利用同轴静电纺丝技术优化PVP/PCL纳米纤维的直径：响应面方法学与物理化学表征

本研究采用响应面法优化共轴电纺制备PCL/PVP纳米纤维的工艺参数，包括PCL（10-15% w/v）、PVP（10-15% w/v）、电压（12-20 kV）和距离（120-160 mm）。通过二次回归模型分析，获得最佳参数组合（PCL 13.40% w/v，PVP 14.70% w/v，距离147 mm，电压15.57 kV），纳米纤维平均直径526 nm，具有均匀形貌和平衡机械性能（ tensile strength ~10 MPa，elongation ~5%），表面亲水性（接触角70-79°），并通过FTIR和XRD证实氢键作用与半结晶结构（结晶度33-37%）。

　　
### 研究背景与意义
纳米纤维因其高比表面积、多孔结构及可调控的物理化学性质，在生物医学、水处理、能源存储等领域具有广泛应用潜力。然而，电纺纳米纤维的形态与性能高度依赖工艺参数，如聚合物浓度、电压、距离等。传统试错法耗时费力，而响应面法（RSM）通过系统优化参数组合，可高效预测和优化材料性能。本研究聚焦于PCL/PVP coaxial电纺纳米纤维的参数优化，结合RSM与多维度表征手段，旨在实现纤维直径、机械性能及表面湿性的协同优化，为实际应用提供可靠依据。

### 关键方法与实验设计
1. **材料与工艺**
- **聚合物选择**：聚乙烯醇（PVP）与聚己内酯（PCL）因互补的亲水/疏水特性被选为复合体系，分别赋予纳米纤维表面润湿性与核心力学强度。
- **溶剂系统**：PCL采用二甲基甲酰胺（DMF），PVP采用乙酸作为溶剂，两者挥发速率相近，确保电纺过程中纤维结构的均匀性。
- **设备参数**：双轴流泵控制溶液流速（0.8 mL/h），铝箔旋转收集器（转速200 rpm），真空干燥（40°C，24小时）用于去除残留溶剂。

2. **响应面法（RSM）的应用**
- **参数范围**：PCL浓度（10%-15%）、PVP浓度（10%-15%）、电压（12-20 kV）、距离（120-160 mm）。
- **实验设计**：采用中心复合设计（CCD），包含30组实验，涵盖线性、二次及交互作用分析。
- **模型验证**：二次模型（R2=0.9995）显示极强预测能力，p值<0.0001，验证了参数间非线性关系的准确性。

### 优化结果与性能表征
1. **纤维直径与形态**
- 优化后纳米纤维平均直径为526 nm，标准差小于5%，形态均匀无缺陷（SEM证实）。
- 关键参数交互作用：PCL浓度与电压（AD项，p<0.0001）、距离与电压（CD项，p<0.0001）对直径影响显著，表明高电压与适中距离可增强电场拉伸效应，抑制纤维聚集。

2. **机械性能**
- **拉伸强度**：10 MPa（优化组），低于纯PCL的25.5 MPa，但高于纯PVP的21.5 MPa，表明PVP的加入虽降低强度，但通过氢键增强界面结合。
- **延展性**：优化组断裂延伸率为5%，较纯PCL（12.7%）下降，但优于纯PVP（11.1%），反映PVP的脆性特性需通过浓度平衡实现性能折中。

3. **表面润湿性**
- 优化组水接触角70-79°，较纯PCL（90°）显著降低，表明PVP的亲水性成功改表面特性，适用于药物负载或伤口敷料等需高润湿性的场景。

4. **化学与结晶结构**
- **FTIR分析**：PCL与PVP通过氢键结合（C=O与N-H峰重叠），证实分子间相互作用增强材料稳定性。
- **XRD分析**：结晶度33-37%，晶粒尺寸4.89-5.06 nm，显示PCL的结晶相在PVP稀释下仍占主导，但结晶域细化可能提升材料韧性。

### 创新性与应用潜力
1. **工艺优化创新**
- 首次将RSM应用于coaxial电纺，通过二次模型精确捕捉四参数（浓度、电压、距离、PVP比例）的交互作用，避免传统试错法的资源浪费。
- 优化后参数组合（PCL 13.4%、PVP 14.7%、电压15.57 kV、距离147 mm）平衡了纤维直径、机械强度与润湿性，适用于差异化应用场景。

2. **性能协同提升**
- **结构设计**：单层monolithic结构（无核心-壳层界面）消除应力集中点，结合氢键网络（FTIR证实）提升整体力学稳定性。
- **功能适配**：高润湿性表面（接触角<80°）促进药物扩散，适中结晶度（33-37%）兼顾柔韧性与耐久性，适用于动态负载环境（如组织工程支架）。

### 局限与未来方向
1. **局限性**
- 核心-壳层结构未观察到，因PVP与PCL相容性高，溶剂挥发同步导致界面模糊（SEM未显示分层）。
- 机械性能受结晶度制约，需通过共混其他弹性体（如PCL/PVP/PLGA）或纳米填料（如石墨烯）进一步优化。

2. **扩展研究建议**
- **工艺放大**：优化双轴流泵参数（如流速梯度控制）与静电场稳定性，探索连续电纺可行性。
- **功能化改性**：表面接枝壳聚糖或多巴胺增强生物相容性，或负载抗生素实现抗菌功能。
- **多尺度分析**：结合分子动力学模拟，解析PVP链插入PCL晶格对力学性能的影响机制。

### 结论
本研究通过RSM系统优化coaxial电纺参数，成功制备出直径均匀（526±139 nm）、机械性能均衡（强度10 MPa，延展率5%）且表面亲水（接触角70-79°）的PCL/PVP纳米纤维。该成果为智能材料设计提供了方法论框架，特别适用于需要动态平衡强度与生物相容性的医疗工程应用。未来可通过引入多组分或智能响应性材料进一步提升功能多样性。