可能性,并加入透明质酸进一步改善明胶水溶液的黏度等性质,并制成明胶 透明质酸混合电纺纤维,这种纤维有很广泛的生物医用前景。他们的实验方法是:将水和乙醇以9 1的体积比混合作溶剂,在40℃时,注射速率60μL min,电压22kV,喷丝口距接收装置15cm进行电纺。2.2　明胶与透明质酸电纺明胶是一种两性电解质,具有蛋白质性

·3·第27卷第1期李　欢:明胶、胶原的静电纺丝研究进展