（材料学专业论文）静电纺丝制备聚乙烯醇超细纤维膜及其负载药物的研究.pdf

摘要 静电纺丝是一种借助于静电场作用对聚合物溶液或熔体进行纺丝的过程， 它 所形成的纤维直径为亚微米级。 静电纺丝制成的超细纤维膜， 具有多孔结构， 有 较高的比表面积， 在过滤、 纳米复合材料、 伤口 敷料以及组织工程支架等方面具 有许多 潜在的 用途。 本文以 水为溶剂， 利用静电 纺丝的方法制备聚乙 烯醇( p v a ) 超细纤维膜，以扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜观察超细纤维的微观形貌， 系统研究了p v a 超细纤维微观形貌的影响因素。 结果表明， 对于醇解度为9 8 m o i % 的 p v a ，接收距离和溶液流量对纤维直径的影响很小;当外加电压山 5 k v提高 到1 0 k v 以上时， 纤维直径分布变宽; 而溶液性质对纤维的形貌起决定作用。随 着溶液浓度由6 w t %逐渐提高到8 . 3 w t % ，纤维由珠丝转变为均匀纤维，纤维的 平均直径也由8 7 n m逐渐增大到2 4 6 n m。在溶液中加入可溶性盐，可显著提高 溶液的电导率，使纤维直径下降， 溶液中n a c l 的浓度由0 . 0 5 % 上升至0 . 2 %时， 纤维平均直径由2 1 4 n m下降至1 5 9 二。溶液中加入易挥发组分乙醇，可有效提 高静电纺丝纤维成型速度， 但同时也改变了溶液的表面张力和粘度， 使纤维直径 下降并出现梭形珠。 在相同的静电纺丝条件下，当p v a 醇解度由8 0 % 逐渐提高至 9 9 % 时，纤维由相互连接的网状、带状转变为均一纤维，而后又变为珠丝。以红 外光谱和x 光电子能谱对p v a 超细纤维膜的化学组成进行分析， 结果表明静电纺 丝过程对p v a的化学结构并无明显影响。用x 射线衍射和差示扫描量热对纤维 的微观结构进行研究表明静电纺丝过程影响 p v a超细纤维膜的结晶度和晶形的 完善程度。 p v a 超细纤维膜的结晶度只有3 4 % ，大大低于p v a 水溶液浇铸膜的结 晶度 4 5 % ) ，但略高于p v a 粉末原料 ( 3 0 % ) .短时间退火后，超细纤维膜的结 晶度提高到 4 0% 。超细纤维膜的力学性能测试表明，其拉伸强度为 5 . 1 0 上 0 . 7 7 m p a ，模量为2 3 6 士 2 7 m p a ，断裂伸长率为8 .2 8 士 2 . 3 8 % ， 力学性能较浇铸膜 差。超细纤维膜的吸水性能测试表明，其吸水率在3 0 0 %以上，高于浇铸膜。利 用静电纺丝法可将阿斯匹林、 牛血清清蛋白 包载入p v a 超细纤维中， 制成具有药 物释放功能的p v a 超细纤维膜。超细纤维膜放入生理盐水中后， 纤维中的阿斯 匹林、 牛血清清蛋白以较快的速率释放出来， 与含有等量药物的浇铸膜相比， 释 放动力学曲线有明显差异。 关键词:聚乙烯醇，静电纺丝，形貌，药物释放系统 abs t ract e l e c t o s p i n n i n g i s a p r o c e s s t h a t p r o d u c e s p o l y m e r f i b e r s w it h d i a m e t e r i n t h e s u b - m i c r o n r a n g e u n d e r t h e a c t io n o f a n e x t e r n a l e l e c tr i c f i e l d i m p o s e d o n a p o l y m e r s o lu t i o n o r m e l t . n o n w o v e n m e m b r a n e s c o m p o s e d o f e l e c tr o s p u n f ib e r s h a v e a l a r g e s p e c i f i c s u r f a c e a r e a a n d s m a l l p o re s i z e c o m p a r e d t o c o m m e r c i a l t e x t i l e s , m a k i n g t h e m e x c e l l e n t c a n d i d a t e s f o r f i l t e r s , n a n o c o m p o s i t e s , w o u n d d r e s s i n g s a n d e n g i n e e r i n g s c a ff o l d s . i n t h i s w o r k , s u b m i c r o n p o l y v i n y l a l c o h o l ( p v a ) f ib e r m a t s w e r e p r e p a r e d b y e l e c t r o s p i n n i n g , a q u e o u s p v a s o l u t i o n w i t h 6 w t% - 8 w t % c o n c e n tr a t i o n . f i b e r m o r p h o l o g y w a s o b s e r v e d u n d e r s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e , t r a n s m i s s i o n e l e c tr o n m i c r o s c o p e a n d a t o m ic f o r c e m i c r o s c o p e . i t w a s f o u n d t h a t , w h e n p v a w i t h 9 8 m o l % ， h i g h d e g r e e o f h y d r o l y s i s ， w as u s e d i n e l e c tr o s p i n n i n g , t i p - t a r g e t d i s t a n c e a n d s o l u t i o n f e e d r a t e h a d n o s i g n i fi c a n t e ff e c t s o n fi b e r d i a m e t e r . w it h h i g h v o l t a g e a b o v e 1 0 k v , p v a f i b e r s e x h i b i t e d a b r o a d d i a m e t e r d i s t r i b u t io n . wi t h i n c r e a s i n g s o l u t i o n c o n c e n tr a t i o n , t h e m o r p h o l o g y w a s c h a n g e d fr o m b e a d e d f ib e r t o u n i f o r m f i b e r a n d t h e a v e r a g e f i b e r d i a m e t e r c o u l d b e in c r e a s e d fr o m 8 7 n m t o 2 4 6 n m. i t w a s a l s o f o u n d a d d i t i o n o f e t h a n o l a n d s a l t h a d o b v i o u s e ff e c t s o n t h e f i b e r d i a m e t e r a n d m o r p h o l o g y o f e l e c t r o s p u n p v a fi b e r s b e c a u s e o f t h e d i ff e r e n t s o l u t i o n c o n d u c t i v it y , s u r f a c e t e n s i o n a n d v i s c o s it y . mo r e b o n d e d f i b e r s t r u c t ure s w e r e f o u n d f o r p a r t i a l l y h y d r o l y z e d p v a . t h e m o r p h o l o g y w a s c h a n g e d fr o m r i b b o n l i k e f i b e r s t o u n i f o r m f i b e r s a n d t h e n t o b e a d e d f i b e r s w h e n t h e h y d r o l y s i s d e g r e e o f p v a i n c r e as e d f r o m 8 0 % t o 9 9 % g r a d u a l l y . f o u r ie r tr a n s f o r m e d i n f r a - r e d s p e c t r a a n d x - r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y o f p v a f i b e r m a t s h o w e d t h a t e l e c tr o s p i n n i n g p r o c e s s b r o u g h t n o c h a n g e s t o p v a c h e m i c a l s t r u c t u r e . e v a l u a t i o n o f m i c r o s t r u c t u r e b y x - r a y d i f fr a c t i o n s h o w e d p o o r d e v e l o p m e n t o f c r y s t a l l i n e i n e l e c tr o s p u n p v a f i b e r m a t s . a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i m e t r y t h e r m a l a n a l y s i s , t h e d e g r e e o f c r y s t a l l i n it y o f t h e e l e c tr o s p u n p v a f i b e r m a t w a s o n l y 3 4 %, s i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n t h a t o f c a s t i n g f i l m ( 4 5 % ) b u t s l i g h t ly h i g h e r t h a n p v a c o m m e r c i a l p o w d e r ( 3 0 % ) , a n d in c r e a s e d t o 4 0 %a ft e r a n n e a l i n g a t 9 0 c f o r 1 h . t h e t e n s i l e s t r e n g t h , y o u n g s mo d u l u s a n d s tr a i n a t b r e a k o f p v a f i b e r m a t w e r e 5 . 1 0 士0 .7 7 mp a , 2 3 6 士2 7 mp a a n d 8 .2 8 士2 .3 8 % r e s p e c t i v e l y , i n d i c a t i n g p o o r m e c h a n i c a l p r o p e r ti e s c o m p a r e d w i t h p v a c as t i n g f i l m . wa t e r a b s o r b e n c y o f p v a fi b e r m a t s w e r e m o r e t h a n 3 0 0 % , h i g h e r t h a n t h a t o f p v a c a s t i n g f i l m . p v a f i b e r m a t s w e r e e x p l o r e d as d r u g d e l i v e r y v e h i c l e s u s i n g a s p i r i n a n d b o v i n e s e r u m a l b u m i n ( b s a ) a s m o d e l d r u g s . t h e y w e r e p r e p a r e d b y e l e c t r o s p i n n i n g a q u e o u s p v a s o l u t i o n c o n t a i n i n g t h e d r u g s . r e l e a s e p r o f i l e s o f a s p i r i n a n d b s a fr o m t h e e l e c t r o s p u n f i b e r m a t w e r e c o m p l e t e l y d i ff e r e n t fr o m t h e s a m e d r u g d e l i v e r y s y s t e m s m a d e fr o m p v a c a s t i n g f i l m k e y w o r d s : p o l y v i n y l a l c o h o l , e l e c t r o s p in n i n g , m o r p h o l o g y , d r u g d e l i v e r y 第一章 医用纤维材料及其研究进展 第一章医用纤维材料及其研究进展 纤维在医学上的应用具有悠久的历史， 天然纤维如蚕丝、 棉纤、 亚麻等vv 就被用作外科手术缝线， 纤维织物一直是主要的外伤敷料。 随着医学科学的发展 及科技的进步， 性能优异的纤维材料不断被开发出来， 拓展了纤维在医学上的应 用。医用纤维从形态上可分为短纤维、 长纤维。 短纤维主要用于增强， 如玻璃纤 维增强齿科材料 i- 2 1 ; 长纤维用作外科手术缝线， 纤维束或纤维编织物 包括三 维织物) 可作为组织工程支架用于人体组织的修复和再生。 医用纤维材料主要包 括金属、 碳纤维l 1 、 无 机材料及高 分子。 银丝、 不 锈 钢丝、 担丝等金属丝 都曾 在 临 床上用作非吸收性手术缝线们 。 近年来， 除性能 较好的金属钦纤维被研究用作 骨再生的支架材料之外， 金属纤维在医学上的应用正逐渐被综合性能更优良的高 分子纤维替代。医用高分子纤维材料主要包括合成高分子及天然高分子两大类， 它们主要用于伤口敷料、外科缝线、组织工程与人工器官中。 1 . 1 合成高分子纤维材料 用于纺制医用纤维的合成高分子材料分为不可降解及可降解两大类。 不可降 解的合成高分子纤维材料主要有聚乙 烯( p e ) 、 聚丙烯( p p ) . 聚对苯二甲酸乙三醉 酩( p e t ) 、 聚乙烯醇( p v a ) 及聚氨酷等; 可降解的合成高分子材料主要有聚乙交酚 ( p g a ) . 聚丙交醋( p l a ) 及二 者的共聚物( p l g a ) , 聚对二氧杂环己 酮( p d s ) , 聚 - 己内醋等。纺制医用纤维常用的合成高分子的化学式如图1 - 1所示。 11 . 1 不可降解的合成高分子纤维材料 1 . 1 . 1聚乙烯 f la s e g a w a报道了 利用超高分子量聚乙烯单丝的三维编织物 ( 图 1 - 2 )修复 家兔膝盖软骨， 并用低密度聚乙烯将y l 基磷灰石粘结在织物表面。 动物实验表明， 透明软骨在三维织物表面形成且并未引起感染或严重的滑膜炎， 表明这种材料具 有很好的生物相容性r 第一章医用纤维材料及其研究进展 第一章医用纤维材料及其研究进展 纤维在医学上的应用具有悠久的历史，天然纤维如蚕丝、棉纤、砸麻等很! f 就被用作外科手术缝线，纤维织物一直是主要的外伤敷料。随着医学科学的发展 及科技的进步，性能优异的纤维材料不断被开发出来，拓展了纤维在医学上的应 用。医用纤维从形态上可分为短纤维、长纤维。短纤维主要用于增强，如玻璃纤 维增强齿科材料”“1 ；长纤维用作外科手术缝线，纤维束或纤维编织物( 包括三 维织物) 可作为组织工程支架用于人体组织的修复和再生。医用纤维材料丰要包 括金属、碳纤维“、无机材料及高分子。银丝、不锈钢丝、钽丝等金属丝都曾在 临床上用作非吸收性手术缝线“1 。近年来，除性能较好的金属钛纤维被研究用作 骨再生的支架材料之外，金属纤维在医学上的应用正逐渐被综合性能更优良的高 分子纤维替代。医用高分子纤维材料主要包括合成高分子及天然高分子两大类， 它们主要用于伤口敷料、外科缝线、组织工程与人工器官中。 1 1 合成高分子纤维材料 用于纺制医用纤维的合成高分子材料分为不可降解及可降解两大类。不可降 解的合成高分子纤维材料主要有聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 、聚对苯二甲酸乙二醇 酯( p e t ) 、聚乙烯醇( p v a ) 及聚氨酯等；可降解的合成高分子材料主要有聚乙交酯 ( p o a ) 、聚丙交酯( p l a ) 及二者的共聚物( p l g a ) ，聚对二氧杂环己酮( p d s ) 、聚e 己内酯等。纺制医用纤维常用的合成高分子的化学式如图卜1 所示。 1 ，1 1 不可降解的合成高分子纤维材料 1111 聚乙烯 - i a s e g a w a 报道了利用超高分子量聚乙烯单丝的三维编织物( 图1 - 2 ) 修复 家兔膝盖软骨，并用低密度聚乙烯将羟基磷灰石粘结在织物表面。动物实验表明， 透明软骨在三维织物表面形成且并未引起感染或严重的滑膜炎，表明这种材料具 有很好的生物相容性“1 。 第一章医片j 纤维材料及其研究进展 1 1 1 2 聚丙烯 等规聚丙烯作为非吸收缝合线始于2 0 世纪6 0 年代，p p 单丝缝合线采用熔 融纺丝法制得，直径约0 5 m m 0 8 m m ，商品名为s u r g 1 e n e 聚丙烯缝合线具 有优异的力学性能，良好的化学稳定性，与人体组织反应小，适合心血管手术。1 。 + c h y c n 2 - - b + l 2 + ap eb p p - f - c f r c f r 矗 c p t f e 十一c h 产h r 。且 斗 十嚣一c h 士 士o - - c h 魁- - 赳扯c 咖士 fp g a g p l ag p c l 士扣扣c h 趣斗沪l 兰c a i p d s j p h b 图1 1 台成医用高分子纤维材料的化学式 f i g 1 - 1 c h e m i c a ls t r u c t u r e so f f i b r o u sm a t e r i a l sf r o ms y n t h e t i cp o l y m e r s f o rb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n 11 1 3 聚对苯二甲酸乙二醇酯 聚对苯二甲酸7 , - - 醇酯纤维，商品名为d a c r o n ，现在l 临床使用的人工血管主 要由d a c r o n 制成。聚酯纤维缝线是强度最大的非吸收缝线，同样适于心血管手 第一章医用纤维材料及其研究进展 术。聚酯纤维的编织物及无纺织物( n o nw o v e nf a b r i c s ) 也被研究用作组织细 胞培养的支架材料“3 。作为不可降解的织物，其更适用于细胞活性物质的生产。 由纺织的和无纺的聚酯纤维混合织物组成的动脉修复物如图l3 所示，商品名为 p r o t e g r a f t d v l 9 0 0 ”。k a r a m u k 等和m a y e r 等还分别研究了表面涂有p l g a 后 d a c r o n 的二维及三维织物上肝细胞的生长情况，并通过加入内皮生长因子提高 了肝细胞的粘附”1 。 11 14 聚四氟乙烯 聚四氟乙烯单丝可用作心血管缝合线，商品名为g o r e t e x 。1 。在心脏的修复 中将生物组织与金属或聚合物支架缝合起来。 图l 一2 聚乙烯三维织物照片 f i g 1 - 2p h o t o g r a p ho fp et h r e e d i m e n s i o n a lf a b r i c 图1 3 聚酯纤维血管修复织物扫 描电镜照片 f i g 1 - 3s e mm i c r o g r a p ho f p e t a r t e r i a lp r o s t h e s e 1 1 15 聚氨酯 由无纺聚氨酯纤维织物构成的血管修复物的商品名为v a s e u g r a f t ，是由聚 酯型聚氨酯制备的“1 。聚合物溶于有机溶剂中，然后直接将纤维纺在转鼓卜，得 到的壁是由互相交叠的细纤维组成的多孔结构，纤维直径在0 1 “m 5um 之 间，纤维织物的孔径为5bm 3 0um v a s e u g r a f t 作为人工血管已进行动物实 验，内皮化的研究也获得了很有希望的结果1 。 1 1 2 可降解的合成高分子纤维材料 11 2 ，1 聚乙交酯 p g a 为脂肪族聚酯，具有中等程度的结晶度，它可以通过水解反应分解为小 第一章医用纤维材料及其研究进展 分子，人体可完全排除其降解产物。p g a 作为伤口缝线使用于1 9 7 0 年，具有良 好的生物相容性及较好的拉伸、结扣性能。p g a 单丝可于2 至4 周内降解。采用 熔融纺丝法制成的p g a 多股纤维可作缝合线，商品名d e x o n ( a m e r i c a nc y a n a m jd c o ，i t i c ) ，也可编织成网作为敷料”“，商品名m e d is o r b ( d u p o n tc o ，i n ) 。p ：a 纤维无纺织物由直径为1 4 “m 的纤维构成，可用作组织工程支架，f r e e d 等在此 支架上培养牛软骨细胞，并植入腺鼠后背，发现聚合物支架上可形成与其尺寸相 同的软骨组织，证明了它是一种很有前途的体内植入材料”3 。 1 122 聚丙交酯 粲丙交酯为合成的可生物降解聚合物，在体内可水解为乳酸，且在乳酸脱氢 酶的作用下氧化为丙酮酸酯，丙酮酸酯可参与葡萄糖的合成或代谢为水、二氧化 碳，最后经肿、肾排出体外。p l a 纤维作为可降解的缝线已经历了几十年，一些 研究表明，与p g a 相同，p l a 由于缺少肽腱，不会引起免疫反应，但降解后会引 起局部p h 值的变化”。由于带有甲基，p l a 缝合线强度低于p g f i ，且较p g a 疏 水，体内降解速率低，完全降解需一年以上。左旋聚丙交酯( p l l a ) 纤维可采用 熔融纺丝方法制各，拉伸后纤维直径在0 ，3 5 哪o 6 0m m 之间“3 1 。p l l a 纤维束、 纤维网、三维编织物及无纺织物是很有潜力的组织工程支架材料，其用途包括关 节再生，肌腱修复以及肝细胞移植3 。 1 1 2 3 乙交酯一丙交酯共聚物 p g a 与p l a 虽同属可降解的脂肪族聚酯，但二者的性质差异很大，将二者共 聚，改变p g a 与p l a 的比例，可调节纤维的力学性能及在体内的降解时问。g a 与l a 共聚物( p g l a 9 0 i o ) 缝合线具有良好的力学性能，商品名为 v i c r y l ( e t h i c o ，i n c ) “。v i c r y l 可以编织成三维织物或制成多孔的无纺织物， 用于组织再生的研究。c i m a 等将v i c r y l 无纺织物作支架培养牛软骨细胞，并植 入裸鼠皮下，发现9 0 的织物表面含有软骨组织，且软骨细胞产生粘多糖及ij 型 胶原，进一步的家兔膝盖骨实验也表明，这种纤维网适于作软骨修复材料。 s it t i n g e r 等还用人关节软骨细胞研究了p g l a9 0 1 0 共聚物无纺织物的生物相 容性及细胞粘附性”1 ，并发现降解后产生的乙醇酸使软骨细胞活性有所下降。 1 1 2 4 聚c 一己内酯一乙交酯嵌段共聚物 聚e 一己内酯一乙交酯嵌段共聚物单丝名称为m o n o c r y i ，它含有聚乙交酯纽 成的硬段以及由聚e 一己内酯和聚乙交酯无规共聚物组成的软段。硬段提供较高 第一章医用纤维材料及其研究进展 的强度而软段提供良好的可操作性。m o n o c r y l 单丝具有较高的初始强度，缝合 时产生较少的组织牵连，并具有良好的结扣稳定性，i 0 0 天左右可完全吸收，仅 有轻微的组织反应，是综合性能优异的单丝缝合线“。 1 1 251 3 一亚丙基碳酸酯一乙交酯共聚物 合成的可降解纤维既可以是编织成束的复丝也可为单丝。一些报告指出，复 丝缝合时易导致组织牵连或创伤，且纤维束的间隙会带来感染。然而，在外科手 术中单丝不如复丝可操作性好，例如由p g a 与p l a 制成的单丝缝合线非常僵硬， 为克服这些缺点，利用聚1 ，3 亚丙基碳酸酯一乙交酯共聚物制成单丝缝线，商 品名为m a r x o n ( d a y i s 及g e c k 产品) 。但这种材料的力学性能仍存在着一些欠缺， 应用受到一定程度的限制“。 1 12 6 聚对二氧杂环己酮 可吸收聚对二氧杂环己酮单丝，商品名为p d s ( e t h i c o n ，i n c ) 。p d s 单丝缝 线可以克服复丝缝线的缺点。这种缝合线柔顺性大，力学性能良好，体内完令吸 收需1 8 0 天”1 。 11 2 7 聚b 一羟基丁酸酯 聚b 一羟基丁酸酯( p h b ) ，作为能量储存颗粒存在于微生物中，可由细菌培养 得到。p h b 是生物可降解的聚合物，在体内缓慢降解，生成的p 一羟基丁酸无毒， 是哺乳动物体内代谢物。涂有海藻酸盐及角蛋白的p h b 纤维，被研究用于引导神 经细胞再生，以治疗脊索损伤”“。 1 2 天然高分子纤维材料 天然高分子材料制成的纤维由于具有较好的生物相容性、生理活性，并可逐 步降解，在外伤敷料、外科手术缝线、组织工程与人工器官等的研究中得到了f 1 益广泛的重视。图卜4 为主要的天然高分子纤维材料的化学式，主要包括以下几 个品种。 第一章 医用纤维材料及其研究进展 的强度而软段提供良好的可操作性。m o n o c r y l单丝具有较高的初始强度，缝合 时产生较少的组织牵连，并具有良 好的结扣稳定性，1 0 0 天左右可完全吸收， 仅 有轻微的 组织反应，是综合性能优异的单丝缝合线 引 。 1 . 1 . 2 . 5 1 , 3 一 亚丙基碳酸醋一 乙交醋共聚物 合成的可降解纤维既可以 是编织成束的复丝也可为单丝。 一些报告指出 ，复 丝缝合时易导致组织牵连或创伤， 且纤维束的间隙会带来感染。 然而， 在外科手 术中单丝不如复丝可操作性好， 例如由p g a 与p l a 制成的单丝缝合线非常僵硬， 为克服这些缺点，利用聚 1 , 3 一 亚丙基碳酸醋一 乙交酷共聚物制成单丝缝线，商 品名为m a r x o n ( d a v i s 及g e c k 产品) 。 但这种材料的力学性能仍存在着一些欠缺， 应 用受 到一定 程度的限 制u e f 1 . 1 . 2 . 6聚对二氧杂环己酮 可吸收聚对二氧杂环己酮单丝，商品名为p d s ( e t h i c o n , l n c ) o p d s 单丝缝 线可以克服复丝缝线的缺点。 这种缝合线柔顺性大， 力学性能良 好， 体内 完个吸 收需1 8 0 天n 7 1 . 1 . 2 . 7聚日 一 轻基丁酸醋 聚p 一 轻基丁酸酷( p h b ) ， 作为能量储存颗粒存在于微生物中， 可由细菌培养 得到。 p h b 是生物可降解的聚合物，在体内缓慢降解，生成的10 一 轻基丁酸无毒， 是哺乳动物体内代谢物。 涂有海藻酸盐及角蛋白的p h b 纤维， 被研究用于引导神 经细胞再生，以治疗脊索损伤 门 。 1 . 2天然高分子纤维材料 天然高分子材料制成的纤维由于具有较好的生物相容性、 生理活性， 并可 逐 步降 解， 在外伤敷料、 外科手术缝线、 组织工程与人工器官等的研究中得到了日 益广泛的重视。 图1 - 4 为主要的天然高分子纤维材料的化学式， 主要包括以下几 个品种。 第一章 医用纤维材料及其研究进展 片o o ohho 一 a . a l g i n a t e b . c e l l u l o s e c . c h i t o s o n h- 4 -n h h n c o c h 3 n o-日 日广h 00尹万0 厂.rl|匕 c . h y a l u r o n a n d . c o l l a g e n 图1 - 4 制备医用纤维的天然高分子 f i g l - 4 c h e m ic a l s t r u c t u r e s o f s o m e n a t u r a l m a c r o m o l e c u le s f o r p r e p a r a t i o n o f b io m e d ic a l f i b e r s 1 . 2 . 1纤维素 纤维素是天然棉纤维及植物细胞壁的主要成分，是一种来源丰富的天然多 糖。 由于葡糖配单元上存在着大量的的轻基， 大分子之间形成很强的氢键使之容 易结晶而不溶于水， 用疏水基团部分取代轻基会削弱氢键， 降低结晶度， 提高水 溶性。纤维素可用作缝线， 棉纤维及粘胶纤维纱布一直是主要的外伤包扎材料。 采用湿法纺丝可制得梭甲基纤维素钠 ( n a c m c ) 。 此纤维制成的敷料， 可吸收伤口 渗液并转化为冻胶状 ( 图1 - 5 ) ， 克服了 传统敷料吸水性差的 缺点， 是一种非常有 前途的外伤包扎材料 洲 。 1 . 2 . 2壳聚糖 甲壳质是虾、 蟹等节肢动物外 壳的主要成分， 经脱乙 酞化后成为壳聚糖。 采用湿法纺丝，可制成甲壳质或壳聚糖纤维。甲壳质可溶于三氯乙酸、二氯甲 6 第一章 医用纤维材料及其研究进展 片o o ohho 一 a . a l g i n a t e b . c e l l u l o s e c . c h i t o s o n h- 4 -n h h n c o c h 3 n o-日 日广h 00尹万0 厂.rl|匕 c . h y a l u r o n a n d . c o l l a g e n 图1 - 4 制备医用纤维的天然高分子 f i g l - 4 c h e m ic a l s t r u c t u r e s o f s o m e n a t u r a l m a c r o m o l e c u le s f o r p r e p a r a t i o n o f b io m e d ic a l f i b e r s 1 . 2 . 1纤维素 纤维素是天然棉纤维及植物细胞壁的主要成分，是一种来源丰富的天然多 糖。 由于葡糖配单元上存在着大量的的轻基， 大分子之间形成很强的氢键使之容 易结晶而不溶于水， 用疏水基团部分取代轻基会削弱氢键， 降低结晶度， 提高水 溶性。纤维素可用作缝线， 棉纤维及粘胶纤维纱布一直是主要的外伤包扎材料。 采用湿法纺丝可制得梭甲基纤维素钠 ( n a c m c ) 。 此纤维制成的敷料， 可吸收伤口 渗液并转化为冻胶状 ( 图1 - 5 ) ， 克服了 传统敷料吸水性差的 缺点， 是一种非常有 前途的外伤包扎材料 洲 。 1 . 2 . 2壳聚糖 甲壳质是虾、 蟹等节肢动物外 壳的主要成分， 经脱乙 酞化后成为壳聚糖。 采用湿法纺丝，可制成甲壳质或壳聚糖纤维。甲壳质可溶于三氯乙酸、二氯甲 6 第一章医用纤维材料及其研究进展 图1 - 4 制备医用纤维的天然高分子 f i g l - 4c h o m i c a ls t r u c t u r e so fs o m en a t u r a lm a c r o m o l e c u l e sf o rp r e p a r a t i o no f b i o m e d i c a lf i b e r s 1 2 1 纤维素 纤维素是天然棉纤维及植物细胞壁的主要成分，是一种来源丰富的天然多 糖。由于葡糖酐单元上存在着大量的的羟基大分子之间形成很强的氢键使之容 易结晶而不溶于水，用疏水基团部分取代羟基会削弱氢键，降低结晶度，提高水 溶性。纤维素可用作缝线，棉纤维及粘胶纤维纱布一直是主要的外伤包扎材料。 采用湿法纺丝可制得羧甲基纤维素钠( n a c m c ) 。此纤维制成的敷料，可吸收伤口 渗液并转化为冻胶状( 图卜5 ) ，克服了传统敷料吸水性差的缺点，是一种非常有 前途的外伤包扎材料“。 1 2 2 壳聚糖 甲壳质是虾、蟹等节肢动物外壳的主要成分，经脱乙酰化后成为壳聚糖。 采用湿法纺丝，可制成甲壳质或壳聚糖纤维。甲壳质可溶于三氯乙酸、二氯甲 n 一， 一 一 h 第一章医用纤维材料及其研究进展 烷的混合液，也可溶于含有氯化锂的二甲基甲酰胺中，制成纺丝液，凝固浴采 用丙酮、甲醇或异丙醇。壳聚糖一般用5 的醋酸水溶液溶解，将纺丝液挤入氢 氧化钠与乙醇的混合溶液凝固成壳聚糖纤维。甲壳质与壳聚糖长纤维制成j 吸 收医用缝合线、医用纱布；短纤维可制成医用无纺织物。甲壳质织物多孔、有 良好的透气性、吸水性，是理想的医用敖料”3 。 f i g 1 5e v i r o m e n t ms c a n n i n gm i e r o g r a g ho f g e l l i n gn a c r ef i b r e 图卜5 冻胶状的n a c m c 纤维环境扫描电镜照片 1 2 3 海藻酸盐 f i g 卜6p h o t o g r a p ho fnf r o n e c ti n c o r d u s e df o ra c lr e g e n e r a t i o n 图卜6 用于韧带修复的蚕丝纤维束j ! l 片 海藻酸是褐藻中提取出来的天然多糖，是直链型( 1 4 ) 键合的甘露糖醛酸 与古罗糖醛酸构成的共聚物，其分子中可能只含其中一种糖醛酸构成的连续链 段，也可能是由两种糖醛酸链段构成的嵌段共聚物。为加工方便，一般将它制成 钠盐。将海藻酸钠溶液挤入含有钙离子的凝固浴中，通过钙离子的交联作用。q 形 成海藻酸钙纤维。海藻酸钙纤维干燥后可用于编织织物，也可直接切碎制作无纺 粕材料。当这种纤维织物作敷料时，。伤口渗液中的钠离子会缓慢的将纤维转变成 粘性的海藻酸钠溶液，这样当敷料直接从伤口上揭掉或采用洗涤的方法除去敷料 时，新生的组织不会因敷料的粘连而再次损伤“，因此，海藻酸盐纤维织物是非 常理想的外伤敷料。 1 2 4 透明质酸酯 透明质酸( h a ) 存在于动物连接组织中，是由b 一1 ，4 连接的d 葡糖醛酸与 0 1 ，3 连接的d 一葡糖胺组成的氨基葡聚糖，它影响细胞的迁移、粘附和增贿， 第一章医笄j 纤维材料及其研究进展 并通过与细胞膜受体的相互作用，影响细胞间的识别。透明质酸生物相容，极易 溶于水，可完全降解，组织吸收速度快。与醇进彳亍酯化反应后形成的透明质酸酯 不溶于水，稳定性提高，且保持了h a 所具有的生物相容性及可降解性”。利用 相分离挤出技术，可制成透明质酸酯纤维，并进一步制作无纺织物、纱布”3 。在 骨和关节的组织工程修复研究中，透明质酸苯酯无纺织物用于软骨细胞和成骨细 胞的培养“”：在人工肝细胞支持系统( b i o a r t i f i c i a l 1 iv e ts u p p o r td e v f c e ) 的研究中，g c a t a p a n o 利用透明质酸苯酯和透明质酸乙酯无纺织物作为支槊进 行幼鼠肝细胞的体外培养，研究表明它们是很有潜力的肝纽胞培养支架”“。 1 2 5 胶原蛋白 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、软骨利 血管等结缔组织中。胶原的氨基酸序列主要包括氨基乙酸、脯氨酸及羟基脯氨酸 三种重复单元，由三根多肽链形成的三股螺旋结构组成，利用酶的水解作用，可 使其溶于酸性溶液中，成为可溶性胶原。胶原粘液经凝固、干燥等工序成为胶原 纤维。胶原纤维分子量约3 0 万，无抗原性。生物体可吸收，并具有较好的细胞 粘刚性，可作吸收性缝线、人工软骨及人工皮肤。天然胶原有很高的拉伸强度， 但经化学处理分离出来的胶原纺成的纤维力学性能较差。胶原纤维曾被研究作为 支持韧带生长的材料，填充成束的胶原纤维的导管用于诱导神经细胞的生长”1 。 明胶是一种变性胶原，分子量为8 万左右，也可制成纤维；将明胶配成7 的水 溶液，用环氧氯丙烷或甲醛交联以扩大明胶的分子量，提高纺丝液的粘度。纺丝 液挤入硫酸钠饱和溶液中并经拉伸、后处理、干燥等得到明胶纤维。明胶纤维可 制作外科手术缝线及医用止血棉”。1 。 126 天然丝及丝素蛋白 天然丝是由蚕、蜘蛛等产生的一种蛋白质聚合物，因来源不同而性能各异。 蜘蛛丝由于不能大量生产，在医学上的应用受到一定眼制。蚕丝纤维强度超过其 它天然纤维，可和许多高性能纤维相比，作为医用缝合材料使用已经历了几十年， 在跟、神经、血管外科手术中有很广泛的应用。a l t m e n 等将蚕丝纤维编织成一 定的结构( 见图卜6 ) ，使之具有一定的强度及耐疲劳性，用于a c l 韧带( a n t e r i a l c r t i c i a tl i g a m e n t ) 的修复。天然丝纤维( 主要指b m o r i ) 由丝胶( 包裹在 纤维外的胶状蛋白质) 及丝芯( 丝素蛋白) 组成如图卜7 所示。丝胶可由热水萃 第一章 医用纤维材料及其研究进展 并通过与细胞膜受体的相互作用， 影响细胞间的识别。 透明质酸生物相容， 极易 溶于水， 可完全降解， 组织吸收速度快。 与醇进行醋化反应后形成的透明质酸酝 不溶于 水， 稳定性提高， 且保持了h a 所具有的生物相容性及可降 解性【10 1 。利用 相分离挤出技术， 可制成透明质酸酷纤维，并进一步制作无纺织物、 纱布引 。 在 骨和关节的组织工程修复研究中， 透明质酸苯酷无纺织物用于软骨细胞和成骨细 胞的 培养n 7 ; 在人z 肝细胞支持系统 ( 6 i o a r t i f i c i a l l i v e r s u p p o r t d e v i c e ) 的研究中， g . c a t a p a n o利用透明质酸苯酷和透明质酸乙酷无纺织物作为支架进 t 1 一 幼鼠 肝细胞的体外培养， 研究表明 它们是很有潜力的肝细胞培养支架2 2 3 1 . 2 . 5胶原蛋白 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、软骨和 血管等结缔组织中。 胶原的氨基酸序列主要包括氨基乙酸、 脯氨酸及轻基脯氨酸 三种重复单元，由三根多肤链形成的三股螺旋结构组成， 利用酶的水解作用， 可 使其溶于酸性溶液中， 成为可溶性胶原。 胶原粘液经凝固、 干燥等工序成为胶原 纤维。 胶原纤维分子量约3 0 万，无抗原性. 生物体可吸收，并具有较好的细胞 粘附性，可作吸收性缝线、人工软骨及人工皮肤。天然胶原有很高的拉伸强度， 但经化学处理分离出来的胶原纺成的纤维力学性能较差。 胶原纤维曾被研究作为 支持韧带生长的材料， 填充成束的 胶原 纤维的导管用于诱导神经细胞的生长叫 。 明胶是一种变性胶原，分子量为8 万左右，也可制成纤维:将明胶配成7 % 的水 溶液， 用环氧氯丙 烷或甲 醛交联以 扩大明 胶的分子量， 提高纺丝液的粘度。 纺丝 液挤入硫酸钠饱和溶液中并经拉伸、 后处理、 干燥等得到明胶纤维。 明胶纤维可 制作外科手术缝线及医用止血棉2 :11 1 . 2 . 6天然丝及丝素蛋白 天然丝是由蚕、 蜘蛛等产生的一种蛋白 质聚合物，因来源不同而性能各异。 蜘蛛丝由于不能大量生产， 在医学上的应用受到一定限制。 蚕丝纤维强度超过其 它天然纤维， 可和许多高性能纤维相比， 作为医用缝合材料使用已经历了几十年， 在眼、神经、血管外科手术中有很广泛的应用。a l t m e n等将蚕丝纤维编织成一 定的结构( 见图1 - 6 ) ， 使之具有一定的强度及耐疲劳性， 用于a c l 韧带( a n t e r i a l c r u c i a l l i g a m e n t ) 的 修复2q 。 天 然丝 纤维 ( 主 要指 b . m o r i )由 丝胶 ( 包裹在 纤维外的 胶状蛋白 质) 及丝芯( 丝素蛋白) 组成如图1 - 7 所示。 丝胶可由 热水萃 第一章 医用纤维材料及其研究进展 并通过与细胞膜受体的相互作用， 影响细胞间的识别。 透明质酸生物相容， 极易 溶于水， 可完全降解， 组织吸收速度快。 与醇进行醋化反应后形成的透明质酸酝 不溶于 水， 稳定性提高， 且保持了h a 所具有的生物相容性及可降 解性【10 1 。利用 相分离挤出技术， 可制成透明质酸酷纤维，并进一步制作无纺织物、 纱布引 。 在 骨和关节的组织工程修复研究中， 透明质酸苯酷无纺织物用于软骨细胞和成骨细 胞的 培养n 7 ; 在人z 肝细胞支持系统 ( 6 i o a r t i f i c i a l l i v e r s u p p o r t d e