响应面法优化电纺TPU/PPC/GO复合纤维的直径与珠粒密度及其组织工程应用研究

《Results in Materials》：Optimization of Fiber Diameter and Bead Density in Electrospun TPU/PPC/GO Composites Using Response Surface Methodology

本研究针对如何优化可生物降解TPU/PPC/GO复合纤维支架形态的关键问题，采用响应面法(RSM)系统探究了TPU浓度、GO含量、电压及PPC/DMF比例对电纺纤维直径和珠粒密度的影响。结果表明，TPU浓度是控制纤维直径的主导因素(贡献率43.2%)，而PPC/DMF比例对最小化珠粒密度最为关键(贡献率32.9%)。研究成功获得了平均直径0.486 μm、珠粒密度43 beads/μm2的优化纤维膜，为制备高性能组织工程支架提供了可靠的理论依据和实践方案。

　　

在生物医学材料领域，开发能够模拟天然细胞外基质结构的人工支架始终是组织工程研究的核心挑战。理想的支架需要具备适宜的力学性能、可控的降解速率以及促进细胞粘附与增殖的表面特性。热塑性聚氨酯(TPU)以其优异的弹性和生物相容性备受关注，然而其较低的刚度限制了在承重组织中的应用。与此同时，源自二氧化碳的聚碳酸亚丙酯(PPC)作为一种可生物降解的绿色材料，为构建环境友好型植入物提供了新可能。尽管TPU与PPC的二元复合已被证明能形成相容性良好的共混体系，但如何将石墨烯氧化物(GO)的纳米增强效应整合入该体系，并通过精确调控工艺参数制备出形态可控的三元复合纤维，仍是一个尚未深入探索的领域。

为了应对这一挑战，发表在《Results in Materials》上的这项研究，创新性地将响应面法(RSM)应用于TPU/PPC/GO复合纤维的电纺制备过程优化。研究人员旨在揭示关键工艺参数与纤维形态之间的复杂关系，从而为可预测地制造高质量组织工程支架提供系统的方法论。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用中心复合设计(CCD)实验设计方法，以TPU浓度(20–30 wt%)、GO含量(0–2 wt%)、施加电压(10–15 kV)和PPC/DMF比例(0–0.5)为自变量，纤维直径和珠粒密度为响应变量，设计了包含30次实验的运行方案。其次，通过标准的静电纺丝装置制备纤维样品，并固定纺丝流速(1 mL/h)、针尖-收集器距离(25 cm)和收集器转速(100 rpm)等参数以确保过程一致性。最后，利用扫描电子显微镜(SEM)对纤维形貌进行表征，并采用ImageJ软件定量分析纤维直径和珠粒密度，进而通过方差分析(ANOVA)评估各参数的显著性及其贡献率。

3.1. 显微结构评估

通过扫描电镜观察发现，电纺TPU/PPC/GO纤维的形态强烈依赖于工艺参数。对30组实验结果的定量分析表明，纤维直径和珠粒数量存在显著差异，证实了RSM模型的有效性。例如，在TPU浓度较低(20 wt%)且PPC/DMF比例较高(0.5)的条件下，出现了直径较小(0.366 μm)但珠粒密度极高(115-150 beads/μm²)的纤维，而在TPU浓度较高(30 wt%)且不含PPC的条件下，则获得了直径较大(0.6-0.662 μm)且珠粒较少的纤维。

3.2. 电纺参数对纤维直径的影响

对纤维直径模型的方差分析表明，该线性模型是显著的(p < 0.0001)。TPU浓度和PPC/DMF比例是影响纤维直径的两个最显著因素，其贡献率分别为43.2%和30.4%。模型的调整确定系数(R²)为0.7387，预测确定系数为0.7014，两者差值小于0.2，且信噪比( Adeq Precision )为19.25，远大于4，表明模型具有高度的准确性和可靠性。扰动图分析直观显示，TPU浓度的变化曲线斜率略大于PPC/DMF比例，进一步印证了其主导作用。

3.3. 影响珠粒数量的参数研究

对于珠粒密度，二次模型显示出极佳的拟合度(p < 0.0001)。PPC/DMF比例是影响珠粒密度的最关键参数，贡献率达32.9%，其次是TPU浓度。模型的调整确定系数高达0.8078，预测确定系数为0.7434，信噪比为19.291，表明该模型能有效预测珠粒密度的变化。扰动图分析清晰表明，参数D(PPC/DMF比例)的曲线变化更为陡峭，说明其对减少珠粒形成具有更强的影响力。

3.4. 材料相容性与石墨烯氧化物的作用

纤维形态的结果可从材料相容性和电纺物理过程得到解释。TPU与PPC之间通过PPC的羰基(C=O)与TPU的氨酯键中的N-H基团形成氢键，促进了分子的相容性，从而有利于形成均匀的纺丝液和连续的纤维。GO的加入虽然在本研究的参数范围内对形态的统计影响相对次要，但其作用是多方面的。GO片层增加了纺丝液的导电性，从而增强了射流在电场中的拉伸作用；同时，它也增加了溶液粘度。这两种效应的平衡使其对纤维直径的净影响不那么突出。然而，GO表面的含氧官能团能与TPU和PPC分子产生相互作用，这对于增强界面结合、进而提升复合材料的最终力学性能和生物活性至关重要。

研究结论明确指出，通过响应面法优化，成功确定了制备理想形貌TPU/PPC/GO复合纤维的最佳工艺窗口：TPU浓度25 wt%、GO含量1 wt%、电压12.5 kV、PPC/DMF比例为0.25。在此条件下获得的纤维支架具有最小的平均直径(0.486 μm)和较低的珠粒密度(43 beads/μm²)。该研究的意义在于，它不仅填补了TPU/PPC/GO三元复合体系电纺制备研究的空白，更重要的是提供了一种系统、可预测的优化方法，能够高效地指导具有定制化结构的生物材料支架的制备。这种将TPU的弹性、PPC的生物降解性与GO的增强特性融于一体的复合材料，展现出在血管移植物、软组织修复等前沿生物医学领域巨大的应用潜力。未来的研究可着眼于GO的可持续合成、支架的长期体内降解行为及其与特定细胞类型的相互作用，以进一步推动其临床转化。