（材料学专业论文）电纺PCLCNT纳米纤维复合膜的制备和性能研究.pdf

哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i - iii 一 t i i i i i i i i i i i 摘要 静电纺丝是利用高压电场将聚合物溶液制备成纤维的方法，所制备超细 纤维的直径在纳米至微米级。由超细纤维构成的膜具有三维多孔结构，比表 面积大且孔隙率相对较高，其结构特征与生物体组织中细胞外基质极其相 似，因此适用于各种组织工程支架。聚己内酯是一种可降解的合成高分子， 其降解产物无毒无害，生物相容性较好，近年来作为生物医学材料受到广泛 关注。因此采用聚己内酯作为组织工程支架具有很好的应用价值。 本文首先研究了p c l 静电纺丝的工艺，考察了电纺参数溶液浓 度、电压、接收距离对纤维形貌的影响。结果发现纤维直径随溶液浓度增加 而增大：一定电压范围内纤维直径随电压增大而增大；接收距离越大，纤维 直径越小。 本文还将纯化后的碳纳米管混入到聚己内酯溶液中，通过静电纺丝技术 制备了聚己内酯碳纳米管复合纤维膜。通过称重法、s e m 、f t i r 、x r d 、 d s c 、拉伸测试、降解率测试、浸提液法、溶血和动态凝血对其结构、热性 能、力学性能、降解性能和生物相容性( 细胞毒性和血液相容性) 进行了测 试表征。结果显示：复合纤维膜具有低密度和高孔隙率，纤维表面较光滑。 纤维中碳纳米管与聚己内酯之间没有化学键相互作用或相互作用十分微弱， 少量弥散分布的碳纳米管可以增加纤维的结晶度，但大量的碳纳米管会产生 团聚降低纤维结晶度。碳纳米管的填充对纤维膜力学性能的增加起到了一定 作用，而且加速了纤维的降解过程。复合纤维膜具有良好的组织相容性和较 好的血液相容性，为其应用于组织工程支架奠定了基础。 关键词：碳纳米管；聚己内酯；静电纺丝；生物相容性 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 a b s t r a c t e l e c t r o s p i n n i n gi sap r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hc a np r o d u c eu l t r a f i n ef i b e r s 、析t i ld i a m e t e r sr a n g i n gf r o mn a n o m e t e rt om i c r o m e t e rs c a l e st h r o u g hh i g he l e c t r i c f i e l d w i t hh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dh i g hp o r o s i t y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a l m e m b r a n ec o m p o s e do fe l e c t r o s p u nf i b e r si ss i m i l a rt ot h en a t u r a le x t r a c e l l u l a r m a t r i x t h e r e f o r e ，i tc a nb eu s e d 嬲s c a f f o l di nt i s s u ee n g i n e e r i n g p o l y ( e c a p r o l a c t o n e ) ( p c l ) i sak i n do fd e g r a d a b l ep o l y m e rw h i c ha t t r a c t sm o r ea t t e n t i o n b e c a u s e o fi t sg o o db i o c o m p a t i b i l i t ya n di n n o x i o u sp r o d u c t s i ti sap o t e n t i a l c a n d i d a t ef o rt i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d f i r s t l y , e l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g yo fp c lw a ss t u d i e db yi n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo fc o n c e n t r a t i o n ，v o l t a g ea n dd i s t a n c eb e t w e e nn o z z l ea n dc o l l e c t o r t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tf i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o no f s o l u t i o na n dv o l t a g e ，b u td e c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n go fd i s t a n c eb e t w e e nn o z z l e a n dc o l l e c t o r s e c o n d l y , n a n o f i b r o u sc o m p o s i t em e m b r a n ec o m p o s e do fp c la n dc a r b o n n a n o t u b e s ( c n t s ) w e r ep r e p a r e db ye l e c t r o s p i n n i n g t h ec h a r a c t e r so fs t r u c t u r e ， t h e r m o d y n a m i c s ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h ，d e g r a d a t i o na n db i o c o m p a t i b i l i t yw e r e s t u d i e d b yw e i g h tm e a s u r e m e n t ，s e m ，f t i r ，x r d ，d s c ，s t r e n g t ht e s t ， d e g r a d a t i o nt e s t ，c y t o t o x i c i t ya n a l y s i s ，h e m o l y s i sp e r c e n t a g em e a s u r e m e n ta n d d y n a m i cc o a g u l a t i o nt i m ed e t e r m i n a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p o s i t e m e m b r a n ep o s s e s s e dl o wd e n s i t ya n dh i 曲p o r o s i t ya n dt h em o r p h o l o g yo ff i b e r s s e e m e ds m o o t h t h el o wi n t e r a c t i v i t yb e t w e e np c la n dc n t sw a sc h a r a c t e r i z e d s m a l la m o u n t so fc n t sw o u l di n c r e a s ec r y s t a l l i z a t i o no fm e m b r a n e ，w h e r e a s l a r g ea m o u n t so fc n t sw o u l dd e c r e a s ec r y s t a l l i z a t i o nb e c a u s eo fb a dd i s p e r s i o n i t ss h o w nt h a tt h ec n t sc o n t e n t sc o u l di n c r e a s et h es t r e n g t ho fm e m b r a n ea n d 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 d e g r a d a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h ec o m p o s i t ep o s s e s s e sg o o db i o c o m p a t i b i l i t y a n dh a sp r o m i s i n gp o t e n t i a l si ns c a f f o l da p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ： c a r b o n n a n o t u b e s ；p o l y ( 一c a p r o l a c t o n e ) ； e l e c t r o s p i n n i n g ； b i o c o m p a t i b i l i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：翌日p 把 日期：细弓年3 月r 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：丑孵把 日期：7 年；月j1 日 新( 签字) ：匆叫 了年3 月f 日 第1 章绪论 1 1 引言 早在2 0 世纪3 0 年代，静电纺丝技术就出现了。1 9 3 4 年，f o r m f l a s 1 i 发 明了利用电场力制各聚合物纤维的仪器。然而，从那以后，此领域几近沉 寂，直到9 0 年代，随着纳米材料研究的兴起，纳米纤维因其自身独特的性 质而受到越来越多的关注静电纺丝技术作为制造纳米级纤维的简单、廉价 且有效方法，重新受到研究者的重视，成为研究的热点。静电纺丝是在外加 高静电场作用下，使聚合物溶液或熔融体受到表面张力作用而拉制成超细纤 维的技术。所制成的纤维直径在几十纳米至几微米之间，比表面积大，其非 织造结构具有孔隙小、孔隙率高的优点，可用于生物医学领域如组织工程、 药物控释等，光电领域如传感器件、电池隔膜等，军事领域如生化过滤防护 等，具有广泛的应用前景和价值。 1 2 静电纺丝的原理 静电纺丝是一种借助于静电场作用的纺丝方法。静电纺丝过程中，在高 压电场的作用下，悬于毛细管出口的聚合物溶液或熔体的液滴受静电力牵引 作用变形为锥形，形成泰勒锥( t a y l o rc o n e ) 。随着电场强度的进一步提 高，当液滴表面由于所带电荷形成的静电排斥力超过其本身的表面张力时， 图1l 泰勒锥 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在泰勒锥的顶端形成液体射流，如图1 1 所示。带有电荷的液体细流在电场 中流动，进一步受到拉伸作用，同时溶剂蒸发( 或熔体冷却) ，成为超细纤 维并沉积在接收装置上，形成无纺超细纤维膜。 静电纺丝过程主要分为三阶段。第一阶段，液体细流的产生及其沿直线 的初步拉伸；第二阶段，非轴对称鞭动不稳定性的产生使流体进一步拉伸， 这一阶段还有可能伴随着一股细流分裂为多股细流( j e ts p l a y i n g ) ；第三阶 段，细流干燥固化成亚微米级或纳米级纤维。液体细流直径如何由1 毫米 ( 毛细管出口直径) 下降至1 微米以下的机理，目前还不完全清楚。但普遍 认为除以上第一阶段和第三阶段的作用使纤维变细之外，第二阶段起了决定 性作用。按照传统的观点，在电场中，当液体细流沿着一定路径向下流动并 逐渐变细时，其径向的电荷斥力导致了初始细流分为多股的次级细流，纤维 的最终尺寸主要由产生次级细流的数目决定。但近期的研究表明，非轴向不 稳定性( 鞭动不稳定性) 是流体直径迅速由微米级下降至纳米级的决定性因 素。当电场强度较高时，产生的鞭动不稳定性会使流体以非常高的频率弯 曲、拉伸，从而导致细流直径迅速下降。 1 3 静电纺丝装置 1 3 1 传统装置 静电纺丝装置主要由高压发生装置、聚合物流体供给系统、毛细管喷丝 头和纤维收集装置构成，如图1 2 所示。其中高压装置在毛细管喷丝头和收 集板之间形成静电场。储液罐中的聚合物溶液在注射泵推动下，于毛细管喷 丝头处形成液滴，液滴在静电力牵引下克服表面张力产生射流，飞向对面的 收集板，飞行过程中溶剂挥发，射流形成纤维落在收集板上，形成无序排列 的纤维膜。 由于静电纺丝装置简单而被广泛应用，大多数的收集装置为接地金属板 或铝箔，所收集纤维只能为无规随机排列的无纺布。但是，由于纤维的特定 排列方式、纤维的收集密度和产量等决定了其在实际应用中的价值，因此研 2 究人员对纺丝装置进行了一系列改进。 图1 2 静电纺丝装置示意图 1 3 2 定向收集装置 随着对静电纺丝过程的深入探索，实现纤维定向收集逐渐成为装置改进 的新目标。研究人员发现纤维取向能够影响纤维膜的力学性能以及组织工程 中细胞的生长。例如，c h e w 司发现细胞在无规纤维膜上生长取向呈现为无 规则，而在定向纤维膜上培养时，能够沿着纤维取向生长。因此，改进纤维 收集方式，制备具有定向排列规则的纤维膜具有十分重要的意义。最常见的 定向收集方法是采用转动的收集筒作为收集装置，其喷啸j 下对收集筒，纤维 排列方向与收集筒转动方向平行。这种装置相对简单，纤维取向与转动速度 有关，转速越高，取向度越高。而且在旋转过程中的进一步拉伸会使纤维直 径进一步减小。b a k e r 等人【3 1 研究显示，当收集筒的转速为0 1 m s 时，聚苯 乙烯纤维呈随机排列状态，当转速达到5 r i g s ，聚苯乙烯纤维呈现出高度有 序排列。虽然收集筒转速较低难以获得有序取向的纤维，但是转速过大，又 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 容易使纤维在拉伸过程中发生断裂，因此绝大多数实验都是获得大部分有序 取向的纤维。 采用收集辊筒作为收集装置时，收集纤维的面积较大，有时密度不均 匀。为控制其收集面积，进一步提高纤维取向度和密度，可以采用增加辅助 电极来控制纤维收集辊筒。采用辅助电极可控制电场场强密度，使之相对集 中，从而使纤维收集相对集中。w u 等人1 4 将三个相互平行辅助电极置于收 集辊筒的另一侧，中间电极与针头相对，其中两端电极极性与针头相同，中 间极性相反，如图1 3 所示。结果显示，使用辅助电极可使收集宽度减小至 原宽度1 4 以下，同时使制备的纤维取向度提高3 倍以上。而且研究发现，增 加辅助电极的数量，可以使纤维的取向度、密度、收集宽度均有所提高，辅 助电极之间距离的缩短，也会提高纤维的取向度、密度和收集宽度，但是纤 维直径并明显变化，因此说明辅助电极对纤维直径无显著影响。 类似地，减小收集靶的面积也可以达到使电场集中的目的，例如利用金 属环代替滚筒做收集靶。b h a t t a r a i 等【5 】在实验中采用导电性良好的铜丝环做 收集器，在其表面得到了定向的纤维束，纤维束的宽度大小由环的宽度决 定，如图1 4 所示。l i 等【6 l 采用另外的方法制备有序排列的纤维，如图1 5 所 示。其关键在于将两平行电极间隔一定距离，纤维在收集电极表面异种电荷 的吸引下落到电极边缘，由于两收集电极之间电场平行，间隔上的纤维垂直 排列。当间隔为绝缘材料时，将收集电极增加到4 或6 个，以相对的电极为一 对，依次收集一段时间，可以得到不同角度的层状纤维毡，但绝缘板体电阻 率必须大于1 0 1 2qc m 。 然而，上述方法由于平行电极之间的间距很小，故得到的定向纤维面积 很小。y a n g 等【_ 7 】利用附加磁场代替电场解决了这个问题，装置如图1 6 所 示。在此方法中，将两磁铁n ，s 极相隔一定距离相对放置于接收极板上， 产生平行的磁场，带有磁性的纳米f e 3 0 4 颗粒添加到聚合物溶液中作为电纺 液，电纺时磁性颗粒受磁场力作用使纤维平行排列悬挂于两磁铁之间。磁铁 之间的距离可调控在几毫米至几厘米之间，而且通过改变磁铁位置，还可得 4 哈尔滨工程_ 人学硕十学位论文 到不同角度层状纤维毡。研究结果表明，磁场对纤维直径无影响。 z h a n g 和c h a n g t s l 使用不同模板控制纤维收集的结构和图案。研究发现 模板中的凸起对纤维收集起重要作用，相当于是一支小电极，凸起间可形成 平行排列的纤维。通过改变不同模板的凸起可得到不同的纵横交错的结构和 图案。 co l e c f o l 衄 图1 3 辅助电极定向收集装置1 4 l 图l4 环状收集装置得到的纤维束i 竺。一 竺芗夸一 鲁 匹1 i 一、。l 1 7 擀| j f 。、b i。：l 圈1 5 平行电场收集装置嘲 8 s y r i n g e - i j s o “弋夕 物 n e e d i e l 】 眯t 三生 由呈 i b i g hv o r a g j = 二二二) i 一田一圈 图i6 平行磁场收集装置【】 哈尔演工程大学硕士学位论文 1 3 3 同轴装置 同轴电纺是制造功能化纤维的重要方法。与一般的单喷头纺丝装置不 同，同轴电纺装置的喷头由内、外两喷嘴嵌套而成，分别连接在装有不同聚 合物的内、外层容器上，如图1 7 所示。用注射泵将两种互不相容的前驱液 加入到同轴纺丝装置中，实验时可对内外层液体施加相同或不同的高压电 场，使从两个同轴但不同直径的喷管中喷出的芯质和表层材料的液体为同心 分层流。由于纺丝过程中两液体在喷口处汇合的时间很短，加上聚合物液体 的扩散系数较低，所以固化前一般不会混合到一起。s u n 等凹使用不同聚合 物进行同轴电纺，结果表明同轴电纺可以将原本难以电纺的溶液做为核而形 成具有核壳结构的同轴纤维。 c h a m b e ro u t l e ! r a u t i c l 图1 7 同轴电纺装置唧 1 3 4 其他装置 h e 等【1 0 l 将盛装聚合物溶液的容器底部插有与压缩气体瓶相连的通气 管，通气管中的金属线与高压电源相连，接地金属板置于容器上方。纺丝时 通入压缩气体，浮在表面的气泡表面带有电荷，一个气泡在电场作用下相当 于一个喷嘴，电场力克服表面张力后可形成纤维。气泡表面仅与气泡体积、 内部气压有关。此技术有望获得直径小、产量大的电纺纤维。但此技术目前 7 哈尔滨t 稗大学硕十学仲论文 只适用于难挥发溶剂，如水。 1 4 静电纺丝材料 迄今为止，许多聚合物可通过静电纺丝法制备成为纳米纤维，见表 1 1 。这些聚合物包括非降解高分子、可降解天然高分子和合成高分子及其 混合物。非降解聚合物已应用于医学领域多年，例如人造血管、齿科材料 等。组织工程支架一般应具有良好的生物相容性、无毒性、亲水性和力学性 能，由于非降解聚合物亲水性差使得细胞黏附受影响，而不可降解的特性会 对细胞的长时期生长产生不利的影响，甚至产生免疫炎症。因此，非降解聚 合物很少用于组织工程中，一般用于传感器、电池隔膜、过滤等其它领域。 可降解聚合物由于其具有良好的性能而成为研究者们关注的对象。脂肪 族聚酯是一类重要的生物降解高分子材料，它们在有水存在的环境或体液中 能通过化学降解简单的酯键水解或酶促降解而断链，生成羟基脂肪酸， 然后参与体内的三羧酸循环而进一步降解为c 0 2 和h 2 0 ，排出体外，因而 得到广泛而深入的研究。其中尤其是聚乙交酯( p g a ) 、聚丙交酯 ( p l a ) 、聚己内酯( p c l ) 以及它们之间的共聚物( 如共聚乙交酯丙交酯 ( p l g a ) 等) ，是公认的优良的可生物降解高分子材料。例如l e e 】等发 现使用适当的热处理方法能增加p c l 纤维的结晶度，从而提高支架的力学 性能。此外，天然高分子如胶原、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸钠等，都被成 功应用于静电纺丝中。 虽然可降解聚合物已取得了一定的成绩，但仍遗留不少缺陷。合成可降 解聚合物，如p l a ，在长期降解中产生的乳酸会使周围环境的p h 值下降， 从而影响细胞的生长。天然高分子拥有良好的生物相容性，但力学性能差， 且单独纺丝较为困难。为此，人们采用两种聚合物的混合体来代替单一的聚 合物，以达到兼容二者优势、提高性能的目的。例如，s c h n e l l 等【i2 j 将胶原 与p c l 混合制成纤维支架，与纯p c l 纤维支架相比，细胞在胶原p c l 支架 上的黏附、增殖程度均较高。c h e n 掣1 3 】发现由p e o 做添加剂的胶原壳聚 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 糖纤维能加快细胞增殖迁移，促进伤口愈合。 表1 1 静电纺丝聚合物体系 聚合物溶剂参考文献 c o l l a g e n1 ，i ，1 ，3 ，3 ，3 一h e x a f l u o r o - 2 p r o p a n o l【i 4 】 1 ，i ，1 ，3 ，3 ，3 - h e x a f l u o r o 一2 一p r o p a n o l c o l l a g e n c h i t o s a n t r i f l u o r o a c e t i ca c i d 1 5 ，1 6 】 c o l l a g e n l ，1 ，1 ，3 ，3 ，3 - h e x a f l u o r o - 2 - p r o p a n o l 1 7 】 h y d r o x y a p a t i t e c h i t o s a n a c e t i ca c d 【i 8 】 c h i t o s a n p 溯a c e t i ca c d 【1 9 】 c h i t o s a n p e oa c e t i ca c d 【5 】 c h i t i n l ，l ，1 ，3 ，3 ，3 h e x a f l u o r o 一2 - p r o p a n o l 2 0 】 g e l a t i n p 、，a f o r m i ca c i d 【2 1 1 ，1 ，1 ，3 , 3 ，3 - h e x a f l u o r o - 2 p r o p a n o l ， p c l t r i f l u o r o e t h a n o l ，d i c h l o r o m e t h a n e m e t h a n o l ，【2 ，11 , 2 2 - 2 5 】 d i c h l o r o m e t h a n e n ，n - d i m e t h y lf o r m a m i d e p c l c o l l a g e n l ，1 ，1 ，3 ，3 ，3 h e x a f l u o r o - 2 p r o p a n o i【1 2 p c l p e g , p c l c h l o r o f o ! 1 1 1 m e t h a n o l 【2 6 p c l g e l a t i n t r i f l u o r o e t h a n o l 【2 7 】 n ，n d i m e t h y lf o r m a m i d e ，d i c h l o r o m e t h a n e ， p l g a 【2 8 ，2 9 】 1 ，1 ，1 ，3 , 3 ，3 - h e x a f l u o r o - 2 - p r o p a n o l p l a h y d r o x y a p a t i t e c h l o r o f o r m 【3 0 】 9 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 p v a d i s t i l l e dw a t e r 【3 l 一3 3 】 s o d i u ma l g i n a t e d i s t i l l e dw a t e r 【3 4 ，3 5 】 p e o c e l l u l o s ea c e t a t ea c e t i ca c i d ，a c e t o n e ，n ，n - d i m e t h y lf o r m a m i d e ， 3 6 3 8 】 p e g - p d m s p e g p e o c h l o r o f o r m 【3 9 】 s i l l 卯e o d i s t i l l e dw a t e r 【4 0 】 p e o w a t e r 【4 1 ，4 2 】 p a n p p y n ，n - d i m e t h y lf o r m a m i d e ，h 2 0 2【4 3 】 p e s d i m e t h y l s u l f o x i d e 4 4 1 p o l y c a r b o n a t e c h l o r o f o r m 【4 5 p o l y ( v i n y ls c e t a t e ) n n d i m e t h y l f o r m a m i d e【4 6 】 p o l y a m i d e6 , p l a f o r m i ca c i d ，c h l o r o f o i l l l 【4 7 1 p o l y u r e t h a n e n ，n - d i m e t h y l f o r m a m i d e【4 8 】 p o l y a n i l i n e g e l a t i n l ，1 ，1 ，3 ，3 ，3 - h e x a f l u o r o 一2 p r o p a n o l【4 9 】 1 5 静电纺丝的应用 1 5 1 组织工程 从医学角度看，几乎所有的人体组织和器官都是由细胞、胶原和粘多糖 纤维等细胞外基质构成的“复合体”，骨、关节、皮肤、牙齿都具有高度组 织化的三维结构。组织工程要求人造细胞支架具有与细胞外基质相似的化学 组成、形态结构和官能团。静电纺丝制备的纳米级纤维所具有的三维结构比 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 表面积大、孔隙率高，类似于细胞外基质，因此可为细胞培养提供良好的黏 附、增殖环境，从而培养出具有特定功能的组织。近年来，人们在静电纺丝 纤维织物上培养各种细胞，以期望获得全部或部分具有活体功能的组织。 人造血管组织工程支架是备受关注的领域之一。对于血管植入体来说， 内皮化十分重要，因为它能阻止因血小板的黏附而引发的血栓。h e 等1 5 0 】使 用等离子体处理p c l a 电纺纤维提高其亲水性，然后表面涂覆胶原层。胶原 涂层促进了内皮化的形成，加速细胞的生长增殖，并且保持了内皮细胞应有 的形态。z h a n g 等研究者1 4 0 j 将人冠状动脉内皮细胞和平滑肌细胞种植在丝素 蛋白支架上，结果发现支架能够支持细胞增殖，维持细胞形态，促进细胞重 组。由于体内和体外培养环境不同，j e o n g 等【”】采用了脉动灌注生物反应器 模拟体内血管环境。血管平滑肌和内皮细胞种植在以多孔胶原为基底、以 p l g a 纤维为外层的支架上，培养2 3 天后，支架力学性能并无明显下降。 此外，其细胞排列方式与取向亦与正常血管组织十分类似，因此模拟体内组 织真实环境对组织培养具有重大意义。 静电纺丝在组织工程中的另一研究重点是骨组织支架。y o s h i m o t o 等【5 2 】 制备了多微孔无纺p c l 支架，采用新生小鼠骨髓中提取的干细胞为种，1 周后发现培养体上细胞穿透表层纤维，且明显观察到大量的细胞外基质分泌 物，4 周后观察到胶原i 生成。b h a t t a r a i 等【5 j 制备了壳聚糖纤维，处理后能 在水中保持完整性。结果显示处理后的支架有利于支持造骨细胞的黏附增 殖。磷酸钙是骨组织的组成物质，因而有人将其作为研究对象。j o s e 等【5 3 】 将合成的羟基磷灰石掺入p l g a 中制备纤维支架，并测试了孔隙率、力学 性能及体外降解性能。e r i s k e n 等【5 4 】发现p c l - i b - t c p 纤维支架培养造骨细 胞4 周后的力学性能要高于原始支架。 此外，静电纺丝纤维还可用于皮肤2 7 1 、心脏【4 9 1 、膀胱【3 1 等组织中。总 之，静电纺丝技术为组织工程的发展提供了一条便捷途径。 1 5 2 药物控释 聚合物药物缓释物相对于传统药剂具有明显优势，例如可提高治疗效 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 果，减小毒性，方便安全等。药物控制释放体系的研究和应用都旨在提高药 物的疗效、降低和减少药物的毒副作用及减少给药次数等，以减少病人的痛 苦。从方法上讲，药物的控制释放一般分为时间控制和分布控制两种。药物 的时间控制释放体系是使药物在较长的时间内不断地释放出来，这种控释体 系更适于在体内代谢较快的药物。药物的分布控制释放体系则旨在实现药物 在病灶部位的靶向释放。 静电纺丝可以直接制备载有纳米尺寸药物颗粒的缓释体。将药物溶解并 与聚合物混合成纺丝液，静电纺丝过程中，由于溶剂的快速挥发，药物将以 极小的颗粒存在于聚合物纳米纤维中。超细纤维作药物的载体，具有很高的 比表面积，可使药物释放更均匀，从而大大提高药物的生物利用度。对于那 些不适合大面积使用的药物和化疗药物，可通过静电纺丝技术将其包覆于纤 维内部，通过纤维的降解而缓慢释放，从而达到治疗效果。y a n g 等【2 l 】对明 胶聚乙烯醇携载羟苯基丁酮药物控释体系进行了研究。他们发现，载体中 的药物含量、明胶与聚乙烯醇比率、戊二醛交联时间均会对药物释放速率产 生影响。z e n g 等【5 5 1 选择了两种药物混入p l l a 电纺纤维中，结果显示药物 包埋进纤维后，在添加有k 蛋白酶的缓冲液中释放过程接近零级释放。利 用同轴电纺技术还可以将不溶或难溶于缓释体溶剂的药物作为芯层包埋到纤 维中。 1 5 3 伤口敷料 聚合物超细纤维在对皮肤的烧伤或创伤的治疗中也得到一定的应用。在 电场的作用下，可以直接将可生物降解聚合物纺在创伤表面，形成一层纤维 毡敷裹，通过促进正常皮肤组织的生长，从而治愈皮肤损伤。用作创伤敷料 的无纺布纤维毡一般的孔径尺寸是1 微米以下，足以防止细菌的入侵，而且 其所具有的高比表面积又可以使其有效地吸收流质，从而加快伤口的愈合。 静电纺丝纤维膜也可作为伤口敷料。纤维膜由于其孔径小，只有几百纳米， 孔隙率高，既可以有效阻挡细菌侵入，又具有很高的透气性。c h e r t 1 3 1 等成 功制备了胶原壳聚糖混合纤维膜，可加快细胞增殖迁移，动物实验显示， 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 胶原壳聚糖纤维能促进小鼠伤口愈合，其效果明显优于医用纱布和商用胶 原海绵体。c h o i f 2 6 l 引入了角化细胞生长因子固定在纤维表面，动物实验显示 纤维在1 周内加速伤口附近细胞生长，促进伤口愈合。 1 5 4 过滤防护 纤维材料用作过滤介质可具有较高的过滤效率，且过滤效率与纤维粗细 有关，采用纳米纤维作过滤介质对捕集小尺寸颗粒非常有利。静电纺丝超细 纤维织物具有很高的比表面积，用于气体过滤时，在具有较低的空气阻力同 时，对直径小于o 5 微米的小颗粒具有很高的捕集能力，掺入填料的纤维具 有很好抗菌性【4 5 1 。此外，静电纺丝方法也可使纳米纤维表面带有电荷，在 不增加压降的情况下进一步提高过滤效率。 目前，用于防止各种生物及化学武器侵害的防护用品主要由活性炭吸附 剂构成，它在透水性及重量方面都存在着一些缺点。静电纺丝超细纤维膜重 量轻，具有较高的孔隙率、较小的孔径，不但对气体中悬浮的化学制剂微粒 有很好的阻碍作用，而且纤维上的静电力会对有害气体等产生吸附，对空气 及水汽有很高的透过率，可望成为理想的新一代防护用品。 1 6 选题的目的意义及主要研究内容 静电纺丝技术可以制备直径在纳米至微米级的超细纤维，由超细纤维构 成的膜具有三维多孔结构，比表面极大且孔隙率相对较高，其结构特征与生 物体组织中细胞外基质极其相似，因此适用于各种组织工程支架。聚己内酯 ( p c l ) 是脂肪族聚酯，由己内酯开环聚合而成，早在1 9 5 0 年就有关于己 内酯聚合的研究报道。聚己内酯是一种半晶型的高聚物，熔点约6 0 ，砭 约为6 0 ，其重复的结构单元上有五个非极性的亚甲基c h 2 和一个极性的 酯基c o o ，分子链中的c c 键和c o 键能够自由旋转，这样的结构使得 聚己内酯具有良好的柔性和加工性。聚己内酯组织工程支架以其良好的生物 相容性和柔顺性在生物医用材料中被广泛关注。 本论文首先对p c l 静电纺丝工艺进行了研究，主要考察了溶液浓度、 哈尔滨t 干旱大学硕十学何论文 电压、接收距离等因素对纤维形貌的影响。在此基础上制备了p c l c n t s 复 合纤维，研究了p c l c n t $ 复合纤维的结构、热性能、力学性能、降解性能 和生物相容性( 细胞毒性和血液相容性) ，以期制备出组织工程需要的较理 想的支架材料。 1 4 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 i i i _i 第2 章p c l 静电纺丝工艺研究 2 1 引言 静电纺丝制备纳米纤维的影响因素很多，其中影响纤维成型的主要因素 包含3 个方面：( 1 ) 纺丝液性质因素，包括纺丝液的分子量、粘度、浓度、 电导率、表面张力等。( 2 ) 纺丝装置因素，包括毛细管直径、施加的电场强 度( 电压) 、纺丝液流量、喷丝头与收集板之间的收集距离等。( 3 ) 纺丝环境因 素，如溶液温度、环境中空气的温度、湿度和气流速度等。其中溶液浓度、 纺丝电压、板间收集距离是最重要的可控参数，因此本章主要对此三个参数 进行研究，考察其对p c l 纤维直径的影响。 2 2 实验部分 2 2 1 主要试剂及仪器 聚己内酯( p c l ，分子量1 1 万) ，购买于济南岱罡生物材料有限公司。 二氯甲烷，分析纯，天津瑞金特化学品有限公司。无水甲醇，分析纯，天津 科密欧化学试剂有限公司。 h b f 3 0 3 1 a c 型高压直流电源，恒搏公司。t s 2 6 0 型注射泵，保定兰 格恒流泵有限公司。k q 5 0 d e 超声机，昆山超声设备有限公司。c p 2 2 4 s 分 析天平，s a r t o r i u s 公司。 2 2 2p c l 电纺纤维的制备与形貌表征 常温下称取一定量的p c l 溶于二氯甲烷甲醇( v v = 3 1 ) 混合溶剂中， 超声振荡至完全溶解，分别制备8 w t 、1 0 w t o o 、1 2 w t 的p c l 溶液。 用注射器吸取不同浓度溶液，电纺电压分别设为8 k v 、1 0 k v 、1 2 k v 和 1 5 k v ，接收距离分别定为6 c m 、1 0 c m 、1 4 e m 和1 8 c m ，注射泵速率为 0 5 m l h 。每组实验前需将铝箔( 3 3 c m 2 ) 贴在收集板上，打开高压直流电 源的开关，同时开启微量注射泵，开始电纺。收集一定时间后关闭高压，同 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 时停止注射泵，即可在铝箔上收集到p c l 纤维膜。 电纺纤维膜待溶剂完全挥发后，进行喷金处理，然后通过f e is i r i o n 扫 描电镜( 荷兰飞利浦公司) 观察纤维的表面形貌，加速电压2 0 k v 。采用 i m a g ej 软件测量纤维直径，每组测3 0 根，取其平均值。 2 3 结果与讨论 2 3 1 溶液浓度对纤维形貌的影响 在静电纺丝过程中，溶液粘度要达到一定程度，才会有连续的纤维生 成，否则形成的不是纤维，而是像电喷一样形成雾状小液滴。溶液粘度与溶 液浓度有直接关系。聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离 开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱。通常在其它条件不变时，随 着聚合物溶液浓度的增加纤维的直径也增大。此外，纤维表面溶剂挥发时， 使表面形成质量分数较大的凝胶层，限制细流进一步分裂，导致纤维直径变 粗。在本实验中，我们选取了三个浓度值，分别为8 w t 、1 0 w t 和 1 2 w t ，并固定电压和接受距离，研究溶液浓度对纤维形貌的影响，纤维形 貌如图2 1 所示。从图中可以看出，随着溶液浓度从8 w t 增长到1 2 w t ， 纤维平均直径从1 1 7 n m 增加到1 3 8 n m ，同时纤维直径分布区间和直径集中 区间均有增大。 表2 1 不同浓度下电纺纤维直径及其分布( 电压8 k v ，距离1 0 c m ，流速o 5 m l h ) s e m平均直径( n m )直径分布区( n m )直径集中区( r i m ) a1 1 75 8 3 0 08 0 1 5 5 b1 2 8 4 1 2 2 61 0 0 1 6 l c1 3 85 2 1 0 0 01 2 0 1 7 9 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) s w w o 搴 曩圈盈啊口矗i i _ o w l ( c ) 1 2 w 慨 图2 i 浓度对纤维形貌的影响( 电压8 k v ，距离l o o m 流速05 m l h ) 为了进一步证明我们的研究结果的准确性，我们将其电压值升高到 酒 ， 一雾f；，一 誉擎 ，誓 曩鼍蚍静。一塑 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 5 k v ，其他实验条件相同( 距离1 0 c m ，流速o 5 m l h ，溶液浓度分别为 8 w t 、l o w t 和1 2 w t ) ，得到的结果如图2 2 所示。从图中我们可以看 出，得到结果非常相似，仍然是随着溶液浓度的增大，纤维直径逐渐增大。 因此我们可以认为，溶液浓度的变化可对纤维直径产生显著的影响。 g 专 苗 姜 q w t 图2 2 溶液浓度对纤维直径的影响 ( a 电压8 k v ，距离i o e m ，流速o 5 m l h ：b 电压1 5 k v ，距离1 0 e m ，流速0 5 m l h ) 2 3 2 电压对纤维形貌的影响 在电纺过程中，喷头口端的聚合物液滴除受到重力作用外，还同时受到 表面张力和电压产生的静电力的作用。当电压达到一定数值时，液滴表面的 静电斥力将克服表面张力，产生射流。电荷通过聚合物射流转移到收集装置 上，产生电流。电纺过程中施加的电压越大，电流也越大。这意味着射流表 面的电荷和静电斥力都将随着电压的升高而增大。由于静电斥力的存在，要 求射流比表面积增加。因此，射流在飞行的过程中，会发生分支。因此，射 流分支越多，得到的纤维直径就越细。随着对聚合物溶液施加的电压增大， 体系的静电力增大，液滴的分裂能力相应增强，所得纤维的直径趋于减少。 在本实验中，我们选取电压值分别为8 k v 、l o k v 、1 2 k v 和1 5 k v ，溶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 液浓度和接受距离固定，考察电压对纤维形貌的影响，结果如图2 3 和表 2 2 所示。从研究结果中可以看出，当电压从8 k v 增加到1 5 k v 时，纤维平 均直径从1 1 7 r i m 增大到1 5 3 r i m ，而直径分布和集中区也相应变大。d o s h i 和 r e n e k e f l 9 s l 的研究表明，当施加电压强度增大低于两倍时，射流的直径会增 加三倍。在纺丝过程中，电荷通过聚合物的运载，由注射针头运动至接收 屏，形成闭合循环电路，高电压则为加速聚合物的这一流动作用提供了能 量，电流增大时，就意味着纺丝液流量的增加，增强的静电力会从毛细管中 抽出更多的溶液。而本实验中的电压正处于较高段位，而流速提供的溶液也 较为充分，因此纤维直径随电压增大而增大。 表2 2 不同电压下纤维直径及其分布 s e m 平均直径 i m直径分布区n m直径集中区t i m 1 1 75 8 - 3 0 08 0 - 1 5 5 b1 3 25 4 - 2 8 61 0 0 - 1 6 0 1 3 27 6 - 3 4 01 0 8 2 0 0 d1 5 3s 3 - 4 0 01 0 6 - 2 l o 。 、誊罂 墨髓西圈圈蛊i 萱雹暖圈圈圈瞄赢嗣一 哈尔滨工稳大学硕士学位论文 ( b ) l o k v ( c ) 1 2 k v ( d ) 1 5 k v 圈23 电压对纤维直径的影响( 浓度8 w t ，距离l o c m ，流速o5 m l ，i i ) 哈尔滨t 稃l 学硕十学仲论文 j i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iii ii i i i 为了进一步证明我们的研究结果，我们通过改变溶液浓度和距离( 浓度 l o 、 a ，距离6 c m ，流速0 5 m l & ) ，考察了电压对电纺纤维的直径的影响， 结果如图2 4 所示。从图中可以看出，随着电压的增强，纤