纤维素多孔膜的制备及其性能研究

唐蕊华， 刘丽娜， 郑卓寅， 姚 雪，张素风， 刘佳尧

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 中国轻工业纸基功能材料重点实验室, 陕西 西安 710021； 2.西安交通大学 生命科学与技术学院 教育部生物医学信息工程重点实验室 仿生工程与生物力学中心， 陕西 西安 710049)

0 引言

组织工程作为一门新兴学科，可用体外制备的种植体替代人类器官功能，达到提高人类生存质量和延长生命活动的目的，已受到人类的广泛关注.组织工程支架材料作为组织工程的基础，包括骨、软骨、血管、神经、皮肤、和人工器官等[1-3]，且必须具备生物相容性好、生物可降解性，较高的孔隙率，一定的结构强度等特定的性质[4-6].常见的组织工程支架材料有合成材料(如：聚乳酸、聚己内酯、聚羟基乙酸等)和天然高分子材料(如：胶原、壳聚糖、琼脂等).但其中一些合成材料存在缺乏细胞识别信号，脆性大，降解速度较慢等问题.因此，采用天然高分子材料制备新型支架材料具有重要意义.

纤维素作为自然界中分布最广、储量最大的天然高分子物质，具有生物相容性好、生物可降解性、廉价易得、环境友好等优点，已被用于制备组织工程支架[7-10].然而，目前用天然纤维素制备的支架往往不具备适合细胞生长的大孔，难以满足理想的支架材料应该具备的合适孔径的要求[11].因此，制备合适孔径的纤维素膜具有重要意义.

目前，已有的研究表明：纤维素膜的制备方法通常有真空过滤法、溶解再生法、静电纺丝法、水蒸气辅助法等[12-14].但是，真空过滤法制备的纤维素薄膜结构致密，具有耗时耗能的缺点[13,15].溶解再生法制备的再生纤维素膜孔径一般为10～30 nm左右[16-18].采用静电纺丝法制备纤维素多孔膜，平均孔径大约为80～1 100 nm[19,20].此外，有学者利用水蒸气辅助法层-层自组装制备了醋酸纤维素(CA)三维蜂窝状多孔膜，此三维多孔膜有利于细胞粘附分化和增殖，可作为一种良好的组织工程支架材料[14].然而，以上方法制备的纤维素膜孔径较小(往往小于20μm甚至为纳米级)，难以满足细胞增殖所需要的空间.另外，支架材料需要长期处于液体环境中，然而采用以上方法制备的支架材料存在强度和润湿性差的缺陷，难以长期使用.而理想的适用于细胞培养、骨组织、皮肤组织等领域的支架材料需要微米级的孔径、高的强度和好的润湿性[21].因此，制备微米级孔径、高强度和润湿性好的纤维素膜支架材料对组织工程领域的发展与应用具有重要意义.

针对以上存在的问题，本研究提出了一种拟采用溶解再生纤维素与模板法相结合制备纤维素膜，在再生的过程中加入致孔剂，通过控制致孔剂的尺寸，可制备出具有不同孔径和孔隙率的纤维素膜；另外，本研究采用聚乙烯醇(PVA)改善纤维素多孔膜的强度和润湿性，从而扩大纤维素基多孔材料在组织工程等方面的应用.

1 实验部分

1.1 实验原料

微晶纤维素(MCC)，化学纯,成都市科龙化工试剂厂.氯化锂(LiCl),天津市大茂化学试剂厂；N，N-二甲基乙酰胺(DMAC),天津市大茂化学试剂厂；氯化钠(NaCl),天津市致远化学试剂有限公司；以上试剂均为分析纯，实验所用水均为去离子水.

1.2 实验方法

纤维素溶液的制备：称取3 g微晶纤维素于20 mL DMAC中，在150℃油浴锅中预热1 h后，后冷却至室温.加入8 g LiCl和80 mL的DMAC在60℃中加热搅拌30 min直至溶解，获得微晶纤维素溶液.

纤维素多孔膜的制备：用研钵研磨NaCl颗粒，用不同孔径的筛网筛分出不同尺寸的NaCl颗粒.称取适量NaCl于溶解的纤维素溶液中作为致孔剂，混合均匀，平铺于培养皿中，放置于60 ℃的烘箱中，直至混合液凝固，无流动现象.室温下，在去离子水中反复进行溶剂交换24 h，直至溶剂和NaCl全部被置换出来.通过冷冻干燥的方法制备得到多孔纤维素膜.

纤维素/聚乙烯醇(PVA)复合膜的制备：配制不同浓度的PVA溶液，将上述制备的纤维素多孔薄膜浸渍在PVA溶液中一段时间，取出并干燥.

1.3 性能检测

(1)形貌表征：采用捷克TESCAN公司TESCAN VEGA 3 SBH型扫描电子显微镜(SEM)观察样品.样品经过喷金处理，采用扫描电子显微镜对纤维及复合材料进行形貌观察，利用高真空模式，二次电子成像，加速电压为8 kV.

(2)孔结构分析(MIP)：孔隙结构分析采用美国Micromeritics公司的Auto Pore IV 9500压汞仪，孔径测量范围为5.0～1 000μm，低压测试范围0.5～1 600 psi.

(3)强度测试：采用高特威尔(东莞)有限公司AI-7000-NGD型伺服材料多功能高低温控制试验机进行拉伸机械强度测试.

(4)结构表征：采用德国布鲁克Bruker公司的D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)，在5 °～70 °的2θ范围内记录Cu Kα辐射的X射线衍射光谱曲线，扫描速度为0.2 °/s，采用分峰拟合法计算结晶度.采用NETZSCH公司的VERTEX 70傅里叶红外光谱测试仪对样品结构进行分析，波长范围为400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描信号累计.

2 结果与讨论

2.1 纤维素多孔膜形貌表征

本研究采用模板法制备多孔纤维素薄膜，通过调节致孔剂的尺寸和含量制备不同孔隙率和孔径大小的多孔纤维素薄膜.为了观察纤维素多孔膜形貌，本研究采用SEM对其进行了测量，图1为添加不同含量NaCl制备的不同孔隙率的纤维素膜形貌图.

从图1(a)可以观察到，未添加NaCl时，纤维素膜显示出致密的结构，表面光滑无孔，伴有一些褶皱，可能是干燥速率不均匀引起的；从图1(b)可以观察到，增加NaCl含量时，纤维素膜中的孔隙逐渐增多，在致孔剂与纤维素质量比为10∶1时，纤维素膜表面不均匀的出现一些孔隙；而从图1(c)和(d)可以观察到，当NaCl与纤维素质量比增大到30∶1和50∶1时，纤维素膜表面的孔隙均匀分布，且孔与孔之间相互连通.

(a)未添加 (b)NaCl∶纤维素=10∶1

(c)NaCl∶纤维素=30∶1 (d)NaCl∶纤维素=50∶1图1 添加不同含量NaCl的纤维素多孔膜的SEM图

图2为采用不同尺寸的NaCl制备的具有不同孔径大小的多孔纤维素膜的形貌图(后记为M1、M2、M3)，随着NaCl孔径逐渐增大，所得到的纤维素膜的孔径也不断增大.压汞仪测试结果显示，M1、M2、M3的总孔容和孔径在逐渐增大，孔径分别为23μm、36μm和46μm，孔隙率也逐渐增大分别为77%、79%和90%，如表1所示.

表1 纤维素多孔膜的孔结构参数

(a)M1 (b)M2

(c)M3图2 不同孔径的纤维素多孔膜的SEM图

2.2 纤维素多孔膜的强度测试

据文献报道，理想的组织工程支架材料要求不仅具有合适的孔径，还需要具备一定的机械强度[22].因此，本研究首先观察了不同孔隙率及孔径对于纤维素多孔膜强度的影响.

如图3(a)所示，未添加致孔剂时，纤维素膜结构致密，强度也较大，最大应力可达到9.06 MPa.而随着致孔剂的加入，纤维素膜的强度急剧下降.当致孔剂：纤维素为30∶1时，最大应力仅为0.91 MPa，且最大弹性应变减小.这是由于致孔剂增多，导致纤维素膜的孔增多，孔隙率增大，结构更为疏松，从而导致强度下降.类似的，纤维素膜的强度也随着孔径的增大而减小(如图3(b))，当纤维素膜M3孔径为46μm时，最大应力仅为0.83 MPa.因此，纤维素多孔膜的孔径越大，孔隙越多，则强度越低，从而限制了其在各方面的应用.

(a)不同致孔剂含量

(b)不同孔径

(c)纤维素/PVA复合膜图3 不同纤维素多孔膜的强度

为了进一步改善纤维素多孔膜的强度和结构稳定性，本研究将PVA加入纤维素多孔膜中制备具有一定力学强度和结构稳定性的纤维素/PVA复合材料.纤维素膜浸渍于不同浓度的PVA溶液中(以纤维素膜M3为例)，干燥后测其拉伸强度.如图3(c)所示，可以看出当PVA溶液浓度增大时，纤维素膜的拉伸强度也逐渐增大，当PVA溶液浓度为10%时，纤维素膜的最大拉伸应力达最大为2.38 MPa，相比未浸渍PVA的纤维素膜强度(0.85 MPa)提高了近3倍.这是因为PVA是一种水溶性高分子聚合物，PVA链上富含羟基可与纤维素的羟基发生氢键作用，使纤维素中活性羟基变少、从而降低纤维素结合水的能力，提高纤维素膜的耐水性和强度.本研究将纤维素多孔膜浸渍PVA之后，一部分PVA填充到纤维素膜的孔径中，导致纤维素表面的孔明显减少，如图4(a)所示.还有一部分PVA与纤维素之间形成氢键网络，增加了纤维素膜的力学强度，如图4(b)所示.

(a)放大200倍 (b)放大1 000倍图4 纤维素/PVA复合膜的SEM图

2.3 纤维素多孔膜的结构检测

为了探究纤维素多孔膜制备过程对纤维素本身结构的影响，分别采用XRD和红外对其制备前后的结晶性能和表面官能团进行测试.图5为微晶纤维素及其制备的纤维素膜的XRD曲线图.由图5可以看到，溶解前微晶纤维素在14.9 °、16.3 °、22.3 °、34.3 °存在衍射峰，其中22.5 °的高强度峰，是纤维素Ⅰ型的特征衍射峰.而纤维素溶解后此峰消失，在20 °左右出现较宽的特征衍射峰且峰强较原微晶纤维素有很大程度降低，说明纤维素Ⅰ型结构发生变化，成为纤维素П型结构.微晶纤维素的结晶度也从75.8%降低到20.0%.

图5 样品的XRD图

图6是溶解前的纤维素、纤维素膜和纤维素膜/PVA复合膜的红外光谱图.对于溶解前的纤维素,可以看出3 550～3 068 cm-1处有一个宽的吸收峰，其属于O-H的伸缩振动峰；2 891 cm-1归属于C-H的伸缩振动吸收峰；1 024 cm-1处窄且强的吸收峰是纤维素链上C-O-C的伸缩振动峰.纤维素膜的红外谱图与溶解前纤维素的红外谱图相似，说明溶解对于纤维素的特征峰没有产生影响.而对于纤维素/PVA复合膜，在3 400 cm-1处的吸收峰变宽，这可能是由于纤维素的羟基与PVA产生氢键结合.

2.4 水接触角测试

支架材料的表面润湿性是影响细胞粘附和增殖行为的重要因素之一[23].图7(a)～(c)分别为M1、M2、M3的接触角，可以看出随着纤维素膜孔径增大，接触角逐渐减小.而图7(d)为M3纤维素/PVA复合膜的接触角70.8 °，相比M3明显增大，这可能是由于一部分PVA填充到纤维素膜的孔径中，纤维素膜结构变得致密，水分子不宜渗入.研究表明，亲水性适中的表面可促进细胞粘附和增殖[24].因此，纤维素/PVA复合膜的润湿性能更适用于支架材料.

(a)M1 (b)M2

(c)M3 (d)M3纤维素/PVA复合膜 图7 纤维素膜的接触角

3 结论

本研究采用溶解再生-模板法制备了纤维素多孔膜，通过调控致孔剂的含量和尺寸得到了孔径分别为23μm、36μm和46μm的纤维素多孔膜；通过浸渍PVA使纤维素多孔膜的强度得到提升，当PVA浓度为10%时，强度可提高3倍，润湿性也得到改善.本研究制备方法简单有效，所制备的孔径可调，扩大了纤维素基材料在组织工程等方面的应用.