干喷湿纺法制备的聚乳酸-羟基乙酸共聚物管状支架中不对称多孔结构演变的相场模拟与实验验证

《Polymer》：Phase-field simulation and experimental validation of asymmetric porous structure evolution in Poly(lactic-co-glycolic acid) tubular scaffolds via dry-jet wet spinning

　　陈光明|吴家柱|周环|张俊飞|彭立军|刘希霞|尹存红
中国贵州贵阳550025，贵州大学机械工程学院

摘要
作为典型的相转变技术，干喷湿法纺丝因其能够形成多孔结构的特点，被广泛用于聚合物管状组织支架的制备。然而，该工艺对工艺参数十分敏感，传统的试错法优化工艺条件会带来巨大的资源消耗和低效率。因此，建立用于定量预测多孔结构形成与演变的数学物理模型具有重要意义。本研究基于Flory-Huggins热力学理论构建了PLGA/DMSO/水三元体系的相图，再结合Cahn-Hilliard相场模型，系统分析了管状支架干喷湿法纺丝过程中的相分离动力学、非对称多孔结构的形成机制以及孔隙的演化规律。此外，通过精确调控孔隙流体和凝固浴中的DMSO含量，阐明了控制多孔形态的机制，揭示了凝固介质成分对支架横截面形态的具体影响，并将实验制备的PLGA管状支架横截面的微观结构与模拟结果进行了对比。模拟与实验结果均表明，PLGA支架的形态及多孔结构主要由相分离（瞬时/延迟）决定，而相分离又受溶剂-非溶剂浓度梯度控制。所建立的二维相场模型能够有效预测干喷湿法纺丝制备管状组织支架过程中的孔隙结构演化，为优化制备工艺提供了理论依据。

引言
组织工程支架可作为支撑细胞黏附与扩散、促进氧气、营养物质及代谢物传输、维持三维组织形成的框架。支架不仅具有机械强度，还能作为化学因子的载体，从而保障生物功能。因此，作为组织工程的核心组成部分，支架的性能对于重建局部微环境至关重要，而微环境直接影响着支架上的营养供应、细胞生长及细胞代谢。决定支架关键性能（如生物相容性、机械性能及降解性能）的重要因素包括材料化学性质、支架结构与形态，而这些又受生物材料合成工艺及支架制造方法的影响。目前已有许多材料被开发用于组织工程领域的管状支架，包括合成聚合物和天然聚合物。天然聚合物（如海藻酸、丝素蛋白及壳聚糖）通常具有较高的生物相容性，能促进细胞黏附、增殖及组织再生，但也存在纯化困难、可能存在病原体传播风险、加工成型性差、机械性能不足以及热稳定性不佳等局限[1]。与天然聚合物相比，合成聚合物具有可定制的分子结构且均匀性更高，能够满足组织工程支架的若干关键要求，例如提供适当控制的机械性能，以支持新组织的生长，同时避免在体内引发炎症或免疫反应。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）是最常用的合成生物材料之一，广泛应用于多种医疗领域，其具有良好的生物相容性、可调控的降解性能及机械性能[2]。此外，通过控制表面结构或采用各种表面修饰技术，可以改善与活体组织接触的支架表面的生物相容性，这些技术能为药物、酶、抗体或其他具有生物活性的物质提供结合位点，从而影响细胞的黏附与生长。例如，在我们之前的研究中，我们发现PLGA管状支架内表面诱导的沟槽有助于神经细胞的定向排列，而内表面的孔隙结构对细胞黏附具有特定的调节作用[3]。

管状支架的结构与形态与其制造方法密切相关。目前用于制备管状组织支架的方法包括发泡法、电纺丝法、浸涂法、滚压法、溶液浇铸法、3D打印法以及干喷湿法纺丝法[4]。其中，干喷湿法纺丝法具有较高的制造效率、快速的加工速度、易于控制的工艺参数，且可通过调整这些参数来优化支架性能。更重要的是，通过该法制备的管状支架具有非对称且高度多孔的结构（孔隙率超过80%），这有利于氧气、营养物质及有害物质的筛选与输送，从而为细胞的存活与分化、血管的长入提供条件，同时防止纤维/疤痕组织的长入，进而促进组织再生[5]、[6]。作为一种典型的相转变过程，干喷湿法纺丝可通过非溶剂诱导的相分离作用，使聚合物溶液固化成连续的多孔中空管状结构。在纺丝过程中，由聚合物溶解在溶剂中形成的涂料流体（或聚合物溶液）与孔隙流体（通常为非溶剂）分别从同轴喷丝头的不同通道挤出。溶剂与非溶剂在两种流体之间的扩散会改变涂料流体中的聚合物-溶剂-非溶剂三元体系，从而触发聚合物溶液的相转变与固化。因此，纺丝条件及工艺参数，如涂料/孔隙流体的组成、挤出速率、气隙大小、纺丝速度及纺丝温度，都会显著影响所形成管状结构的形态、孔隙率、孔径以及机械、物理和化学性能。研究表明，孔隙流体的组成会显著影响纺丝过程中的扩散行为以及浸析沉淀过程中的相分离路径，进而改变所制备管状结构的形态、孔隙分布及机械性能[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。不过，这些分析大多基于聚合物结构（如指状层和海绵状层）形成的实验结果，关于预测不同孔隙流体条件下支架的孔隙分布的研究相对较少，尤其是对支架典型非对称多孔结构形成过程的描述更为缺乏。在Matveev等人的研究中[14]，聚合物溶液中溶剂与非溶剂之间的互扩散速率比被确定为形成非对称结构的关键因素，其背后的机制将在下文中详细阐述。

干喷湿法纺丝是一个复杂的工艺过程。由于热力学和扩散动力学的效应，孔隙流体及凝固浴中的非溶剂（水）开始向涂料流体（聚合物溶液）中扩散，而溶剂二甲基亚砜（DMSO）则因浓度差异（或化学势差异）开始向孔隙流体及凝固浴中扩散。由于聚合物的迁移率较低，其扩散可忽略不计，因此溶剂与非溶剂的互扩散会导致涂料成分的不稳定，进而引发相分离。于是，均匀的聚合物溶液会分解为富聚合物相和贫聚合物相。经过一段时间的相分离后，富聚合物相会通过结晶或玻璃化作用固化成固体基质，而贫聚合物相则会演变成孔隙。最终，涂料流体便形成了具有相互连通多孔结构的管状支架。在纺丝过程中，固化条件的变化以及不同的相分离情况会导致初始管状结构的形态、结构及性能出现显著差异。三元体系的热力学理论为通过相分离法制备支架提供了理论基础。过去，研究人员已经发展出了多种热力学理论，并将其应用于通过相分离法制备膜的分析中[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。其中，Flory-Huggins理论因其简单性、输入参数少以及对相行为具有可靠的预测能力，而被广泛用于聚合物溶液的建模[22]。例如，Mulder等人的研究[23]表明，三元相图中的二元相互作用参数可以改变共晶曲线的位置，从而形成具有不同结构的膜。此外，Je Young Kim等人[16]通过滴定法确定了聚砜（PSF）/溶剂/水体系的浊点曲线，他们的数值分析显示，二元相互作用参数会改变相图中的均匀区域。J. Barzin等人[21]则基于扩展的Flory-Huggins理论，建立了水/N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）/聚醚砜（PES）以及水/N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）/聚醚砜三元体系的理论相图，并将这些理论相图与相应的实验数据进行了比较。

此外，为描述相分离的动态过程并预测多孔结构的形成，人们还采用了多种模型和数值方法，包括传质模型[24]、蒙特卡罗模拟[25]、耗散粒子动力学[19]以及格子玻尔兹曼方法[26]。其中，Cahn-Hilliard连续相场模型因能够预测给定过程中内部变量（局部组分体积分数）的变化，而被广泛用于描述相分离现象。Zhou等人[27]基于包含Flory–Huggins混合自由能函数的三元Cahn-Hilliard公式，对聚合物膜在浸析沉淀过程中的早期结构形成进行了二维和三维模拟，他们将模拟系统分为非溶剂相和聚合物相，研究了不同初始条件对多孔形态的影响。Manuel等人[28]、[29]基于Flory–Huggins自由能模型以及表面张力与密度梯度理论，得出了在不同聚合物质量分数及沉淀前沿速度下，会形成不同类型的孔隙结构（即海绵状孔隙、指状孔隙及层状结构）的结论。Padilha Júnior等人[30]考虑到扩散驱动力及扩散通量方程，提出了一种新的相场模型，用于预测通过非溶剂诱导的相分离过程形成的聚合物膜形态。根据Einstein-Smoluchowski扩散方程[31]，各向异性迁移率本质上等同于各向异性的扩散张量。Vuijk等人的理论研究[32]推导出了这一关系，Yook等人的实验研究[33]也证实，静态聚合物系统中的迁移率各向异性与分子扩散的各向异性是一致的。在此基础上，Qiu等人[34]将这一参数纳入Cahn-Hilliard相场模型，研究了聚合物的各向异性迁移率如何影响聚合物膜?孔隙形态。然而，尽管这些研究能够定性预测非溶剂诱导的相分离过程中膜形成的物理行为，但仍然难以解释干喷湿法纺丝制备的管状支架复杂的孔隙结构分布，比如从支架横截面观察到的表层、指状层以及含有海绵状孔隙和较大空腔的中间层等结构。

因此，本研究基于Flory-Huggins热力学理论及Cahn-Hilliard相场模型，开发了一种圆柱坐标系相场模型，该模型考虑了PLGA的各向异性迁移率以及相分离前沿的传播时间，系统研究了在非对称和对称溶剂条件（孔隙流体及凝固浴中DMSO含量恒定）下的相分离现象，分析了管状支架干喷湿法纺丝过程中的相分离动力学、非对称多孔结构的形成机制以及孔隙的演化规律。通过PLGA-DMSO-水三元相图，我们阐明了指状孔隙和海绵状孔隙的形成机制。二维动态模拟结果表明，孔隙流体及凝固浴中DMSO含量的变化会显著影响支架横截面的形态。模拟结果与实验结果的对比验证了该模型在预测支架结构演化方面的准确性，从而为优化纺丝参数（如凝固浴成分、初始聚合物浓度）以改善形态与性能之间的关联提供了指导。

材料部分
PLGA溶液是在室温下，通过持续搅拌将一定量的PLGA（乳酸与羟基乙酸的比例为50:50，分子量为60 kDa，特性粘度为0.57 dL/g）溶解在纯度≥99.0%的DMSO溶剂中制得的。PLGA和DMSO分别购自中国山东省济南的山东医疗器械研究所和中国上海的国药化学试剂有限公司。去离子水是通过超纯水设备制备的（HQ-60L）。PLGA/DMSO/水三元系统的热力学模型根据Flory-Huggins热力学理论[22]，该三元系统混合时的总吉布斯自由能可表示为[35]。其中，R为摩尔气体常数（J?mol-1?K-1），T为绝对温度（K），n_i和v_i分别为组分i的摩尔数和体积分数，α_{ij}为组分i与组分j之间的二元相互作用参数（其中i、j分别代表非溶剂、溶剂和聚合物）。根据化学势的定义，基于三元相图的热力学分析通过干喷湿法纺丝制备管状支架的过程中，其微观结构的形成受热力学效应调控。因此，我们运用PLGA/DMSO/水三元相图来分析成核与生长、旋节分解这两种相分离机制对干喷湿法纺丝制备管状组织支架时孔结构的影响。图2展示了PLGA/DMSO/水三元相图。结论通过干喷湿法纺丝制成的管状组织支架具有相互连通的多孔结构，但在实验过程中，要定性和定量地描述这些孔结构仍然较为困难。在本研究中，我们将Flory-Huggins热力学理论与Cahn-Hilliard相场模型相结合，构建了一个考虑PLGA各向异性迁移特性的圆柱坐标模型，用于模拟干喷湿法纺丝过程中PLGA管状支架横截面孔结构的形成过程。作者贡献说明张俊飞：验证、正式分析；周欢：研究、数据整理；吴佳珠：指导；陈光明：初稿撰写、可视化、验证、研究、数据整理；尹存红：指导、研究、正式分析；刘希霞：审稿与编辑、方法学、资金获取、概念设计；彭立军：研究。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。无竞争性利益声明? 作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢作者感谢贵州省科技计划项目（项目编号：(2024) Youth 122、MS [2025] 621以及GCC [2022]007-2）和贵州大学博士基金（项目编号：(2022) 17）提供的财政支持。