通过多酚添加剂辅助熔融电纺技术制备生物相容性聚乳酸（PLA）纤维用于生物医学应用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Achieving biocompatible polylactic acid (PLA) fibers via polyphenol additive-assisted melt electrospinning for biomedical applications

　　

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  没食子酸（GA）和黄酮醇（QC）被鉴定为与PLA熔体兼容的添加剂。
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  GA和QC分别使PLA熔体电导率提高了361倍和1074倍（与纯PLA相比）。
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  两种添加剂均降低了熔体黏度，可实现PLA细纤维的制备。
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  GA提高了纤维的结晶度，而QC则诱导形成非晶结构。
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  GA/QC纤维可选择性降低癌细胞活性，同时保留正常细胞活性。

引言

聚乳酸（PLA）是一种代表性的可生物降解脂肪族聚酯，具有优异的生物降解性和生物相容性。PLA在体内降解为乳酸，不产生有毒副产物，因此非常适合用于可植入生物医学应用[1], [2], [3], [4]。其热塑性赋予它广泛的可加工性，使PLA成为石油基聚合物的可持续替代品。PLA还获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的生物医学应用批准，进一步证明了其广泛的适用性。这些特性使其在提升线、药物递送系统、组织工程支架和可生物吸收填充剂等领域得到广泛应用[5], [6], [7]。全球PLA市场预计将在2028年达到约18.2亿美元，反映了其日益增长的工业重要性[8]。

对于此类生物医学应用，关键要求包括体内降解过程中的生物安全性、可预测的吸收行为、足够的机械强度以及精确的结构控制。PLA的物理化学性质可通过调节分子量、结晶度、粒径和端基功能进行精细调控，其熔体可加工性便于复杂微结构的制备。此外，仅产生无毒降解产物为临时植入器械的设计提供了关键优势。因此，PLA作为一种功能性生物医学聚合物脱颖而出，同时具备体内安全性和可调控的材料性能。

静电纺丝是制备基于PLA的纤维材料最常用的技术之一，其原理是对聚合物溶液或熔体施加高电场，从而生成纳米级和微米级纤维[9]。它通常分为溶液静电纺丝（SES）和熔体静电纺丝（MES）。在SES中，聚合物在纤维形成前需溶解在有机溶剂中——例如丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷或氯仿。然而，这些溶剂毒性较高，需要额外的洗涤和真空干燥步骤以去除残留溶剂[10], [11]。此外，大量溶剂的使用限制了可达到的聚合物浓度，降低了生产效率，同时溶剂在喷嘴尖端的蒸发可能导致堵塞和工艺不稳定[12]。

相比之下，MES是一种无溶剂工艺，从根本上消除了毒性问题，且无需后处理纯化，既经济又环保[13]。然而，熔融聚合物通常具有高黏度和低电导率，这阻碍了电场下的射流形成，从而妨碍细纤维的生成和精确的直径控制[14], [15]。因此，一种有效的策略对于同时调节聚合物熔体的流变性能和电学性能至关重要。这对于用于生物医学植入的PLA尤为关键，任何改性都必须不损害其固有的生物相容性。

在本研究中，我们提出了一种克服MES上述局限性的策略，将两种生物相容的天然多酚添加剂——没食子酸（GA）和槲皮素（QC）——掺入PLA中，以同时提高熔体电导率并降低黏度。这两种添加剂是从五种天然衍生的候选物中筛选出来的，依据是它们在熔体条件下与PLA具有均匀的可混溶性，其余候选物因聚集和相容性差而被排除。GA和QC均为天然多酚化合物，具有已充分记录的抗氧化和抗炎特性以及公认的生物相容性。GA和QC对熔融PLA电导率和黏度的影响通过电化学分析和流变学进行了系统评估。随后在优化条件下通过MES制备PLA复合纤维，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）进行表征。生物相容性通过使用癌细胞和正常细胞系的细胞活力测定进行评估。本研究提出了一种通过生物相容的天然多酚添加剂改善MES纤维成形的可行策略，在药物递送、组织工程和生物医学植入物方面具有广阔的应用前景。

据我们所知，这是首项研究，证明了天然衍生的多酚添加剂——每种单独掺入PLA中——可以在无溶剂熔体加工平台上，通过提高电导率和降低黏度同时增强MES可加工性，实现对纤维结晶度的依赖添加剂且方向相反的调控，并赋予细胞类型选择性的生物响应。这种加工增强、结构可调性和生物功能性的综合组合使本研究有别于以往研究，以往研究通常分别关注导电/黏度改性添加剂、结晶度控制添加剂或生物活性添加剂，而非将其整合于统一体系之中。

章节摘要

化学品与试剂

使用PLA（Luminy? L105，Total Corbion PLA，荷兰戈林赫姆）。该PLA含有>99%的L-异构体单元，因此可视为聚（L-乳酸）（PLLA）。材料密度为1.24 g cm^?3，熔点约为175 °C，玻璃化转变温度约为60 °C，熔体流动指数（MFI）>70 g/10 min（210 °C，2.16 kg，ISO 1133）。分子量约为7.9 × 10⁴ g mol^?1（79 kDa），多分散指数小于

生物相容性添加剂的选择及其与PLA的相容性评估

为提高MES可加工性同时保持PLA固有的生物相容性，选择了五种天然衍生的生物相容性添加剂——即CH、GA、QC、CT和RT——作为候选物（图S3）。所有这些化合物都具有已充分记录的生物活性，预计掺入PLA后可提高熔体电导率并降低黏度，从而促进MES过程中更稳定和均匀的纤维形成。

CH是一种植物来源的黄酮类多酚，具有优异的

结论

在本研究中，我们提出了一种克服MES关键局限性——即低电导率和高熔体黏度——的策略，方法是将两种生物相容的天然多酚添加剂GA和QC掺入PLA中。从五种天然衍生的候选物中，基于它们在熔体条件下与PLA的均匀可混溶性选择了GA和QC。电化学分析表明，GA和QC分别使熔融PLA的电导率提高了最高361倍和1074倍，

CRediT作者贡献声明

Kim Jee Woo：撰写 – 初稿，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。Lee Yun Hyeong：撰写 – 初稿，调查研究，数据整理。Park Hyungbin：撰写 – 初稿，方法论，调查研究，数据整理。Kim Yerin：调查研究。Lee Yejin：调查研究。Park Seong ho：资源。Kim Hyo Jun：资源。Ahn Sung Ki：资源。Hong Seungwoo：撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。Kim Byung-Kwon：撰写 – 审阅与

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国产业技术评价院（KEIT）资助的贸易、产业与能源部（MOTIE）项目（20017630，材料/零部件技术开发计划）的支持。B.K.得到了韩国政府韩国国家研究基金会（NRF）资助（科学技术信息部和教育部）（RS-2025-16063688），以及韩国政府科学技术信息部资助的NRF项目（RS-2024-00351563），以及通过NRF资助的基本科学研究计划

Kim Jee Woo|Lee Yun Hyeong|Park Hyungbin|Kim Yerin|Lee Yejin|Park Seong ho|Kim Hyo Jun|Ahn Sung Ki|Hong Seungwoo|Kim Byung-Kwon