CN108754872B

CN108754872B - 静电纺plga超细纤维膜的生产方法

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Publication number: CN108754872B
Application number: CN201810529450.8A
Authority: CN
Inventors: 侯涛; 李建锋; 邵朝兵; 田茜; 贾伟锋; 田家川
Original assignee: Zhengzhou Yuli New Material Co ltd
Current assignee: Zhengzhou Yuli Nonwovens Co ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: CN108754872A

Abstract

本发明公开了一种静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法，依次按以下步骤进行：第一步骤是制备纺丝溶液；（1）量取四氢呋喃和N，N‑二甲基甲酰胺，按体积比列按3:1配制混合溶剂；（2）按重量份，称取16±0.2份聚乳酸－羟基乙酸共聚物和84±0.2份所述混合溶剂，并混合在一起；（3）在纺丝溶液中放入磁子，使用磁力搅拌器搅至聚乳酸－羟基乙酸共聚物在混合溶剂中完全溶解，得纺丝溶液；第二步骤是使用静电纺丝机对第一步骤制备的纺丝溶液进行静电纺丝，得PLGA超细纤维膜。本发明能够制备纤维更加平直、形貌较佳，力学性能较好且纤维较细的PLGA超细纤维膜，纤维吸附性能最好，为PLGA纤维的应用提供了更好的材料。

Description

静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法

技术领域

本发明涉及超细纤维制备技术领域，尤其涉及一种PLGA超细纤维膜的生产方法。

背景技术

聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）是一种应用非常广泛的生物可降解高分子材料，它具有良好的生物相容性，并且比较容易加工成型。PLGA最常见的合成方法是交酯开环聚合法，是先将LA、GA分别环化二聚成乙交酯和丙交酯两种单体，再把两种交酯按不同比例开环共聚。

PLGA属于生物可降解材料，近年来受到越来越多的关注，由于PLGA较高的孔隙率、较大的比表面积而被广泛应用于各个领域，特别是近年来引人注目的组织工程支架材料、药物释放、人工血管、伤口包敷材料、药物缓释等生物医学领域。PLGA降解过程是酯键发生水解，大分子链逐渐断裂成低分子聚合物，经乳酸(LA)和羟基乙酸(GA)最终降解为二氧化碳和水，同时这些降解产物也是人体新陈代谢的副产物等产物，对人体组织无毒、无刺激。

比表面积大是静电纺PLGA超细纤维的优点。静电纺PLGA纤维直径比常规方法纺制的纤维小1~2个数量级，因此极大地增加了PLGA纤维材料的比表面积，使其具有更好的吸附性。为了追求更好的吸附性，人们倾向于制造更细的PLGA超细纤维。

静电纺丝是一种简易而有效的技术，能生产出连续的直径小到几纳米的纤维。在浓度较高的聚合物溶液上施加高电压，纳米纤维就会形成。当外加电场作用于毛细管顶端，液体表面就会带上大量的静电电荷。毛细管管口半球形的液滴在高压静电的作用下逐渐拉长，形成的锥体带有大量静电，即Taylor锥。静电纺纤维最后在转辊上被收集。

纺丝溶液的黏度是由聚合物的分子结构和溶剂的性质和浓度决定的。当溶液黏度小到一定程度时，静电纺丝时易形成珠滴，甚至不可纺成纤维。溶液的黏度增大到一定程度时，溶剂挥发太慢，纺制的纤维易发生黏结。通常一种纺丝溶液，只有在一定浓度区间才具有可纺性。在可纺的浓度区间，浓度较低时溶液黏度也较低，纺丝溶液在受到电场力的作用时，纤维的拉伸不够充分，纤维会很快的到达接收辊，使得纤维的直径较大。提高纺丝溶液的浓度则可以提高溶液黏度，使纺丝溶液在受到电场力的作用时，纤维到达接收辊更慢，纤维的拉伸更加充分，因而纤维相对更细。

前已述及，为了追求更好的吸附性，人们倾向于制造更细的PLGA超细纤维。因此，本领域中，综合考虑可种因素后，往往在接近最高的可纺浓度区间选择一种浓度作为纺丝浓度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法，能够生产出纤维更加平直、力学性能较好且纤维较细的PLGA超细纤维膜。

为实现上述目的，本发明的静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法依次按以下步骤进行：

第一步骤是制备纺丝溶液；

（1）量取四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺，按体积比列按3:1配制混合溶剂；

（2）按重量份，称取16±0.2份聚乳酸－羟基乙酸共聚物和84±0.2份所述混合溶剂，并混合在一起；

（3）在纺丝溶液中放入磁子，使用磁力搅拌器搅至聚乳酸－羟基乙酸共聚物在混合溶剂中完全溶解，得纺丝溶液；

第二步骤是使用静电纺丝机对第一步骤制备的纺丝溶液进行静电纺丝，得PLGA超细纤维膜。

所述第二步骤中，纺丝参数为：正电压20千伏，负压0千伏，接收距离为12厘米，推进速度为0.003毫米/秒，纺丝温度为23℃；用于收集纤维的转辊上缠绕有一层锡箔纸。

本发明具有如下的优点：

本领域中，综合考虑各种因素后，往往在接近最高的可纺浓度区间选择一种浓度作为纺丝浓度。经试验，对于四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺按体积比列按3:1配制出的混合溶剂中溶入聚乳酸-羟基乙酸共聚物制得的纺丝溶液，其重量浓度为20%时接近其可纺的最高浓度，同时制备的纤维也具有不错的性能，因此，发明人首先考虑的浓度也在20%左右。但实践中发现，以往认为的浓度较高时黏度也较高、纺丝溶液在受到电场力的作用时，纤维的拉伸不够充分，纤维会很快的到达接收辊，使得纤维的直径较大的认识并不全面，还有未知的其他因素在影响着纤维直径。发明人无意中配制的较低重量浓度（15%左右）的纺丝溶液制备出的纤维反而更细、具有更好的吸附性能，经过反复试验，确定出16%左右的纺丝溶液浓度能够制备出最细的超细纤维，制得的纤维的吸附性能最好，同时溶液的可纺性和纤维的力学性能均达到最佳，显微观察下纤维较为平直。

总之，本发明能够制备纤维更加平直、形貌较佳，力学性能较好且纤维较细的PLGA超细纤维膜，纤维吸附性能最好，为PLGA纤维的应用提供了更好的材料。

附图说明

图1是实施例一制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图2是实施例二制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图3是实施例三制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图4是实施例四制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图5是实施例五制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图6是实施例六制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图7是实施例七制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图8是纤维降解时间对失重率的影响图。

具体实施方式

静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法，依次按以下步骤进行：

第一步骤是制备纺丝溶液；

（1）量取四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺，按体积比列按3:1配制混合溶剂并放入玻璃容器中（实验时可以采用碘量瓶）；其中，四氢呋喃，分析纯AR，密度0.887~0.889 g/mL，含量≥99.0%，相对分子质量72.11，天津市富起化工有限公司生产。N,N-二甲基甲酰胺（DMF），分析纯AR，密度0.945~0.950 g/ml，含量≥99.5%，相对分子质量为73.09，天津市永大化学试剂有限公司。

（2）按重量份，使用电子天平称取14－22份聚乳酸－羟基乙酸共聚物和78－86份所述混合溶剂，并混合在一起；聚乳酸－羟基乙酸共聚物混合溶剂的总重量份为100份；电子天平采用上海精密科学仪器有限公司生产的JA2003N型电子天平。采用中国纺科院制备的颗粒状的聚乳酸－羟基乙酸共聚物（PLGA，50:50）；

（3）在纺丝溶液中放入磁子，使用磁力搅拌器搅至聚乳酸－羟基乙酸共聚物在混合溶剂中完全溶解，所需要的搅拌时间为240±30分钟，得纺丝溶液；磁力搅拌器采用常州国华电器有限公司生产的79-1型磁力搅拌器(带磁子)。

第二步骤是使用静电纺丝机对第一步骤制备的纺丝溶液进行静电纺丝，得PLGA超细纤维膜。静电纺丝机采用北京康森特科技有限公司生产的KH-2型静电纺丝机。

实施例一

所述第一步骤中，聚乳酸－羟基乙酸共聚物和混合溶剂的重量比为14：86。

实施例二

所述第一步骤中，聚乳酸－羟基乙酸共聚物和混合溶剂的重量比为16：84。

实施例三

所述第一步骤中，聚乳酸－羟基乙酸共聚物和混合溶剂的重量比为18：82。

实施例四

所述第一步骤中，聚乳酸－羟基乙酸共聚物和混合溶剂的重量比为20：80。

实施例五

所述第一步骤中，聚乳酸－羟基乙酸共聚物和混合溶剂的重量比为22：78。

实施例六

所述第一步骤中，配制的纺丝溶液中，溶质为聚乳酸－羟基乙酸共聚物，溶剂为四氢呋喃，重量浓度为16%。

实施例七

所述第一步骤中，配制的纺丝溶液中，溶质为聚乳酸－羟基乙酸共聚物，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺，重量浓度为16%。

一、静电纺纤维的形貌观察。

采用上海蔡康仪器公司生产的XPF-550C型偏光显微镜对制备的超细纤维膜进行形貌观察。该设备具有精确至1μm的标尺标定来测定纤维的尺寸，并附有二维可成像的测量软件DS-3000。

对于各实施例制备的超细纤维膜，用镊子小心的从锡箔纸上，将接收有少量PLGA纤维的盖玻片拿下来，然后在偏光显微镜下进行观察，先用100倍放大倍数找到清晰的PLGA超细纤网的形貌，再用400倍的显微镜观察，调节细准焦轮旋出现清晰的PLGA超细纤维，然后拍摄400倍放大倍数下的纤维显微照片。

图1是实施例一制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图2是实施例二制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图3是实施例三制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图4是实施例四制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图5是实施例五制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图6是实施例六制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片；

图7是实施例七制备的PLGA超细纤维的偏光形貌的显微照片。

表一是实施例一至五（不同浓度下）所制备的PLGA超细纤维的直径参数。

表一：

纺丝溶液重量浓度/%	14	16	18	20	22
						纤维直径/μm	1.35	1.32	1.40	1.42	1.43

从表中可以看出，纺丝溶液的重量浓度从14%增大到16%时，制备的超细纤维的直径在减小，造成这种现象的原因是纺丝溶液聚合物浓度过低时，纤维的黏度较低，纺丝溶液在受到电场力的作用时，纤维的拉伸不够充分，纤维会很快的到达接收转辊，使得纤维的直径略大。然而当纺丝溶液聚合物浓度大于16后，制备的超细纤维的直径又转而增大。因此，纺丝溶液的重量浓度在16%时，溶液的可纺性最高，制备的纤维的直径也最小，纤维的吸附性最好。

表二是实施例六至七（不同溶剂）所制备的PLGA超细纤维的直径参数；为了方便对比，将最佳实施例（实施例二）的纤维直径也列入表二。

表二：

溶剂类别	四氢呋喃	N，N-二甲基甲酰胺	混合溶剂
				纤维直径/μm	1.40	1.35	1.32

综合图1至图7以及表一至表二可以看出，采用3：1的混合溶剂时，纤维的分布相差不大。但是当溶剂为单独的四氢呋喃或单独的N，N-二甲基甲酰胺时，制备的纤维会出现少量珠状纤维，当纺丝溶液溶剂为混合溶剂时，纤维的直径和纤维的分布均优于其他两种单独的溶剂制备出的纤维，因此得出，使用混合溶剂（体积比3:1）做纺丝溶液溶剂，聚合物的可纺性更好，制备的PLGA超细纤维质量最好，吸附性最佳。

二、静电纺纤维的拉伸性能测试。

纤维的力学性能决定纤维很多方面的用途，力学性能优良的静电纺PLGA超细纤维在生物医学领域有特别广阔的应用前景。拉伸性能测试的设备采用上海新纤仪器有限公司生产的XQ-1A型纤维强伸度仪。

对于实施例一至七制备的PLGA超细纤维膜，在厚度均匀的地方，将纤维膜剪成宽为2.5 mm，长为50 mm的细长条，在室温下进行力学性能测试。试样的夹持长度为20 mm，拉伸速度20 mm/min，每个试样测试5次，断裂强力取其平均值。用螺旋测微计测量出纤维膜的厚度（mm）。根据下述公式计算出断裂强度：

纤维膜的断裂强度（MPa）＝纤维膜的断裂强力（N）/纤维膜的截面积（mm²）；

表三是实施例一至五（不同浓度下）所制备的PLGA超细纤维的力学参数。

表三：

浓度	厚度（mm）	面积（mm<sup>2</sup>）	断裂强力（cN）	断裂强度（MPa）
					14%	0.124	0.310	54.32	1.72
16%	0.190	0.285	85.70	2.95
					18%	0.097	0.243	56.12	2.26
20%	0.113	0.283	57.43	1.90
					22%	0.134	0.335	53.93	1.58

从表三可以看出：在不同浓度下，纤维膜断裂强度呈先上升后下降的趋势，在纺丝溶液重量浓度为16%时，纤维的断裂强度最高。在一定的纺丝条件下，纺丝溶液浓度对静电纺纤维的断裂强度影响较大。由图中可以看出，纺丝溶液浓度为14%时的断裂强度大概只有纺丝溶液浓度为16%时的一半多。这是因为纺丝溶液浓度在一定范围内，增大纺丝溶液浓度，单位时间内纺制的纤维数量较多，纤维在接收转辊上堆积的比较密集，从而增大了纤维的断裂强度。当纺丝溶液浓度超过16%时，纤维的断裂强度又急剧下降。发明人对此的解释是：这有可能是因为当纺丝溶液浓度超过一定范围时，纺丝溶液的黏度过大，纺丝溶液从纺丝机喷射装置喷出时在针孔处形成的液滴较大，纺丝细流喷射过程中溶剂挥发不够充分，纤维在接收转辊上不能很好的结晶，从而导致纤维的断裂强度变低。

表四是实施例六至七（不同溶剂）所制备的PLGA超细纤维的力学参数；为了方便对比，将最佳实施例（实施例二）的纤维的力学参数也列入表四。

表四：

溶剂类别	厚度（mm）	面积（mm<sup>2</sup>）	断裂强力（cN）	断裂强度（MPa）
					四氢呋喃	0.182	0.455	52.94	1.14
N，N-二甲基甲酰胺	0.197	0.493	51.29	1.02
					混合溶剂	0.190	0.475	85.70	1.77

由表四看出，在一定的电纺纺丝条件下，当聚合物浓度为16% 的最佳浓度时，实验所列三种不同溶剂的断裂强度，混合溶剂纺丝溶液所纺制的纤维断裂强度最大。这是因为较合适的纺丝溶液溶剂对聚合物的溶解更充分，溶剂在聚合物纤维结晶时挥发的更完全，不会或者更小的影响纤维的拉伸性能。由此可以看出对比四氢呋喃和DMF（即N，N-二甲基甲酰胺），混合溶剂有更好的可纺性。

三、静电纺纤维的降解性能测试。

对于实施例二制得的纤维的样品，真空干燥48 小时后，准确称取质量（mg），然后将样品浸泡在37 ℃，pH=7.4的PBS溶液中。[PLGA纤维膜面积（mm²）：PBS溶液体积（mL）=1:4]，经过不同的时间间隔取样，PBS每周更新一次。采用真空干燥称量法测定试样降解前后的质量。真空干燥采用上海三发科学仪器有限公司生产的DZF-6020型真空干燥箱。

失重率（%）=（m₀-m₁）/m₀*100%。

式中：m₀和m₁分别为降解前后试样的质量

PLGA降解过程是酯键发生水解，大分子链逐渐断裂成低分子聚合物，经乳酸(LA)和羟基乙酸(GA)最终降解为二氧化碳和水，同时这些降解产物也是人体新陈代谢的副产物等产物，对人体组织无毒、无刺激。

图8是纤维降解时间对失重率的影响图。图8中降解时间的单位w指的是周。

图8表明，随着降解的进行，共聚物大分子逐渐被降解成小分子，并且从聚合物纤维膜中扩散出来，溶解到PBS溶液中，造成纤维失重率不断增加。尤其是降解前两周失重率快速提高到13%，而2 周到10 周失重率仅提高17%。由此证明，前两周PLGA纤维膜降解速度很快，由失重率可以看到，PLGA是一种聚酯高聚物，其体外降解主要是通过酯键的水解来进行。通过溶液腐蚀，PLGA由不溶于水的固体变成水溶性物质，整体结构逐渐被破坏，体积变小，最终完全降解生成二氧化碳和水。在降解过程中，分子链中酯键的水解断裂是无规则的，每个酯键都可能被水解。随着降解的继进行，8到10 周时，失重率增加缓慢。当降解时间为10 周时，失重率为30%，可用于药物缓释。

总结以上测试，得以下结果：

1. 纺丝溶液溶剂为混合溶剂，纺丝溶液浓度为14%时，电纺纤维的形貌不规则，纤维粗细不一。纺丝溶液浓度为16%时，纤维形貌有极大改善，且纤维更加平直。浓度大于16%，有少量球珠存在于纤维中，纤维形貌质量下降。

2. 纺丝溶液溶剂为混合溶剂，随着纺丝溶液聚合物浓度的增大，纤维直径先减小后增大，纤维的拉伸性能先增大后减小。当纺丝溶液聚合物浓度为16%时，纤维的直径最小，纤维的力学性能最高，纤维的可纺性最好，与实验前的预期不相符合。

3. 纺丝溶液浓度为16%，纺丝溶液溶剂为四氢呋喃或者DMF时，纤维的拉伸性能均低于混合溶剂所制备的纤维，且纤维直径较大、形貌较差。当纺丝溶液聚合物浓度为混合溶剂四氢呋喃和DMF体积比3:1时，纺丝溶液的可纺性最好。

4. 前两周PLGA纤维膜降解速度很快，失重率快速提高到13%，而2 周到10 周失重率仅提高17%。当降解时间为10 周时，失重率为30%。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法，其特征在于依次按以下步骤进行：

第一步骤是制备纺丝溶液；

（2）按重量份，称取16份聚乳酸－羟基乙酸共聚物和84份所述混合溶剂，并混合在一起；

第二步骤是使用静电纺丝机对第一步骤制备的纺丝溶液进行静电纺丝，得纤维吸附性能最好的PLGA超细纤维膜。

2.根据权利要求1所述的静电纺PLGA超细纤维膜的生产方法，其特征在于：所述第二步骤中，纺丝参数为：正电压20千伏，负压0千伏，接收距离为12厘米，推进速度为0.003毫米/秒，纺丝温度为23℃；用于收集纤维的转辊上缠绕有一层锡箔纸。