水滴模板法制備聚己內(nèi)酯蜂窩狀多孔膜

劉瑞來(lái)，徐婕，趙瑨云，穆寄林，胡家朋，付興平

（福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

聚己內(nèi)酯（PCL）是一種人工合成的半結(jié)晶性聚酯高分子材料，具有良好的力學(xué)性能、生物相容性、可降解性和藥物通透性而被廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料[1-2]。然而PCL 為線性脂肪鏈結(jié)構(gòu)，親水性差，細(xì)胞培養(yǎng)液很難充分浸潤(rùn)支架的孔壁表面，影響細(xì)胞在支架表面的黏附和增殖，限制其在組織工程中的應(yīng)用，因此對(duì)其表面物理形貌的改進(jìn)是非常有必要的[3]。目前人們采用光刻技術(shù)[4]、軟刻技術(shù)[5]、自組裝方法[6]、相分離法[7]和水滴模板法[8]在材料表面構(gòu)建溝、槽或蜂窩孔等不同圖案化結(jié)構(gòu)來(lái)改變材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和粗糙度。這些形貌構(gòu)筑細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的黏附與增殖，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)起到“引導(dǎo)作用”[9]。

除水滴模板外，以上方法存在制備過(guò)程復(fù)雜、成本高和孔徑調(diào)控困難等缺點(diǎn)，使有序微孔薄膜的應(yīng)用受到限制。1994 年，F(xiàn)rancois[10]第一次在高濕度條件下制備聚苯乙烯蜂窩狀多孔膜，該方法稱為水滴模板法或水蒸氣輔助法。Srinivasarao[11]和Schatz 等[12]對(duì)蜂窩孔的形成機(jī)理做詳細(xì)的研究，使水滴模板法得到快速發(fā)展。蜂窩狀多孔膜的形成主要是通過(guò)高揮發(fā)性溶劑的揮發(fā)，使水蒸氣在聚合物表面冷凝并聚集，在毛細(xì)管流和回流的共同作用下，水滴在聚合物表面有序緊密堆積，當(dāng)溶劑和水都揮發(fā)后，即得到有序規(guī)整的蜂窩狀多孔膜。目前已通過(guò)水滴模板法制備聚乳酸及其共聚物[13]、醋酸纖維素[14]、聚酰亞胺[15]、聚硅氧烷[16]和聚醚砜[17]等聚合物。然而到目前為止，利用水滴模板法制備聚己內(nèi)酯蜂窩狀多孔膜卻無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告。

基于以上原因，以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，不添加任何添加劑條件下，通過(guò)水滴模板法制備PCL蜂窩狀多孔膜，研究溶劑、環(huán)境濕度、濃度和成膜溫度等條件對(duì)蜂窩孔形成的影響，通過(guò)對(duì)這些試驗(yàn)參數(shù)的控制，最終達(dá)到控制多孔膜表面形貌及孔大小的目的，以期使PCL 蜂窩狀多孔膜成為理想的組織工程支架材料。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料

聚己內(nèi)酯（PCL），重均分子質(zhì)量3 萬(wàn)，購(gòu)于深圳光華偉業(yè)有限公司；四氫呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM），分析純，購(gòu)于國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；其余試劑為市售分析純。

1.2 聚己內(nèi)酯蜂窩狀多孔膜的制備

將PCL 分別溶于DCM 和THF 溶劑中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%和6%的鑄膜液，常溫下磁力攪拌溶解，用微量注射器吸取80 μL，在一定溫度和濕度條件下，將鑄膜液注射到玻璃基板上澆筑成膜。其中濕度由密閉條件下飽和鹽溶液控制，碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀和硝酸鉀飽和溶液分別對(duì)應(yīng)的環(huán)境相對(duì)濕度分別為43%、56%、75%、83%和91%。密閉容器放在恒溫水浴中，控制環(huán)境的溫度分別為10、20、30、40 和50 ℃。待溶劑揮發(fā)后，30 ℃真空干燥得到PCL 蜂窩狀多孔膜。

1.3 表征

利用日本JEOL 公司JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡觀察蜂窩孔形貌，噴金處理，噴金電流30 mA，時(shí)間90 s，采用儀器自帶軟件Smileview 2.0 測(cè)量蜂窩孔孔徑大小，取20 個(gè)數(shù)值，求平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 DCM 為溶劑對(duì)蜂窩孔形貌影響

以DCM 為溶劑，濕度和聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PCL蜂窩孔形貌的影響。聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，環(huán)境濕度為43%，得到表面少量稀松孔結(jié)構(gòu)。隨著環(huán)境濕度增加至56%，表面的孔密度有所增加，且孔直徑從（3.04±1.23）μm 增加至（4.01±1.28）μm，隨著環(huán)境濕度進(jìn)一步增加至75%～91%，蜂窩孔的直徑增加至（7.51±1.89）μm，且蜂窩孔變得更加規(guī)整。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，濕度對(duì)形貌變化規(guī)律與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%一致。然而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，除了濕度為90%得到大小不規(guī)整的蜂窩孔外，其余濕度均無(wú)法得到蜂窩孔結(jié)構(gòu)。主要因?yàn)榫酆衔餄舛却?，DCM 揮發(fā)速率大大降低，無(wú)法在聚合物表面形成足夠的溫度差，環(huán)境中無(wú)足夠的水蒸氣在其表面冷凝，因此濕度為43%～83%無(wú)法得到規(guī)整的蜂窩孔，而濕度為91%得到大小不規(guī)整的蜂窩孔結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 PCL 蜂窩狀多孔膜的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of PCL honeycomb porous membranes

以DCM 為溶劑，孔徑與環(huán)境濕度的關(guān)系圖。從圖中可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%，隨著環(huán)境濕度的增加，蜂窩孔的孔徑均增加。Zhao 等[18]人認(rèn)為孔徑大小與環(huán)境濕度存在如下關(guān)系：

式中：Ri為水滴半徑，Vw為水的摩爾體積，Hr為環(huán)境相對(duì)濕度，從上式可知水滴半徑與環(huán)境濕度成正比例關(guān)系。通過(guò)圖2A 可計(jì)算2%和4%擬合直線的斜率分別為0.202 和0.211，即環(huán)境濕度每增加1%，孔直徑分別增加0.202 和0.211 μm，孔徑的增長(zhǎng)率分別為0.202%和0.211 %，說(shuō)明溶劑對(duì)孔徑增長(zhǎng)率并無(wú)太大影響，詳見圖2。

圖2 PCL 蜂窩狀多孔膜相對(duì)濕度與孔徑關(guān)系圖Fig.2 The relationship of relative humidity and pore size of PCL honeycomb porous membranes

2.2 THF 為溶劑對(duì)蜂窩孔形貌影響

以THF 為溶劑，環(huán)境濕度和聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蜂窩孔形貌的影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，五種濕度均得到蜂窩孔形貌，且隨著環(huán)境濕度的增大孔徑增加。孔徑與環(huán)境濕度的關(guān)系如圖2B 所示，環(huán)境濕度從43%增加到91%，孔徑從（7.21±2.54）μm 增加到（16.83±3.45）μm，擬合直線的斜率為0.203，即孔徑增長(zhǎng)率為0.203%。然而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，濕度為43%，無(wú)法得到蜂窩孔，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至56%，得到稀疏孔，隨著環(huán)境濕度的進(jìn)一步增大，孔密度和孔徑均增加。通過(guò)擬合直線得到斜率為0.212，即孔徑增長(zhǎng)率為0.221 %。從圖2B 可知，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)孔徑大小有影響，而對(duì)孔徑增長(zhǎng)率并無(wú)太大影響。濃度為6%，只有環(huán)境濕度為83%和91%得到少量稀疏孔結(jié)構(gòu)，而其余濃度均無(wú)法得到孔結(jié)構(gòu)，詳見圖3。

圖3 PCL 蜂窩狀多孔膜的掃描電鏡圖（THF 為溶劑），溫度20 ℃Fig.3 SEM images of PCL honeycomb porous membranes(THF as solvent)

2.3 環(huán)境溫度對(duì)蜂窩孔形貌影響

以DCM 為溶劑，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%條件下，環(huán)境溫度對(duì)蜂窩孔形貌的影響。環(huán)境溫度10～50 ℃范圍內(nèi)，均得到蜂窩孔結(jié)構(gòu)。溫度為10 ℃，得到直徑為（13.15±3.29）μm 不規(guī)整蜂窩孔，然而溫度為20 和30℃，得到孔徑分別為（6.78±1.74）和（6.30±1.64）μm 規(guī)整蜂窩孔結(jié)構(gòu)。溫度進(jìn)一步增加至40 和50 ℃，蜂窩孔直徑分別增加至（12.19±3.33）和（20.14±5.70）μm，且蜂窩孔變的不規(guī)整，詳見圖4。

圖4 溫度對(duì)PCL 蜂窩狀多孔膜形貌影響Fig.4 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

以THF 為溶劑，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%條件下，環(huán)境溫度對(duì)蜂窩孔形貌的影響。環(huán)境溫度從10～50 ℃范圍內(nèi)，均得到較規(guī)整的蜂窩孔結(jié)構(gòu)。溫度為10 ℃，得到直徑為（6.14±1.96）μm 不規(guī)整蜂窩孔，然而溫度增加到20 ℃，得到孔徑為（12.33±2.74）μm 規(guī)整蜂窩孔結(jié)構(gòu)。溫度進(jìn)一步增加至30 ℃，蜂窩孔直徑增加至（13.14±3.01）μm。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至40～50 ℃，蜂窩孔形貌和孔徑并無(wú)明顯變化，詳見圖5。

圖5 溫度對(duì)PCL 蜂窩狀多孔膜形貌影響，其余條件：DCM 為溶劑、環(huán)境濕度83%、聚合物濃度4%Fig.5 Effect of temperature on the morphology of PCL honeycomb porous membranes

3 試驗(yàn)結(jié)論

聚己內(nèi)酯（PCL）具有良好的力學(xué)性能、生物相容性、可降解性和藥物通透性而被廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料。分別以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，通過(guò)水滴模板法制備得到PCL 蜂窩狀多孔膜。以二氯甲烷為溶劑，2%和4%濃度可得到規(guī)整蜂窩孔，而6%濃度無(wú)法得到規(guī)整蜂窩孔。而以四氫呋喃為溶劑，2%濃度得到規(guī)整蜂窩狀，而4%和6%無(wú)法得到規(guī)整的蜂窩狀。以二氯甲烷和四氫呋喃為溶劑，蜂窩孔孔徑與濕度存在一階線性關(guān)系。蜂窩狀形貌構(gòu)筑了細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境，促進(jìn)了細(xì)胞的黏附與增殖，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)起到了“引導(dǎo)作用”。PCL 蜂窩狀多孔膜有望成為理想的組織工程支架材料。