（有机化学专业论文）聚γ烷基αl谷氨酸酯的合成及其表面性能研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 聚肽作为蛋白质的模拟物，具有和蛋白质类似的化学组成和二级结构，是一类低 毒、生物相容性好、容易被肌体和代谢的生物降解高分子，在生物医学领域如药物控 释、组织工程等方面具有广泛的应用前景。本论文旨在通过仿氨基酸内酸酐( n c a ) 开环聚合合成聚肽，研究具有不同亲疏水性及形貌的聚肽表面性能，以期对材料的 表面性能有深入的了解，同时利用金属氨基卟啉的配位作用合成卟啉功能化的高分子 量聚肽。具体研究内容如下： 合成了烷基链分别为乙基、辛基、十二烷基和十八烷基的四种高分子量聚( 】，一烷基 l 谷氨酸) ( p a l g ) ，然后分别通过旋涂和静电纺丝法制备成致密膜和纤维膜。疏水 性测试显示随着烷基侧链的增长，聚肽致密膜的疏水性不断增强，而纤维膜可以进一 步放大相应致密膜表面的亲水或疏水性。同时发现p a l g 表面化学组成和形貌均显著 影响其表面的血液相容性。 采用电纺( 喷) 技术，通过调节聚( ) ，十八烷基一砺三谷氨酸酯) ( p s l g ) 浓度制备了不 同形貌的p s l g 粗糙表面，研究了它们的疏水性能。证实颗粒膜表面具有更强的疏水 性能，其中p s l g 浓度为2w t 电喷颗粒形成的表面为低粘附力超疏水表面。另外， 在3 、t 的浓度下，在亲水性铝箔上电喷少量p s l g 或者电喷p s l g 含量为2 0 5 0 w t 的聚( ) ，十二烷基一仉工谷氨酸酯) ( p d l g ) p s l g 混合物溶液得到的粗糙表面是高 粘附力超疏水表面，具有良好的液滴无损转移能力。 以单氨基卟啉( a p t p p ) 和二氨基卟啉( b a p d p p ) 及相应的金属氨基卟啉 ( m a p t p p ，m b a p d p p ) 作为引发剂，引发) ，十八烷基饵l 谷氨酸n c a ( s l g n c a ) 开 环聚合合成了卟啉功能化的p s l g 。证实金属卟啉引发剂可以有效地消除s l g n c a 聚 合中的副反应，其中以c o a p t p p 效果最为明显。进一步将这些卟啉化的p s l g 电纺 成纤维膜，其中a p t p p 和z n a p t p p 引发得到的p s l g 制得的纤维形貌较差但具有很 强的荧光；而c o a p t p p 引发得到p s l g 虽然可以制成良好形态的纤维，但纤维的荧 光较弱。而含有a p t p p 的p s l g 电纺膜对氯化氢具有良好的传感作用。 关键词：a - 氨基酸羧基内酸酐( n c a ) ；聚( ) ，烷基以三- 谷氨酸酯) ；卟啉；静电纺； 超疏水；湿润性；生物相容性。 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p o l y p e p t i d e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sa r ea t t r a c t i v ep o l y m e r sw i t hp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nv a r i o u sf i e l d ss u c ha st i s s u ee n g i n e e r i n ga n dp h a r m a c e u t i c a lm a t e r i a l s i nt h i sw o r k , p o l y ( y - a l k y l - 仉l g l u t a m a t e ) s ( p a l g ) w e r es y n t h e s i z e db yr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ( r o p ) o fa a m i n oa c i dn - c a r b o x y a n h y d r i d e s ( n c a ) d e n s ef i l m sa n de l e c t r o s p u nm a t s w e r ec a r e f u l l yf a b r i c a t e da n ds t u d i e dt oe v a l u a t et h ee f f e c to fs u r f a c ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n dm o r p h o l o g yo nt h es u r f a c ep r o p e r t i e s f u r t h e r m o r e ，n o v e lm e t a l l o p o r p h y r i n sw e r e u s e dt oi n i t i a t et h ey - s t e a r y l 一l - g l u t a m a t en c a ( s l g n c a ) t os y n t h e s i z ep o r p h y r i n a t e d p o l y ( y - s t e a r y l - 瓯l g l u t a m a t e ) ( p s l g ) w i t hh i g hm o l e c u l a rw e i g h t t h em a i nr e s u l t so f t l l i sw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： d e n s ef i l m sa n de l e c t r o s p u nm a t so fp a l gw i t hf o u rd i f f e r e n ta l k y lg r o u p sw e r e p r e p a r e db ys p i nc a s t i n ga n de l e c t r o s p i n n i n g ，r e s p e c t i v e l y t h eh y d r o p h o b i c i t i e so f d e n s e f i l m si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to ft h ea l k y lc h a i nl e n g t hw h i l et h em i c r o f i b e rs t r u c t u r e o fe l e c t r o s p u nm a t sc o u l de n h a n c et h eh y d r o p h o b i c i t y h y d r o p h o b i c i t yo fp a l gi tw a s f o u n dt h a tt h eb l o o db i o c o m p a t i b i l i t yo ft h e s ep a l gs u r f a c e sw e r ed e t e r m i n e db yb o t h t h e i rs u r f a c ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g y b ye l e c t r o s p i n n i n g e l e c t r o s p r a y i n g a td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ，p s l gm a t sw i t h d i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sw e r ep r e p a r e d i tw a sf o u n dt h a tt h es u r f a c ec o m p o s e do fb e a d s h a dh i g h e rh y d r o p h o b i c i t yt h a nt h a to fm i c r o f i b e r s n om a t t e rf o r t h ee l e c t r o s p r a y e dm a t s o re l e c t r o s p u nm a t s ，t h eh y d r o p h o b i c i t yi n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo ft h eb e a do r m i c r o f i b e rd i a m e t e r s l o wa d h e s i v e s u p e r h y d r o p h o b i c s u r f a c ew a sp r e p a r e d b y e l e c t r o s p r a y i n gp s l g a tc o n c e n t r a t i o no f3w t f o r6 0r a i n b ye l e c t r o s p r a y i n gp s l ga t c o n c e n t r a t i o no f3w t f o r5m i no rp d l g p s l gm i x t u r e sw i t hp s l gc o n t e n to f2 0 - 5 0 、t f o r6 0m i no na l u m i n i u m ，h i g ha d h e s i v es u p e r h y d r o p h o b i cs u r f a c e sc a nb eo b t a i n e d 5 一( 4 一a m i n o p h e n y l ) - 10 ，15 ，2 5 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( a p t p p ) a n dc o r r e s p o n d i n gm e t a l a p t p p ( m a p t p p ) w e r ef i r s t l ya p p l i e da si n i t i a t o r sf o rt h er o po fs l g n c a p s l g s s y n t h e s i z e db yt h em e t a l l o p o r p h y r i n sh a dh i g h e rm o l e c u l a rw e i g h tt h a nt h a ts y n t h e s i z e db y i i i a p t p p , e s p e c i a l l yf o rc o a p t p p p s l gs y n t h e s i z e dw i t ha p t p pa n dz n a p t p p c a nb e e l e c t r o s p u ni n t od i s c o n t i n u sf i b e rm a t sw i t hs t r o n gf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sw h i l ep s l g s y n t h e s i z e dw i t hc o a p t p pc a l lb ee l e c t r o s p u ni n t o w e l l - d e f i n em a t sb u tw i t hl o w f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e s k e y w o r d s ：a - a m i n on - c a r b o x y a n h y d r i d e ；p o l y ( y a l k y l - 瓯l g l u t a m a t e ) ；p o r p h y r i n ； s u p e r h y d r o p h o b i c ；e l e c t r o s p i n e l e c t r o s p r a y ；w e t t a b i l i t y ；b i o c o m p a t i b i l i t y i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 删 签字日期： 2 a , z 。年弓月 分日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：研纠绰 签字日期： 弘扣年了月驴日 导师签名：多眨 签字日期；7 , oco 年? 月8 日 浙江大学博士学位论文 致谢 在我即将结束我的求学生涯，离开浙大的时候，不经意间我发现自己深深得不舍。 五年多的学习生活对于我，真得是一场艰苦的转型、一次艰难的历练，但是造就了一 个全新的我，给予了我一段得以受益终生的经历。 首先谨以最诚挚的敬意感谢我的导师吴健教授和徐志康教授。是他们将我领入化 学的大门，对我的研究进行了悉心地指导，使我的研究工作有了具体的目标和方向， 并得以顺利地进行。导师们严谨的治学态度，渊博的专业知识和精益求精的工作作风 深深的激励了我，使我得以脱胎换骨的改变；在生活中，不但教给了我许多待人接物 与为人处世的道理，还给予了我极大的帮助。在这里，我对两位导师的悉心指导和热 情帮助表示最衷心的谢谢! 感谢刘振梅老师在实验过程和论文撰写中给予的具体帮助! 感谢黄小军和万灵书 老师给予的大量建设性的意见和帮助! 感谢高分子系代正伟、车爱馥、胡梦欣等同学 给予的关心和帮助! 感谢医学院林琳、王瑶同学在细胞培养方面的帮助! 本课题组仇 云军在实验操作中给予了大量的帮助! 感谢本课题组的石伟民、蒋旭亮、江岸、曾庆 斌、马卡迪、吕媛媛、王苍和狄琳，他们热情开朗，不但对我的博士论文大量的帮助， 也给了我一个轻松愉快的学习环境，同窗之间的友谊长存。 衷心感谢我的父母。正是他们默默的支持、关心和鼓励，给予了我最大的感情支 撑和最大的动力，让我能够一直前行! 谁言寸草心，报得三春晖! 他们的恩情无以为 报! 感谢我的姐姐和姐夫。他们不但给予了我极大的支持和关心，还替我照顾家里让 我无后顾之忧，安心求学! 感谢我的女友，感谢她六年来的默默陪伴，不离不弃! 本论文得到了国家自然基金( n o 2 0 4 3 4 0 2 0 ) 资助，在此表示感谢! 最后，感谢所有关心和帮助我的朋友，祝你们幸福、快乐! 二。一。年九月求是园 浙江大学博士学位论文 1 1 聚肽的研究进展 第一章绪论 蛋白质是生物体中的三大生命物质之一，具有许多生理和非生理的作用，按其功 能就可分为催化、调节、结构等。多肽链组成蛋白质的基本骨架结构，是生命现象的 基础。通过氨基酸的特定排列以及其分子内的各种相互作用而呈现出多彩的一级、二 级、三级结构，两条或两条以上的多肽链最终通过分子间次级键的作用而产生四级结 构，最终组装成具有生物活性的蛋白质。 聚肽，也称为聚氨基酸，是一种或几种氨基酸通过特定的反应生成的具有一定分 子量的均聚物或共聚物，会自组装成和多肽类似的二级结构。聚肽具有和蛋白质类似 的化学组成和二级结构，虽然没有生物活性，但是具有许多传聚合物所不具备的优良 性能，如生物相容性、可降解性、自组装行为、液晶现象及力学性能，为许多领域提 供了理想的材料。其良好的生物相容性和可降解性为生物医学材料的制备提供了可 能；其良好的自组装行为，为新型药物载体的制备奠定了基础；其独特的液晶现象， 为聚肽类液晶材料的制备开辟了一条路径；而其良好的力学性能为高性能工程材料的 制备提供了一种新型的选择。为此，在环保问题日益突出、可持续发展日益注重的今 天，聚肽在生物可降解性方面的优势促使它必将得到更为广泛的关注和应用 1 一钉。 聚肽的合成方法很多，如生物法、固相法、液相法和似氨基酸- 羧基内酸酐 ( n c a ) 开环聚合法【5 ，6 1 。其中n c a 开环聚合法是目前最常用的一种合成高分子量聚肽 的方法。n c a 开环聚合法操作简单、成本较低、合成量大、合成的聚肽分子量高，但 合成的聚肽存在分子量分布，因此适用于对分散性和序列结构没有明确要求的均聚物、 无规共聚物和接枝共聚物的合成( s c h e m e1 1 ) 5 一。n c a 法合成聚肽的优势主要体现在 以下三方面：由于n c a 快速的反应，氨基酸始终不消旋，合成的聚肽保持了氨基酸 的旋光性，t 对n c a 单体和聚肽进行化学基团修饰，可以得到功能性聚肽；随着三光 气和新型引发剂引发体系的出现，不仅使反应的危险性大大降低，同时也使大范围的 分子量调控成为可能。 浙江大学博士学位论文 剐氏。描一曲咄 h ：n c h c o o f 一凶? 寸e c h n h 七 、o 、 r 1 1 1 仿氨基酸n c a 的合成 肽奠定了基础 7 ，8 1 。二十世纪八十年代未，随着双( 三氯甲基) 碳酸酯( c o ( o c c l 3 ) 2 ，简 合成聚肽最常用的一种方法之一【9 。12 1 。 适用于n c a 的合成。d a l y 等1 2 ，1 3 1 分别用四氢呋喃( t h f ) 和正已烷作溶剂和沉淀剂， 成环试剂，如n o 和0 2 混合气体、碳酸酯等 1 4 - 1 8 ，但到目前为止，三光气法由于其 r = h a l k y l s c h e m e1 2s y n t h e s i so fn c a su s i n gt r i p h o s g e n e 但是由于n c a 单体具有多个反应位点，对质子性试剂( 如水、h c l 等) 非常不稳定， 为了不影响n c a 的开环聚合，需要对n c a 进行提纯，避免杂质的影响。而三光气在 反应过程中会产生大量的h c l ，所以必须采用有效的方法对得到的n c a 进行提纯。 目前主要有两种方法：第一种方法是在反应过程中，首先利用惰性气体鼓泡带走大部 分的h c i ，反应完毕后采用重结晶的方法进行提纯，该方法主要适用于较长侧链的 n c a 的合成；第二种方法的第一步也是采用惰性气体鼓泡的方法，反应完毕后则采 用0o c 的碳酸钠水溶液洗涤反应液，除去反应过程中产生的h c l 和未反应的原料， 该方法主要适用于较短侧链的n c a 的合成【19 1 。 2 o文，洽 n本一 浙江大学博士学位论文 1 1 2 聚肽的合成 即时必r 2 多- 够s - o 卜 r l - 埘h 多- i 对h 声一喝卜 矿o l j 曰r 2夕r 2 tnnca酬譬h。矿n吐rnco u 浙江大学博士学位论文 合过程中的副反应，使聚合反应朝着预期的方向进行 2 6 , 2 7 】。到目前为此，人们已经开 发出一系列行之有效的胺类引发剂，如采用胺的h c i 盐 2 8 1 、六甲基二硅氮烷【2 9 1 和过 渡金属络化物【3 0 ，3 1 1 和金属胺配合物作为引发剂3 2 1 等等。其中d e m i n g 等发展起来过渡 金属胺配合物是一种简单有效的引发剂【3 2 1 。 0 r 、么 p o p n h 2 + j p l _ p 0 1 w 叫k 0 0 h 20 o i 净h ，a l k y l s c h e m e1 4o n e t y p eo ft h et e r m i n a t i o ns t e po fn c a s p o l y m e r i z a t i o n d e m i n g 认为聚合过程中活性端氨基的亲核活性是影响n c a 聚合的主要因素，如 果能够对氨基的活性进行有效调节就可以实现对n c a 的可控聚合。早在1 9 7 4 年t a n i 等【3 3 1 就曾经以p ( b u ) 3 m ( o a c ) 。( m = n i 2 + ，c 0 2 + ，c r 2 + ，c d 2 + ，m g ；x - 1 3 ，p ( b u ) 3 ：m = 4 0 ：1 ) 作为) ，苄基毗一谷氨酸n c a ( g i u n c a ) 的引发剂，结果发现金属离子引发活性顺序为 n i 2 + c 0 2 + c p m 矿+ c d 2 + ，其中以n i 2 + 配合物引发得到的聚( ) ，苄基一谷氨酸) ( p b l g ) 产率最高、分子量最高、分子量分布最窄。为此，d e m i n g 等认为选择合适的 过渡金属和伯胺配位可以有效的控制伯胺的亲核能力，可以实现对n c a 的可控制合。 由于c 0 2 + ，n i 2 + ，c u 2 + ，p d 2 + 四种金属盐是较强的l e w i s 酸【3 4 1 ，所以d e m i n g 等首先研究 了这四种金属的醋酸盐和苯乙胺的混合物作为g l u n c a 的引发剂，结果发现：和c 0 2 + 和p d 2 + 配位的氨基活性太弱无法引发g l u n c a 开环聚合；而和n i 2 + 和c u 2 + 配位的氨基 则无法对聚合进行可控，导致分子量分布太宽。于是作者认为这类简单的混合物无法 对聚合物链活性氨基端进行有效的控制，为此设计了一类含有氨基的希夫碱金属配 合物作为g l u n c a 的引发剂。聚合结果显示：采用不同极性的溶剂，苯环上引入不同 的电子效应基团，或者采用不同的络合金属离子都会对聚合反应产生较大的影响，其 中以n i 2 + 作为配位金属、苯环上取代基为硝基的配合物 ( 3 ，5 - d i n 0 2 s a l m e t r e n + n i ( o a c ) 2 ) ( f i g u r e1 1 ) ，在溶剂d m s o 中引发n c a 聚合，得 到的p b l g 分子量与m i 值相吻合，而且分子量分布非常窄 并形成一股带电的喷射流，并在电场中运动继续拉伸，溶液中溶剂的 挥发或熔体冷却而固化，形成纳米或微米级的纤维或颗粒状物质，最后集聚和接收屏 上，彤成类似无纺布的膜得到的纤维膜具有比表面积大、孔隙率高和孔洞连通等优 良特点，使其在过滤、组织工程、药物载体和传感器方面具有极大的应用价值。 f i g u r e1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o s p i n n i n ga p p a r a t u s 在电纺过程中，传统上认为电纺之所以可以得到设纳米级别的纤维是由于电荷排 斥力的作用，射流在电场中不断分裂形成的后来r u t l e d g e 他们利用先进的高速摄影 技术研究了聚环氧乙烷( p e o ) 溶液的静电纺，对细纤维的形成机理进行了更为可信的 研究”。他们的研究结果表明：射流在电场中不稳定的振荡( w l i p 山g i n s t a b i l i t y ) 才是 产生细纤维的最主要原因。射流在离开注射头一定距离后就开始不稳定并发生振荡， 而且多级振荡同时发生。最终促使纤维被拉伸成很细的纤维我们通常肉眼观察到的 倒锥体并非是射流的裂分，实际上是射流中心线的快速渡动引起的( f i g u r e16 1 。但是 当聚合物溶液处于较高浓度时，由于电场中射流处于不稳定状态，受到电荷的排斥作 用，射流也有可能发生分支使纤维变细【8 2 , 8 3 f i g u r e1 6w h i p p i n gi n s t a b i l i t yr e g i o no fe l e c t r o s p i n i n gw i t he x p o s u r et i m eo f4m s ( a ) a n di8n s 旧h 浙江大学博士学位论文 1 2 2 静电纺的影响因素 静电纺过程看似简单，其实整个过程中的影响因素很多，大致上可以分为三类： 溶液性质，包括聚合物分子量、溶液浓度、导电率和表面张力；控制因素，如电压、 流速、接收距离等；还有环境因素，如温度、湿度等。 在静电纺所有的影响因素中，聚合物的分子量和溶液浓度是影响纤维直径和形貌 的最重要因素，而且溶液浓度( 和或黏度) 对静电纺的影响已在许多研究中报道 8 2 - 8 6 】： 在低浓度下，静电纺得到的不是纤维，而是颗粒，随着聚合物溶液浓度的增加，开始 出现含有颗粒的纤维，并且随着浓度的继续增加，颗粒进一步减少，纤维增加，最后 到达一定浓度后可以得到均匀的纤维，浓度的进一步增加会导致纤维的直径也不断增 加。s h e n o y 研究了聚合物分子量、纺丝溶液溶液浓度与可纺性的关系，最后得出结论： 溶液可纺的必要条件是聚合物溶液中每条聚合物分子链缠结点数目超过2 5 t 8 7 1 。m c k e e 通过研究溶液的流变性能对可纺的影响，得到了与s h e n o y 相似的结果：对分子量高 于分子缠结临界分子量的聚合物，溶液的分子缠结浓度c 。是可纺的临界浓度，而 2 - 2 5 c 。是纺出均匀纤维的最低浓度【8 8 1 。g u p t a 等研究了聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 静电纺后也指：p m m a 浓度 2 c 。时，可获得 光滑平整的纤维；当处于两者中间时，得到的是含有颗粒的纤维 8 9 】。y a m a m o t o 详细 研究了p b l g 的静电纺 9 0 1 。由于p b l g 是刚性结构，在二氯甲烷溶液中主要以单分子 链存在，分子之间无法形成有效的缠结，以至于只能得到含有纺缍体的纤维，即使提 高p b l g 的溶液浓度也无法得到均匀的纤维膜；后来通过加入强质子性试剂三氟乙酸 ( t f a ) 打破p b l g 的分子内氢键，从而使p b l g 分子链在溶液中以无规结构存在，增 加了分子链之间的缠结点，同时t f a 的加入也降低了溶液的表面张力，最终得到了 均匀直径的纤维，并且纤维的直径也有了明显的下降。在研究了不同分子量p b l g 的 静电纺中发现：纤维的直径主要受到聚合物浓度影响，与聚合物分子量没有明显的关 系；但是聚合物分子量可以影响溶液的分子缠结浓度c 。( f i g u r e1 7 ) 。聚合物分子量的 增加可以降低溶液的缠结浓度，从而可以在更低的浓度下电纺，进而得到更细的纤维。 但是当分子量增加到一定程度后，随着聚合物浓度的增加，由于聚合物分子链之间缠 结点的增加，容易导致带状纤维的产生。s h i v k u m a r 等【9 1 】在研究了不同分子量的聚乙 烯醇( p v a ) 在不同浓度下的静电纺后提出：对于重均分子量为1 3 ，0 0 0 - 2 3 ，0 0 0g t o o l 的 p e o ，其电纺膜出现带状纤维的浓度为2 7w t ；而对于重均分子量为5 0 ，0 0 0 8 9 ，0 0 0 浙江大学博士学位论文 g m o l 的p e o ，在聚合物溶液浓度为1 3w t 就出现了宽度为1 2 岬的带状纤维。 e 3 2 e 母 刁 黑 u - s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n 删 f i g u r e1 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o l e c u l a rw e i g h t so fp b l gs a m p l e sa n dt h e e l e c t r o s p u nf i b e rd i a m e t e r s f i b e rd i a m e t e r s ( 1 e f ta x i s ) ：d p = 2 3 0 0 ( o ) ，12 0 0 ( d ) ，7 2 0 ( ) a n d 4 1 0 ( v ) s o l u t i o nv i s c o s i t i e s ( r i g h ta x i s ) ：d p = 2 3 0 0 ( ) ，1 2 0 0 ( = ) ，7 2 0 ( a ) a n d4 1 0 ( v ) 虽然提高浓度虽然可以提高聚合物分子链之间的缠结作用，但同样会使聚合物溶 液变得粘稠，容易导致射流不稳定而无法进行电纺。通过研究一系列p e o 浓度的电 纺后，f o n g 发现8 5 p e o 溶液进行电纺的最佳条件为：p e o 乙醇水溶液的黏度为l 2 0 p ，溶液表面张力在3 5 5 5 d y n e s c m 。如果黏度 2 0 p ，也无法进行稳定的纺丝。但是对于不同聚合物溶液，可纺黏度范围是不同 的【8 5 】，如醋酸纤维素( c a ) 在丙酮n , n - - - 甲基乙酰胺( d m a c ) q b 的可纺黏度为1 2 1 0 2 p 【9 2 1 。 从y a m a m o t o 的研究9 0 1 中可以发现，加入t f a 降低p b l g 溶液的表面能从而可 以促进p b l g 的电纺，而且d o s h i 和r e n e k e r 也得到过相似的结论，即降低聚合物溶 液的表面张力，可以得到均匀纤维9 3 1 。但这个结论并非适用于所有聚合物溶液。比如， l i u 和h s i e h 研究了丙酮、d m a c 以及二者混合物作为c a 的静电纺溶剂，其中丙酮 溶液表面张为2 3 7d y n e c m ，而相同浓度的d m a c 溶液为3 2 4d y n e c m ，结果发现丙 酮由于挥发太快得到的是含有颗粒的纤维，而d m a c 形成的则全是颗粒；最后采用 丙酮d m a c 混合溶剂则得到了表面光滑直径均匀的纤维 9 2 1 。由此可以得出：溶剂具 有较低的表面自由能和较高的沸点有利于均匀纤维的形成。 。 溶剂除了可以影响纤维的形貌和直径，还可以进一步影响到纤维的表面结构。j i n 等 蚓详细研究了聚苯乙烯( 3 5w t ) 在氯仿、t h f 和n , n - 二甲基甲酰胺( d m f ) 中的静电 纺，结果以氯仿和t h f 作为溶剂得到的纤维平均直径为1 2 岬，而在d m f 得到的纤 维平均直径只有4 岬。研究了这些纤维的表面结构后，发现以氯仿作为溶剂得到的 1 2 (s艮o童协oqi 纤维表面光滑，而t h f 作为溶剂得到的纤维表面形成了许多平均直径为1 2 99n m 的 小孔；d m f 溶最得到的纤维则洽好相反，在表面形成了许多微小的突起。对这一现 象，h a n 等 9 5 1 认为由于t h f 极易挥发，导致纤维表面温度下降，空水中的水滴凝结 渗透到尚未固化的纤维中，导致p s 相微分离，从而形成了许多具有类似直径的纳米 级小孔：氯仿虽然同样容易挥发，但是由于氧仿和水滴不能共溶，所以也无法使p s 在干燥过程中产生相分离，所以得到的是光滑纤维表面；d m f 则由于其挥发性鞍差， 表面的溶剂挥发较快，导致部分溶剂包裹在纤维里面，并且在选出的过程中形成突起 ( f i g u r e18 ) ，在纤维内部形成一系列气泡，透射电镜测试也证实在纤维里面确实存在 着大量的气泡。w e n d o r f f 等9 ”研究聚犯一丙交脂) ( p l l a ) 、聚碳酸酯( p c ) 和聚乙烯咔唑 静电纺时，发现如果采用二氧甲烷作为溶剂，也可以得到类似的多孔纤维结构，而用 氧仿作溶剂时，则没有这个现象。作者则认为这是由于二氯甲烷的饱和蒸气压大于三 氯甲烷，其映速的桎发促进了聚合物相獭分离的发生 f i g u r el 8f e s e mi m a g e so fc l e c t r o s p u np sf i b e r si nc h l o m i b r m a ) t h fm 1a n dd m f ( c ) 除了以上方法，还可以采用无机盐加入法。因为无机盐可以增加溶液的导电率， 通过加入一些无机盐可以对静电纺产生的较大的影响。h s i a o 等在对聚( d 一丙变 脂) ( p d l a ) 的静电纺中发现加入1 叭的无机盐可以显著改善电纺膜的形貌，而且不 同的盐具有不同的效果。作者研究了k h 2 p 0 4 ，n a h 2 p q 和n a c i 三种无机盐，结果显 示：加入k h = p 0 4 使纤维的直径下降到1p m ，而n a h 2 p 0 4 则使纤维直径下降到3 3 0n m ， 浙江大学博士学位论文 而且纤维直径分布较不加无机盐也变得更为均匀，效果最佳的n a c l 则使纤维下降到 2 1 0n m ，并且纤维直径分布非常均匀【8 6 】。 除了以上因素，其它因素也能对静电纺产生明显的影响，如增加电压、减小流速 可以减小纤维的直径，降低环境的湿度可以使纤维变得更为均匀等等。 1 2 3 电纺膜的应用 静电纺可以将许多聚合物制备成几十纳米到几微米的纤维膜，这些聚合物纤维膜 具有许多优良的性能，如大比表面积、高孔隙率、强柔性以及高强度，这些优异的性 能促使这些聚合物纤维在生物医用材料、传感、催化和催化等领域有着广泛的潜在用 途 7 7 , 7 8 】。 1 2 3 1 组织工程材料 从医学角度分析，人体组织和器官几乎都是由纳米纤维构成的。骨、肌肉、牙齿 和皮肤都是具有高度组织化的纤维结构。通过采用合适的静电纺条件，可以制备具有 类似结构的纳米纤维，这些纳米纤维可以促使支架具有各向异性的力学和生物学方面 的性能，从而在医学领域得到应用。 由于电纺膜具有类似细胞外基质的纤维以及空隙尺寸，能够促进细胞的黏附、生 长和增殖；并且通过改变电纺条件和材料，改善支架材料的物理力学性能以及生物学 性能以适应不同的临床需要。因此电纺膜在组织工程领域主要集中于血管、骨架、神 经组织领域的应用 9 7 , 9 8 1 。早期这方面的研究主要集中于选择合适的材料制备具有良好 生物相容性的电纺膜，用于避免免疫蛋白的吸附和炎症的发生，重点是具有生物惰性 的材料。但结果发现，这些生物惰性材料制备的纤维膜虽然遏制了免疫蛋白的吸附和 炎症的发生，但同时也影响了正常细胞的黏附和繁殖。因此近年来的研究热点主要集 中于采用一些具有良好生物容性材料的同时，通过共纺引入一些生物活性的化合物或 者通过接枝在纤维表面引入生物活性基团( 如r g d 、明胶、蛋白多糖和丙烯酸等) ，在 避免炎症发生的同时促进正常组织细胞的黏附和生长。除了人工合成聚合物，人们也 尝试将一些天然聚合物通过电纺制备成纤维膜用于组织工程材料，如胶原，壳聚糖， 纤维蛋白原，甲壳素和透明质酸，但结果发现这些电纺膜在一些物理性能上往往有所 缺陷，而且纺丝条件也较为苛刻，因此对这些天然大分子的静电纺主要集中于和其他 聚合物的共纺研究。 1 4 近年来，随着人粪营养水平的提高，心血管类疾病近年来已成为危害人类健康的 头号杀手，血管粪材料的构建在临床医学研究中显得更为重要。到目前为止，大中口 径人工血管的构建已经非常成熟，但是尚没有一种台适的技术用于制备直径用于小口 径( 内径 6 m m ) 的人工替代血管，这些小血管主要是人体的小动脉或者一些静脉的血 管。而电纺膜在这方面具有特殊优势，因为它的多孔结构不仅为细胞提供了良好的生 长环境，为血管的再生和重现提供前提；而且通过改变电纺条件，可以方便的制得各 种口径的管状结构，尤其是对于直径 6 m m 的小血管。i n o g u c h i 等凹1 将聚旺一丙交酯c o 已内酯) 通过静电纺，制得了内径为23 - 25m m 的管状纤维膜( f i g u r el9 ) ，通过调节 静电纺的时间，可以得到一系列不同壁厚的菅状纤维膜，适宜干制备人工血管的替代 品。最后还研究了脐静脉内皮细胞在这些纤维膜营内壁表面的黏附和生长，结果显示 随着流动剪切力的增加，即使到达人体血液剪切力水平，这些电纺膜表面黏附的细胞 也没有发生脱落或者损伤，而是沿着流动的方向发生了一定的拉伸。通过预先将内皮 细胞在这些电纺膜表面进行培养，使这些内皮细胞在纤维表面生长和融合后，可以有 效避免植入过程中炎症的发生。h e 等”呻1 通过混纺的方法，进一步将活性因子( 肢原蛋 白) 引入聚犯丙交酯c o 一已内酯) 菅状电纺膜中，人体冠状动脉内皮细胞培养结果显示 胶原蛋白明显提高了人体冠状内皮细胞的黏附和活性。 f i g u r e 1 9 m a c r o s c o p i c a n d m i c r o s c o p i c v i e w so ff a b r i c a t e d e l e c t r o s p u n p o l y ( l - l a c t i d e - c o 舌c a r p r o l a c t o n e ) t u b e s ( a ) w h o l eb o d yo f t u b e ；( b ) s e mo f t u b e s ；( c ，d ) m a g n i f i e d i m a g eo f o u t e r l a y e ro fr e g i o n c ( c ) a n d i n n e r l a y e ro f r e g i o n d ( d ) i n i m a g e b 1 5 浙江大学博士学位论文 电纺膜的高机械强度、细胞的高渗性促使其在骨支架材料也具有巨大的应用潜 力。t h o m a s 等1 0 1 1 以滚动轴作为接收器，研究了聚( 已内酯) ( p c l ) 在不同转速下的静 电纺。他们发现随着转速的提高，纤维的取向更为明显，虽然单根纤维的硬度和y o u n g 氏模量有所下降，但是沿着纤维方向的电纺膜的拉伸强度和模量都得到了明显的提 升。由于羟基磷灰石( h a p ) 磷酸三钙化学成分和晶体结构与骨基质无机部分相似，而 且具有良好的生物相容性和骨传导作用。因此，在后来进一步的研究【1 0 1 】中，他们将 纳米h a p 通过共纺的方法引入这些取向p c l 纤维中。实验结果发现随着h a p 含量的 增加，纤维的直径从3 0 0n m ( 纯p c l ) 增加到了7 0 0n m 。当h a p 含量为5w t 时，纤 维的形貌和储存模量最佳。降解实验显示h a p 可以避免聚合物链的迁移，从而避免 了纤维膜的收缩变形。n i e 等【1 0 2 1 研究了含h a p 的聚 三丙交脂c o 乙交脂) ( p l g a ) 纤维的d n a 传染效率。作者采用了三种方法将d n a 负载到含羟基磷灰石的p l g a 纤维膜上：1 、d n a 物理吸附在p l g a 纤维表面；2 、d n a 先吸附在壳聚糖上面，然 后再负载到p l g a 纤维膜表面；3 、将负载有d n a 的壳聚糖和p l g a 共纺。结果发 现h a p 含量的提高可以加速d n a 的释放，作者认为这是由于亲水性h a p 渗出纤维 膜后，留下的孔穴可以促进d n a 的释放；其中以通过共纺得到d n a 壳聚糖p l g a 电纺膜的d n a 传染效率最高。人体骨髓干细胞培养结果也显示该电纺膜具有非常高 的细胞黏附量和细胞活性，适宜用于骨组织的再生材料。 电纺膜，尤其是取向电纺膜在中枢神经组织工程领域的应用也进行了一些深入的 研究。y a n g 等人就系统研究了取向和无规p l l a 电纺膜在该领域的应用1 0 3 1 。通过调 节聚合物溶液的浓度、接收器类型，可以得到不同类型、直径和取向的电纺膜，进而 可以系统的研究电纺膜类型、形貌对中枢神经细胞形状、分裂和生长情况的影响。结 果发现：取向纤维可以促使细胞沿着纤维方面生长，而无规纤维则没有这个效应；相 比于无规纤维，细胞在取向纤维上生长的更长，但两者对细胞的分裂速率没有明显的 差别；而且细胞在纳米级纤维膜表面的分裂速率明显快于微米级纤维膜。 除了以上三个方面，电纺膜也是肌腱和韧带组织工程领域非常有效的一类替代材 料 7 9 1 0 4 1 。 1 2 3 2 传感器材料 静电纺制得的纤维膜，其极大的比表面积、较高的孔隙率、极小的纤维直径，这 些因素有利于气体的吸附和脱附，如果用于传感器领域，可以极大的提高传感器的响 1 6 浙江大学博士学位论文 应灵敏度和响应速度【1 0 5 j 0 7 1 。 利用石英微晶天平( q c m ) 作为检测器，在q c m 表面沉积一层聚丙烯酸( p a a ) 聚 乙烯醇( p v a ) 电纺膜，利用p a a 中羧基和n h 3 之间的作用力制备成了对n h 3 敏感的 传感器。p a a 含量的增加虽然会使纤维的直径略有增加，但可以增加纤维传感器的灵 敏度。由于p a a 羧基和n h 3 之间的强相互作用，存在一部分的不可逆吸附，导致开 始几次传感中信号有一定的下降，但灵敏度保持良好【l o 引。后来，他们进一步以乙醇 和水及两者混合液作为溶剂，将p a a 直接纺到q c m 表面用作n h 3 气敏传感器【1 0 9 1 。 随着乙醇含量的增加，由于溶剂挥发性的增加和表面张力的下降，纺缍体纤维转变均 匀纤维，纤维的直径先是增加后减小，纤维的刚性也不断下降。对n h 3 的传感实验表 明：这些纤维膜的传感性能比涂敷膜灵敏度要高出4 倍多；其中纤维越细，纤维膜越 厚，灵敏度越高；而且这些传感器的信号稳定性也非常好。同时，这种q c m 纤维膜 传感器显示出了对低体积分数n h 3 的高敏感性：在相对湿度为4 0 r h 下对n h 3 的 灵敏度为1 3 0p p b 。l u o h 等【1 1 0 】制备了含f e 2 0 3 和z n o 的聚丙烯腈纤维，