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浙江理工大学硕士学位论文 玉米醇溶蛋白聚丁二酸丁二醇酯复合纳米纤维膜支架的研究 摘要 本文旨在改善静电纺玉米醇溶蛋l 刍( z e i n ) 纳米纤维膜力学性能的不足，通过共混和同轴静 电纺丝制备出力学性能较好的z e i n p b s ( 聚丁二酸丁二醇酯) 复合纳米纤维膜支架，通过生 物学评价可以获得具有良好细胞相容性的z e i n p b s 组织工程支架，以扩大静电纺玉米醇溶蛋 白在组织工程支架材料领域的应用。 首先通过静电纺丝技术制备出z e i n 和p b s 不同共混比例的复合纳米纤维膜，并对不同比 例下所得复合纤维的形貌、结构、热性能、力学性能及亲水性进行研究。结果表明，p b s 的 加入提高了z e i n 的可纺性，随着p b s 共混质量比的增加，纤维平均直径增加，纳米纤维膜的 结晶性能逐渐变好，且整个纳米纤维膜的熔融热增加。力学性能测试表明，随着p b s 含量从 2 5 增加到7 5 ，复合纳米纤维膜的最大拉伸强度和应变逐渐增加，力学性能得到显著改善。 通过亲水性实验得出，z e i n p b s 共混纤维膜的亲水性得到明显提高。 为改善聚丁二酸丁二醇酯( p b s ) 的性能以满足不同组织工程支架的要求，将多壁碳纳米 管( m w n t s ) 作为增强填料混合到p b s 溶液中制备电纺m w n t s p b s 复合纳米纤维膜。研究 了不同含量的m w n t s 对p b s 纤维各项性能的影响。结果表明：m w n t s 分散于p b s 纤维中， m w n t s 的添加使纤维平均直径减小，热稳定性随着随m w n t s 含量的增加而提高，透射电镜 和力学性能结果显示当p b s 中m w n t s 的含量为1 5 时，m w n t s 在p b s 基体中分散良好， 此时m w n t s p b s 复合纳米纤维拉伸强度和应变达到最大值。 通过同轴静电纺丝法成功制备出z e i n p b s 皮芯结构复合纳米纤维膜，探讨芯层p b s 含量、 皮层z e i n 含量、皮层纺丝流率对复合纳米纤维膜形貌、结构和力学性能的影响。结果表明： 当皮层z e i n 含量固定时，芯层p b s 浓度偏高或偏低均不利于同轴静电纺丝过程的稳定性，当 芯层p b s 为6 时，皮芯结构复合纳米纤维具有较高的力学强度。固定芯层p b s 浓度，纤维 直径随着皮层纺丝液浓度的增加而变大，所得皮芯结构静电纺膜的拉伸强度和断裂伸长率均 增大。在皮芯层纺丝速率均为0 0 0 6 m l m i n 时能够得到形貌均匀、皮芯结构完整的复合纳米纤 维。当芯层加入少量m w n t s ，复合纤维整体直径降低且纤维变得更加均匀，纤维膜的力学 性能和热性能均有提高。 最后，通过体外小鼠成纤细胞( l 9 2 9 ) 培养，对纳米纤维支架进行生物性能评价。结果表明， 细胞能够很好地在静电纺z e i n 、z e i n p b s 、皮( z e i n ) 芯( p b s ) 、皮( z e i n ) 芯( p b s m w n t s ) 结构复合纳米纤维支架上生长繁殖，其对细胞无毒害作用，具有良好的生物相容性。芯层 浙江理工大学硕士学位论文 m w n t s 的加入不会对细胞生长繁殖造成不利影响。同轴静电纺丝制各的结构复合纳米纤维支 架有明显优势，其o d 值高于共混z e i n p b s 的o d 值，体现了皮芯结构在细胞相容性方面的 优势，结合力学性能可知，两种支架材料作为组织工程支架均具有很好的应用前景。 关键词：玉米醇溶蛋白；聚丁二酸丁二醇酯；静电纺丝；复合纳米纤维膜；皮芯结构；细胞 培养； 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so f z e i n p b sc o m p o s i t e n a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l d a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ez e i n p o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) ( p b s ) c o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b r a n e s c a f f o l dw i t hi m p r o v e dt e n s i l es t r e n g t hw e r ef a b r i c a t e db yt h eb l e n da n dc o a x i a le l e c t r o s p i n n i n gi n o r d e rt o s y n c h r o n o u s l ye n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y o fz e i n ，a n da l s oo b t a i nz e i n p b s c o m p o s i t et i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s ，w h i c hp o s s e s sab e t t e rc y t o c o m p a t i b i l i t yd e p e n d i n go n b i o l o g i c a le v a l u a t i o n ，a n df n a l l ye x t e n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fz e i ni n b i o m a t e r i a l s z e i n p b sb l e n d sw i t hd i f f e r e n tm a s sr a t i o sw e r ep r e p a r e dt of a b r i c a t ec o m p o s i t en a n o f i b r o u s m e m b r a n es c a f f o l db ye l e c t r o s p i n n i n g ，a n dt h em o r p h o l o g y , s t r u c t u r e ，t h e r m a lp e r f o r m a n c e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh y d r o p h i l i c i t yo fc o m p o s i t ef i b e r sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h e e l e c t r o s p u ns p i n n a b i l i t yo fz e i n w a si m p r o v e db yp b s t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fz e i n p b s c o m p o s i t ef i b e r si n c r e a s e da n dt h ec r y s t a l l i n i t yo fc o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l d i n c r e a s e dw i t ht h ea d d i t i o no fp b sc o n t e n t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei m p r o v e de f f e c t i v e l y a tt h es a m et i m eh y d r o p h i l i c i t yo fc o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l dw a sg r e a t l y i m p r o v e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fp b s ，m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ( m w n t s ) w a s m i x e dw i t hp b ss o l u t i o nt op r e p a r ee l e c t r o s p u nm w n t s p b sc o m p o s i t en a n o f i b o u ss c a f f o l df o r d i f f e r e n tt i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s t h ep e r f o r m a n c eo fp b sf i b e r sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t m w n t sw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm w n t s h a v eb e e nd i s p e r s e di np b sf i b e r s ，t h e d i a m e t e ro ft h ef i b e r sd e c r e a s ed u et ot h ea d d i t i o no fm w n t s ，而t ht h ei n c r e a s eo fm w n t s t h e t h e r m a ls t a b i l i t yw a se n h a n c e d w h e nt h ec o n t e n to fm w n t si s1 5 ，i td i s p e r s e sw e l li np b s m a t r i xa n dt h ec o m p o s i t en a n o f i b o u sm e m b r a n es c a f f o l dh a v et h eb e s tf a i l u r es t r e n g t ha n df a i l u r e e l o n g m i o n s h e a t h ( z e i n ) c o r e ( p b s ) c o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l dw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d b yc o a x i a le l e c t r o s p i n n i n g t h ee f f e c t so f c o r ea n ds h e a t hc o n c e n t r a t i o n sa n df l o wr a t eo ft h eo u t e r z e i nf l u i do ni t sm o r p h o l o g y , s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s r e v e a l e dt h a tf i x e ds h e a t hc o n c e n t r a t i o n ，h o w e v e rh i g h e ro rl o w e ro n ec a nr e s i s tc o e l e c t r o s p i n n i n g s t a b i l i t y w h e nt h ec o r ec o n c e n t r a t i o nw a s6 t h ec o m p o s i t en a n o f i b e rm e m b r a n es c a f f o l dh a d i i i 浙江理工大学硕士学位论文 b e u e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ec o m p o s i t ef i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e da n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s h e a t h c o r es t r u c t u r e dc o m p o s i t ef i b e r sb e c a m em o r eh i g h e rw i t hi n c r e a s i n go fs h e a t hc o n c e n t r a t i o n u n d e ru n c h a n g e dc o r ec o n c e n t r a t i o n t h ec o m p o s i t en a n o f i b e r sw i t hu n i f o r mm o r p h o l o g ya n d i n t e g r a t e ds h e a t h c o r es t r u c t u r ew e r eo b t a i n e dw h e nb o t ho ft h ec o r ea n ds h e a t hs p i n n i n gr a t e sw e r e 0 0 0 6m l m i n a f t e ra d d i n gm w n t si n t ot h eg o r es o l u t i o n ，t h em o r p h o l o g yu l t r a f i n ef i b r o u s m e m b r a n e sw a sw e l la n dt h ef i b e rd i a m e t e rd e c r e a s e d ，a n dt h ef a i l u r es t r e n g t ha n dt h e r m a l p r o p e r t i e sb e c a m ei n c r e a s e d f i n a l l y , t h r o u g hi nv i t r o c e l lc u l t u r ee x p e r i m e n t ，t h ec y t o - b i o l o g i c a lo ft h ef i v ec o m p o s i t e n a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l d sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el 9 2 9m o u s e f i b r o b l a s t sp r o l i f e r a t e dw e l lo nz e i n ，p b s ，z e i n p b s ，s h e a t h ( z e i n ) c o r e ( p b s ) a n ds h e a t h ( z e i n ) c o r e ( p b s m w n t s ) c o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b r a n es c a f f o l d s t h e f i v es c a f f o l d sw e r e n o n t o x i c ，a n dt h ec y t o c o m p a t i b i l i t yw e r ef a b o u r a b l e m w n t sa d d e dt oc o r ed i dn o ti n f l u e n c ec e l l g r o w t ha n dp r o l i f e r a t i o n t h et w os h e a t h c o r eu l t r a f i n ec o m p o s i t ef i b r o u ss c a f f o l d s h a dm o r e c y t o c o m p a t i b i l i t yt h a nz e i n p b sc o m p o s i t en a n o f i b r o u sm e m b e r a n es c a f f o l d s t h e i ro d v a l u e sa r e h i g h e rt h a nt h a to fz e i n p b sc o m p o s i t en a n o f i b r o u ss c a f f o l d s ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e b e r e r ，s ot h e yh a v eg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s k e y w o r d s ：z e i n ；p o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) ( p b s ) ；e l e c t r o s p i n n i n g ；c o m p o s i t e n a n o f i b r o u s m e m b r a n es c a f f o l d ；s h e a t h - - - c o r es t r u c t u r e ；i nv i t r oc e l lc u l t u r e i v 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，静电纺丝是唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的技术。静电纺丝将多种 聚合物纺制成纳米级的超细纤维，其纳米纤维的直径范围一般在数十纳米至1um 之间【1 1 。 且能够在一定范围内控制纤维的取向、直径和纺织物的多孔性等特性，用静电纺丝技术制 得的纤维无妨膜，具有孔隙率高、比表面积大、质量轻、纤维精细程度与均一性高和柔顺 性等优点，因此广泛应用于功能性复合材料以及过滤【2 1 、组织工程3 1 、生物医药4 1 、传感器 1 5 j 等领域。 玉米醇溶蛋白( z e i n ) 是玉米中主要的贮藏蛋白，来源丰富。近年来，越来越多的学者研 究静电纺z e i n 纤维膜，其具备良好的生物性能和生物可降解性能，是制备组织工程支架【6 】、 药物控制释放【7 】等的优良材料，主要应用于医疗卫生领域。聚丁二酸丁二醇酯( p b s ) 具有良 好的生物降解性、优异的力学性能和成型加工性，其在生物材料上的应用受到国内外学者 的广泛关注1 8 , 9 。 因此，本文利用静电纺丝和同轴静电纺丝方法制备出玉米醇溶蛋白与聚丁二酸丁二醇 酯以及与其它物质相复合的纳米纤维膜，并初步考察其在组织工程中的应用。 1 2 组织工程支架 组织工程是结合细胞生物学、材料科学、分子生物学、生物工程、生物材料合成与改 良技术、及临床医学等多学科的新学科【lo j 。其内涵是应用生命科学和工程科学的原理与方 法，开发具有生命活性的人工替代物，其具有制造、修复或改善人体组织的功能。它的基 本原理【i l 】是从机体中取少量的活体组织，用特殊的方法将种子细胞从组织中分离出来后在 体外进行培养增殖，将增殖的细胞吸附于具有良好生物相容性和可降解性的生物材料上， 形成细胞生物材料复合物，该复合物为细胞提供一个既能获得营养物质又可排出废物的三 维空间，使细胞在支架上良好生长。然后将该复合物植入机体病损组织或器官，植入的细 胞能够不断增殖并分泌细胞外基质，能够形成具有生命活力且与自身功能和形态相似的组 织和器官，这种组织能够对病变、缺损组织器官进行形态和功能的重建修复。 组织工程的三个基本要素是可靠来源的种子细胞、合适的生物支架材料和组织构建。 其中，种子细胞必须具有特定的分化表型或定向分化潜能且不能引发移植的排斥反应。组 织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维复合体，这种结构不仅为细胞能够气体交换和 浙江理1 = 大学硕士学位论文 生长代谢提供了一个有利的空间场所，而且为植入的细胞分泌细胞外基质并形成新的具有 形态和功能的组织、器官提供了一个良好的环境。生物支架材料在组织工程中起到替代细 胞外基质或组织、器官的基质的作用。理想的支架材料要具备以下几个特点1 1 2 】：( 1 ) 可模 拟细胞外基质的结构和性能；( 2 ) 良好的生物相容性和与所需天然组织再生率相关的降解 率；( 3 ) 良好的可塑性和一定的生物力学强度；( 4 ) 优良的显微结构，材料应可加工成三 维立体结构；( 5 ) 作为活性物质的释放载体。根据要求，目前应用于组织工程支架的生物 材料主要为天然材料、合成高分子材料 1 3 l 、无机生物材料或珊瑚等。天然材料包括明胶、 胶原、蚕丝、几丁质及其衍生物、生物因子和纤维蛋白等，合成高分子主要包括一些可降 解材料，如p l a ( 聚乳酸) 、p g a ( 聚羟基乙酸) 、p c l ( 聚己内酯) 和p l g a ( 聚乳酸 乙醇酸共聚物) 等，少量非降解材料如p e o ( 聚氧化乙烯) 、p u ( 聚氨酯) 等。 有了合适的种子细胞和生物支架材料，如何实现体外组织构建是应用组织工程技术修 复缺陷的关键，也是实现组织工程产业化和标准化的基础。研究发现许多体外普通培养的 组织结构不稳定，力学性能差且植入体内后会引起组织结构和类型的变化1 1 4 1 ，因此，尽可 能模拟组织的体内微环境是实现体外组织构建的关键。影响体内微环境的因素主要是各种 细胞分泌的生长因子、细胞间相互作用、细胞外基质、局部酸碱平衡及局部物理学刺激。 与此相关的生物反应器的开发与应用在组织体外构建中起到了重要作用。目前已经研制了 适用与血管、肌腱等组织构建的反应器，通过在体外培养过程中对血管施以搏动性扩张刺 激，对肌腱施以牵拉刺激，在体外构建了具有一定力学强度和组织结构的血管和肌腱组织 【1 5 】。但由于对反应器作用力的大小、刺激频率等参数缺乏深入详细的了解，需进一步研究 如何正确模拟生理状态下的力学刺激并顺应不同构建阶段的需求。随着各种生物反应器的 逐步优化和完善，使之更接近正常组织结构并发挥相应的生理功能，为实现组织工程的产 业化和标准化奠定基础。 1 3 静电纺丝 1 3 1 静电纺丝的原理及影响因素 静电纺丝又称电纺，最早由美国人f o r m h a l s 在1 9 3 4 年提出并申请了专利1 6 】。利用传 统的静电纺丝装置来制备纯纳米纤维的方法，如图1 1 所示。其装置分为4 部分：微量注 射泵、高压电源、注射器和纤维的收集装置【1 7 】。高压电源的正极与注射器内的聚合物溶液 或熔体相连，负极与收集装置相连。静电纺丝的原理【1 8 】是将聚合物的溶液或熔体加上高压 2 浙江理工大学硕上学位论文 静电，在喷丝头和接收装置间产生一个电场，使聚合物溶液或熔融体克服自身的表面张力 和粘弹性力，在毛细管顶端呈现凸形的半球状液滴。随着电场强度增加，半球状液滴被拉 成圆锥状即泰勒锥。当电场力足够大时，溶液将克服液滴的表面张力形成射流，射流沿着 不稳定的螺旋形路径运动，当溶剂挥发或熔体冷却固化，纤维流体在电场力作用下固化被 收集，产物是由纳米级纤维组成的类似于非织造状的纤维网( 膜或毡) 。 1 2 l 高压电源2 接收装置3 微量注射泵4 注射器 5 纺丝液6 毛绷管7 升降台 图1 1 静电纺丝装置 研究静电纺丝过程是针对具体的纺丝物质和对纤维直径、形貌的要求，找到最佳的纺 丝工艺条件，因此要对静电纺丝的影响因素进行深入研究。其主要影响因素分为三个方面 2 0 1 ：一是高分子的溶液性质，直接影响着纺丝的质量。例如聚合物的链结构，分子量分布 范围，溶液的浓度、粘度、电导率、表面张力，及溶解高分子的溶剂的种类等，以上参数 称为系统参量。二是可控变量，例如静电电压、喷丝头与接收装置的距离、液体流速等。 三是环境参数，包括纺丝室的气流速度、温度、湿度等。 在上述的各种因素中，溶液浓度、粘度、分子量、流动速度、电场强度、接收距离、 收集器的状态大小等为主要因素，也是研究较多的内容。何晨光【2 i 】等研究随着纺丝溶液浓 度的增加，静电纺p l g a 的纤维直径逐渐增大，纤维直径的分布也增大。当纺丝溶液浓度 为0 1 5 9 m l 时，纺得的纤维支架中有很多纺锤形的珠滴，当增加到0 3 9 m l 时，纤维直径 相对均匀分布在4 0 0 n m 至l l o o n m 之间。k o s k ia 1 2 2 j 研究发现当p v a ( 聚乙烯醇) 分子量 较小时得到有珠状的纤维，分子量增大后，纤维直径变得均匀；继续增大分子量，纤维直 径明显增加，且纤维分布变得稀疏。l a r r o n d o 2 3 1 等人研究电场强度对纺丝的影响表明，一 般来说随着电压增加，静电纺丝液表面电荷密度增大，静电斥力变大，同时，电压的增大 使射流产生更大的加速度。这两个方面使得射流及形成的纤维受到较大的拉伸应力，有利 浙江理工大学硕十学位论文 于获得更细的纤维。接收距离的改变也会影响纤维的状态，c h r i s t o p h e r l 2 4 1 等对尼龙6 , 6 研 究时发现，在其它纺丝参数稳定的i j 提下改变纺丝距离，距离较近时为产生“念珠状 纤 维，且这些纤维紧贴于接收板上。纤维弹性、接收距离的波动、喷丝头孔径、纺丝温度、 气氛流动和大气压等参数参数对静电纺丝纤维的形成和形貌的影响相对较小，相关研究也 较少 2 5 1 。 1 3 2 静电纺丝技术的改进 目前对于具有先进功能性及不同结构的纳米纤维材料的需求越来越大，人们正寻求多 种方法来研制新的改良的静电纺丝装置，主要包括特制的喷嘴体系、改进的接收装置、同 轴电纺等方法，制备出如取向纳米纤维、纳米纤维长纱、中空纳米纤维或图案化纤维等具 有特殊结构的纳米纤维材料，这些材料具有生物医学发光、导电等功能。目前纤维的有效 取向和长纱的制备已成为静电纺研究的新热点。 1 3 2 1 多喷头静电纺丝 产量低是静电纺丝技术走向产业化生产和应用的最大技术障碍，由于静电纺纤维的 直径在微米级以下，静电纺单个喷头的产量是商业化运作的高速熔纺工艺的千分之一。静 电纺丝喷头的组装是提高产量的有效方法。c h u 2 6 1 分析了单头和双头静电纺丝的电场，提 出了多头纺丝顺利进行需要考虑的两个主要因素：一是电纺溶丝液必须要以恒定的压力或 流量输送到各个喷头上；二是各个电极尖端的电场强度要足以克服纺丝液的表面张力。 薯曩 r 静臻撕孽魄嘤蠛 p o l y m t v r s o b u o o n 臼籼e 9 鼬嚯濑簿 e 蚴哇f 勉醣 c u b e 图1 2 多喷头静电纺丝装置图 为获得具有均匀细度的混合纳米纤维，d i n g 2 7 1 等制备了多针头静电纺丝装置【如图1 2 ( a ) 所示】，在同一个喷丝板中，有若干针头喷射聚乙烯醇( p v a ) 溶液，另若干个针头喷射 醋酸纤维素( c a ) 溶液，另外采用旋转的接地滚筒作为目标电极，最终得到混合纳米纤维的 纤网。该方法不仅可以提高产量，且为制造功能性纳米纤网提供了思路。d o s u n m u l 2 8 1 等提 出了一种新颖的静电纺丝方法，该方法是在聚合物溶液中加上高电压，然后将溶液从中空 多孔的聚乙烯管中挤出形成多股射流( 如图1 2 所示) ，结果发现，该方法的产量是单针头静 电纺丝量的2 5 0 倍。y a r i n t 2 9 j 等制造了一种无针头静电纺丝多组分纳米纤维的装置，其采用 4 浙江理工大学硕士学位论文 两层溶液进行静电纺丝，上层是聚合物溶液，下层是铁磁性溶液，在两层溶液上施加磁场， 底崖溶液会使得上层溶液在电场作用下喷出向上方向的射流。并且磁场排除了喷嘴处可能 产生的堵塞现象。 1 3 2 2 取向静电纺丝纳米纤维的制备 传统静电纺丝装置接收到的纳米纤维往往是杂乱无章的，这限制了电纺丝在许多领 域的应用，如制备电子或感光元件等。由于对纳米纤维的一些应用需纤维布有优良的力学、 光学性能和很好的取向性，而无规纤维布是各向同性的，因此，随着电纺技术越来越广泛 的应用，对纳米纤维有序程度的要求也越来越高。对于如何实现有序网状结构的收集，主 要是通过采用不同的接收装置，如辊筒法、旋转接收极法、平行电极法和磁纺法。 采用辊筒收集的纤维有序程度不高，为了提高静电纺丝中有序纤维收集效率，杨翠 茹【3 0 】设计了圆形旋转接收极作为接收装置( 如图1 3 b 所示) ，并与辊筒接收极( 如图1 3 a 所示) 相比较，实验结果表明，与辊筒接收极极相比，旋转接收极在较低转速下可收集到 有序程度较高的纤维，节约了能源，且靠近圆心处的有序性稍差，远离圆心处有序性较好， 在圆周方向纤维膜有较强的机械强度，这一优势将推进这方面特殊需求的纤维膜的应用。 镑同 ( a ) 辊筒接收极( b ) 旋转接收极 图1 3 取向静电纺丝装置 w u 等设置平行辅助电极纺丝装置，如图1 4 所示，在接收装置后增加了三个平行辅助 电极，中间辅助电极上的电荷与喷丝头相反，两边电极带有与喷丝头相同的电荷。带有异 种电荷的两极之间形成一个闭合的电场，纤维在电场下被拉伸，纺丝得以进行。旁边两个 电极主要控制接收宽度，由于同性相斥使得纤维向中间集中。这种方法的优势在于纺丝电 场更加集中，使得纤维在电场中能够更好的被拉伸，纤维的取向度高，且在另两个同性电 极的作用下，纤维能更加集中的收集。 浙江理工大学硕士学位论文 一蕾 口= = z 三i j k o - 。 o t d i _ i e l i l ； 0 钾衄j 匦匿 一圳黜 图1 4 平行辅助电极装置示意图图1 5 平行板电极为接收装置 k i m l 3 l 】等以平行板电极为接收装置，通过对接收电极施加交流电场以来控制纤维的取 向排列，如图1 5 所示。在联合电场的作用下，可以让纤维堆叠成设定的图形，因此纤维 排列的程度与接收电极的强度和频率密切相关。 y a n g 3 2 】等设计了磁化静电纺丝( m e s ) 来生产高度取向的纤维( 如图1 6 所示) 。首先， 需向溶液中加细小的磁性纳米粒子对其磁化，再在喷丝方向两旁平行放置两块永久磁铁来 产生磁场，最后将一张带与喷丝头相反电荷的铝箔放在两块磁铁底部。带有微小磁性粒子 的纤维在磁场作用下，能进行横向上的拉伸，且被两磁铁吸引而悬于两磁铁之间，表征出 磁场的分布。该方法设备简单，磁场可比较准确的操作，能够得到更大面积的取向纤维。 i i i u m i n u mf o i l 图1 6 辅助磁场装置 1 3 2 3 纳米纤维连续长纱 近年来，电纺纳米纤维长纱的制备逐渐成为热点，通过对取向电纺纳米纤维进行规 整和捻合等后续加工之后，可以得到纳米纤维长纱。t e o 3 3 1 等将两块平行排列的金属极作 为反相电极来收集纳米纤维，如图1 7 所示，金属板的上部是象刀片的锋利面，下部包裹 6 g 旨 浙江理工大学硕士学位论文 绝缘胶带，用以遮蔽金属板上的电荷，缩小纤维的沉积区域，纤维束很容易转移至其它基 底j 二，收集到的纤维束放入水中处理，之后再进行捻合或编织，可得芝麻状及辫子样结构。 y 卜删 笺毵j 1 唑带 图1 7 平行板接收电极制备取向纳米纤维的装置 1 3 2 4 同轴静电纺丝 同轴静电纺丝，简称同轴电纺，是单步可制备连续的皮芯结构纳米纤维的方法之一。 同时，可通过添加各种功能性物质，如生长因子、蛋白质、酶、d n a 及一些其它有生物活 性的分子，从而改善基质的性能以促进细胞的增殖和分化。由研究显示，皮芯结构的纤维 具有控释功能，其中芯层结构部分控制功能性物质的储藏，而皮层结构根据释放动力学部 分控制生物活性分子的释放。 同轴静电纺丝的原理与传统的电纺相同，只是在喷丝头设计中有所改进。普通静电 纺丝采用单层毛细管，而同轴电纺采用复合喷丝头。将皮层材料和芯层材料的溶液分别装 在两个注射器中，喷丝装置末端为两个同轴但内径不同的毛细管。两个毛细管之间留有一 定间隙，以保证皮层溶液能顺利流出并与芯层溶液在毛细管口处汇合，对内外层液体施加 高压电场，从而使喷出的内外层溶液形成同心分层流。在纺丝过程中由于两液体在喷口处 汇合时间很短，且聚合物液体的扩散系数较低，皮层和芯层溶液在固化前不会混合在一起。 在高压电场力作用下，皮层和芯层溶液经过高频拉伸和弯曲鞭动变形后固化为共轴复合纳 米纤维。 同轴复合纳米纤维或皮芯型纳米结构被广泛用于组织工程支架构建、药物缓释体系、 缝合线和载药医用敷料等生物医学领域【3 5 】。w a n g 3 6 1 等人制备了明胶为皮层材料、p c l 为 芯层材料的同轴复合纳米纤维，并将成纤维细胞植入该支架，与明胶的流延膜和p c l 单组 份静电纺膜进行比较，结果表明，纳米纤维膜的结构更加接近e c m s ( 天然细胞外基质) 的结构，有利于细胞深入同轴膜的空隙在层间自由生长，细胞的黏附和生长更好，并且同 轴纤维膜的生物相容性要好于其它两种膜。j i a n g t 3 7 1 等人采用同轴电纺技术制备了以b s a ( 牛血清白蛋白) 与聚乙二醇的混合物为芯层材料、p c l 为皮层材料的纳米纤维，研究表 7 浙江理i t 大学硕士学位论文 明，包埋于芯层材料中的活性剂保存着完好的结构和生物活性，且纤维内外层的厚度可通 过调节内外层溶液的流速来实现。z h a 0 1 3 8 】等人设计了一种新颖的多通道同轴电纺装置来制 备中空纤维，采用p v p t i ( o i p r ) 4 体系制备了通道数量从两个到五个的多通道微米管，这种 特殊的管装结构可以应用于人工血管、催化剂和多组分药物释放等领域。 1 4 静电纺丝技术在组织工程中的应用 近年来，静电纺丝技术已经被广泛应用于组织工程研究的各个领域。天然细胞外基 质( e c m s ) 是由黏多糖和纤维蛋白组成的一种复合结构，细胞外基质在细胞的生长过程中起 着重要的调控作用，主要为细胞的黏附、分化与增殖提供机械强度与结构的支持。组织工 程的关键技术之一是构建具有类似于e c m 结构与功能的支架。目前，制备组织工程支架 的方法主要包括【3 9 1 ：粒子沥滤法、纤维粘结法、乳化冻干法、相分离法、气体发泡法及 静电纺丝法。其中，用静电纺丝技术制备的纤维支架膜可以在很大程度上仿生e c m 的结 构与功能，为细胞提供理想的体外生长环境，此外，可以通过调节纺丝液的组成、纺丝过 程参数以及采用先进的纺丝装置来调控纳米纤维的形貌结构、力学性能等，来满足不同组 织工程的要求。 与其它组织工程支架技术相比，静电纺纤维支架主要有以下几个特点【l 7 j ：( 1 ) 纳米纤 维直径与天然e c m s 相近的纳米纤维，支架具有高孔隙率和相互连通的三维网状结构；( 2 ) 支架材料可为单一的聚合物和多种聚合物的复合体，并且可在支架中加入生长因子、无机 粒子( 羟基磷灰石等) 、细胞调节因子和活细胞；( 3 ) 通过对材料表面进行理化修饰，可 以提高支架的生物相容性，也可控制支架的厚度、结构及力学性能；( 4 ) 定向排列的静电 纺纤维支架有利于细胞生长，最终控制再生组织的结构和性能；( 5 ) 同轴静电纺丝技术可 将天然材料和人工合成材料结合，有利于生物活性分子的释放。 通过在不同支架上培养各种细胞，许多静电纺纳米纤维支架已广泛应用于心脏、皮肤、 血管、软骨、神经等组织工程的研究领埘4 0 1 。 d u a n 4 l 】利用双喷头制备静电纺p l g a c s p v a 复合支架，由于c s 和p v a 为亲水性物 质，复合支架在p b s 中的吸水量明显高于p l g a ，其亲水性增强，利于细胞黏附增殖。通 过对成纤维细胞培养结果表明，p l g a c s p v a 复合支架上细胞生长良好，预测其在皮肤 修复中有应用价值。b l a c k w o o d 4 2 1 等将制备的p l g a ( l a g a = 8 5 ：1 5 、7 5 ：1 5 ) 电纺纳米 纤维支架进行体外培养，该支架支持人皮肤角质细胞、内皮细胞和成纤维细胞的黏附与增 8 浙江理1 = 大学硕上学位论文 殖，培养1 周后有新的胶原蛋白生成。将支架植入雄性大鼠背部的皮下组织，发现细胞能 在支架内部生长且在支架边缘无明显炎症反应。s k i n t 4 3 】等通过体外培养，将l e w i s 大鼠的 心肌细胞接种到用特殊结构制作的n i c r 金属线环收集的静电纺纤维网上，培养3 天后发 现，心肌细胞在电纺纤维网上开始收缩或跳动，培养1 4 天后细胞能够很好地黏附，结果 表明该方法可在体外培养具备足够生理功能的心肌结构。进一步研究，设想将血管生成因 子等引入到具有三维结构的细胞电纺复合支架上，极有可能培养出具有血管化的心肌组 织。x u 4 4 j 等制备了有序的p ( l l a c l ) ( 比例为7 5 ：2 5 ) 共聚物纳米纤维支架，在支架上植 入人冠状动脉平滑肌细胞( s m c s ) ，结果表明，细胞呈现梭形，能沿着纤维的轴线方向黏 附生长，细胞中骨架蛋白的分布和组织平行于纤维的排列方向。与聚合物薄膜相比，s m c s 在取向纤维支架上的黏附和增殖率大大提高。制备的有序纳米纤维支架模拟了天然细胞的 微环境，成功构筑了类似于血管的结构。 骨形态发生蛋白2 ( b m p 2 ) 等生长因子可用于调控骨组织重建。l i l 4 5 】等将丝素蛋白 ( s f ) 与b m p 2 共混并加入纳米级羟基磷灰石( n h a p ) 后，通过静电纺丝技术制得纤维支 架，之后种植培养人骨髓基质干细胞( h m s c s ) 来研究体外骨形成。结果表明，静电纺丝 素支架能促进1 1 m s c s 向成骨细胞分化，b m p 2 和n h a p 的加入有利于提高成骨质中的 b m p 2 转录水平。因此，静电纺丝素基纤维支架在骨组织工程中将会具有良好的应用前景。 j i a n 9 1 4 6 】等研究聚己内酯( p c l ) 牛血清白蛋白( b s a ) 皮芯结构的复合纳米纤维来控 制蛋白的释放。结果表明，将p e g ( 聚乙二醇) 添加到皮层内部能进一步改善了b s a 的 释放行为：增加p e g 含量，b s a 的释放速度随之提高。在1 周至1 个多月内大部分b s a 从皮芯结构复合纤维中释放出来。由此可见，天然蛋白质具有良好的生物相容性，通过与 合成高分子进行共混或同轴静电纺丝制备复合纳米纤维，可用于组织工程支架的构建。 1 5 玉米醇溶蛋白的性能 1 5 1 玉米醇溶蛋白的结构与应用 玉米醇溶蛋白( z e i n ) 是可再生的天然高分子蛋白，是玉米中主要的贮藏蛋白，由于 玉米种类和分离方法的不同，它在玉米胚乳蛋白中含量为4 4 7 9 不等【4 7 1 。玉米醇溶蛋白 是由一组分子大小和溶解度不同的蛋白质组成，可分为0 【、p 、丫、6 四种。其中仅玉米醇 溶蛋白含量最多，大约占z e i n 的7 5 8 5 ，可溶于9 5 乙醇，b 玉米醇溶蛋白次之，约占 z e i n 的1 0 1 5 ，可溶于6 5 乙醇而不溶于9 5 乙醇。相对而言，y 和6 的含量很少。 9 浙江理工大学硕士学位论文 玉米醇溶蛋白具有良好的成膜性和防水、防湿性能，很强的耐热性和耐脂性，良好 的牛物相容性和生物可降解性，可广泛应用于食品、医药、饲料及化工等行业【4 8 】。在食品 产业中，玉米醇溶蛋白作为被膜剂，可以以喷雾形式在食物表面形成可防潮、防氧化的涂 层，从而延长食品货架期。在医药方面，由于醇溶蛋白疏水性高，所以涂在药片外面，作 为防潮层。此外，玉米醇溶蛋白可以与纸张复合，作为一种防水防潮的绿色包装材料，还 可作为工业上的发泡剂和乳化剂等。 1 5 2 玉米醇溶蛋白的单独静电纺丝 最早利用z e i n 静电纺的报道是在2 0 0 5 年，m i y o s h i 5 0 1 等以8 0 w t 的乙醇水溶液为溶 剂，配置成浓度为1 8 2 5 w t 的纺丝液进行静电纺丝。文献探索了纺丝液浓度和电压等纺 丝参数对纤维形态的影响。当固定纺丝距离为1 0 e m 时，选用电压为1 5 k v 和3 0 k v 进行研 究。结果表明，当纺丝电压为1 5 k v 时，浓度为1 8 w t 时得到的主要为串珠，只有在一定 的浓度( 2 1 w t ) 以上才能得到纤维；当纺丝电压为3 0 k v 时，在较低的浓度( 1 8 w t ) 就 能得到纤维；继续增加电压至3 5 k v ，由于电晕放电而不能进行静电纺丝。文献解释为，乙 醇具有高挥发性致使射流表面形成薄层，随着溶剂挥发纤维表层塌陷而形成。作者认为浓 度是电纺z e i n 的最重要的参数之一。 s a o w a k o n l 4 9 】等人通过添加增塑剂甘油来提高静电纺纯z e i n 纤维膜的拉伸强度和伸长 率。在玉米醇溶蛋白溶液中加入质量分数分别为2 、5 、8 、1 0 的甘油和表面活性剂进行 静电纺丝，结果表明，随着甘油质量分数的提高，电纺纤维的直径增大，纤维膜的拉伸强 度和伸长率明显提高，当甘油质量分数为1 0 时，断裂伸长率提高了1 6 倍，主要是由于 两者之间