EHC MRG-100摩擦配向试验机赋能高取向胶原原纤维阵列制备及磷酸钙矿化研究

 引言：

日本长冈技术科学大学 Yadong Chai 团队在《Materials Chemistry Frontiers》（2021 年，影响因子 6.841）发表题为 “Rubbing-assisted approach for highly-oriented collagen fibril arrays involving calcium phosphate precipitation" 的研究，借助 EHC MRG-100材料摩擦配向试验机实现高取向胶原原纤维阵列的制备，为骨组织工程用无机 / 有机复合纳米材料研发提供新方法。

摘要Abstract

在经摩擦处理的聚酰亚胺（PI）膜上成功制备出高取向均一的胶原（Col）原纤维阵列，用于磷酸钙（CP）的沉积。通过摩擦处理使 PI 的表面官能团实现取向：其中酰亚胺基团中的 C=O 键跃迁矩垂直于摩擦方向，而（苯环中的）C=C 键、C-N 键及 C-O-C 键跃迁矩平行于摩擦方向。

将胶原分子溶液旋涂于经摩擦处理的 PI 膜并使其自组装后，在该 PI 膜上成功形成了平行于摩擦方向的胶原原纤维 —— 其取向率达 68%~91%，密度为 121±7~225±22 根 /mm。这一结果表明，PI 与胶原分子之间存在界面相互作用。

此外，胶原原纤维上的羧基（–COOH）可通过吸附 Ca²⁺离子充当 CP 的成核位点；将胶原原纤维浸入模拟体液后，CP 的成核过程得以促进。具体而言，CP 晶体可有效沉积在胶原原纤维上，并沿胶原原纤维阵列方向形成片状 CP 晶体。

因此，该方法为通过仿生工艺制备单向胶原原纤维阵列及 CP / 胶原纤维纳米结构提供了有效途径。

摩擦 PI 膜的制备

聚酰胺酸溶液经稀释后旋涂于基板，经烘烤得到 PI 膜。随后采用EHC MRG-100材料摩擦配向试验机对PI膜进行单向摩擦处理，获得摩擦 PI（PI-Rub）膜。摩擦布采用人造丝材质，丝长 1.8mm，密度 24000 根 /cm²，摩擦压痕深度设为 0.2mm，重复摩擦 10 次，摩擦转速 600rpm，移动速度 15mm/s。

EHC MRG-100材料摩擦配向试验机

摩擦PI膜的表征与胶原取向效果

通过偏振 FT-IR 表征发现，摩擦处理后 PI 表面官能团实现定向排列：C=O 键垂直于摩擦方向，C=C、C-N 及 C-O-C 键平行于摩擦方向。在该摩擦 PI 膜上制备的胶原原纤维呈现高度取向性，取向率最高达 91%，远高于未摩擦 PI 膜上胶原原纤维的取向率（13%~23%），证实EHC MRG-100的摩擦处理对胶原原纤维取向起到关键调控作用。

结论：

通过摩擦处理使聚酰亚胺（PI）的表面官能团实现取向，且在经摩擦处理的 PI 膜上成功制备出高取向均一的 I 型胶原（Col）原纤维阵列。

特别地，所形成的胶原原纤维直径均一且平行于摩擦方向，这表明 PI 与胶原分子之间存在界面相互作用。

此外，胶原原纤维上的羧基可作为磷酸钙（CP）成核位点吸附 Ca²⁺离子，将其浸入 1.5 倍模拟体液（1.5SBF）中可促进 CP 沉积。

结果表明，浸泡后 CP 晶体会沉积在胶原原纤维上。因此，成功合成出与骨组织类似的高取向 CP / 胶原原纤维杂化纳米结构，该结构可用作骨移植材料，以促进骨组织再生及骨缺损修复。

未来，本研究观点将为制备单向无机 / 有机纤维纳米结构提供有效的仿生工艺。