（材料学专业论文）聚氨酯明胶静电纺丝的研究.pdf

中文摘要 聚碳酸酯聚氨酯( p o l y c a r b o n a t e u r e t h a n e ，p c u ) 具有良好的力学性能和生物相容 性，在生物医学方面有着广泛的应用。以聚碳酸酯聚氨酯c h r o n o f l e xc 和 c h r o n o f l e x 削夕为基本材料，通过静电纺丝加工成可应用于人体的心血管组织工程支 架。本文对静电纺丝技术中的多种工艺参数，包括溶剂、溶液浓度、体积流率、纺丝 电压等，进行了考察，确定了最佳工艺参数，得到了具有理想微观结构的支架。同时 讨论了生物相容性较好的明胶的静电纺丝过程，结合聚氨酯静电纺丝，改进支架材料 的生物相容性，以期在血管组织工程或者构建等方面应用。 本文以二甲基甲酰胺( d m f ) 和四氢呋喃( t h f ) 作为聚氨酯的溶剂，将两者进 行不同比例混合，考察混合溶剂对静电纺丝过程的影响。混合溶剂中d m f 含量对纺 丝结果影响较为明显，当d m f 在混合溶剂中所占的比例大于5 0 时，容易形成珠 丝，且珠丝现象很难受到其他工艺参数的改变而发生改变。d m f 在混合溶剂中的比 例为5 0 时较为合适，继续减少d m f 含量，容易形成严重粗细不均匀的纤维，且 纤维之间粘连情况较为严重。 通过进一步的考察电压、溶液浓度、溶液体积流率来确定聚氨酯静电纺丝的最佳 工艺条件时发现：纤维的平均直径在随电压的变化过程可能呈现不同的规律变化。当 采用的电压介于1 5 2 0k v 时，形成的纤维平均直径较大，多在lp m 以上。只有极 个别样品的平均直径为4 2 9n m ，方差仅为o 0 6 5 。当电压介于2 0 3 5k v 时，可以 获得最小直径为2 6 5l l n l 的纤维，其平均直径为4 2 0m ，纤维分布也较为均匀，方 差仅为0 10 3 。溶液浓度及体积流率对静电纺丝的影响基本上呈现出单一性规律，通 常随着溶液浓度或者体积流率的增加，纤维的平均直径随之增大。 以冰醋酸和无水乙醇作为溶剂，进行明胶静电纺丝，不仅可以获得最细为几十纳 米的纤维，同时减少了纤维支架的毒性。纺丝完成后，用戊二醛进行交联，获得韧性 较好的明胶纤维膜。 关键词：聚碳酸酯聚氨酯明胶静电纺丝工艺参数纤维直径 a b s t r a c t e l e c t r o s p i n n i n gp o l y c a r b o m t e u r e t h a n e ( p c u ) i si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ee f f e c t o f p r o c e s sp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gs o l v e n t ，s o l v e n tc o n c e n t r a t i o n ，v o l u m ef l o wr a t ea n d v o l t a g e ， o nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ef i b r e sw e r es t u d i e d ，a tt h es a m et i m eb i o - g e l a t i n e l e c t r o s p i n n i n gp r o c e s sh a sb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ， w i t ht h ep u r p o s eo fi m p m v et h e b i o c o m p a t i b i l i t yo f s c a f f o l dm a t e r i a l sc o m b i n e dw i t hp c ue l e c t m s p i m a i n g d i m e t h y l f o r m a m i d e ( d m f ) a n dt e t r a h y d r o f u r a n ( t 脏) w e r es e l e c t e da ss o l v e n t t h e v o l u m er a t i oo ft h et w os o l v e n t sa f f e c t st h ep r o c e s so fe l e t r o s p i r m i n gs i g n i f i c a n t l y w h e n d m fi sa b o v e5 0v 、，b e a d f i b e r sw a se a s yt ob ef o r n 硼，a n dt h i sp h e n o m e n o nw a s h a r d l yt ob ec h a n g e db yv a r i n go t h e rp r o c e s sp a r a m e t e r s 5 0v v d m fi sa p p r o p r i a t e p r o p o r t i o n ，w h i l ec o n t i n u e l yr e d u c i n gt h ec o n t a n to fd m fi n t h es o l v e n tr e s u l t e di n f o r m a t i o no f n o n - u n i f o r mf i b e r s t h ea p p l i e dv o l t a g es h o w e dc o m p l e xe f f e c to ne l e c l r o s p i n n i n g w h e nt h ev o l t a g ew a s s e tb e t w e e n15a n d2 0k v , m o s ts a m p l e ss h o w e dt h ea v e r a g ed i a m e t e r soft h ef i b e r sa b ov e l g me x c e p to n l yas a m p l ew i t ht h ea v e r a g ed i a m e t e ro f 4 2 9n n la n dt h ev a r i a n c eo f 0 0 6 5 w h e nt h ev o k a g ew a sb e t w e e n2 0a n d3 5k v , t h e r ew a ss m a l l e s td i a m e t e ro f 2 6 5n mw i t h t h ea v e r a g ed i a m e t e ro f 4 2 0n l n 。a n dt h ev a r i a n c ew a so n l y0 1 0 3 s o l v e n tc o n c e n t r a t i o n a n dv o l u m ef l o wr a t eh a da nu n i i m p a c to nt h ea v e r a g ef i b e rd i a m e t e rw h i c hb e c a m eb i g g e r f o l l o w i n ga l li n c r e a s i n gs o l v e mc o n c e n t r a t i o na n dv o l u m ef l o wr a t e g e l a t i nw a sd i s s ol v e di nm i x e ds ol v en ta c e t i ca ci da n da n h y d r o u se t h a n ol , a n dt h e n m n of i b e r sw e r eo b t a i n e dt h r o u g he l e c t r o s p i n n i n gw i t hl e s st o x i cf i b e r s a f t e re l e c t r o s p u n , f i n e 的u g h n e s sg e l a t i nf i b e rm e m b r a n ew a s o b t a i n e dw i t hg l u t a r a l d e h y d ea sc m s s l i n k e r k e y w o r d s ：p c ug e l a t i ne l e c t r o s p i n n i n gp r o c e s sp r a m e t e r s f i b e r sd i a m e t e r 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。卜- 进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特另jj 3 n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得叁鲞苤鲎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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者躲瑟蕴签字隰劢口7 年莎月3 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 苤盗盘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，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用奉授权说明) 学位论文作者签名：缈 导师签名： 签字日期：劫77 年石月多日 握制 签字蹶冲f 配曰 天津大学硕士学位论文第章前言 第一童前言 静电纺丝技术的提出在上个世纪，但是对该技术的广泛关注始于近些年。根 据静电纺丝技术可以制备出纳米微米级超细纤维的特点，该技术越来越广泛的 被应用起来。目前静电纺丝方法已经用于几十种不同的高分子，包括大品种采用 传统化纤生产的合成纤维，如对苯二甲酸乙二酯、尼龙、聚乙烯醇等半结晶高分 子进行电纺；也包括聚氨酯弹性体的电纺；还有液晶态的刚性高分子具对苯二甲 酰对苯二胺、聚苯胺等的电纺。目前静电纺丝纤维主要是以在收集板负极上沉积 的无纺布的形式制得，其中单纤维的直径可以随加工条件而变化，也可以根据实 际纺丝要求和需要调整接受装置的形状，如转筒、转轴等。 静电纺丝材料的一个重要的应用方向是生物医学领域。将具有良好生物相容 性的材料通过静电纺丝加工成具有特殊超细纤维结构的组织工程支架是目前组 织工程研究的一个热点。相比其他支架制备技术，静电纺丝技术具有以下几个特 点：可以模拟天然细胞外基质的纳米网状结构，具有很大的比表面积，与细 胞外基质相近，对细胞的粘附和生长具有重要意义。制备的聚合物支架可以 是多种聚合物纤维的复合材料，该优点是其他支架制备方法难以做到的 1 1 。所 制备的支架具有多孔结构和相当于软组织的力学性能，纤维堆积结构保证了支架 材料内部的连通性。基于以上优点，静电纺丝技术越来越广泛的被用于组织工程 支架的制备，包括人工血管、人工肺、人工骨等。 5 0 年代以来，聚氨酯弹性体开始应用于医用材料。聚氮酯弹性体具有优异 的韧性、耐磨性能、软触感以及优异的耐湿气及耐多种化学品性能，其生物相容 性和血液相容性也很好，非常耐微生物，易于加工，能采用通常的方法灭菌，甚 至暴露在y 射线下而性能无变化，可适合于所需的医疗环境。因而在医学上， 特别是在制造植入人体的各种医疗用品方面有着广泛的用途，应用领域包括人工 心脏瓣膜、人工肺、骨粘合剂、人工皮肤与烧伤敷料、起博器导线、缝线、各种 夹板、导液管、人工血管、气管、插管、齿科材料、计划生育用品等。 本文在前人对静电纺丝及聚氨酯医用材料的研究基础上，采用脂肪族聚碳酸 酯聚氨酯c h r o n f l e x 为基本原料，将其溶解在d m f 和t 脏混合溶剂中进行 静电纺丝，考察工艺参数对聚氨酯静电纺丝过程的影响，找出聚氨酯静电纺丝的 最佳条件，然后采用生物相容性较好的明胶与聚氨酯静电纺成双层结构，以期用 于人工血管支架方面。 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 静电纺丝介绍 2 1 1 静电纺丝的历史 第二章文献综述 弟一早义陬琼途 静电纺丝简称电纺，其基本思想的形成于二十世纪三十年代。1 9 3 4 1 9 4 4 年 间，f 0 r m a k 7 】申请了一系列关于静电纺丝的专利，他在专利中报道了可以利 用高压静电驱动高分子溶液进行纺丝，并发明了用静电力制备聚合物纤维的实 验装置，使人们对静电纺丝有了初步的认识和了解。1 9 5 2 年，v o n n e g u t h 和 n e u b a u e r 8 】用他们发明的离子化装置能得到微粒直径( 约0 1 1h i m ) 均匀、带 电程度高的流线。1 9 6 6 年，s i m om 【9 】发明了一种静电纺丝装置，利用该装置可 以通过静电纺丝制备出很轻的超薄无纺织物。1 9 7 1 年，b a u m g a r t e n 1 0 】采用电 纺机制得直径为0 0 5 1 1 m 的丙烯酸纤维。1 9 8 1 年m a n l e y 和l a r r o n d o 1 1 】 报道了在没有机械力的作用下，将聚乙烯和聚丙烯熔体电纺成连续纤维，但是 这项技术并没有得到充分的认识和深入的研究。对静电纺丝技术的深入认识及 理论研究始于近十年，r e n e k e r 及其合作者【1 2 - 1 4 在认识静电纺丝过程和表征静 电纺丝纳米纤维方面进一步作出了贡献。b u c h k o 掣” 首次提出静电纺丝纤维 在轴向有微弱取向，其模型为串晶型。s p i v a k 等 1 6 】首次采用流动力学描述静电 纺丝。2 0 0 1 年，d e i t z e l 等【1 7 】系统研究了静电纺丝过程参数，包括电压、溶液 浓度等对聚环氧乙烷( p e o ) 超细纤维观形貌的影响。s h i n 等 1 8 】研究了射流的 电荷密度和不稳定性等。2 0 0 2 年，k e n a w y 等【1 9 】研究了静电纺丝超细纤维膜自 药物释放上的应用。m e g e l s k i 等 2 0 】研究了静电纺丝超细纤维的小孔结构和表面 化学性能。2 0 0 3 年，静电纺丝的科研工作者们又全面系统地研究了静电纺丝超 细纤维微观形貌的影响因素、表征、过程参数的改进以及间接地制备无机氧化 物超细纤维等，扩大静电纺丝超细纤维的应用范围【2 l - 2 2 1 。2 0 0 4 年开始多组分聚 合物的静电纺丝1 2 3 1 。 2 1 2 静电纺丝设备介绍 静电纺丝装置由通常的三个主要部分组成，如图2 一l 所示，即：高压电源、 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 液体容器及注射装置、接受装置。 毫糊静o j 二藩璃蚺 一 ，一斜避 7 撞娃职 ，岁丐j 乜蟾好辫 已尝童声罩 虢靠警毒 图2 。1 静电纺丝工艺简图 f j g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l c c n o s p i n n i n ga p p a r a t u s 图的上部分有一容器盛有高分子溶液或熔体，容器下端有一毛细孔可导出 高分子液体，盛有液体的容器可以是通常使用的注射器，也可以根据自身科研 特点自制，注射器末端与可以提供液体推动力的装置相连接，如微量注射泵、 氮气或者其他液体推动装置。图的中部是高压电源，根据实验需要提供高压静 电。高压电源的正极与注射器针头毛细孔顶端相连接，在距离毛细孔一定距离 的地方，放置接受装置，一般接受装置包括旋转的接收屏、静置的金属网或者 转筒，装置的形状及运动特性，可以根据静电纺丝目标为依据进行设计。a n d r e w s 等【2 4 】采用转轴接受装置研究聚氨酯静电纺丝，并对纺丝特性进行了深入的讨论。 a k i l 血。等【2 5 】研究了p s 和p v p 的平面接受静电纺丝特性。葛鹏飞等 冽研究 采用转筒接受装置研究了聚乳酸静电纺丝的特点，他们发现，聚乳酸的质量分 数及转筒的转速对纺丝结果影响较大，尤其当聚乳酸的质量分数为1 0 时最 细可纺得1 0 0 n m 的纤维。 2 1 3 静电纺丝的基本原理 静电纺丝是指高分子溶液或熔融液体在高压静电的条件作用下形成微米或 纳米超细纤维的过程，是目前得到微纳米超细纤维最重要的基本方法。其基本 原理是：毛细管内的聚合物溶液在挤出过程中，受到高压静电的作用，产生射 流。射流在相对两电极之间飞行的过程中，液流不断拉伸，溶剂挥发，溶液中 的高分子聚合物在这一过程中固化形成纤维最终接收在收集装置上，形成纤维 薄膜。这一技术的核心是，使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变 形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，得到纤维状物质，因而该过程称为静 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 电纺丝，或简称电纺。静电纺丝过程大致经历了三个阶段：射流形成、射流细 化、射流固化。 射流形成是指具有一定粘度的高分子液滴在电场力的作用下产生微射流， 当液滴形成圆锥的半顶角伞= 4 9 3 0 时，液体的表面张力和电场力达到平衡，形 成锥形，即所谓的泰勒锥( t a y l o r - c o n e ) 。t a y l o r 通过试验给出了产生射流的临 界电压( 射流出现“鞭动”所需要的最小电压) 如公式2 1 ： 嵋= 4 可h z ( 1 n 百2 l 一1 s ) ( 0 1 1 7 7 t 即) 其中：h 为收集距离，l 为毛细管长度，r 为毛细管半径，1 ，溶液的表面张力( h 、l 、r 单 位c m ；1 ，单位d y n c m 。1 ) 。 公式2 1 泰勒公式 e q 2 1t a y l o rf o r m u l a 静电纺丝过程工艺参数一般在满足上式的条件下，可以形成稳定射流。射 流在喷射过程产生的高频弯曲和拉伸，从喷出到接收屏之间是按照螺旋型轨迹 运行，如图2 2 所示，并在这一过程形成超细纤维，也就是所说的射流细化过 程。射流在细化过程中，通常受到溶液粘度、表面张力、溶剂性质影响。在溶 剂挥发不完全的情况下，收集到的纤维物质易被残余溶剂快速溶解，形成不规 则的孔洞及交联，此外，该过程还受到静电纺丝其他工艺参数和环境的影响， 是一个复杂过程。 图2 2 静电纺丝射流运动轨迹 f 瞎2 - 2p a t h w a yo fe l e c t r o s p i n n i n gl i q u i dd r o p l e t 射流细化过程可能存在三种类型的不稳定，第一种是经典的r a y l e i g h 不稳 定，这种不稳定性和射流的轴线成轴对称；第二种是轴对称不稳定性；第三种 天律大学硕士学位论文 第二章文献综述 是非轴对称的不稳定性也叫“鞭动”，主要是由曲张力引起的。对于射流直径， b a u m g a r t e n 等”得出，随着溶液中高分子溶剂黏度的增加，原本尖锐的t a y l o r 锥将变成近乎球型锥，接着在相同电场力的作用下，单位面积电荷数减少，液 滴所受电场力也随之减少，于是纤维直径随之增加。射流固化是指射流在电场 力作用下，溶剂迅速挥发固化的过程。射流在电场中各个时间段的运动形态不 相同，如图2 - 3 所示，因此接受到的纤维物质状态也各异。 _ ：- “i 山一k 矗山黉瓷二_ 阻蓝江1 00 皿89 蠲1 78 盥 2 67 盥3 56 衄 s 。上一函k ：= 。a & k 一h 4 40 盛5 33 雎6 22 辞7 1 】璐8 00 越 疆2 - 3 不同时问静电纺丝射流运动鹫 f * 2 - 3p a t h w a yo fe l e c t r 锯p i m m g 岫u i dd r o p l e ta cd i f f t t m e y a r i n 等假设在纺丝过程中无多股喷射和分叉情况下推导出描述溶剂 挥发过程中，射流质量和射流体积变化的方程在起始质量浓度为6 的溶液进 行纺垃，他们计算出，纺出的纤维截面积是原射流截面积的1 3 1 x 1 0 。3 倍，尽管 通过此方程得到了固化速率，但对纺丝过程中固化速率随电场强度、接收距离 等如何变化还不是很清楚。 2 1 4 静电纺丝的特点 静电纺丝过程的高电压可以使聚合物溶液形成直径为微，纳米级超细纤维。 静电纺丝有熔融纺丝和溶液纺丝两种方式。熔融纺丝纤维直径较大，溶液纺丝 形成的纤维直径较小。聚合物溶液静电纺丝可| 三【形成直径存纳米微米级的超细 纤维，伴随着纤维的固化，最终以无纺布的形成接受l u 接受装置上。静电纺丝 纤维直径较细通常在微，纳米级，无纺布上的纤维可以呈阿状贯穿排列因此 具有较高的孔隙率，s e l l i n g 等研究玉米蛋白的纺丝特性时，以二甲基甲酰 无津兀学硕士学位论文第二章文献绿进 胺、乙醇、蒸馏水等为1 i h 比例制得混台溶剂，结果茂现当电压为2 0k v 睢 最细可纺得0 3 , u m 的纤维，如图2 4 所示 圈2 - 4 玉米蛋白纺丝纤维 f i g2 - 4e l e c t r o s p k m i a go f z e i n s h i n 等虬p e o 和聚氨酯进行双组分静电纺丝，该双组分静电纺丝接收 到的无纺粕其孔隙率有明显的改善当聚氨酯浓度为2 5 ，p e o 浓度为3 5 时，聚氨酯支架的孔隙率可达到7 64 ，纤维亩径在2 0 0 5 0 0n n l 之间。 s i m o n e t 等”“在集乳酸和聚醚氯酯的静电纺缒时采用低温接收装置有效控 制接收装置的温度和澎度，井将干冰微粒引八接收装置。在干冰挥发后接收 到的无纺布可形成高孔隙率，最高选9 1 。 2 1 5 静电纺丝的影响因素 2 15 1 珠丝的形成 静电纺丝过程，过程工艺参数不当会促使珠丝出现，如图2 - 5 所示。珠丝 被坏了静电纺丝纤维的均一特性井降低了比表面积，因此是静电纺丝纤维的一 种结构缺陷，出现珠丝的1 ：j ：= 要原因是静电纺缝溶液体系及静电纺丝电压= 一般， 增大接收距离或者减少电场力会减少珠丝的密度= 蠹瘸 刳2 - 5 币同粘度时p e o 水溶液静电纺丝照片fe m = 0 7k v c mj f g2 - 5e l e c t r o s p i a n i n go fp e o h i oa td f f f e r c n t “w ( e 207 k v c m 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 当发生电喷时，低分子量液体的电力驱动射流会形成液滴，这种液滴的形成 原因是表面张力所致的射流毛细破裂。而对于高分子量聚合物溶液来说，毛细 破裂的形式不同，对于毛细不稳定性的响应不是完全破裂，而是液滴之间有射 流形成超细纤维，并在表面张力的驱动下射流半径缩小，这样就引起剩余的溶 液形成珠粒。形成珠丝的原因是溶解的聚合物中的卷曲高分子，在喷丝拉伸流 动的作用下转变成有取向的互相缠节的网络状结构，并且这种结构在纤维固化 凝结后依然维持从而形成珠丝。由表面张力导致的喷丝直径的收缩使得残留溶 液形成了珠粒。h o h m a n 等【3 2 】对聚合物溶液在开始喷射时建立了数学模型其 中不包括电场的影响。j a e g e r 【3 3 】在研究珠丝成因时发现，电喷开始与静电纺丝 电流有着一定的关系。喷射时电流越大，形成珠丝的趋势减小，在对p e o 纳米 纤维进行研究中发现，液珠直径和间距是与纤维的直径有关的：纤维直径越小， 液珠直径越小，液珠间距越小。改变聚合物溶液的浓度可以改变溶液的粘度。 当粘度增大时，珠丝数目减小，但是珠丝中液珠的直径会增大，液珠之间平均 距离会增大，同时纤维的直径增大，珠子形状从球形变到纺梭形。剩余电荷密 度是与电场强度和溶液的导电性有关的。当喷丝形状快速改变时，大量的剩余 电荷集中在溶液的表面。向聚合物溶液中加入导电的离子( 例如n a c l ) 时， 剩余电荷增加。相反，可以向其中加入极性相反的离子进行中和，以降低剩余 电荷密度。剩余电荷密度的计算公式为：剩余电荷密度= 喷丝的电流收集时间 聚合物溶液浓度x 溶液密度聚合物质量。剩余电荷密度与溶液浓度对珠丝有 相似的影响。当剩余电荷密度增加时，珠子变小，形状像纺锥状，同时纤维的 直径减小。当剩余电荷密度增加到一定值时，形成无珠丝的纤维。表面张力系 数是由聚合物和溶剂的性质共同决定的。降低表面张力，珠丝数目减少很快， 纤维直径减小。低分子量的聚合物易形成珠丝，这也是因为表面张力控制着喷 丝的出现。由于表面张力使喷丝的半径变小，这样剩余的溶液也容易产生珠丝。 因此，溶液的粘度、喷丝流中剩余电荷密度、溶液的表面张力是相互影响的。 表面张力使悬吊在毛细管顶处的液滴表面积减小，形成球状。而剩余电荷使同 种电荷斥力增大，液滴表面积增大。溶液的粘度又阻碍了液滴形状的改变，从 而影响了剩余电荷。y a r i n 等【3 4 】研究发现带有珠串缺陷纤维的形成和聚合物溶 液喷射流不稳流动有关。z o n g 等【35 】报道了溶液浓度、溶液电导率、电场强度、 溶液推进速率对消旋聚乳酸( p d l a ) 的d m f 溶液纺丝的影响。结果表明，p d l a 可纺浓度范围为2 0 4 0w t ，浓度低于2 0w t 不能形成纤维，浓度高于4 0 w t 聚合物溶液不能流动，纺丝无法进行。在可纺范围内，随着浓度的增加， 由珠串结构向均匀纳米纤维转变。美国维吉尼亚m a t t h e w s 纠36 】用六氟异丙醇 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 研) 作溶剂以1 7 的溶液浓度，成功地进行了胶原的静电纺丝，随溶 液浓度的提高，超细纤维的形貌由珠丝逐渐转化为均匀的纤维，直径介于2 0 0 6 0 0 n m 之间。 2 1 5 2 纤维的形成及影响 静电纺丝过程，纤维的形成主要包括三个步骤：射流产生和射流沿直线 延伸；射流弯曲形成不稳定的伸长和进一步拉伸，该步骤允许射流变得很细 很长，此时其路径为环形或螺旋形；射流固化成超细纤维。对于稳定的可形 成超细纤维的溶液，纤维的直径、均匀度等受过程参数影响较大。静电纺丝过 程工艺参数及聚合物溶液的性质是纺丝纤维的主要影响因素，过程参数主要包 括：纺丝电压、环境温度、接收装置等，这些都是纤维结构、纤维直径及形貌 的主要影响因素。聚合物溶液性质对于纺丝结果的影响显著。聚合物的粘度及 电导率是溶液形成射流后能否延伸成为超细纤维的重要影响因素，是决定纤维 直径的主要因素，因此，在静电纺丝过程要求聚合物溶液的粘度在合适的范围 内。影响聚合物溶液粘度的因素之一是聚合物的分子量，通常情况下，高分子 量聚合物易形成高粘度的聚合物溶液，分子量相对较小的聚合物容易形成粘度 较低的溶液，较低的粘度容易形成珠丝，当粘度逐渐变大时，珠丝减少，最后 形成均匀的纤维。高浓度的另一影响可以通过较小的沉积区来观察。浓度增加 意味着溶液粘度相当大，大到足以影响弯曲失稳，它出现于针尖，并开始一较 长距离。结果，喷射路径缩短，弯曲失稳只能覆盖一个较小的区域 3 7 1 。溶液的 表面张力也是静电纺丝的主要影响因素之一，电纺进行时，电荷在溶液小液滴 中累积，形成电荷力，当电荷力累积到一定程度，则克服溶液表面张力形成超 细射流。当聚合物溶液表面张力较低时，易于形成无珠丝的均匀纤维。通常情 况下，一般可以加入其它物质来降低溶液表面张力，z e n g 等【3 8 】在研究静电纺聚 乳酸作为药物控释材料时，在聚乳酸溶液中加入氯仿和丙酮，发现电纺纤维形 貌有了较大的改变。静电纺丝过程中液滴的拉伸是因为液滴表面的电荷不断拉 伸的结果。因此，溶液的电导率也是影响纺丝结果的主要因素之一。当溶液电 导率增加时，电纺液滴所带的电荷增加，使液滴拉伸过程变得容易。一般可以 通过在溶液中加入离子的方法改变溶液的电导率，例如加入n a c l 、k l i 等无 机盐类物质或其它有机盐类物质。除溶液自身的性质外，静电纺丝参数也是静 电纺丝主要的影响因素，具体包括，电压：高电压能够增加静电纺丝所需电荷 及溶液受静电力的大小，使溶液中有更多的电荷克服溶液的表面张力，在一定 范围内，随着电压的增高，纤维的直径变小；体积流率，即静电纺丝过程中， 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 一定时间内形成射流的溶液的体积数。当溶液的体积流率较大时，射流形成及 纤维细化、固化阶段，需要更多的时间挥发溶剂，同时需要更多的电荷克服表 面张力形成纤维，因此，在其他条件不变的情况下，增加体积流率，纤维的直 径也会随之增加。环境温度及收集装置也会对静电纺丝结果产生影响，以氯仿 为溶剂的高聚物溶液为例，相对温度较高的环境有利于电纺过程溶剂的挥发， 而当采取转轴为接受装置时，高转速则更有利于形成取向排列较好的纤维。毛 细管的直径对纺丝过程有着直接的影响，当毛细管直径较小时，可以减少纤维 中的珠丝现象及纤维的直径 39 j ，当毛细管的直径过于小的时候，则难以形成液 滴。接受距离也是不可忽略的影响因素，一般情况下，增加接受距离有利有射 流细化过程及溶剂挥发过程时间增加，因此更利于形成超细纤维。b o l a n d 等【4 0 】 采用高速旋转柱状接收装置制备了平行排列的聚羟基乙酸纳米纤维，尺寸范围 在1 0 0 4 0 0 础，纤维之间的间距为1 2 “m 。郑高峰等【4 l 】采用近场静电纺 丝技术，调整电极与接收板之间的距离至2 1 0m m ，静电纺p e o 纤维，收 集到的直写微米纤维线宽为1 5 5 2p m ，为柔性电子制造业进一步降低导线线 宽、减少工艺流程和降低制造成本都有良好的促进作用。“等【4 2 】将聚苯胺、明 胶和樟脑磺酸溶于h f i p 中，进行电纺时发现，聚苯胺对纤维形貌影响明显， 随着聚苯胺含量的增加，纤维直径明显变细，最细可达2 0 衄，无纺布的弹性 模量也呈现增长趋势，细胞培养结构也随着聚苯胺德增加呈现良好趋势，增长 和成活率都有所增加。b u t t a f o c o 等【4 3 】对合成血管支架材料进行了深入研究，以 胶原蛋白和弹力蛋白混合，通过静电纺丝的方法，以期形成与细胞外基质结构 相似的支架，发现容积对电纺结果影响明显，同时为了增加溶液的电导率，在 溶液中加入n a c l ，这一举动明显改善了纤维形貌，明显降低了纤维直径。 2 2 聚氨酯生物材料及明胶的生物医学应用 2 2 1 聚氨酯生物材料 2 2 1 1 聚氨酯材料的介绍 聚氨酯( p o l y u r e t h a n e ，简称p u ) 是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元 醇或及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物，通 过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到 坚硬的最终产品。聚氨酯材料具有很好的耐磨性、弹性、生物相容性及抗凝血 性，是目前被研究最广泛的医用高分子材料之一。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 2 1 2 聚氨酯生物材料的生物医学应用 医用材料通常是指能直接与生理系统接触并发生相互作用，能对细胞、组 织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功 能材料m 】作为直接用于人体的生物医学材料，必须要具有以下四个特点：生 物功能性：可以根据具体应用环境的用途而己，例如，作为缓释药物时，药物 的缓释性能就是其生物功能性；生物相容性，主要包括两方面，一方面是材 料反应：材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损等，另一方面是宿主反 应：包括局部或全身地炎症、细胞毒性、凝血过敏等。生物相容性一般不引起 凝血、不破坏红细胞、不破坏血小板、不改变血中蛋白、不扰乱电解质平衡。 化学稳定性，对于长期植入的医用高分子材料，生物稳定性要好，对于短期 植入的高分子材料，则要求其在确定时间内降解为无毒的单片或片段，通过吸 收、代谢过程排出体外。生物加工性，使用材料必须符合医用标准，且具有 可塑性，易加工的特点。 聚氨酯分子结构中的软硬段存在着极性差异，这种结构使聚氨酯材料与生 物体之间有着良好的生物相容性，因此在生物医学方面有着极为广泛的应用。 包括人工心脏瓣膜、人工肺、骨粘合剂、人工皮肤、人工血管、心脏起博器绝 缘线、缝线、医用导管等。人工心脏及心脏辅助装置对材料的性能要求苛刻， 而临床实验证明，聚氨酯弹性体在血液相容性、生物相容性、耐久性等方面均 优于天然橡胶、硅橡胶等，成为国内外研制人工心脏及其辅助装置的首选材料； 聚氨酯医用材料在人工皮肤方面也得到广泛的应用，聚氨酯人工皮肤具有透气 性好、能促使表皮加速生长、可以防止伤口水分和无机盐类的流失；聚氨酯是 一种弹性良好的高分子材料，小径微孔聚氨酯血管具有良好的水渗透性、血液 相容性，与天然血管相匹配的顺应性，可以大大减少新内膜增生，此外，合理 的孑l 径和孔隙率的三维设计能增强内皮细胞在支架上的黏附、长入和铺展，加 速内皮细胞化过程，并且在机械性能方面与天然血管相近，天然主动脉的轴向 抗张强度为0 7 9m p a ，m i c h a e l f 4 5 】研制的聚碳酸酯聚氨酯人工血管轴向抗张强 度在1 5 4 4m p a 范围。采用新一代耐生物作用的聚碳酸酯聚氨酯和独特的专 利技术、开发、生产了自封闭血管接口移植物，并进一步开发出柔性、小直径 血管修补材料。医用导管种类繁多、材料各异。聚氨酯生物材料在制造医用导 管方面取得了良好进展，u b e 工业公司以丁二醇和m d i 制得预聚物，经处理 后得到人造导管，该导管内部表面有无数球形孔，适用作狭窄导管，便于长期 使用，研制的人造血液导管，由聚氨酯或聚氨酯一脲3 层管壁制成的，其厚度至 5g m ，药用针容易穿透，且血液不可渗透。聚氨酯材料在医用粘合剂方面也有 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 广泛应用，其特点是：吸收生物体组织表面水分，增强与组织间的接合， 与水反应快速固化，固化物具有一定柔韧性，可生化分解。p a 、) l o v a 等【4 6 】 研制了亲水性聚氨酯粘合剂和聚丙烯酸酯聚氨酯粘合剂，可载药，用于物理或 外伤创伤、烧伤、溃疡等，具有优异生物相容性和生物降解性。除此之外，聚 氨酯生物材料在神经修复、骨科、人工韧带等方面也有广泛的应用。总之，聚 氨酯合成材料基于其优异的生物性能，在生物医学方面有着广泛的应用。 2 2 2 明胶的生物医学应用 2 2 2 1 明胶的介绍 ， 明胶( g e l a t m ) 为水溶性聚合物，是一种变性胶原，与胶原的组成和性质相 近，是细胞外基质的主要成分之一，具有很好的神经亲和性能，但是其力学性 能较差，在使用过程中，需要使用交联剂改善其性能。 2 2 2 2 明胶的生物医学应用 明胶有优异的生物相容性，因此在医用海绵、创伤敷料、组织工程等方面 有着极为广泛的应用。p o m i c 础。等【4 7 】研究发现明胶可作为b m c s 、软骨细胞 或生长因子的载体，移植后可促进骨折愈合和骨缺损的修复。该类生物材料相 容性好，有利于细胞黏附增殖和分化，但是缺乏必要的机械强度，降解速度难 以控制。袁磊等【铝 分别以天然材料壳聚糖、胶原、透明质酸、海藻酸盐和人工 合成的聚合物材料p c l e e p 、聚乳酸羟基乙酸共聚物( p l g a ) 等为对象，讨 论利用修饰或者改性的方法，使天然生物材料和人工高分子聚合物扬长避短， 可能制造出一类具有良好力学性能和细胞相容性的生物材料的想法，在肝脏组 织方面有良好的应用前景。肖涛等【4 9 】用胶原纳米骨与软骨细胞复合培养后测验 发现胶原基纳米骨支架材料显示为多孔海绵状，细胞在支架材料表面分布良好， 随培养时间延长细胞数目进一步增加，部分细胞长入支架纤维内部，且形态良 好。在骨组织方面有着良好的应用前景。 2 2 3 静电纺丝在生物医学方面的应用 2 2 3 1 静电纺丝在组织工程方面的应用 静电纺丝技术广泛地用于过滤材料：多功能纳米管，特别是医学领域的外 伤敷料、组织工程支架、药物释放系统等的研究。因为，在生物体的连接组织 中，细胞外基质为个粘多糖和纤维蛋白( 如胶原) 的复合结构，而胶原纤维 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 结构通常是一个具有纳米尺寸的三维网络结构。因此，设计人体组织工程支架 的一个思想就是用纳米纤维构建具有纳米尺寸的三维结构。作为组织工程应用 材料，需要具备通常所说的“多孔结构，由聚合物构成，可以作为培养基和诱 导组织的再生”，目前有很多方法可以制备出具有该特点的支架材料，包括传统 喷涂方法、明胶法、盐浸渍法等，相比较下，静电纺丝法不仅可以保持材料原 有的良好的生物相容性，且具有较高的孔隙率、较大的比表面积、良好的机械 特性，因此在医学领域有着广泛的前景，例如可以通过静电纺丝的方法将聚氨 酯加工成人工血管、人工皮肤、超滤膜等。自1 9 7 8 年以来人们认为在工艺参 数控制合适的条件下，可以用静电纺丝的方法制备人工血管【5 0 1 。随着电纺技术 的不断发展及研究的深入，静电纺丝在制备特殊用途的组织工程支架方面取得 了一定的进步。v e n u g o p a l 等【5 1 】用p c l 为基本原料，通过静电纺丝的方式将 其加工成纳米纤维支架，进一步进行了表面经胶原蛋白处理，用来培养冠状动 脉平滑肌细胞，结果发现细胞沿纤维取向生长良好，能够填充支架并形成平滑 肌组织，作者认为其可用作血管组织的再生。 2 - 2 3 2 静电纺丝在合成高分子材料的应用现状 合成高分子聚合物在组织工程方面的应用广泛，包括聚氨酯、聚乳酸等， k h o r a s a n i 等【5 2 研究以嵌段聚醚氨酯纺制小口径人工血管时，研究了静电纺丝 工艺过程受参数影响的规律，他们发现增加接收距离时，材料内外表面孔隙率 均变大，同时材料的弹性模量变小；当转轴速度为2 0 0r p m 时，能够取得最大 孔隙率，同时管层之间交联度变好，他们认为，较低的转速，能够使纺丝过程 有足够多的时间进行溶剂挥发及层与层之间的交联，同时转速越大，弹性模量 越大。k e n a w y 等 5 3 1 研究了四环素在静电纺丝制备的乙烯醋酸乙烯酯共聚物 ( p e v a ) 、p l a 及二者混合物纳米纤维无纺布的释放效果，结果发现静电纺丝 能够很好地控制高分子生物制品形貌、孔隙率及进行组分的调节，p e v a 和混合 物溶液纺制的电纺丝制品具有相对平稳的释放速率。静电纺丝能够制备纳米级 的仿生纤维。k w o u n 等 5 4 】用p l g a 制成膜包覆在厚度剪切模式( t s m ) 压电 材料上，对气体和液体进行探测发现具有高的灵敏度。l e e 等【55 】用甲基丙烯酰 氯与1 丁醇芘合成的单体再与甲基丙烯酸甲酯共聚，以偶氮二异丁腈为引发 剂合成一种荧光聚合物，静电纺丝后制成消光化学传感膜，发现与其它膜相比， 对2 ，4 二硝基甲苯具有更高的感知能力，随其浓度的增加荧光强度下降。 b e r g s h o e f 等 5 6 将尼龙的甲酸溶液用静电纺丝的方法制备得到3 0 - 2 0 0 衄的 纳米纤维，并将该纤维与双组分环氧树脂进行混合，固化后得到透明的复合材 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 料。力学性能研究表明，和未改性环氧树脂相比，纳米纤维增强的环氧复合材 料的弹性模量和拉伸强度大幅度提高，对尼龙纳米纤维起到了增强的作用。 t e l e m e c o 等 5 刀对缝隙细胞在分别由电纺胶原、明胶、p g a 、p l a 、p g a p l a 共 聚物构成的组织工程支架中的渗透做了表征。对于每种原料，选择最佳电纺条 件来制造由直径小于1 0 0 0 衄的纤维构成的组织工程支架，支架内径2h i m 壁 厚2 0 0 2 5 0p m 。当把电纺支架移植入大鼠的大外侧肌肉的空隙中。当把电纺 支架移植入大鼠的大外侧肌肉的空隙中，电纺明胶支架被缝隙和内皮细胞迅速 而致密地渗透，并在7 天内可见明显的具有一定功能的血管。 2 2 3 2 1 聚氨酯静电纺丝 基于聚氨酯材料优异的生物特性，聚氨酯静电纺丝在生物组织工程方面有 着广泛的应用。s i m o n e t 等【5 8 】聚乳酸和聚醚氨酯的静电纺丝时，采用低温接收 装置，有效控制接收装置的温度和湿度，并将干冰微粒引入接收装置。在干冰 挥发后，接收到的无纺布可形成高孔隙率，最高达9 1 。s h i n 掣3 0 】以p e o 和 聚氨酯进行双组分静电纺丝，制备出纤维直径在2 0 0 5 0 0h i l l 之间的聚氨酯支 架，其孔隙率可达到7 6 4 。当p e o 浓度为3 5 时细胞增殖效果明显优于 p e o 浓度为2 5 时。h u a n g 等【5 9 】以自己合成的可降解聚氨酯进行静电纺丝， 考察静电纺丝工艺参数对纺丝形貌的影响。他们发现，当聚氨酯浓度较低时， 微观结构下珠状连接较多，浓度提高时，则纤维有明显改善，当聚氨酯浓度为 1 8 时，最细的纤维直径可达1 8n l l l 。 2 2 3 3 静电纺丝在天然大分子方面的应用 2 2 3 3 1 静电纺天然高分子纤维 静电纺天然高分子纤维主要包括以下几种物质 6 0 】，纤维素( c e l l u l o s e ) ：纤 维素是一种无毒、可降解的天然大分子链多糖，链上存在大量的羟基，使纤维 素分子之间的氢键较强。因此纤维素难以溶解于许多有机和无机溶剂中。美国 康奈尔大学k i m 【6 1 】报道了采用氯化锂二甲基乙酰胺体系溶解纤维素，采用水作 凝固浴，直接进行纤维素静电纺丝的方法，得到了较为均一的纤维素超细纤维。 胶原( c o l l a g e n ) ：胶原蛋白是动物体中最广泛存在的蛋白质，它分布于动物的皮 肤、骨、腱等连接组织中。在静电纺丝中，胶原溶液不易形成连续的纤维。h u a n g 等懈j 在胶原的酸溶液中加入了p e o ，利用静电纺丝制备了胶原p e o 共混纳米 纤维，纤维直径在1 0 0 1 5 0n m 之间，且具有较好的力学性能。甲壳素( c h i t i n ) ： 甲壳素有较好的生物相容性、降解性、抗凝血及促进外伤愈合等功能。在常规 纺丝中，甲壳素可溶于三氯乙酸、二氯甲烷的混合液，也可溶于含有氯化锂的 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 二