《ACS Omega》：Melt Electrospinning of Poly(ε-caprolactone)/Poly(ethylene oxide)/Poly(ethylene glycol) Blend: Effects on Structure and Cellular Compatibility
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本研究旨在考察熔体静电纺丝工艺对聚(ε-己内酯)/聚(环氧乙烷)/聚(乙二醇)(PCL/PEO/PEG)三元共混纤维性能的影响。熔体静电纺丝前后样品形态的显著差异证实了该工艺对样品性能的重要影响，但未引起样品的化学改变。扫描电子显微镜(SEM)图像显示，PE
本研究旨在考察熔体静电纺丝工艺对聚(ε-己内酯)/聚(环氧乙烷)/聚(乙二醇)(PCL/PEO/PEG)三元共混纤维性能的影响。熔体静电纺丝前后样品形态的显著差异证实了该工艺对样品性能的重要影响，但未引起样品的化学改变。扫描电子显微镜(SEM)图像显示，PEO和PEG在PCL基体中表现出不同的行为，在各自的二元共混纤维中产生了截然不同的形态。形态差异亦导致样品结晶行为的不同。广角X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)进一步揭示，尽管PEO和PEG在本质上是分子量不同的同种聚合物，但它们在PCL基体中的行为完全不同；PEG大部分保持无定形态，而PEO能够形成自身的晶体结构。因此，三元熔体静电纺丝纤维的最终形态是PCL/PEO与PCL/PEG二元共混物形态的组合。初步生物学试验表明，去除PEO和PEG亲水相后形成的孔隙提高了成纤维细胞的代谢活性，凸显了该系统在骨组织工程应用中进一步研究的潜力。
### 论文解读文章
**研究背景与意义**
骨缺损修复是再生医学领域的一项重大挑战。尽管自体移植和同种异体移植等传统方法应用广泛，但资源匮乏、供区并发症及免疫排斥风险等局限性促使研究者寻求替代方案。组织工程支架因其能够模拟天然骨组织的层级结构、孔隙率和生物学性能而成为最具前景的策略之一。在众多合成聚合物中，聚(ε-己内酯)(PCL)凭借高生物相容性、良好的加工性和机械稳定性被广泛研究，但其疏水性、有限的生物活性以及缓慢的降解速率限制了其在骨再生中的应用。为克服这些不足，研究者提出通过聚合物共混引入亲水性组分来改善PCL的性能。聚(环氧乙烷)(PEO)和聚(乙二醇)(PEG)是两种化学结构相同但分子量差异显著的水溶性聚合物，它们可作为牺牲相，在水环境中去除后形成纤维内多孔结构，从而促进细胞浸润和营养交换。
在加工方法上，熔体静电纺丝相较于溶液静电纺丝具有无溶剂、避免残留毒性、环境友好等显著优势。然而，目前关于聚合物共混物在熔体静电纺丝过程中结构演变的研究十分有限，尤其是包含三元体系的行为尚属空白。该研究首次系统考察了PCL/PEO/PEG三元共混物在熔体静电纺丝中的行为，旨在阐明PEO与PEG分子量差异对纤维形态、晶体结构及初步生物学响应的影响，为骨组织工程支架的理性设计提供理论依据。该论文发表在《ACS Omega》。
**研究内容概述**
研究人员以PCL为基体，将不同分子量的PEO和PEG作为分散相，制备了PCL/PEO/PEG三元共混物及PCL/PEO和PCL/PEG二元共混物，系统比较了熔体静电纺丝前后样品的形态、化学结构、结晶行为及细胞相容性。研究发现，熔体静电纺丝显著改变了共混物的形态，但未引起化学变化；PEO与PEG在PCL基体中表现出截然不同的形态和结晶行为；将水溶性组分作为牺牲相所构建的纤维内孔隙结构有效提升了成纤维细胞的代谢活性。
**主要技术方法**
该研究采用Brabender熔体混合器制备共混物，然后使用自制的熔体静电纺丝装置在150°C、电压7.5kV、流速500μL/h条件下制备纤维。形态表征采用扫描电子显微镜(SEM)，结合水浸提法去除PEO/PEG亲水相以观察孔隙结构；化学结构通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析；结晶行为通过广角X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)表征。体外细胞实验选用IMR-90 mCherry成纤维细胞，采用Alamar Blue法测定代谢活性。
**研究结果**
**3.1 形态学特性**
SEM观察显示，熔体静电纺丝前后共混物的形态发生根本性改变。在PCL/PEG(75/25)-AME样品中，PEG作为分散相不再形成球形区域，而是在熔体电纺过程中沿纤维纵轴方向被拉伸形成原纤维结构，纤维表面因此缺乏明显孔隙。相比之下，PCL/PEO(75/25)-AME样品中的PEO形成典型的海-岛形态，产生大而开放的孔隙。纤维直径分析表明，添加低分子量PEG使PCL纤维平均直径从43.6μm降至39.4μm，这是因为PEG的增塑效应降低了熔体黏度；而添加高分子量PEO使纤维直径大幅增加至116.4μm，反映出高黏度熔体对电纺过程的限制。对于三元共混物PCL/PEO/PEG(67/16.5/16.5)-AME，其形态呈现PEG原纤维与PEO海-岛结构的共存特征，证实最终形态是两种二元共混形态的组合。热台显微镜观察进一步证实PEO和PEG在PCL基体中形成各自独立的分散相。
**3.2 结构和化学特性**
FTIR光谱显示，熔体静电纺丝前后所有样品的特征峰完全一致，未出现新峰或峰位移，表明组分间未发生化学相互作用或降解。XRD分析表明，PCL/PEG-AME样品中PEG的特征衍射峰消失，说明PEG主要以无定形态存在或形成的晶体过于微小而无法被检测；而PCL/PEO-AME样品中观察到PEO的结晶峰(2θ=18.9°)，说明PEO域在冷却过程中能够形成独立晶格。三元共混物样品中PEO特征峰的存在及半定量积分面积的下降(从4824.1降至3928.0)进一步确认PEO和PEG在体系中形成独立区域，这一结果与SEM观察一致。
**3.3 热性能**
DSC分析揭示了两组分结晶行为的显著差异。PCL/PEG-BME样品在第一次加热扫描中显示两个熔融峰，表明较慢的冷却速率为PEG提供了结晶条件；而PCL/PEG-AME样品仅显示PCL的熔融峰，说明熔体电纺过程中的快速固化限制了PEG链的迁移。尽管如此，冷却曲线上约1°C处的微弱结晶峰提示有少量PEG链被禁锢于PCL基体中形成了微晶结构。PCL/PEO体系则表现出截然不同的行为，熔体电纺工艺并未破坏PEO和PCL形成结晶网络的能力，这与PEO固有的高分子量赋予其高熔体黏度从而形成较大岛状域有关。三元共混物在BME和AME状态下均显示两个熔融峰，其中低温峰归属于PEO而非PEO/PEG的混合峰；冷却曲线中的三个结晶峰分别归属于PCL(约30°C)、PEO(约44°C)和受限PEG(约-1°C至1°C)，为各组分独立结晶提供了直接证据。
**3.4 细胞代谢活性与活力评估**
Alamar Blue实验结果显示，所有支架上成纤维细胞的代谢活性均呈时间依赖性增长，表明支架整体无细胞毒性。二元和三元共混物支架的代谢信号强度显著高于纯PCL支架。SEM图像显示，培养28天后，三元共混物支架表面形成了致密的细胞-细胞外基质网络，而纯PCL支架上细胞分布稀疏。这种差异归因于水浸提后形成的纤维内多孔结构，该结构增大了有效接触面积，促进了营养和氧气交换，并形成了利于细胞黏附的三维微环境。
**讨论与结论**
研究表明，PEO和PEG尽管化学结构相同，但分子量差异主导了它们在PCL基体中的相形态和结晶行为。熔体电纺过程的快速固化使大多数PEG保持无定形状态，而PEO则因形成的域尺寸较大而有充分时间结晶。利用亲水性组分的可溶性作为牺牲相构建纤维内连通孔隙，是一种改善支架生物性能的有效策略。该研究为骨组织工程支架的组成设计和工艺优化提供了重要参考，但需进一步采用成骨细胞进行深入研究以评估其实际应用潜力。
