電紡膜分層電紡工藝探究及性能評價

張宇杭

（重慶工商職業(yè)學院，重慶 401520）

腦膜缺損普遍存在于神經外科手術治療中，由于其自我修復能力差，常需要人工硬腦膜移植進行缺損修復。現有的人工腦膜替代物，如自體筋膜、同種異體材料、人工合成材料以及天然高分子材料等，存在長期不降解引發(fā)炎癥反應、生物力學強度差等問題。

針對當前人工硬腦膜存在微納纖維結構單一、生物學性能不理想等問題，本研究探索了一種用靜電紡絲法獲得微納纖維結構分層變化的人工硬腦膜支架制備方法，研究了不同微納纖維結構的纖維支架厚度、生物力學性能、吸水率等性能指標。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

聚乳酸- 羥基乙酸（PLGA，兩種的比例為75 ∶25，分子量為2.0×105），山東濟南岱罡有限公司；丙酮，四川西隴化工有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF），天津天利化學試劑有限公司。

ES225SM-DR 精密電子天平，沈陽化騰電子有限公司；HJ-6B 六聯動調溫磁力攪拌器，金壇市白塔新寶儀器廠；LK-402 測厚儀，日本三豐測厚儀；SU-8010 掃描電鏡（SEM），日本日立公司；DW-P303-1ACD1 高壓電源，天津市東文高壓電源廠；LSP01-2A 精密注射泵，河北保定蘭格恒流泵有限公司；靜電紡絲機，自制。

1.2 試驗方法

按20% 質量分數將PLGA 溶于丙酮和DMF（1 ∶1）的混合溶劑中，攪拌12 h，得到均勻的電紡PLGA 溶液，調整電壓為15 kV，注射速率1.2 mL/h，接收距離10 cm，轉鼓轉速為3 600 r/min，電紡1.0 h；在電紡薄膜上繼續(xù)電紡，將轉鼓轉速調為120 r/min，電紡1.0 h。在此條件下，重復高轉速3 600 r/min 和低轉速120 r/min 交替電紡共4.0 h。

其他電紡參數不變，將轉鼓接收器轉速調為120 r/min，作為對照試驗一組；其他電紡參數不變，將轉鼓接收器轉速調為3 600 r/min，作為對照試驗二組。相同實驗參數不同批次各制備5 張PLGA 電紡膜備用（見表1）。

表1 靜電紡絲制備PLGA 支架的分層微納結構

1.2.1 PLGA 電紡膜支架的厚度測定

將以上各種薄膜制成寬為8 cm，長為6 cm 的矩形試樣（沿著纖維方向），測量薄膜的厚度。各實驗組樣本量為5（相同參數的不同批次）。

1.2.2 PLGA 電紡膜支架吸水率的測定

將上述薄膜樣品再剪成2 cm×2 cm 的薄膜試樣，稱重后，置于生理鹽水中浸泡12 h（圖1），濾紙吸干電紡膜表面水分，再次稱重后計算吸水率。無序纖維電紡薄膜作為對照組在相同的實驗條件下測定。

圖1 PLGA 電紡膜支架樣本在生理鹽水中浸泡

將2 cm×2 cm 的薄膜試樣，放置于4 ℃真空干燥箱24 h 后稱量（W1）。然后將樣本膜浸泡在蒸餾水中室溫靜置24 h，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重（W2）。吸水率Q按式（1）計算：

式（1）中，W2和W1分別為濕膜和干膜的重量（g），取樣本量n=8 的測試結果的平均值。

1.2.3 PLGA 電紡膜支架力學性能的測試

將所制備的PLGA 電紡膜支架均剪成寬為8 cm，長為6 cm 的矩形試樣（沿著纖維方向）細條狀待測樣品。在恒溫恒濕條件（溫度為23 ℃，相對濕度為70%）下平衡24 h 后，在萬能材料實驗機上測試試件的極限載荷、極限應力和極限應變。各實驗組的樣本量為5（相同參數的不同批次）。

2 結果與分析

2.1 PLGA 電紡膜支架的厚度

PLGA 電紡膜支架的厚度如圖2 所示。由圖2 可知，定向電紡膜支架、定向/無序交替分層電紡膜支架、無序電紡膜支架3 種電紡膜支架均電紡4.0 h，平均厚度為0.272 ～0.285 mm，所制備的薄膜厚度大小無顯著性差異，薄膜支架的均勻性保證了拉伸實驗的有效性。

圖2 電紡膜厚度

2.2 PLGA 電紡膜支架的力學性能

PLGA 電紡膜支架的力學性能實驗結果如圖3 和圖4 所示。從圖3 和圖4 可知，定向/無序交替的分層電紡膜支架在垂直和平行于纖維方向上的極限載荷分別為（2.870±0.412）N 和（6.520±0.962）N，極限應力在垂直和平行于纖維方向上分別為（2.367±0.231）MPa 和（5.422±0.534）MPa；在垂直于纖維方向上，定向/無序交替電紡分層電紡膜支架的極限載荷和極限應力相對于定向纖維支架均有所提高；在平行于纖維方向上，定向/無序交替電紡分層電紡膜支架的極限載荷和極限應力相對于無序纖維支架均明顯增大。實驗結果表明，電紡膜支架的力學性能在垂直和平行于纖維方向均有提高。

圖3 極限載荷

圖4 極限應力

2.3 PLGA 電紡膜支架的吸水率

分層電紡膜支架的吸水率見表2。由表2 可以看出，3 種結構纖維支架的吸水率沒有顯著差異。分層電紡膜支架由定向有序纖維層和無序纖維層分層交替疊加而成，使電紡膜的整體超微結構孔隙相對于無序電紡膜有所減小，由于水的表面張力使其不易進入電紡膜支架內。因此分層結構電紡膜吸水率相對于無序纖維電紡膜增大，改善了支架的親水性。

表2 分層電紡膜支架的吸水率

3 結論

（1）通過調控接收器轉鼓轉速，靜電紡絲可制備出定向/無序交替微納結構分層的電紡膜支架。

（2）靜電紡絲所制得的定向/無序分層電紡膜支架的力學強度在垂直于纖維方向上為（2.367±0.231）MPa，平行于纖維方向上為（5.422±0.534）MPa。

（3）定向/無序分層電紡膜支架的吸水率與無序分層電紡膜支架、定向分層電紡膜支架無明顯差異。

綜上，本研究采用分層靜電紡絲的方法獲得了理化性能較好的定向/無序纖維分層微納結構的PLGA電紡膜支架，親水性和力學強度大幅提高，有望解決當前采用靜電紡絲制備的人工硬腦膜存在的微納纖維結構單一、生物學性能不理想等問題。