聚乙二醇作为临时结构调节剂调控电纺聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)支架性能

《Polymer》：PEG as Transient Structuring Agent for Tuning Properties of Electrospun Poly(3-hydroxybutyrate- co-3-hydroxyhexanoate) Scaffolds

　　

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  PEG摩尔质量调节电纺过程中PHBHHx纤维的形态。
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  水洗可实现选择性且具有时间依赖性的PEG提取。
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  10 kDa PEG产生最均匀的PHBHHx纤维形态。
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  PEG提取引发依赖于成分的结构重排。
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  PEG充当瞬态结构调控剂，而不仅仅是一种牺牲性造孔剂。

引言

电纺是一种多功能且被广泛应用的微纳纤维材料制备技术。所得纤维膜具有高孔隙率、相互连通的孔隙以及较大的比表面积，且其形态与天然细胞外基质（ECM）高度相似。这些独特特性促进了电纺支架在生物医学领域的应用，包括组织工程、伤口愈合、药物递送和再生医学^{1, 2, 3, 4}。

在用于电纺研究的众多聚合物中，聚(3-羟基脂肪酸酯)（PHAs）因其生物相容性、生物可降解性以及可再生的生物来源而备受关注[5]。由于PHAs具有良好的宿主反应和降解特性，已被广泛研究作为可植入生物材料^{6, 7}。其物理化学和力学性能可通过单体组成进行调控，使其适用于广泛的生物医学应用^{8, 9}。

在PHA家族的众多成员中，聚(3-羟基丁酸-共-3-羟基己酸)（PHBHHx）作为一种特别有前景的材料而脱颖而出。与聚(3-羟基丁酸)（PHB）相比，羟基己酸单元的引入降低了结晶度和脆性，同时改善了柔韧性和加工性^{10, 11}。因此，PHBHHx可轻松加工成具有良好力学性能和优异细胞相容性的电纺纤维支架^{12, 13, 14}。PHBHHx纤维已被研究用于血管移植物[14]和医用缝合线[15]。此外，已有报道表明PHBHHx基支架可支持成骨细胞的附着和分化[17]。另外，先前的研究已证明PHBHHx纤维支架的形态和组织结构可显著影响细胞行为和组织再生效果[18]。

尽管具有上述优势，PHBHHx仍相对疏水，且纤维膜的性能取决于纤维形态、结晶组织和表面特性^{17, 18}。聚(乙二醇)（PEG）常被掺入聚合物纤维中以增强其初始亲水性，因为其具有亲水性、水溶性和生物相容性^{3, 19}。此外，已有研究表明PEG的引入可改变纤维形态、改善润湿性，并影响电纺PHB基材料的热学、结晶和力学性能[3, 19, 20, 21]。

在上述PEG基础效应的基础上，多项研究已表明PEG摩尔质量是决定纤维形成、聚合物分布和最终支架性能的关键因素^{22, 23}。此外，PEG的摩尔质量还被已知可决定扩散动力学，这是一个显著影响聚合物体系中释放行为和物质传输的因素^{24, 25}。当PEG未与PHBHHx形成共价键时，水洗可提取纤维中部分初始存在的PEG。因此，PEG可能充当瞬态结构组分组分：它影响纤维形成，而其提取可改变剩余膜的组成和性能，最终性能取决于PEG的摩尔质量和组织结构。

虽然PEG对电纺体系的影响已有文献记载，但PEG摩尔质量、其水提取动力学以及PHBHHx基质随之产生的形态重组之间的复杂相互作用仍基本未被探索。解决这一问题至关重要，因为在纤维形成过程中PEG的瞬态存在定义了提取后持续存在或演变的结构模板。特别是，至今尚未系统地研究水洗后PEG摩尔质量与纤维形态、表面润湿性、热学行为、结晶度和力学性能之间的关系。

因此，本工作的目的是研究PEG在电纺PHBHHx纤维膜中作为瞬态结构组分组分的作用。通过电纺制备含有不同摩尔质量PEG样本的PHBHHx/PEG共混物，随后进行水洗处理以诱导PEG提取。在水洗前后，系统评估了PEG摩尔质量对纤维形态、表面润湿性、结晶组织、热学行为和力学性能的影响，所使用的表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氢核磁共振（¹H NMR）、接触角测量、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）和拉伸测试。同时还考察了溶液流变学和具有时间依赖性的PEG提取过程。这些测量描述了所得富PHBHHx膜的结构和力学性能。所得材料被认为是用于软组织工程的潜在生物可降解纤维支架，但其是否适用于特定应用需要专门的生物学和降解研究来评估。

理解这种分子量依赖的结构演变不仅仅是一个材料科学挑战；它是工程化支架的先决条件，其中纤维形态、表面形貌和力学韧性经过定制以引发特定的细胞反应。本工作旨在为设计下一代PHBHHx基平台奠定基础，其中PEG摩尔质量作为加工参数被研究用于在应用特定的生物学评价之前调控PHBHHx基纤维支架的物理化学性能。

各章节摘要

材料

聚(3-羟基丁酸-共-3-羟基己酸)（PHBHHx，M_n ≈ 300,000 g·mol^-1，? = 1.7，HB 95 mol%，HHx 5 mol%）购自BluePHA Helian Polymers公司。共聚物组成通过¹H NMR谱确定，方法是将HHx单元末端甲基信号（0.90 ppm）的积分与所有重复单元次甲基质子的信号（5.2 ppm）的积分进行比较。由于末端甲基对应三个质子，而次甲基信号对应每个单元的一个质子

结果与讨论

为评估PEG摩尔质量对PHBHHx纤维结构及提取后演变的影响，进行了系统的研究。我们首先使用高分子量PEG（100 kDa）建立了电纺过程的基线。这一选择基于其显著增强溶液粘度和稳定电纺射流的能力，这对于确定PHBHHx基质的稳健操作窗口至关重要。

结论

成功制备了电纺PHBHHx/PEG纤维膜，并通过系统表征评估了PEG摩尔质量对支架性能的影响。结果表明，PEG并非仅仅充当牺牲性造孔剂，而是作为一种多功能且部分可浸出的结构组分组分。PEG摩尔质量与溶液流变学和纤维形态的差异相关联，尽管纤维直径并未随PEG摩尔质量或Herschel-Bulkley参数呈单调变化

作者贡献声明

Laura Larue： 写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、调查研究、正式分析、概念构思。Eva De Carvalho： 正式分析、数据管理。Laurent Michely： 正式分析、数据管理。Valérie Langlois： 写作 – 审阅与编辑、验证、监督、数据管理。Daniel Grande： 写作 – 审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。Sabrina Belbekhouche： 写作 –

未引用参考文献

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资助

作者感谢"巴黎东部克雷泰伊大学"（UPEC，科学、工程与环境博士学校）为L. Larue提供博士奖学金。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

Laura Larue|Eva De Carvalho|Laurent Michely|Valérie Langlois|Daniel Grande|Sabrina Belbekhouche