采用交变电场静电纺丝（AFES）技术由罗非鱼源鱼明胶制备的纳米纤维生物纺织品

《ChemistrySelect》：Nanofibrous Bio-Textile From Tilapia Fish Gelatin Prepared Using Alternating Field Electrospinning

　　

由温水鱼明胶（W-FGel）制备的纳米纤维（NF）因含有更高比例的脯氨酸和羟脯氨酸，有望较冷水鱼明胶（C-FGel）材料表现出更优异的力学性能，因而在生物医学应用中更具潜力。本研究采用交变电场静电纺丝（AFES）技术制备了 W-FGel 纳米纤维无纺布，产率达到 3.1–5.4 g·h^?1，并主要通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）及拉伸测试对其进行表征。随溶剂体系不同（H₂O/醋酸体积比 5:1 至 1:4），纤维直径在 85 ± 21–240 ± 74 nm 之间变化。不同单轴压缩程度的初纺及交联 W-FGel NF 薄膜的面质量密度为 10.0 ± 1.1–44 ± 4.84 g·m^?2，抗拉强度为 0.14–8.1 MPa，断裂伸长率为 4.0%–65.0%，孔隙率为 68.1%–98.7%。按孔隙率校正后，其力学性能达到或超过相应 C-FGel NF 材料。初步体外试验显示，在平均纤维直径最小的交联 W-FGel 材料上，3T3 细胞活力高于采用 AFES 制备的可比 C-FGel 材料。

鱼明胶（FGel）是从鱼类加工副产品提取的蛋白质型生物大分子，具有无毒、生物相容性好、可水溶液加工等优点，已引起生物医学、健康护理、制药及食品工业的关注。与哺乳动物明胶相比，FGel 的熔点和凝胶化温度较低，力学强度与热稳定性也较弱，但因宗教、伦理以及疾病传播风险等方面的顾虑而更受青睐。然而，FGel 目前在全球明胶市场中的占比仍然较小，其高值化利用空间巨大。将 FGel 制备成纳米纤维（NF）及纳米纤维材料，特别是通过静电纺丝技术制备，已成为 FGel 在生物医学领域的重要发展方向。以往研究多集中于冷水鱼明胶（C-FGel），而温水鱼明胶（W-FGel）由于含有更高比例的脯氨酸/羟脯氨酸、凝胶化温度更高，理论上可形成更稳定的螺旋结构和更优异的力学性能，但采用高产率静电纺丝制备 W-FGel NF 的研究报道相对较少。为深入挖掘 W-FGel 纳米纤维材料的潜力，研究人员采用可连续收集、高产率的交变电场静电纺丝（AFES）技术制备了罗非鱼源 W-FGel 纳米纤维非织造布，系统考察了前驱体组成、工艺参数、微观结构与宏观性能之间的关系，并与同法制备的 C-FGel NF 进行了比较。该研究发表在《ChemistrySelect》。

研究所用原料为 240–250 Bloom 的罗非鱼皮 A 型 W-FGel。研究人员配制了 H₂O/醋酸体积比为 5:1、1:1、1:4 的前驱体溶液，采用配备 25 mm 盘式喷头、最高 40 kV rms 和 60 Hz 交流电的自制 AFES 装置进行纺丝；后处理包括真空干燥、室温单轴压缩以及 160°C/8 h 热交联。研究通过 SEM、FTIR、DSC、干态拉伸测试及 NIH-3T3 成纤维细胞活/死染色，对材料的形貌、热行为、二级结构、力学性能与初步细胞响应进行了评价。

W-FGel 纳米纤维的 AFES 制备

前驱体参数与工艺性能
W-FGel 前驱体在室温下会快速凝胶化，因此需在 35–40°C 溶解并保温至 ≥25°C 以维持可纺性。研究发现，当 H₂O/醋酸混合溶剂中醋酸浓度为 16.7%–80%（v/v）、W-FGel 浓度为 15%–20%（w/v）时，可在 AFES 中稳定成纤；其中 5:1 H₂O/AA 体系有时需加入 2%–4% 乙醇以降低表面张力并诱导带电射流。优化的三种前驱体浓度分别为 20.0%、17.6%、15.7%。在 25–35 kV rms 交流电压下，可形成直径 100–120 mm 的连续柱状纤维羽流，其中 1:1 体系最为均匀，1:4 体系最为致密且流速、产率最高。使用单个 25 mm 喷头、30 kV 时，三组前驱体的纤维产率分别为 4.4、3.1、5.4 g·h^?1，低于同条件下 C-FGel 的水平，主要原因是 W-FGel 前驱体浓度较低。生成的纤维可用旋转圆柱绕线收集器收集，0.5–2.0 mm 厚的初纺非织造布经多次揉皱后仍保持宏观完整性。

W-FGel 纳米纤维材料分析

形貌与结构特征
SEM 观察显示，初纺 W-FGel NF 为光滑无液滴、随机取向的缠结纤维网；随体系中醋酸比例升高，纤维直径从 5:1 的 134 ± 33 nm、1:1 的 85 ± 21 nm 增至 1:4 的 240 ± 74 nm，这与前驱体黏度变化相关。160°C、8 h 热交联对材料宏观形貌影响不明显，但使 1:4 体系纤维直径增至 362 ± 74 nm、质量密度降低，推测与残余应力松弛、醋酸脱除导致的纤维体积膨胀及可能的内在微孔有关；1:1 体系因纤维最细、纤维间相互作用最强，表现出最佳可压缩性。压缩后的材料中可见局部取向的纤维束与结点。

残留溶剂与热行为
初纺 NF 中残余溶剂含量为 6.2%–10 wt%，热处理后虽会快速再吸水，但质量仍略低于原始值。DSC 首次升温未观察到明显的玻璃化转变（T_g），仅在 90–95°C 附近出现宽吸热峰，归属于溶剂蒸发与明胶螺旋–无规卷曲转变（T_E-D）。该峰的位置和强度随溶剂组成、残余水量、纤维直径及交联程度而变化；1:1 体系交联后于 156.3°C 出现一小的吸热峰，可能与残余有序结构的熔融有关。二次升温后残余溶剂基本去除，质量变化小于 0.4%，但仍未检测到清晰的 T_g，提示该转变可能非常微弱。此外，较小直径纤维中的残余溶剂脱除更快。

FTIR 结构分析
FTIR 谱图显示，初纺材料的 Amide-I 峰位于 1640–1646 cm^?1，Amide-II 峰为 1535–1546 cm^?1 的重叠峰；热交联后两峰变得更为对称，中心分别移至 1650 和 1539 cm^?1。对 Amide-I 与 Amide-III 峰进行去卷积分析可知，1:1 H₂O/AA 初纺材料中 α-螺旋和无规卷曲比例较高、β-结构较少，而 1:4 体系则相反；交联后三种材料的 α-螺旋含量均下降，β-折叠/转角等结构比例的变化方向因溶剂组成而异。

力学测试结果
干态拉伸试验覆盖了初纺、压缩及热交联三种状态。初纺材料孔隙率高达约 98%，强度较低，抗拉强度为 0.14–0.68 MPa；室温压缩后再测试可显著提高强度（如 1:4 体系初纺压缩后达 5.1 MPa），而后续热交联对不同体系延展性的影响不同。其中 1:1 H₂O/AA 体系同时获得了最高的抗拉强度（约 8.1 MPa）和断裂伸长率（约 65%），表现出最优的综合力学行为，而 1:4 体系则变得更脆。将强度按孔隙率归一化后，W-FGel NF 的“致密膜当量”强度与文献报道的罗非鱼明胶薄膜相当，且在孔隙率校正后总体达到或超过同法 C-FGel NF。力学性能主要受纤维直径、二级结构含量以及压缩/交联诱导的胞状网络微结构共同控制：压缩使纤维形成束与结点，拉伸行为随孔隙率和纤维粗细在“拉伸主导”与“弯曲主导”之间转变，可用类 Ashby–Gibson 模型描述。

初步体外评价
热交联 W-FGel NF 在 37°C 的水、PBS 及培养基中溶胀，但保持纤维结构至少两周。NIH-3T3 成纤维细胞在 1:1 H₂O/AA W-FGel NF 与同法 C-FGel NF 上培养 7 天后，W-FGel 上的细胞活力为 96.8 ± 2%，显著高于 C-FGel 的 85.1 ± 2%；W-FGel 上的细胞覆盖率和细胞面积也更大，提示其可为细胞黏附和增殖提供更稳定的基质。

研究结论

本研究通过 AFES 成功制备了可用于非织造生物纺织品的罗非鱼源 W-FGel 纳米纤维材料。采用单个 25 mm 直径喷头与三种 H₂O/醋酸溶剂体系，NF 产率达到 3.1–5.4 g·h^?1。初纺 W-FGel 纳米纤维非织造布厚度为 0.5–2.2 mm，面质量密度为 10.0 ± 1.1–44 ± 4.84 g·m^?2，孔隙率为 98%–99%。经室温单轴压缩和 160°C/8 h 热交联后，材料的抗拉强度最高约 8.1 MPa，断裂伸长率最高约 65%，其中 1:1 H₂O/AA 体系表现最佳。按孔隙率归一化后，W-FGel 纳米纤维非织造布的力学性能与同法 C-FGel 材料相当或更优，尤其在断裂伸长率方面优势明显。初步体外试验表明，W-FGel NF 支持细胞增殖的能力优于 C-FGel 对照，值得进一步深入研究其细胞响应。综上所述，AFES W-FGel 纳米纤维纺织品有望作为一种可生物降解、生物相容、孔隙率高、比表面积大且力学性能可调的候选材料，应用于需要多孔结构和可调力学性能的生物医药领域。