凝固浴对再生胶原纤维结构与性能的影响

杜 璇， 丁长坤， 岳程飞， 苏杰梁， 闫旭焕， 程博闻

1. 天津工业大学 材料科学与工程学院， 天津 300387；

2. 天津工业大学 天津市先进纤维与储能技术重点实验室， 天津 300387; 3. 天津科技大学, 天津 300457)

胶原(Col)是哺乳动物体内的重要结构蛋白，大多分布于皮肤、肌腱、骨、软骨等部位中，具有独特的三螺旋结构[1-3]，具备生物相容性和生物可降解性优良以及免疫原性低等特点，在生物医学工程等领域有着广泛的应用[4]。其中，再生胶原纤维是可吸收手术缝合线的主要品种之一。

迄今，科研人员对胶原纤维的结构和性能进行了相关研究[5-6]。在传统纤维成形技术中，湿法纺丝和干湿法纺丝应用最为普遍[7-8]。其中，凝固浴无疑是影响胶原纤维成形、结构和性能的重要因素之一。已报道的胶原纤维成形的凝固浴有丙酮[9-10]、硫酸钠(Na2SO4)溶液[11]、碳酸钠(Na2CO3)溶液[12]、磷酸盐(PBS)缓冲液、氯化钠(NaCl)溶液和聚乙二醇(PEG)溶液[13-14]等，其凝固成形时间分别为3～5 min(丙酮)、2 h(Na2SO4)、20 s(Na2CO3)、15 min(NaCl和PEG(相对分子质量为8 000)混合液)和48 h(PBS缓冲液)，制备的纤维的断裂强度差别亦较大(20～180 MPa(丙酮)、0.4～0.7 cN/dtex(Na2CO3)和154 MPa左右(PBS缓冲液))[15]。可以看出，目前所报道的凝固浴组成多种多样，纤维凝固成形时间长短不一，而纤维的性能亦有所差别。

目前，对再生胶原纤维凝固成形系统的研究报道还比较少。为此，本文选择4种(丙酮、NaCl溶液、PEG溶液、PBS缓冲液)使胶原纺丝液脱水及凝固速度不同的溶液作为凝固浴，运用干湿法纺丝技术制备再生胶原纤维，系统研究凝固条件对纤维微纤结构和力学性能的影响，总结不同凝固浴和成形条件下的纤维成形规律，为制备结构可控的医用可吸收手术缝合线等胶原纤维材料提供参考。

1.1 实验材料与仪器

材料：胶原(提取自牛肌腱)，天津市赛宁生物工程技术有限公司；
聚乙二醇(PEG，相对分子质量分别为4 000、6 000、8 000、10 000)、氯化钠(NaCl)、磷酸盐(PBS)缓冲液、氢氧化钠、盐酸，分析纯，天津市风船化学试剂有限公司；
冰醋酸、丙酮、氨水，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

仪器：干喷湿法纺丝装置，实验室自制；
DW-I系列无极调速电动搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；
TGL-16M型台式高速冷冻离心机，湖南湘仪离心机仪器有限公司；
LLY-06系列电子单纤维强力仪，莱州市电子仪器有限公司；
S-4800型冷场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；
D8 DISCOVER型X射线衍射仪，德国布鲁克公司；
Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 再生胶原纤维的制备

再生胶原纤维纺丝原液的制备：以浓度为0.5 mol/L的冰醋酸溶液为溶剂，配制质量分数为1.5%的胶原纺丝原液，为避免溶解时胶原发生热变性，溶解全程使温度保持在4 ℃左右；
胶原充分溶解后，于4 ℃下离心脱泡获得胶原纺丝原液。

再生胶原纤维的制备：用自制干喷湿法纺丝装置，将纺丝原液以0.5 mL/min的速度挤入凝固浴(气隙高度为5～10 mm)，溶液细流经过脱溶剂固化成形后获得凝胶态胶原初生纤维；
使用去离子水将初生纤维冲洗3～5次，再于室温下以5 g砝码悬吊拉伸，自然风干得到再生胶原纤维。凝固浴分别为丙酮[16](丙酮、氨水、去离子水按一定体积比例配制)、NaCl溶液(0.5、0.8、1.0、1.5 mol/L)、PEG溶液(质量分数为20%，溶于5 mg/mL的PBS缓冲液中)、PBS缓冲液(10 mg/mL，pH值为7.4)，体积均为120 mL。本文实验用1 mol/L NaOH和HCl调节NaCl溶液和PEG溶液的pH值进行相关分析。为方便叙述，4种凝固浴所得纤维分别记为丙酮-Col纤维、NaCl-Col纤维、PEG-Col纤维以及PBS-Col纤维。

1.3 结构表征与性能测试

使用电子单纤维强力仪测试再生胶原纤维的力学性能，夹距为10 mm，拉伸速率为10 mm/min，温度为25 ℃，相对湿度为75%。每个试样测试10次，取平均值。

1.3.2 形貌观察

使用冷场发射扫描电子显微镜观察样品的表面、剖面与断面形貌。测试前对样品进行干燥与喷金处理，加速电压为10 kV。

1.3.3 结晶性能测试

通过X射线衍射仪对干燥后的纤维进行结晶性能分析，具体测试条件：Cu靶为放射源，电流为30 mA，电压为40 kV，扫描速度为5 (°)/min，扫描范围为5°～40°。

1.3.4 化学结构表征

使用傅里叶变换红外光谱仪对样品的化学结构进行测试。取少量纤维与KBr粉末一起放入研钵中混匀磨细，压成薄片制样，测试范围为4 000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1。

2.1 纤维力学性能分析

图1示出丙酮-Col纤维的力学性能曲线，依次以去离子水体积、氨水体积以及凝固时间为变量进行分析。丙酮会显著降低水的介电常数[17]，导致胶原分子脱水和聚集，凝固的速度相对较快，因此，可以加入适量水调节纺丝原液中的溶剂(去离子水)与凝固浴中的凝固剂(丙酮)之间的双扩散速度。由图1(a)可以看出：当去离子水的添加量较低时，双扩散过程很快，导致纤维内部空隙较多，微纤堆积不够紧密，纤维断裂强度较低；
随着去离子水添加量的增加，双扩散速度放缓，再生胶原纤维脱水变慢，纤维结构变得均匀，使得纤维的断裂强度提高；
当去离子水添加量为0.4 mL时，所得再生胶原纤维的断裂强度最高为1.22 cN/dtex。但去离子水添加量持续增加，会导致双扩散过于缓慢，以致于在相同时间内纤维成形程度低，使纺出的纤维力学性能变差。

目前，继电保护装置整机生产测试主要停留在手动测试或借助商用测试仪（如博电、昂立）和自主开发的测试仪进行的半自动测试阶段。无论哪种测试方案，整个测试过程都过于依赖测试工程师的参与：测试工程师要不断根据保护装置的类型选择测试线，并选择相关功能进行测试。缺点是测试过程复杂，劳动强度较大，测试时间稍长。为此，本文深入研究智能电网保护装置生产过程的各个子环节，通过对生产测试子过程的不断集成及优化，生产过程大数据的综合利用，整机测试仪的技术改进，气动系统的灵活控制等，设计了继电保护装置整机智能测试系统，实现了继电保护装置的智能化大生产测试。

从图1(b)可以看出，再生胶原纤维的力学性能随凝固浴中氨水添加量的增加呈现出先上升后降低的趋势，当氨水添加量为2～4 mL时，此时pH值更接近胶原的等电点[18]，胶原分子脱水及聚集、凝固速度较快，所得再生胶原纤维断裂强度较高。由图1(c)可知，纤维的断裂强度随着凝固时间的延长先升高后降低，凝固时间太短使纤维成形慢，纤维内部胶原分子间作用力小，力学性能不高，而凝固时间太长则又使纤维断裂强度下降。综上所述，丙酮凝固浴的最佳条件为：去离子水添加量0.4 mL，氨水添加量2 mL，凝固时间3 min。

图1 丙酮-Col纤维的力学性能

图2示出NaCl-Col纤维的力学性能曲线，依次以NaCl浓度、pH值以及凝固时间为变量进行分析。由图2(a)可看出，NaCl浓度的增加会使纤维的断裂强度呈现出先升高后降低的趋势。当NaCl浓度较低时，胶原溶液细流脱水较慢，造成纤维成形困难、强度差。随着NaCl浓度的增加，盐离子会使胶原分子表面的静电作用力变大，分子间通过静电作用更易聚集，使得胶原微纤自组装过程加快，最终纤维力学强度得到提升。但当凝固浴中的NaCl超过一定浓度时，纤维的断裂强度反而下降。这可能是因为纤维中一定量的NaCl残留会使胶原分子及微纤的排列和堆积密度减小，微纤间的相互作用力下降[19]，纤维力学性能变差。结合图2(b)、(c)可以看出，当NaCl浓度为0.8 mol/L、pH值为7.4、凝固时间为10 min时，再生胶原纤维断裂强度最高可达0.62 cN/dtex。

图2 NaCl-Col纤维的力学性能

图3示出PEG-Col纤维的力学性能曲线，依次以PEG相对分子质量、pH值以及凝固时间为变量进行分析。由图3(a)可以看出，以PEG相对分子质量为8 000的溶液为凝固浴所得纤维的断裂强度最优，达到0.43 cN/dtex。原因可能是短链的低相对分子质量的PEG 不仅比长链的高相对分子质量的PEG更易使胶原分子自组装产生短原纤，还会随机杂乱排列在胶原分子之间，影响胶原分子之间的相互作用和胶原微纤排列的规整程度，导致纤维强度较低。而PEG相对分子质量为8 000时正好可以在多肽螺旋结构有限的空间内促进胶原分子的运动和微纤的有序排列[13]。综合图3(b)、(c)可以看出，当PEG相对分子质量为8 000、pH值为7.4、凝固时间为8 min时，PEG-Col纤维力学性能较好。

图3 PEG-Col纤维的力学性能

图4示出不同凝固时间的PBS-Col纤维的力学性能曲线。可以看出，与前3种凝固浴相比，PBS缓冲液中再生胶原纤维的成形时间要长得多。这主要是因为组成PBS缓冲液的无机盐的浓度很低，胶原溶液表面水化层的脱除速度很慢。当凝固时间为2 h时，纤维断裂强度较低;当凝固时间为24 h时，纤维断裂强度达最优为1.08 cN/dtex。较长的凝固时间使得胶原分子可以缓慢地进行自组装，所形成微纤的有序、规整程度较好。但随着凝固时间的进一步延长，纤维的断裂强度却有所下降，这可能是因为纤维内部残留的更多的无机盐引起的。

图4 PBS-Col纤维的力学性能

2.2 纤维形貌分析

图5示出2.1节得到的力学性能最优的丙酮-Col、NaCl-Col、PEG-Col和PBS-Col纤维的表面、剖面和断面SEM形貌。

图5 再生胶原纤维SEM照片

由图5(a)可见，所有纤维表现出相似的表面形貌。丙酮-Col纤维和PEG-Col纤维表面较为光滑，且丙酮-Col纤维表现出更明显的致密原纤化结构[20]。而NaCl-Col纤维和PBS-Col纤维因为有盐的残留使纤维中微纤堆积致密程度下降，表面稍显粗糙。

由图5(b)可以看出，丙酮-Col纤维内部的微纤较为细小，其沿着纤维轴向有序排列且堆积成紧密的聚集体，微纤间有很强的相互作用力，纤维的断裂强度最高。而NaCl-Col纤维和PEG-Col纤维内部的微纤尺寸较大，排列较为疏松，微纤间隙较大；
且NaCl-Col纤维可能因为NaCl的存在导致微纤尺寸有较大差异，PEG-Col纤维微纤较为均匀但微纤间连接仍然较少，这些原因导致这2种纤维的断裂强度均较低。相比较，PBS-Col纤维的微纤尺寸也较大且均一性强，排列规整紧密，使得其断裂强度要高于NaCl-Col纤维和PEG-Col纤维，但仍低于丙酮-Col纤维。图5(c)的纤维断面形貌呈现出相似的变化规律。

2.3 纤维结晶性能分析

图6示出再生胶原纤维的XRD曲线。可见:在2θ为7°～8°处出现1个比较尖锐的小峰，反映的是胶原分子间的距离;第2个峰出现在20°左右，是1个较宽的馒头峰，是纤维内部的结构层次漫散射造成的[21]。

图6 再生胶原纤维XRD曲线

根据布拉格方程，NaCl-Col纤维(2θ=7.2°)、PEG-Col纤维(2θ=7.3°)和PBS-Col纤维(2θ=7.3°)的第1个衍射峰向左有微弱偏移，表明胶原分子间距变大，而丙酮-Col纤维(2θ=7.8°)的胶原分子间距较小，排列紧密而有序，这与纤维断面的形貌观察结果一致。

2.4 纤维化学结构分析

图7示出再生胶原纤维的红外光谱图。可知，再生胶原纤维存在典型的酰胺Ⅰ带、Ⅱ带、Ⅲ带和酰胺A带、B带的特征峰。在4 000～2 500 cm-1范围内，3个吸收峰依次对应酰胺A带、酰胺B带以及—CH2的反对称弯曲振动。1 635 cm-1处对应胶原的酰胺Ⅰ带特征峰，该振动频率通常受到肽链侧基的影响，而酰胺Ⅱ带(1 550 cm-1)对胶原螺旋结构不敏感。酰胺Ⅲ带的吸收峰出现在1 241 cm-1处[22-23]。

图7 再生胶原纤维红外光谱图

由图7还可以看出，酰胺A带和酰胺I带2个特征峰并未发生明显偏移，说明胶原的三股螺旋结构保持完好，即不同凝固浴所得纤维均完整地保留了胶原的特征结构，其可以发挥胶原的一系列生物学功能。对于PEG-Col纤维出现的差异性，认为是PEG分子在三股螺旋之间有限的空间内平行排列，导致红外光谱图中出现了PEG分子的特征峰[15,24]。

本文以丙酮、NaCl溶液、聚乙二醇(PEG)溶液、磷酸盐(PBS)缓冲液为凝固浴，通过干湿法纺丝技术制备了再生胶原(Col)纤维，并对其进行结构表征及性能测试，得到如下主要结论。

1)丙酮会显著降低水的介电常数，导致胶原分子脱水和聚集，凝固的速度相对较快。NaCl溶液和PBS缓冲液均通过脱除胶原表面的水化层使其析出，且二者都可使胶原表面的静电作用力变大而易于聚集，但PBS缓冲液因盐的浓度过低导致其脱水速度很慢。PEG及其相对分子质量大小会影响胶原分子之间的相互作用。

2)丙酮-Col纤维的微纤较为细小，排列有序程度高且堆积紧密，微纤间有很强的相互作用力，纤维断裂强度最高。PBS-Col纤维的微纤尺寸较大且均一性强，排列较为紧密，断裂强度次之。NaCl-Col和PEG-Col纤维微纤尺寸亦较大且有一定间隙，排列较为疏松，微纤间相互作用力低，二者断裂强度较低。4种凝固浴所得纤维均完整地保留了胶原的三股螺旋结构。