《Journal of Materials Research and Technology》：Tailoring electrospun PLA nanofiber scaffolds: Influence of binary solvent systems and flow rate on morphological, mechanical, and biological performance
编辑推荐：
摘要：本研究考察二元溶剂体系与推进流速对溶液静电纺丝(electrospinning)制备聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)纳米纤维的影响。研究人员评估了三种二氯甲烷(dichloromethane, DCM)与N,N-二甲基甲酰胺(N,N
摘要：本研究考察二元溶剂体系与推进流速对溶液静电纺丝(electrospinning)制备聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)纳米纤维的影响。研究人员评估了三种二氯甲烷(dichloromethane, DCM)与N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide, DMF)体积比(30/70、50/50和70/30, v/v)，并结合1.0、1.5和2.0 mL/h三种推进流速(flow rate)。扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)结果显示，30DCM/70DMF体系在1.0 mL/h条件下可获得最均匀且无串珠(bead-free)的纤维。力学表征表明该配方拉伸强度(tensile strength)显著高于其他溶剂体系。尽管溶剂组成显著影响纤维形貌与力学性能，所有样品均呈疏水行为且细胞活性(cell viability) > 90%，表明实验条件下细胞相容性(cytocompatibility)得以保持。上述结果证明溶剂组成是调控静电纺丝稳定性、纤维架构及拉伸强度的关键参数，确立了加工条件—结构特征—力学性能—细胞相容性之间的明确关联。
论文解读：聚乳酸静电纺丝纳米纤维支架中二元溶剂体系与流速对形态、力学及生物学性能的调控作用
《Journal of Materials Research and Technology》
研究背景与意义
组织工程与再生医学中，仿生支架需模拟细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的三维微环境以支持细胞黏附、增殖与迁移。静电纺丝(electrospinning)可制备具有高比表面积、连通孔隙及纳米尺度形貌的连续纤维，是构建ECM类支架的主流技术。聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)因良好的生物相容性、可降解性及力学性能被广泛采用，但其静电纺丝常用二元溶剂——二氯甲烷(dichloromethane, DCM)与N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide, DMF)——的比例及推进流速(flow rate)对纤维形貌、力学强度和生物学响应的综合影响尚未被系统建立"加工—结构—性能—生物响应"关联。已有研究多聚焦形貌与直径，缺乏将溶剂组成、流速与形态、力学、润湿性和细胞相容性进行整合评价。因此，研究人员通过系统改变DCM/DMF体积比(30/70、50/50、70/30, v/v)与流速(1.0、1.5、2.0 mL/h)，旨在阐明二元溶剂体系与工艺参数对PLA电纺膜综合性能的影响并建立相应关系。
主要技术方法
研究人员以Corbion Luminy? LX175 PLA(10 % w/v)溶于不同比例DCM/DMF二元溶剂，磁力搅拌溶解后，使用Triple?静电纺丝系统于14 kV、针头—收集器距17 cm、旋转滚筒1400 rpm条件下分别以1.0、1.5、2.0 mL/h流速制膜。表征手段包括：扫描电子显微镜(SEM)观测纤维形貌并ImageJ统计直径分布；傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR, 4000–600 cm?1)鉴定化学结构；接触角测量仪测水接触角(water contact angle)；纹理分析仪进行拉伸测试获取抗拉强度与杨氏模量(Young's modulus)；以L929小鼠成纤维细胞及AlamarBlue?法检测体外细胞活性(cell viability)，统计学采用ANOVA及Tukey事后检验(p < 0.05)。
研究结果
3.1. Morphology of electrospun fibers（电纺纤维形貌）
SEM显示30DCM/70DMF体系纤维最均匀光滑、缺陷少；高DCM含量(70DCM/30DMF)致纤维粗且不均；流速由1.0升至2.0 mL/h使纤维变粗、均匀性下降。30DCM/70DMF在1.0 mL/h下平均直径约942 nm，分布窄(IQR小)；高DCM组直径更小(210–430 nm)但分布宽。结论：高DMF提升溶液电导率与射流静电拉伸，获更均匀纤维但直径略大；高DCM快挥发且低电导致射流不稳定、直径分布宽。
3.2. Mechanistic interpretation of solvent effects（溶剂影响的机理阐释）
溶剂比通过调控溶液电导率影响射流静电拉伸及纤维直径分布。DMF极性大、介电常数高，增溶电荷输运促射流稳定与拉伸，但因沸点高挥发慢致纤维偏粗；DCM挥发性强、电导低削弱拉伸致不均。研究人员指出100 ℃加热板溶解PLA远低于其热分解温度(280–350 ℃)，未见降解迹象，FTIR与力学及细胞实验结果支持聚合物结构完整。
3.3. FTIR analysis（傅里叶变换红外光谱分析）
各溶剂比例下电纺膜FTIR谱图均具PLA特征峰：C=O伸缩~1753 cm?1，CH3不对称/对称伸缩~2995与2942 cm?1，CH3弯曲~1450与1369 cm?1，C–O–C伸缩~1185–1087 cm?1，C–C骨架振动~868 cm?1。结论：不同DCM/DMF比例及电纺过程未引起PLA化学结构变化，差异源于形貌而非化学改性。
3.4. Contact angle（接触角）
所有膜水接触角127°–141°，呈疏水(θ > 90°)。部分体系中2.0 mL/h流速使接触角略降(疏水性微降)，但整体仍疏水。结论：PLA本征疏水性及电纺多孔粗糙结构(空气陷获效应)主导润湿性；溶剂比与流速在测试范围内对疏水性质影响有限。
3.5. Mechanical properties of electrospun membranes（电纺膜力学性能）
取最均匀之1.0 mL/h条件比较溶剂影响。30DCM/70DMF膜拉伸强度最高(1.76 ± 0.40 MPa)，显著高于50DCM/50DMF(0.69 ± 0.51 MPa)与70DCM/30DMF(0.36 ± 0.25 MPa)；杨氏模量无显著差异(约0.57–0.70 MPa)。结论：均匀无缺陷纤维网络利于应力传递、减少应力集中，故30DCM/70DMF组拉伸强度显著提升；初始弹性响应受多孔网络架构控制，与单纤维形貌关系不大。
3.6. In vitro cell viability（体外细胞活性）
所有PLA膜细胞活性 > 90％，与对照组无毒性差异。结论：纳米纤维网络模拟ECM并提供连通孔促进营养扩散与蛋白吸附，抵消PLA疏水影响；残留溶剂未产生可检测细胞毒性；细胞相容性主要由纤维架构提供，细微形貌与润湿性差异未明显影响短期活性。
3.7. Integrated influence of morphology, wettability and biological response（形貌、润湿性与生物响应的综合影响）
溶剂比调控射流稳定与纤维均匀度，30DCM/70DMF最优；但所有组疏水且高细胞活性，表明在本工艺窗口内纤维纳米架构——而非微小形貌差异——主导细胞相容性。该均匀体系可能在黏附与增殖上有潜在优势，待后续研究。
讨论与结论翻译
本研究评价了溶剂组成与推进流速对PLA纳米纤维膜性能的影响。DCM/DMF比例显著影响纤维形貌与直径分布，30DCM/70DMF体系因提高溶液电导率与静电拉伸作用产生最均匀无串珠纤维。尽管形貌有异，膜均呈疏水性且细胞活性 > 90％，表明各体系细胞相容性得以保持。此外，30DCM/70DMF膜拉伸强度显著更高，而不同溶剂体系间杨氏模量无统计学差异。结果表明溶剂组成不仅调控纤维形貌，也影响电纺PLA膜的力学性能；30DCM/70DMF所获更佳纤维均匀性提升了拉伸强度且刚度与细胞相容性相当。由于仅评估了短期细胞活性且未行功能细胞实验，本研究数据证实实验条件下具良好细胞相容性，更广泛的组织工程功能需后续细胞黏附、增殖动力学、功能学检测及长期培养加以验证。总体而言，本研究建立了PLA电纺膜加工—结构—性能关系，证明溶剂体系是有效控制纤维形貌与力学性能的手段，且在保持良好细胞相容性前提下发挥调控作用。
