退火或热处理历来被用来提高电纺材料的强度和刚度。了解退火能在多大程度上改善电纺聚对二氧环己酮丝的机械性能并改变其降解率，可能会影响其潜在的临床应用范围。

  在这项研究中，我们研究了在不同时间和温度下对电纺聚对二氧环己酮长丝进行退火，然后在磷酸盐缓冲盐水中对其进行长达 6 周的体外降解的效果。对纤维的排列、拉伸强度和热性能进行了评估。

  结果表明，在 65 ℃ 下退火 3 小时只能略微提高拉伸强度（9±2%），但对降低应变和降解率以及保持纤维在长丝内的排列有显著效果。经过 4 周（82±15%，而未退火长丝为 61±20%）和 6 周降解（81±9%，而未退火长丝为 55±13%）后，长丝在失效时保留的拉力显著增加。相反，在 75℃ 下退火可提高长丝的初始拉伸强度（17±6%），但在 6 周后，在 75℃ 和 85℃ 下退火的样品在别的方面的表现与未退火的样品相似或更差。

  这些发现表明，低温退火作为一种定制降解率的方法比改善机械性能更有用。通过退火调节降解曲线的能力可能有助于在不改变所用聚合物化学性质的情况下定制电纺材料的特性。这可能会使植入物的降解和机械性能的逐渐丧失与结构内新基质的沉积更加匹配，从而在单一生物材料系统内实现多种再生策略。

  人们需要改善软组织修复的效果，并指出使用生物材料能更好地支持和引导组织再生。电纺丝是一种利用电荷从聚合物溶液中抽出微纤维的工艺，通过电纺丝制成的生物材料最近在组织工程领域受到关注。这些材料已被证明具有模仿本地细胞外基质主要结构成分的潜力，特别是胶原蛋白和胶原蛋白。虽然电纺丝可以操纵关键的生物物理参数（如纤维直径和排列），但这些材料往往缺乏最终生物医学应用（如支架、缝合线和给药装置）所需的机械性能。常常要进行纺丝后处理，以提高纤维的强度和刚度。已知退火或热处理是改变电纺材料机械性能的一种纺丝后处理方法。文献记载了退火对晶体结构、纤维排列和某些聚合物机械性能的影响。一些生物可降解聚合物（如聚左旋乳酸（PLLA）和聚己内酯（PCL））的退火处理可改善其机械性能。最近，聚对二氧环己酮（PDO）正在成为一种着迷的生物可降解聚合物，可用作生物材料，因为它拥有非常良好的安全性，异物反应轻微，根据制造和加工条件的不同，可在 5 个月到 1 年之间完全降解。众所周知，热处理会改变脂肪族聚酯聚合物（如 PDO）的微观结构特性和结晶度，进而影响聚合物的吸收率。退火能在多大程度上改善 PDO 电纺材料的机械性能并改变其降解率，这一点尚未得到探讨，但可能会影响其潜在的临床应用场景范围。因此，本研究的目的是量化退火对根据最近描述的方法制造的 PDO 长丝的机械性能和降解性能的影响。我们假设退火将改善 PDO 电纺材料的机械性能并改变其降解率。

  将聚对二氧环己酮（PDO，东莞市富临塑胶原料有限公司；粘度1.5-2.2 dL/g；Tg-10 至 -5 ℃；Tm110-115 ℃）以 9% 的重量体积比溶解在 HFIP 溶剂（Apollo Scientific；1,1,1,3,3,3,-六氟-2-丙醇）中，制成聚合物溶液，并在电纺前搅拌 24 小时。选择 HFIP 是因为它容易溶解在聚合物中，而且在电纺丝条件下挥发速度快。

  定制的电纺丝设备配有一个喷嘴和一个不锈钢丝收集器，用来制造连续的电纺丝（由亚微米纤维组成）。溶液进料速度为 1 mL/h，金属丝进料速度为 0.5mm/s，长丝在 6.9 kV 的电场下纺丝。然后用手拉伸这些细丝，直到感觉到阻力（约为其长度的 3.5 倍），以增加长度并使亚微米纤维与线的方向一致。拉伸后的纤维丝在室温 25 ℃下保存在干燥器中，直至使用。

  电纺丝在 65 ℃、75 ℃ 和 85 ℃ 下进行热退火。有的人觉得，大多数聚合物退火变化发生在熔融温度（Tm）以下的范围内，一般在 Tm-60 和 Tm 之间。PDO 的熔化温度约为 110 ℃，本实验选择 65-85 ℃ 的温度范围是为了尽最大可能避免聚合物链熔化。长丝的热处理时间分别为 3、6、9、12 和 24 小时。

  在体外降解之前，将长丝剪断并在 70% 的乙醇中消毒 2 小时。退火丝的降解在 pH 值为 7.4 的磷酸盐缓冲 盐溶液（PBS）中进行，温度为 37 ℃。在 3 周、4 周和 6 周的时间点，取出每组退火样品进行机械测试、扫描电子显微镜（SEM）和差示扫描量热仪（DSC）表征。每周清洗样品并用新鲜的 PBS 更换，用 pH 计监测 pH 值。在分析降解的细丝之前，先用去离子水清洗两次，并在线 小时以干燥细丝。

  将退火后的长丝烘干并切割成 2 厘米长的部分。使用单轴拉伸试验机（Deben Stage TensileCompression Stage，英国），用 20N 负荷传感器对样品来测试，直至失效。对未降解和已降解的细丝都进行了测试，并记录了破坏时的最大力（牛顿）和夹钳到夹钳的断裂应变（%）。根据力-位移数据计算破坏前所做的功（牛顿毫米）。每种条件和每次实验重复测试十个试样。

  在每个退火和降解时间点拍摄扫描电子显微镜（卡尔蔡司 Evo LS15 VP 扫描电子显微镜）图像。样品用磷酸盐缓冲生理盐水（PBS，Sigma-Aldrich，St. Louis，MO，USA）清洗，切割后使用 SC7620 微型溅射镀膜机系统（Quorum Technologies Ltd，Laughton，UK）镀金，然后安装到扫描电子显微镜上。样品在高真空模式下做多元化的分析，以检查降解引起的形态变化，如纤维熔化或断裂。纤维直径使用 ImageJ 软件（美国马里兰州贝塞斯达国家卫生研究所）测定。

  聚对二氧环己酮是一种半结晶聚合物，玻璃化温度约为 -10 ℃，熔化温度约为 110 ℃。使用差示扫描量热仪（TA Q2000-1275 差示扫描量热仪）检测在不同时间和温度下退火的 PDO 样品的热特性。在每种退火和降解条件下，切割 3 至 4 毫克样品并将其装入铝制（TZero Aluminium）平底锅中，同时将空罐作为参考标准。在氮气环境中，以每分钟 10℃ 的加热速度将铝锅从 25℃ 加热到 140℃。根据 DSC 热图，确定了熔化温度 (Tm)、测得的熔化热 (ΔHf)和测得的退火峰面积（根据 ΔHc），退火峰是在熔化温度下约 10-20 ℃ 发现的内热峰。

  图 1 显示了退火 3 小时的样品中电纺 PDO 纤维的形态以及降解后的变化。退火温度对纤维排列没影响（图 1a-c）。在 65 ℃ 下退火的样品保持了较高的纤维排列度，在 6 周内几乎看不到纤维断裂（图 1g）。在 75 ℃ 下退火的样品在降解 4 周后仍能保持比较高的纤维排列度（图 1e），但到 6 周时，线性组织已基本消失。这些样品呈现出更多的波浪状外观，沿着纤维长度有明显的断裂（图 1h）。在 85 ℃ 下退火的样品到 4 周时也出现了这些降解迹象（图 1f）。到 6 周时，纤维已融合在一起，使样品变脆，难以处理（图1i）。此时纤维丝的尺寸（50±20um）明显增大，这可能是由于溶液在纤维丝结构中膨胀所致。

  图 1. 在 65 ℃、75 ℃ 和 85 ℃ 下退火 3 小时的 PDO电纺丝的扫描电镜图像，以及降解 6 周后结构的变化 a-c. 未降解样品。在不一样的温度下退火的样品在纤维排列上无显著差异；d-f. 在 pH 值为 7.4 的PBS中降解 4 周的样品。与在 85 ℃ 下退火的样品相比，在 65 ℃ 和 75 ℃ 下退火的样品保持了较高的纤维排列度；g-i. 在 pH 值为 7.4 的PBS中降解 6 周的样品。与 75 ℃ 或 85 ℃ 退火相比，65 ℃ 退火的样品保持了较高的纤维排列度。刻度线 小时的样品显示出相似的降解模式。在 65 ℃ 下退火 24 小时的样品在降解 4 周后已出现纤维断裂和融合的迹象。在 75 ℃ 或 85 ℃ 退火 24 小时后，样品的机械性能并没有正真获得改善，反而比未退火的样品更脆。降解 6 周后，在 85 ℃ 下退火 24 小时的样品由于太脆而没有办法进行机械测试。

  在 65 ℃ 和 75 ℃ 下退火 3 小时后，长丝强度略有提高，脆性也有所增加。与未退火的样品相比，在 85 ℃ 退火 3 小时之后的样品机械强度更弱（p0.001），脆性更高（p0.0001）。图 2 显示了最大力和应变的相对变化。在 65 ℃ 和 75 ℃ 下退火后，在某些时间点丝线的破坏力增加了，但变化在统计学上并不显著。在 85 ℃ 下退火超过 6 小时后，最大力下降（p0.0001）。在所有退火温度下，应变都会降低，退火时间超过 6 小时的样品应变显著下降（p0.0001）。退火 3 小时使拉伸强度分别增加了 9±2% 和 17±6%，退火温度分别为 65℃ 和 75℃ 时，应变分别减少了 14±3% 和 18±7%。在 75 ℃ 和 85 ℃ 下退火超过 9 小时的样品，直至破坏所做的功与韧性相似，均会降低（p0.01）。补充资料中包含了所有退火条件下最大力、应变和破坏功的确切变化。

  在较低温度和较短时间内退火的样品能更好地保持机械性能。图 3 显示了退火丝在 6 周降解期内最大力和应变的变化。能够准确的看出，与未退火的样品（力和应变均大于 54%）相比，在 65 ℃ 下退火少于 9 小时的样品在 6 周的降解过程中保持了较高比例的最大力（74±16%）和应变（56±25%）。与未退火的样品相比，在 65 ℃ 下退火少于 6 小时的样品在降解 6 周后仍能保持比较高的最大力。相反，与未退火的样品相比，在 75 ℃ 和 85 ℃ 下退火任意时间的样品在降解 6 周后保留的最大力和应变较小。在 75 ℃ 下退火 3 小时的样品在降解 6 周后仅保留了 42±17% 的力和 27±14% 的应变。在所有降解时间点，与未退火的样品相比，在 85 ℃ 下退火超过 9 小时的样品的最大力较低。

  图 4 显示了退火 3 小时的长丝的机械性能及其 6 周的降解曲线 ℃时，与未退火的样品相比，这些退火参数仅使最大力增加了9±2%，但长丝的强度在4周后保持了82±15%，在6周后保持了81±9%，而未退火样品的强度分别为61±20%和55±13%（p0.0001；图4a）。失效功显示退火的影响更明显。在这里，与未退火的样品相比，只有在 65 ℃ 下退火的样品在 4 周（p0.01）和 6 周（p0.0001）时的脆性有所改善，这表明高温退火纤维会随着降解而迅速脆化。所有退火时间和温度在 6 周降解期所保留的力和应变百分比见补充资料。

  本研究获得的 DSC 热图见图 5。图中包含三个特征区域：(1) 退火峰（根据结晶焓 ΔHc）；(2) 90℃ 至 110℃ 的熔化峰（根据熔化焓 ΔHf）；(3) 熔点 (Tm)，最大值约为 106℃。

  从未降解样品的热图中可以观察到，随着退火时间和温度的增加，退火峰的幅度和温度都向熔化峰移动。这种转变在退火温度为 85% 的样品中最明显。在 65 ℃ 和 75 ℃ 下退火的样品，退火峰出现在 70-85 ℃，而在 85 °C 下退火的样品，退火峰出现在 90-100 ℃。此外，退火温度为 65 ℃、75 ℃或 85 ℃的细丝的熔融热（ΔHf，图 6a）较低，且在 3、6 和 24 小时内均明显降低。最后，在 65 ℃ 和 75 ℃ 下退火的样品出现了双熔峰（分别见图5a和 c），而在 85 ℃ 下退火的样品只有单熔峰（图5e）。

  降解后，在 65 ℃ 下退火的样品的 DSC 扫描中仍能看到清晰的退火峰（图 5b），但在 75 ℃ 和 85 ℃下退火的样品几乎看不到退火峰（分别为图 5d和 f）。所有降解样品都有单熔峰。如图 6b所示，与未退火的样品相比，在 65 ℃ 下退火任何时间段的样品的熔融热（较小的熔融峰）都在稳步下降。在 75 ℃ 和 85 ℃ 下退火的样品的熔化热无显著的变化规律。根据热图得出的熔融气温变化见补充资料。

  原生生物材料与用于替代它们的合成结构之间的性能差距要求对基础材料、结构组织或两者进行改进。对于高分子材料（如电纺或印刷支架中使用的材料）来说，退火是改善机械性能的一个着迷的选择。我们的研究调查了退火对电纺聚对二氧环己酮（PDO）纤维的影响。与聚乳酸（PLLA）的研究结果相反，我们得知 “原始 ”纤维的性能改善甚微，但在体外降解过程中对机械性能的保持却有显著影响。

  半结晶聚合物（如 PDO）由高度定向的折叠链晶体组成，晶体之间的无定形区域有许多高度拉伸的连接链。退火会改变聚合物链采用的微观结构，这些变化会对纤维的机械性能产生特别大的影响。与高温退火（75°/85℃）相比，在低温（65℃）下退火一段时间的纤丝强度更高、脆性更小，这表明在测试的参数范围内，对机械性能的影响更多的是温度而不是时间。退火对 PDO 机械性能的影响微乎其微，在许多情况下甚至是有害的，这出乎意料。对不同聚合物进行的其他研究表明，退火大幅度的提升了拉伸强度。2006 年，研究人员发现，电纺聚乳酸在 75 ℃ 下退火 24 小时后，杨氏模量增加了 150%，纤维直径减少了 10%（电纺纤维的熔化温度：182 ℃）。虽然退火可在高于结晶温度和低于熔化温度的任何温度下进行，但他们在 75 ℃ 退火，接近电纺聚乳酸的结晶温度（72 ℃），以避免短聚合物链熔化。他们还选择了 24 小时的长退火时间，以确保聚合物链的所有重排都已完成。本研究中使用的退火温度（65-85 ℃）更接近 PDO 的熔化温度（110 ℃），这可能是退火时间比较久时机械性能恶化的原因。研究人员2004 年将压缩成型和挤压成型的聚乳酸纤维在 120 ℃ 的较高温度下退火 4 小时，观察到退火聚乳酸的杨氏模量从 620 兆帕略微增加到 658 兆帕，但拉伸强度、最大延伸率和屈服应力均会降低。虽然与其他研究人员的研究相比，该研究使用了不同的聚乳酸加工技术和退火参数，但这两项研究中退火后纤维机械性能的巨大差异表明，对于特定的加工方法，存在一个最佳的退火时间和温度组合，以最大限度地提高纤维的机械性能。退火温度和时间之间的关系要进一步探讨。

  我们的热分析显示了退火峰值（位置和大小）的变化，这与材料无定形阶段发生的变化有关。此外，随着退火温度和时间的升高，熔融热（ΔHf）也随之升高，这与测得的结晶度升高有关，假定与 100% 结晶聚对二氧环己酮的实验熔融热成比例。总体而言，测量到的结晶度增加和退火峰值移动表明，由于无定形区聚合物链的重新排列，晶体尺寸和形态发生了变化。由于聚合物链的流动性随温度的升高而增加，因此退火温度和退火时间越高，结晶结构越大，无定形区的聚合物链会重新排列，以此来降低系统的自由能。研究人员总结了文献中常见的五个拟议模型，以解释内热退火峰值的变化如何反映晶体形态、晶体尺寸和熔融-再结晶行为。建立这些模型和解释退火结果的两大挑战是：文献中缺乏解释退火变化的标准化方法；退火后观察到的许多变化取决于材料的内部因素，如先前的热历史、物理状态、化学结构和成分。

  由于电纺材料的表面积与体积比很大，因此降解至关重要。众所周知，PDO 的降解是通过水解发生的，主要在材料的无定形区域导致链的断裂。在目前的研究中，与未退火的样品相比，在 65 ℃ 下退火的样品在 6 周内保持了更高的拉伸强度和应变。相反，与未退火的样品相比，在 75 ℃ 或 85 ℃ 下退火 6 周的样品机械性能更差。此外，还介绍了失效功，这是一种关键的材料特性，表示材料在破裂前可吸收的机械能。在这里，65 ℃退火的样品在 6 周的降解过程中与未退火的长丝相比有显著改善，表明在相同条件下，65℃退火可降低长丝长期失效的风险。热分析表明，双熔峰在 3 周后消失，而且在所有时间和温度下退火的样品，熔峰温度随降解时间逐渐升高。这些根据结果得出材料的结构发生了变化，可能与研究人员研究商用 PDSII 缝合线降解时观察到的情况类似。他们都以为，在降解过程中，无定形区链段的水解裂解导致链区的流动性增加，无定形区和结晶区之间缺乏统一性，因此导致拉伸强度下降。在目前的研究中，高温退火会导致降解速度加快和机械性能的快速丧失，而 65 ℃ 退火则使无定形区域不易降解。我们推测，退火温度接近结晶温度可保护低分子量聚合物链不被熔化。通过退火调节降解曲线的能力可能有助于在不改变所用聚合物化学性质的情况下进一步调整生物材料装置的特性。例如，这可能有助于使支架的降解和机械性能的逐渐丧失与结构内新基质的沉积更好地匹配，以此来实现单一生物材料系统的多种再生策略。

  有几个局限性需要仔细考虑。首先，在这些样品中观察到的最高性能是在最低的退火时间和温度下观察到的，这表明低于这些值是最佳的。要进一步研究更低的温度和时间，以优化加工参数。不过，我们已证明，在本文测试的范围内，退火能改善体外降解后的强度保持和纤维排列。这在以前还没有报道过，对于电纺材料支持和引导组织再生的潜在临床应用具备极其重大意义。这项研究表明，退火可用于调整降解率，延长强度保持时间并保持纤维排列至少 6 周，而这正是手术后需要有效愈合的关键时期。其次，本研究侧重于从现象上探讨退火时间和温度对机械性能的影响。未来旨在从机理上理解所观察到的变化的工作应采用更详细的结构分析，如广角XRD，以确定无定形区和结晶区的比例和组织变化怎么样影响机械性能。这项工作的主要优点包括重复次数多（n=10），退火时间和温度点范围大，这在以前的电纺 PDO 研究中还没有过。这项研究的降解结果为调整电纺丝 PDO 材料在生物环境中的使用特性提供了启示。

  本研究探讨了退火对 PDO 电纺丝机械性能和降解的影响。根据结果得出，低温退火只能稍微提高拉伸强度，但对降低应变和长丝降解率有很大影响。因此，对于 PDO 电纺长丝来说，退火作为一种调整降解率的方法似乎比改善机械性能更有用。

  东莞市富临塑胶原料有限公司供应：聚对二氧环己酮(PPDO)、聚乙醇酸(PGA)、左旋聚乳酸(PLLA)、外消旋聚乳酸(PDLLA)、右旋聚乳酸(PDLA)、聚乙丙交酯(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)