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形状记忆取向纤维膜的形状回复力调控

霍影 王先流 易兵成 沈炎冰 张彦中

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形状记忆取向纤维膜的形状回复力调控

    作者简介: 霍 影(1992-),女,硕士,主要研究方向为形状记忆聚合物与肌腱组织工程。E-mail:hyhuoying@163.com.
    通讯作者: 张彦中, yzzhang@dhu.edu.cn
  • 中图分类号: R318.08

Regulating the Shape Recovery Stress of Aligned Fibrous Mats with Shape Memory Capability

    Corresponding author: ZHANG Yanzhong, yzzhang@dhu.edu.cn
  • CLC number: R318.08

  • 摘要: 将生物可降解左旋聚乳酸(PLLA)与聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)通过稳定射流电纺(SJES)技术制备取向的PLLA/PHBV复合纤维,并评价了其形状记忆性能。基于形状记忆聚合物的形状编程原理,对该PLLA/PHBV取向纤维进行不同应变的高温拉伸和低温固定处理,得到不同拉伸应变的取向纤维,并对其形貌、拉伸力学、分子取向度及形状回复力等进行表征测试。结果表明:利用SJES技术制备的PLLA/PHBV取向纤维具有良好的形状记忆性能,形状固定率和形状回复率分别为(96.79 ± 0.64)%和(71.64 ± 8.87)%。经不同拉伸应变编程处理的PLLA/PHBV取向纤维的形状回复应力从0(ε = 0)分别增加到(5.32 ± 0.32)MPa (ε = 40%)、(7.63 ± 0.26)MPa (ε = 70%)和(9.24 ± 0.13)MPa(ε = 100%),证明通过改变拉伸应变可以实现对取向纤维形状回复力的调控。
  • 图 1  PLLA/PHBV取向纤维膜的形貌(a);直径分布(b);红外光谱图(c)和XRD图谱(d)

    Figure 1.  Morphology (a), diameter distribution (b), FT-IR spectra (c) and XRD pattern (d) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films

    图 2  PLLA/PHBV取向纤维膜的DSC曲线(a),形状记忆测试的应力-应变-温度曲线(b)和在50 ℃ 热水中进行的形状记忆宏观演示(c)

    Figure 2.  DSC curves (a), stress-strain-temperature curves in shape memory testing (b) and macroscopic demonstration of shape recovery (c) of the aligned PLLA/PHBV fibrous sticks performed in warm water (50 ℃)

    图 3  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维膜形貌(a),取向度(b)和直径(c)(标尺30 μm,*P < 0.05, **P < 0.01)

    Figure 3.  Morphology (a), orientation (b) and diameter (c) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strain ratios (Scale bar is 30 μm, *P < 0.05, **P < 0.01)

    图 4  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维膜应力-应变曲线图(a),杨氏模量(b),偏振红外图谱(c)及分子取向度统计(d)

    Figure 4.  Typical stress-strain curves (a),Young’s modulus (b),p-FTIR spectra (c) and Dr (d) with respect to the C―O―C group of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains (*P < 0.05, **P < 0.01)

    图 5  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维形状回复应力-时间曲线(a)和最大形状回复应力(b)

    Figure 5.  Shape recovery stress-time curves (a) and the derived ultimate recovery stress (b) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains (**P < 0.01)

    图 6  形状记忆取向纤维膜形状记忆效应的宏、微观机制示意图(a)及不同拉伸应变形状记忆纤维储存和释放能量示意图(b)

    Figure 6.  Schematic of molecular mechanism (a) and energy storage and release (b) of the fibrous shape memory polymer films

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-05
  • 网络出版日期:  2019-05-21

形状记忆取向纤维膜的形状回复力调控

    通讯作者: 张彦中, yzzhang@dhu.edu.cn
    作者简介: 霍 影(1992-),女,硕士,主要研究方向为形状记忆聚合物与肌腱组织工程。E-mail:hyhuoying@163.com
  • 东华大学化学化工与生物工程学院,上海 201620

摘要: 将生物可降解左旋聚乳酸(PLLA)与聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)通过稳定射流电纺(SJES)技术制备取向的PLLA/PHBV复合纤维,并评价了其形状记忆性能。基于形状记忆聚合物的形状编程原理,对该PLLA/PHBV取向纤维进行不同应变的高温拉伸和低温固定处理,得到不同拉伸应变的取向纤维,并对其形貌、拉伸力学、分子取向度及形状回复力等进行表征测试。结果表明:利用SJES技术制备的PLLA/PHBV取向纤维具有良好的形状记忆性能,形状固定率和形状回复率分别为(96.79 ± 0.64)%和(71.64 ± 8.87)%。经不同拉伸应变编程处理的PLLA/PHBV取向纤维的形状回复应力从0(ε = 0)分别增加到(5.32 ± 0.32)MPa (ε = 40%)、(7.63 ± 0.26)MPa (ε = 70%)和(9.24 ± 0.13)MPa(ε = 100%),证明通过改变拉伸应变可以实现对取向纤维形状回复力的调控。

English Abstract

  • 生物支架材料是运用组织工程策略完成组织缺损修复与再生的一个基本要素,如何最大程度地对天然组织的细胞外基质进行仿生是该领域的研究热点[1-3]。常见的制备组织工程支架的方法中,电纺丝技术制备的纤维支架由于具有较高的比表面积和仿生天然组织的细胞外基质的纳-微米纤维形态等优势,在组织工程领域获得了广泛关注。

    肌腱组织由高度取向的纳-微米胶原纤维与散布其中的肌腱细胞构成。目前基于电纺丝技术已经可以构建出仿生肌腱组织取向纤维结构的生物材料支架[4-6]。肌腱作为一种承力组织,在其支架的构建中,赋予仿生纤维支架力学刺激功能,给肌腱细胞提供合适的力学微环境,对于增强肌腱组织的再生功效十分必要。如:Morita等[7]的研究表明在2D硅膜上,与施加5%或15%的应变相比,10%的循环拉伸更有利于人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)的成肌腱分化。Farng等[8]证明,在聚己内酯3D支架上接种间充质干细胞(MSCs)并在定制的生物反应器中对其进行机械拉伸(10%应变,0.33 Hz)48 h后,肌腱标志基因(Scleraxis、胶原蛋白I、胶原蛋白II)的表达量增加,结果表明适宜的力学微环境能够有效提升肌腱组织的形成能力。但当前对于构建力学微环境的研究主要集中在2D、3D拉伸装置[9, 10]和生物反应器[11-13],均需借助外部装置的协助,存在一定的局限性。若构建的肌腱组织工程支架不仅可以模拟生物学基质微环境,还能自发、可控地为种子细胞提供力学刺激,将对肌腱等力学相关性组织的再生具有重要意义。

    形状记忆聚合物(SMPs)是一种具有形状记忆效应的智能材料,已受到生物医学领域研究者的关注。SMPs易于塑形,可在施加特定刺激(如热[14]、光[15]、超声[16]等)时发生形状变形并固定,当重新施加这种刺激时,又可以从这种临时形状自发回复到其初始形状[17],从而达到对肌腱组织工程种子细胞施加主动式力学刺激的目的。将这类智能材料制备成纤维在发展智能手术缝合线[18]和组织再生[19]等与生物医学相关领域有着较好的应用前景,但针对调控形状记忆纤维形状回复力的研究还鲜有报道。

    本文基于本课题组近年来发展的稳定射流电纺丝方法(SJES)[20],制备了具有形状记忆特性的左旋聚乳酸/聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PLLA/PHBV)取向纤维,通过在一定温度下的拉伸塑形、冷却固定及受热刺激形状回复处理和测试表征,研究该取向纤维形状回复时的回复力与拉伸应变的关系。本研究将为利用形状记忆取向纤维的形状回复效应研究对工程化结构特异性组织(如肌腱、韧带等)的细胞功能调控提供理论依据。

    • PLLA:Mn=1.0 × 105,济南岱罡生物材料有限公司;PHBV:Mn=5.2 × 105,宁波天安生物材料有限公司;六氟异丙醇(HFIP):分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司。

    • 利用扫描电子显微镜(日本日立公司TM-1000)观察纤维膜形貌;用X射线衍射仪(日本理光公司Rigaku D/MAX-2550PC)和傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞有限公司Nicolet 6700)对纤维膜的组成、结构及分子取向度进行测试分析;通过差示扫描量热分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司DSC-822)分析纤维膜热性能;使用动态热机械分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司TA Instruments Q800)测试纤维膜形状记忆性能;用电子力学测试机(中国上海恒驭仪器有限公司HY-940FS)对拉伸后的纤维膜进行力学性能检测;恒温加热水浴锅(中国上海豫明仪器有限公司HHS-2S)和数显拉力计(中国艾普计量仪器有限公司SF-5)用于测定纤维膜的形状回复力。

    • 室温下按照质量比6∶4分别称取PLLA和PHBV溶解于HFIP溶液中,配制成质量浓度为0.12 mg/mL的纺丝溶液。基于SJES[20]制备PLLA/PHBV取向纤维膜,参数如下:电压6 kV,注射速率0.5 mL/h,接收距离10 cm,滚筒转速1 000 r/min,室温,环境湿度70%~90%。电纺结束后,将制备的PLLA/PHBV 取向纤维膜置于真空干燥箱中干燥72 h以上,以除去纤维中残留的有机溶剂。

    • 将PLLA/PHBV取向纤维膜裁剪成尺寸为15 mm × 6 mm × 0.06 mm的样品,利用动态热机械分析仪(DMA)评估其形状记忆性能[21]。测试前将样品固定于DMA仪器上,升温至高于玻璃化转变温度(Tg)5 ℃,保温2 min,记录初始应变值(εbegin),然后按如下步骤测试:(1)关闭数据储存;(2)升温到50 ℃;(3)保温3 min,得到初始应变εbegin;(4)打开数据储存;(5)以0.25 MPa/s施加应力到2.5 MPa,得到临时应变值εdeform;(6)维持应力2.5 MPa;(7)以3 ℃/min降温到0 ℃;(8)保温2 min;(9)以0.25 MPa/s撤去应力,得到固定应变值εfix;(10)以3 ℃/min升温到50 ℃;(11)保温30 min,得到回复后应变值εfinal。按公式(1,2)分别计算形状固定率(Rf)和形状回复率(Rr)。

      $\quad\quad\quad{R_{\rm{f}}} = \frac{{{\varepsilon _{{\rm{fix}}}}}}{{{\varepsilon _{{\rm{deform}}}}}} \times 100{\text%} \quad(1)\;; \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad {R_{\rm{r}}} = \frac{{{\varepsilon _{{\rm{deform}}}} - {\varepsilon _{{\rm{final}}}}}}{{{\varepsilon _{{\rm{deform}}}} - {\varepsilon _{{\rm{begin}}}}}} \times 100{\text%}\quad(2)$

      同时,对PLLA/PHBV取向纤维膜的形状记忆性能进行3D宏观演示:将纺制2 h的取向纤维膜卷成纤维束,在50 ℃热水中使其变形为临时形状“S”,并将其迅速转移至0 ℃冰水中进行固定;然后将其重新置于50 ℃ 热水中,观察并记录其形状回复情况。

    • 将1.3.1制备的PLLA/PHBV取向纤维膜裁剪成正方形40 mm×40 mm,将裁剪好的纤维膜固定在夹具上,置于50 ℃蒸馏水中对纤维膜进行不同应变(40%、70%、100%)的拉伸;然后将不同应变下拉伸后的纤维膜在固定状态下置于0 ℃冰水混合液中降温固定;最后取下纤维膜置于4 ℃冰箱中保存。未经拉伸变形和降温固定的纤维膜(ε = 0)作为对照组。

      利用SEM对不同拉伸应变(0、40%、70%、100%)的PLLA/PHBV取向纤维膜的形貌进行表征,方法同上。

      按照1.3.1节所述方法纺丝2 h制备纤维膜,剪成适当长度后粘贴在中空纸框上,按照上述方法进行拉伸、固定,干燥后进行拉伸力学测试(力传感器范围10 N,拉伸速率为15 mm/min)。

      利用偏振红外光谱法(p-FTIR)检测纤维的分子取向度。将不同拉伸应变处理后的纤维固定于偏振红外器上,调整偏振光片的角度,在400~4 000 cm–1进行扫描,分别得到平行纤维取向方向(//)和垂直纤维取向方向(⊥)的偏振红外光谱图。通过公式Dr = A///A计算红外二向色性(Dr)值,其中,A//A分别是偏振片平行和垂直于纤维取向方向的红外吸收值。衡量分子取向度的Dr值越接近于1,材料的分子取向度越低;当Dr值远大于或远小于1时,表示材料的分子取向度很高。

    • 将电纺2 h制备的纤维膜裁剪成40 mm长的样品,粘贴在中空纸框上,按照上述方法进行拉伸、固定,然后将拉伸固定后的纤维膜一端固定于焊接在恒温水浴锅底部的夹子上,一端固定于数显拉力计上。调整数显拉力计的距离至刚好出现数值,表明此时纤维膜处于临界受力状态。接着,缓慢加入50 ℃的蒸馏水,并通过拍摄视频的方式记录数显拉力计上的数值,即纤维膜的形状回复力,统计出形状回复力与时间的关系,从而得到形状回复应力与时间的对应关系。

    • 利用Origin 8.0统计软件对数据进行统计学分析,评价实验样品间是否存在显著性差异。组间比较采用t检验和单因素方差分析(One way ANOVA)。当*P < 0.05时,表示数据之间存在显著性差异;当**P < 0.01时,表示数据之间存在极显著性差异。

    • 从PLLA/PHBV 纤维膜的SEM形貌图(图1(a))可以看出,电纺制备的PLLA/PHBV复合纤维取向排列、形貌均一,平均直径(d)为(1.37 ± 0.15)μm(图1(b))。从PLLA/PHBV取向纤维及其组分的红外光谱(图1(c))可以看出:纯PHBV于1 728 cm–1处的强吸收峰为C=O的伸缩振动峰;1 188 cm–1和1 053 cm–1处是C―O―C的振动吸收峰[22];纯PLLA于1 754、1 080 cm–1处的强吸收峰分别归属于C=O的伸缩振动峰和C―O―C的伸缩振动峰[23, 24]。这两种组分的特征吸收峰均在电纺PLLA/PHBV复合纤维的红外光谱图中呈现,验证了PLLA/PHBV纤维的组成。比较X射线衍射图谱(图1(d)),PHBV衍射图谱中的两个较强的衍射峰(位于13.6°和17.0°[22])和PLLA由于结晶度较低在16.0°左右出现的驼峰[25],经电纺复合后各自的特征衍射峰依然比较明显呈现,进一步说明PLLA和PHBV成功复合。

      图  1  PLLA/PHBV取向纤维膜的形貌(a);直径分布(b);红外光谱图(c)和XRD图谱(d)

      Figure 1.  Morphology (a), diameter distribution (b), FT-IR spectra (c) and XRD pattern (d) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films

    • 电纺PLLA/PHBV取向纤维膜及各组分的DSC热分析结果见图2(a)。由图可以看出,PLLA的Tg为59 ℃,而PLLA/PHBV的Tg 为46 ℃,表明PLLA和PHBV复合可以降低Tg,使该形状记忆材料的玻璃化转变温度(Ttrans)更接近体温,方便运用间接热刺激(如近红外光、超声等)手段在稍高于体温条件下按需实现其形状记忆效应。DMA对PLLA/PHBV取向纤维膜进行形状记忆性能测试的结果见图2(b)。在3次形状记忆测试循环中,PLLA/PHBV均能较好地实现形状回复;对其形状固定率和形状回复率进行统计,其平均形状固定率和平均形状回复率分别达到(96.79 ± 0.64)%和(71.64 ± 8.87)%。这些结果表明PLLA/PHBV取向纤维膜具有良好的形状记忆性能。

      图  2  PLLA/PHBV取向纤维膜的DSC曲线(a),形状记忆测试的应力-应变-温度曲线(b)和在50 ℃ 热水中进行的形状记忆宏观演示(c)

      Figure 2.  DSC curves (a), stress-strain-temperature curves in shape memory testing (b) and macroscopic demonstration of shape recovery (c) of the aligned PLLA/PHBV fibrous sticks performed in warm water (50 ℃)

      为更直观证明PLLA/PHBV取向纤维膜具有的形状记忆特性,对其形状记忆性能进行的宏观演示见图2(c)。可以看出,变形固定后的临时形状“S”可以在50 ℃的热水中10 s内基本回复至其初始直条形状。

    • 形状记忆型支架具有回复初始形状的能力,即高于Ttrans时对支架结构性能进行重塑,将温度降低至Ttrans后对支架重塑形状进行固定,称之为临时形状;再次将支架升温至Ttrans后,支架的内应力会使支架从临时形状回复到初始形状。针对同一种初始形状,如果将支架重塑成不同的临时形状,形状回复过程产生的形状回复力将不同。基于此原理,本文在2.2节中验证了所制备的PLLA/PHBV取向纤维膜具有形状记忆特性后,尝试对该形状记忆型PLLA/PHBV取向纤维膜进行不同应变的固定,研究不同固定应变处理后PLLA/PHBV取向纤维膜的拉伸性能、分子取向特征及对形状回复力的调控作用。

      由宏、微观形貌图(图3(a))可以看出,对取向纤维膜进行高温拉伸和低温固定的形状编程后,纤维取向度趋于更优(图3(b))。同时,纤维直径降低,由ε = 0时的(1.37 ± 0.15) μm下降到ε = 100%拉伸时的(0.91 ± 0.08) μm(图3(c))。通过拉伸变形处理引起的纤维直径的变化,如果结合形状记忆纤维膜的形状回复效应,将有可能在细胞培养时尝试通过纤维直径的动态变化影响细胞的生物功能,这将为动态调控细胞行为提供一种较好的研究平台。

      图  3  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维膜形貌(a),取向度(b)和直径(c)(标尺30 μm,*P < 0.05, **P < 0.01)

      Figure 3.  Morphology (a), orientation (b) and diameter (c) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strain ratios (Scale bar is 30 μm, *P < 0.05, **P < 0.01)

    • 对不同拉伸变形处理后的PLLA/PHBV取向纤维膜进行拉伸力学性能测试。由应力-应变曲线(图4(a))可知,随着拉伸应变增加,PLLA/PHBV取向纤维的力学性能也相应提高。以杨氏模量为例,未经拉伸(ε = 0)处理的PLLA/PHBV取向纤维膜的杨氏模量是(1 489.27 ± 86.31) MPa;随着拉伸应变的增大,其杨氏模量分别增加到(1 758.01 ± 94.99) MPa(ε = 40%)、(1 971.83 ± 73.57) MPa(ε = 70%)和(2 011.99 ± 97.45) MPa(ε = 100%)(图4(b))。这表明拉伸处理能够提高纤维膜的拉伸力学性能。

      图  4  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维膜应力-应变曲线图(a),杨氏模量(b),偏振红外图谱(c)及分子取向度统计(d)

      Figure 4.  Typical stress-strain curves (a),Young’s modulus (b),p-FTIR spectra (c) and Dr (d) with respect to the C―O―C group of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains (*P < 0.05, **P < 0.01)

      不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维膜的偏振红外测试[26]结果见图4(c),根据公式Dr = A///A计算出特征基团C―O―C(1 188 cm–1处)的Dr,得到图4(d),通过Dr定量评价取向纤维分子链的取向度[27]。由结果可以看出,随着拉伸应变由0 增加到100%,PLLA/PHBV取向纤维分子链取向度呈现递增的趋势,说明通过调节拉伸应变可以调节纤维中的分子取向度,PLLA/PHBV取向纤维膜的力学性能增强与其分子取向结构特征密切相关。

    • 图5是对不同拉伸应变的PLLA/PHBV取向纤维膜在50 ℃下形状回复时检测的形状回复应力测试结果。由形状回复应力-回复时间关系曲线(图5(a))可以看出,形状回复应力均呈现随着回复时间的增加先增大到最大值然后再略有降低的趋势特征,这可能是伴随形状回复时间的延长发生的应力松弛现象。对最大形状回复应力与拉伸应变的对应关系(图5(b))进行统计,结果表明增大拉伸应变,纤维膜的最大形状回复应力也增大,即从0(ε = 0)分别增加到 (5.32 ± 0.32)MPa (ε = 40%)、(7.63 ± 0.26)MPa (ε = 70%) 和 (9.24 ± 0.13)MPa (ε = 100%)。分析原因可能是对取向纤维膜进行拉伸、固定过程中,聚合物分子趋向规整排列(图6(a)),拉伸应变越大,纤维储存能量也越多;升高温度后,纤维膜发生形状回复,储存的能量随之释放,从而导致产生的形状回复力呈现梯度变化(图6(b))。这些结果表明可以通过改变形状记忆型取向纤维膜的拉伸应变调节其形状回复(应)力的大小,这一特性使其在生物医学领域有重要的应用价值。

      图  5  不同拉伸应变PLLA/PHBV取向纤维形状回复应力-时间曲线(a)和最大形状回复应力(b)

      Figure 5.  Shape recovery stress-time curves (a) and the derived ultimate recovery stress (b) of the aligned PLLA/PHBV fibrous films stretched at different strains (**P < 0.01)

      图  6  形状记忆取向纤维膜形状记忆效应的宏、微观机制示意图(a)及不同拉伸应变形状记忆纤维储存和释放能量示意图(b)

      Figure 6.  Schematic of molecular mechanism (a) and energy storage and release (b) of the fibrous shape memory polymer films

    • (1)将PLLA和PHBV两种生物相容性良好的聚合物通过共混电纺的方式成功制备出了形貌均一的取向复合纤维膜;且该取向纤维膜具有较好的形状记忆效应,其形状固定率和形状回复率分别为(96.79 ± 0.64)%和(71.64 ± 8.87)%),其3D结构可在50 ℃热水中10 s左右由临时形状基本回复至初始形状。

      (2)对PLLA/PHBV取向纤维膜进行不同拉伸应变下的高温拉伸和低温固定处理,可使该复合纤维的取向度提高,直径变小,拉伸力学性能显著提高。

      (3)不同拉伸应变(0~100%)处理的PLLA/PHBV取向纤维膜的形状回复应力在0~(9.24 ± 0.13) MPa可调。

参考文献 (27)

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