静电纺丝是制备具有特定直径聚合物纤维的优良方法，但控制所得纤维组件的整体孔隙率，尤其是在较高孔隙率情况下，一直颇具挑战。在本研究中，利用在空气中湿度可控的低温纤维收集装置，可使聚合物纤维与因湿度冷凝产生的冰粒同时沉积。冰粒紧密嵌入聚合物纤维中，充当孔隙模板，在收集的纤维组件干燥后，确定了网格的孔隙率。因此，水的冷凝量有助于控制纤维间平均距离和最终的孔隙率。这种将冰晶用作孔隙模板的方法简单易行，与传统纤维静电纺丝相比，能制备出孔隙率高达四倍的可生物降解组织工程支架。使用聚酯或聚氨酯的低温静电纺丝的成功应用，表明该工艺在制备高孔隙率聚合物结构方面具有广泛的、与材料无关的适用性。

一、引言

近年来，静电纺丝聚合物网格受到了广泛关注，并为组织工程、伤口敷料和药物递送等先进生物材料的发展做出了重要贡献。在日用品领域的潜在应用，如服装、卫生用品、膜和过滤等，已成为研究热点。静电纺丝聚合物网格的大多数应用都基于这类材料可重复且可控的纤维几何形状。然而，截至目前，对网格孔隙率的工艺控制仍较为有限，这限制了材料性能的发挥，尤其是在生物医学应用方面。

研究人员详细研究了工艺参数对纤维直径和纤维间距的影响，如今已能够在平面结构（即二维）中调整孔隙率或净密度。具体而言，二维纤维间距可通过调整溶液性质（如粘度或溶剂挥发性）或静电纺丝过程中使用的电压等来改变。研究人员的研究表明，在使用熔融静电纺丝装置时，纤维间空隙空间很大程度上取决于收集目标的表面积和介电强度。Kidoaki 等人报告称，通过使用一系列挥发性逐渐增加的溶剂，对三维结构的孔隙率有一定程度的控制。

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本研究探索了一种通过使用冰晶作为可去除孔隙模板来大幅增加三维孔隙率的简单方法。由于在组织工程应用中，三维支架孔隙的控制至关重要，因此研究人员使用两种具有代表性的可生物降解且生物相容性良好的聚合物 —— 聚乳酸 - 乙醇酸共聚物（PLGA）和聚酯 - 氨基甲酸酯（PEU）（分别为 Resomer 和 Degrapol），研究了冰晶共沉积的效果。

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二、实验

01.材料

聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）（Resomer，PLGA，类型 RG 85:15，重均分子量 Mw = 280,000 克 / 摩尔）。聚酯 - 氨酯（DegraPol ，PEU，分子量 Mw = 70,000 克 / 摩尔）是根据伦德林等研究人员描述的程序生产的 。对于静电纺丝，通过在搅拌下将聚合物溶解过夜，制备了 8 重量 % 的 PLGA 溶液或 28 重量 % 的 PEU 在氯仿（J.T. Baker，超纯）中的溶液。

02.实验仪器

低温静电纺丝装置由用于输送聚合物溶液的液体泵、静电纺丝头和用于纤维沉积的收集鼓组成。聚合物溶液以 4 毫升 / 小时（Racel 科学仪器）的速度输送到由一个中心不锈钢管（瑞士的 Angst & Pfister AG；内径：1.0 毫米，壁厚 0.3 毫米）组成的纺丝头，该管连接到在 20 千伏下运行的直流高压电源（Glassman，EH 系列）。如拉森等研究人员所建议的，氯仿饱和空气的同轴外套通过抑制过度的溶剂蒸发来防止针头出口堵塞 。聚合物纤维在一个旋转的、中空的、圆柱形铝鼓（长度 100 毫米，直径 80 毫米，壁厚 5 毫米）上收集 2 小时，该鼓配备有可移除的端盖。在正常操作中，鼓接地并依次被聚合物纤维覆盖。对于低温静电纺丝，鼓中装入干冰（冷冻的 CO₂；Pan Gas，工业级，平均温度 195 K），这导致冰晶在冷的外圆柱表面快速沉积（见图 1）。

图1：静电纺丝结束时干冰冷却的收集鼓。

针头和收集鼓之间的距离保持在 20 厘米。为了比较正常和低温静电纺丝，所有纺丝参数保持恒定，同时仅改变收集鼓的温度（300 K 与 200 - 220 K）。聚合物加工过程中的相对湿度（测量精度：±62.5%）和空气温度在 Testo 625 温湿度计上记录。通过使用干燥空气或用沸水浴使静电纺丝装置周围的大气饱和，获得四种不同的相对湿度（15%、30%、50%、85%）。在距离 5 厘米处测量环境相对湿度，在收集鼓表面旁边 5 毫米处测量支架温度和相对湿度。

03.聚合物网的表征

0301.网的形态：

在成像之前，聚合物网样品用 5 纳米的铂层进行溅射涂覆（Baltec SCD 050），并在 LEO 1530 显微镜上通过扫描电子显微镜（SEM）进行研究。所得聚合物网的纤维间间距通过在 SEM 图像中随机测量至少 30 对随机选择的相邻纤维之间的距离来估计。

0302.聚合物和网的密度：

在 25℃下使用氦比重瓶（Ultrapycnometer 1000，Quantachrome）测量 PLGA 和 PEU 的聚合物密度 ρ₀，得到 PLGA 的密度为 1.26 克 / 立方厘米，PEU 的密度为 1.15 克 / 立方厘米。通过使用精确切割的具有确定面积和厚度的网样品的重量，以重量法确定静电纺丝聚合物网的堆积密度 ρ。根据以下表达式计算总网孔隙率 ε：

0303.拉伸性能：

在室温下（Instron 拉伸测试仪，型号 5864）以 12.6 毫米 / 分钟的十字头速度使用 12.6 毫米的样品标距长度（100%/ 分钟）测量选定聚合物网的断裂长度。根据佩奇等研究人员提出的程序，通过将拉伸试验的值转换为断裂长度来考虑网的纤维性质：

其中 T 表示以断裂长度 [千米] 表示的拉伸强度，F 表示力 [千牛]，ρₐ表示网的面密度 [千克 / 平方米]，w 表示样品宽度 [米]，g 表示重力加速度 [米 / 秒 ²]。

三、结果与讨论

01. 网的制备

对于所研究的两种可生物降解聚合物，在室温下收集纤维的经典静电纺丝会产生紧密分层的纤维网（图 2），这与许多早期研究完全一致 。快速且连续的纤维形成以及沉积到先前形成的网上，根据剩余溶剂的量、材料和收集温度，可能会导致纤维紧密连接（见图 2b）。聚氨酯样品中出现更粗、分支的纤维，这与浓度、分子量和材料相关的纤维厚度相符 。

图2：在 30% 相对湿度下，使用室温鼓形收集器纺制的聚合物网格顶视图（扫描电子显微镜图像）；（a）聚乳酸 - 乙醇酸共聚物（PLGA），（b）聚酯 - 氨基甲酸酯（PEU）。

传统加工的聚合物网相对致密（图 3a 和 c），孔隙率约为 79%，且具有主要的二维取向 。将收集鼓的温度从约 300 K 降低到约 200 - 220 K，得到了不同的网形态，这在相应的横截面中最为明显（图 3b 和 d）。聚合物纤维连接松散，形成了一个非常开放的三维聚合物网，具有较大的空隙空间（图 3b）。

图3：在 30% 相对湿度下，室温（a，c）或使用干冰冷却收集鼓（b，d）静电纺制的 PLGA 网格的侧视图（横截面；扫描电子显微镜图像）。

在平面收集鼓表面内仍可能可见一些择优取向（图 3d），而相当一部分纤维通过沿 z 轴（垂直于收集鼓表面的方向）突出，使整个网结构保持开放。对静电纺丝聚氨酯的不同横截面的观察证实了这一点（图 4），强调了在 z 方向上越来越重要的纤维取向。

图4：在 30% 相对湿度下，室温（a）或使用干冰冷却收集鼓（b）静电纺制的 PEU 网格的侧视图（横截面；扫描电子显微镜图像）。

与 PLGA 的情况一样，传统的纤维收集（图 4a）得到了相对致密、分层的材料，大孔隙率较低，冰颗粒的共沉积导致了高度多孔的三维网（图 4b）。几百微米的空隙表明了先前存在、后来被去除的冰颗粒的位置。这种结构与常被引用的胶原类似的细胞外基质聚合物支架的形态非常相似，这是如皮肤、骨骼和软组织等组织工程所需要的 。

02. 网的孔隙率和纤维间距

通过比较聚合物纤维在 x - y 平面（平行于收集鼓表面）和 z 方向（垂直于收集鼓表面）的平均距离，量化了共沉积冰颗粒对聚合物网形态的影响。图 5 比较了平均纤维距离及其标准偏差，结果表明，面内（x - y 方向）的距离不受冰颗粒共沉积的影响，而 z 方向的纤维间距则大幅增加，这证实了在扫描电子显微镜（SEM）图像（图 2 - 4）中可见的更高孔隙率。低温静电纺丝使网孔隙率显著增加的情况定量地列于表 1 中。

图5：在室温或使用干冰冷却收集鼓的条件下，静电纺制的 PLGA（左）和 PEU（右）网格在平面（x - y 方向）和垂直（z 方向）上观察到的平均纤维距离和距离范围。

表1：在室温（300K）或使用干冰冷却收集鼓（200 - 220K）下收集的聚合物网格的最终孔隙率。

这一观察结果不依赖于所使用的聚合物类型，并且对于两种生物材料都是一致的，这表明此处所研究的将冰颗粒用作可去除孔隙模板具有更广泛的适用性。

03. 冰颗粒沉积

通过在湿度不断增加的情况下研究低温静电纺丝，进一步证实了周围空气中湿度在为附近冰颗粒形成提供蒸汽方面的作用。在相对干燥的空气中，无论是在室温下收集的聚合物纤维，还是在干冰冷却的收集鼓上收集的聚合物纤维，都观察不到网密度的差异（见相对湿度为 15% 的列，图 6）。对于更高的湿度（30%、50% 和 85% 相对湿度），低得多的网密度证实了在低温静电纺丝过程中冰颗粒掺入到正在沉积的聚合物纤维中。这一观察结果可以用焓湿图（图 7）来解释，该图描绘了相对湿度与温度的关系。由于来自周围（室温）空气的热量不断流向冷却的收集鼓，在鼓表面附近发现了温度梯度。因此，收集鼓表面的空气更冷，导致相对湿度增加，如图 7 中的垂直线所示。一旦达到饱和，水就会从潮湿的空气中沉淀出来，形成可以沉积到收集鼓上的水滴或颗粒。此处使用的温度（收集鼓表面温度低于 220 K）表明冰颗粒会直接从潮湿的空气中沉淀出来（雪），并迅速掺入到聚合物纤维网中。

图6：在室温（左）或使用干冰冷却收集鼓（右）以及湿度逐渐增加的空气中收集的静电纺可生物降解聚合物的网格密度。

图7：在 101.3kPa 下空气中水分的湿度图，显示了收集鼓附近的估计相对湿度和温度范围。

聚合物网孔隙率在高湿度下明显不受影响（图 6 中 30%、50% 和 85% 相对湿度下的网密度相似），这可以基于典型的热质传递限制来解释。一旦开始冷凝，来自冷凝水的潜热释放决定了沉积的水量，这表明所呈现的过程受传热限制（库斯勒 / 伯德等研究人员 ）。因此，水的可利用量的进一步增加（湿度高于 30%）并没有显著增加冰颗粒的数量，从而也没有影响网密度。

合成后，去除聚合物 / 冰层，并在传统干燥器中干燥，得到了如图 2 - 4 所示的多孔聚合物网。进一步根据断裂长度和模量对干燥的网的拉伸性能进行了表征。

PEU 网的模量比 PLGA 网低约 40 倍，并且观察到在室温下和低温下纺制的网之间存在相当大的差异（图 8），尽管在计算机械性能时考虑了网的结构。对于低温纺制的样品发现的这种机械刚度损失，可能归因于这样一个事实，即在网的形成过程中，由于冰晶的存在，纤维的缠结较少。在拉伸变形过程中，低温纺制的 PLGA 网中的单个纤维会被拉出，这可以解释为什么这些体系记录的断裂应变会增加。

图8：在 30% 相对湿度下纺制的 PLGA 和 PEU 网格的机械测试。

四、结论

与传统的室温静电纺丝相比，我们已证明，低温静电纺丝可显著提高静电纺丝网的孔隙率（四倍），从而实现冰晶和纤维的同时沉积。网孔率与冰晶作为可去除的空隙模板有关。收集筒外表面上的共沉积冰量在湿度超过30%时表现出明显的开始，并证明了工艺设计的稳健性。

低温静电纺丝的一大优势在于其设计简单。该工艺无需添加任何化学品或溶剂，使其适用于生物医学应用，例如组织工程，而组织工程中材料的生产标准和立法审批很大程度上得益于简单的工艺设计。低温静电纺丝可实现高三维孔隙率，因此建议将此类聚合物网用于细胞培养，因为其增加的孔隙空间和开放的多孔结构有助于细胞生长。由于该工艺改进可应用于大多数静电纺丝工艺，因此通过选择合适的聚合物可以获得特定的形态和机械性能。

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