（纺织材料与纺织品设计专业论文）zeinplga双组份纳米复合纤维膜的制备研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 l i i ll l ii ii i i i i ii ii ii il y 17 4 7 5 4 0 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密。 学位论文作者签名：歌l 专、刀孓 日期： ) 。f o 年多月i r 日 年解密后使用本版权书。 刃晔j纽吣旆 ，少o 年 签驯 隧加 j i y教 ： 导期活日 浙江理工大学硕士学位论文 感谢9 7 3 计划前期研究课题 基于静电纺丝的组织工程用丝素蛋白纳米纤维的研究 ( 2 0 0 8 c b 6 17 5 0 6 ) 浙江理工大学硕士学位论文 z e i n p l g a 双组份纳米复合纤维膜的制备研究 摘要 静电纺丝是制备纳米纤维的一种主要方法，它是利用高压电场使聚合物溶液或熔体产 生带电射流而形成纳米纤维的过程。用静电纺丝法制备的纳米级纤维具有直径小、比表面 积大、孔隙率高等特点，在组织工程支架、生物传感器、药物控释、过滤材料等方面有着 广泛的应用。 本文利用静电纺丝法制备了z e i n 、聚乳酸羟基乙酸共聚物( p l g a ) 和z e i n p l g a 纳米 纤维。首先研究了p l g a 的静电纺丝，利用扫描电镜( s e m ) 观察了静电纺纤维膜的微观 形貌。为了提高静电纺z e i n 纤维的力学性能以及改善其在水中易溶胀的性质，本文在z e i n 纺丝液中加入了p l g a ，进一步探讨了z e i n p l g a 共混静电纺丝的纺丝工艺参数，并采用 红外光谱( f t 瓜) 、差示扫描量热( d s c ) 研究了z e i n p l g a 纤维的微细结构，测试了纳 米纤维膜的力学性能。本文也研究了p l g a z e i n 的同轴静电纺丝，讨论了内层纺丝流率对 p l g a z e i n 皮芯结构纤维形态的影响，用场发射扫描电镜( f e s e m ) 和透射电镜( t e m ) 验证了同轴静电纺丝制得的纤维具有皮芯结构，并通过溶解其中一种组分的方法，测得了 同轴静电纺膜中p l g a 组分的含量，最后测试了静电纺膜的力学性能。 结果表明：纺丝液质量分数是影响静电纺p l g a 纤维和z e i n p l g a 共混纤维直径以 及形态的主要因素。随着p l g a 纺丝液质量分数的增大，纤维膜的拉伸断裂应力和应变 均逐渐增大。p l g a 的加入能有效改善纤维膜的力学性能及其在水中的稳定性，当 z e i n p l g a 的质量比达到5 5 时，纤维膜的收缩率降低到8 左右；在z e i n 组分含量大 于p l g a 组分含量的情况下，随着p l g a 含量的增加，纤维膜的拉伸断裂应力和应变均 逐渐增大；在z e i n p l g a 共混体系中，两组分没有明显的相互作用，是一种非均相的共 混。对于p l g a z e i n 皮芯结构纳米纤维来说，随着内层纺丝流率的增大，纤维中p l g a 的 含量增加；拉伸实验表明，芯层p l g a 的引入提高了静电纺纤维膜的力学性能，且随着 内层纺丝流率的增加，纤维膜的拉伸断裂应力和应变均逐渐增大。 关键词：z e i n ；p l g a ；( 同轴) 静电纺丝；结构；性能 浙江理工大学硕士学位论文 p r e p a r a t i o no nz e i n p l g ab i c o m p o n e n tn a n o f i b e rc o m p o s i t e s a b s t r a c t 1 1 圮e l e c t r o s p i n n i n gt e c h n i q u ei sai m p o r t a n tm e t h o do fp r o d u c i n gn a n o f i b e r s ，w h i c hi sa p r o c e s st h a tc r e a t e sn a n o f i b e r st h r o u g ha ne l e c t r i c a l l yc h a r g e dj e to fp o l y m e rs o l u t i o no rp o l y m e r m e l t 1 1 1 en a n o f i b e r sa s s e m b l yp r o d u c e db ye l e c t r o s p i n n i n gt e c h n i q u e ，d u et os e v e r a lu s e f u l p r o p e r t i e ss u c ha ss m a l ld i a m e t e r , s u r f a c ea r e at ov o l u m er a t i oa n dh i g hp o r o s i t y , o f f e raw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n ss u c ha st i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d ，b i o s e n s o r , d r u g c o n t r o l l e dr e l e a s ea n d f i l t e r s z e i l l ，p o l y ( 1 a c t i c - e o g l y c o l i ea c i d ) o a l g a ) a n dz e i n p l g an a n o f i b e r sw e r ep r e p a r e db y e l e c t r o s p i n n i n gi nt h i sp a p e r ，n l em i c r o - m o r p h o l o g yo fe l e c t r o s p i n n i n gp l g aw a so b s e r v e db y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e l v of i r s t l y p l g aw a sa d d e di nz e i ns p i n n i n gs o l u t i o ni no r d e r t o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz e i n f i b e r sa n di t s s w e l l i n gb e h a v i o r i nw a t e r z e i n p l g ab l e n df i b e r sw e r ep r o d u c e db ye l e c t r o s p i n n i n g 1 1 1 ep a r a m e t e r so fe l e c t r o s p i n n i n g z e i n p l g ah a v eb e e ns t u d i e d n 圮m i c r o s t m c t u r eo fz e i n p l g af i b e r sh a v eb e e nt e s t e db y m e a n so fi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) a n dd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n dt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fn a n o f i b e rm e m b r a n e sh a v ea l s ob e e n e x a m i n e d m e a n w h i l e ， p l g a z e i nc o r e s h e l lf i b e r sw e r ep r e p a r e db yc o a x i a l e l e c t r o s p i n n i n g 1 1 圮e f f e c to ft h e f l o w - r a t eo ft h ei n n e rp l g af l u i do nf i b e rm o r p h o l o g yw a si n v e s t i g a t e d t h ec o r e s h e l ls t r u c t u r e o fe l e c t r o s p i n n i n gz e i n p l g aw a si n v e s t i g a t e db yf i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( f e - s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) 1 1 忙c o n t e n to fp l g ai np l g a z e i n c o i e s h e l lf i b e rm e m b r a n eh a sa l s ob e e nm e a s u r e db yt h e w a yo fd i s s o l v i n go n eo ft h e c o m p o n e n t s f i n a l l y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fn a n o f i b e rm e m b r a n e sh a v ea l s ob e e n e x a m i n e d ，n l er e s u l t ss h o w e dt h a t , t h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni st h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o ri n f l u e n c i n g f i b e rd i a m e t e ra n dm o r p h o l o g y t h et e n s i l es t r e s sa n ds t r a i no ft h ep l g af i b e rm e m b r a n e sh a v e b e e ni m p r o v e dg r a d u a l l y 、析lt h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o no fp l g a i n c r e a s e d c o m p a r e dw i t h z e i nf i b e rm e m b r a n e s ，t h et e n s i l es t r a i na n ds t a b i l i t yi nw a t e ro ft h ez e i n p l g af i b e rm e m b r a n e s h a v eb e e ni m p r o v e de f f e c t i v e l y w h e nt h en l a s sr a t i oo fz e i n p l g ai s5 5 ，t h ef i b e rm e m b r a n e s h r i n k a g er e d u c e dt o8 w i mt h ec o n t e n to fp l g ai n c r e a s e d ，t h et e n s i l es t r e s sa n ds t r a i no ft h e z e i n p l g af i b e rm e m b r a n e sh a v eb e e ni m p r o v e dw h e nt h ec o n t e n to fz e i ni sm o r et h a np l g a t h e r ew a sn oo b v i o u si n t e r a c t i o nb e t w e e nz e i na n dp l g ai nt h ez e i n ，p l g ab l e n d s i t sa n o n - h o m o g e n e o u sb l e n d s z e i n p l g af i b e rw a sah e t e r o g e n e o u sb l e n d f o rt h ez e i n p l g a i i 浙江理工大学硕士学位论文 c 0 陀一s h e l lf i b e rm e m b r a n e s ，、访t l li n c r e a s i n gt h ef l o wr a t eo fi n n e rl a y e r , t h ec o n t e n to fp l g a i n c r e a s e d t h er e s u l t so ft e n s i l et e s ti n d i c a t e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l g a z e i n o d r e - s h e l lf i b e rm e m b r a n e si m p r o v e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fp l g a m e a n w h i l e ，t h et e n s i l e s t r e s sa n ds t r a i no ft h ep l g a z e i nc o r e s h e l lf i b e rm e t l l h r a n e sh a sb e e ni n c r e a s e d o b v i o u s l yw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ef l o wr a t eo fi n n e rl a y e r k e y w o r d ：z e i n ；p o l y ( 1 a c t i c - c 一g l y c o l i ea c i d ；( c o a x i a l ) e l e c t r o s p i n n i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ； p r o p e r t y i l l 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘兰要i a b s t r a c t i i i i i 录： 第一章绪论l 1 1 组织工程支架材料1 1 1 1 天然高分子材料1 1 1 2 合成高分子材料2 1 1 3 组织工程用无机材料2 1 2 组织工程支架的制备技术2 1 2 1 溶液浇铸粒子沥滤法3 1 2 2 纤维连接法一3 1 2 3 相分离法3 1 2 4 熔融模法。4 1 3 静电纺丝技术及其在组织工程支架中的应用4 1 3 1 静电纺丝技术4 1 3 2 静电纺丝技术在组织工程支架中的应用5 1 4 静电纺z e i n 以及p l g a 纳米纤维的研究现状7 1 4 1 静电纺z e i n 的研究现状7 1 4 2 静电纺p l g a 的研究现状8 1 5 课题的提出：9 第二章静电纺p l g a 纳米纤维膜1 1 2 1 实验1 1 2 1 1 实验材料1 1 2 1 2 实验仪器1 1 2 1 3 纺丝液制备1 2 2 1 4p l g a 纤维膜的制备1 2 2 2 形态结构与性能表征1 3 2 2 1 表面形貌及直径测定13 i v 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 力学性能测试1 3 2 3 结果与分析13 2 - 3 1 纺丝参数对纤维形态的影响1 3 2 3 2 力学性能测试1 8 2 4 结论：1 9 第三章z e i n p l g a 共混静电纺丝2 0 3 1 实验部分2 0 3 1 1 实验材料2 0 3 1 2 实验仪器2 l 3 1 3 纺丝液制备2 1 3 1 4z e i i l p l g a 纤维膜的制备2 1 3 2 形态结构与性能表征2 l 3 2 1 表面形貌及直径测定2 1 3 2 2 尺寸稳定性测定2 2 3 2 3 衰减全反射傅立叶红外光谱分析( a t r - f t i r ) 一2 2 3 2 4 差示扫描量热法( d s c ) 2 2 3 2 5 力学性能测试2 2 3 3 结果与讨论2 2 3 3 1 纺丝工艺参数对静电纺z e i n p l g a 纤维形态的影响2 2 3 3 2z e i n p l g a 静电纺纳米纤维膜在水中的尺寸稳定性3 2 3 3 3 红外光谱分析3 3 3 3 4d s c 分析3 4 3 3 5 力学性能测试3 5 3 4 结论3 6 第四章p l g a z e i n 同轴静电纺丝3 7 4 1 实验部分3 7 4 1 1 实验材料3 7 4 1 2 实验仪器3 8 4 1 3 纺丝液制备3 8 4 1 4 试样制备3 8 v 浙江理工大学硕士学位论文 4 2 形态结构与性能表征3 9 4 2 1 表面形貌及直径测定3 9 4 2 2 衰减全反射傅立叶红外光谱分析( a t r - f t i r ) 一3 9 4 2 3 力学性能测试3 9 4 2 4 皮芯结构纤维组分含量的测定4 0 4 3 结果与分析4 0 4 3 1 皮芯结构纤维的f e s e m 表征4 0 4 3 2 皮芯结构纤维的t e m 表征4 1 4 3 3 纺丝参数对纤维形态的影响4 2 4 3 4p l g a z e i n 皮芯结构纤维的结构与性能4 5 4 4 结论4 8 第五章总结与建议5 0 5 1 结j 沧5 0 5 1 1 静电纺p l g a 纳米纤维膜：5 0 5 1 2z e i i l p l g a 共混静电纺丝5 0 5 1 3p l g a z e i n 同轴静电纺丝5 1 5 2 建议5 2 参考文献5 3 致谢一5 8 攻读硕士学位期间发表论文情况5 9 v i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 组织工程支架材料 第一章绪论 组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 是近年来正在兴起的- - i j 新学科，组织工程一词最早是在 1 9 8 7 年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出的，1 9 8 8 年将其正式定义 为：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下 的组织结构与功能关系的基础上，研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损 伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。其基本原理和方法是将体外培养扩增的 正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可被机体降解吸收的生物材料上形成复 合物，然后将细胞一生物材料复合物植入人体组织、器官的病损部位，在作为细胞生长支 架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、 功能方面与相应组织、器官一致的组织，从而达到修复创伤和重建功能的目的。它是继细 胞生物学和分子生物学之后，生命科学领域又一新的发展里程碑，标志着传统医学将走出 器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。同时组织工程作为一门多学科交叉的边 缘学科，它融合了细胞生物学、工程科学、材料科学和外科学等多个学科，必将促进和带 动相关高技术领域的交叉、渗透和发展，并由此衍生出新的高技术产业。 组织工程主要包括两方面内容：一是构建具有良好组织相容性的生物学支架，以提供 移植细胞定向生长和器官修复的微环境；二是将细胞在体外扩增并使其在新生组织中进行 定向分化与生长。 在组织工程中，生物学支架主要用于模拟正常组织细胞外基质( e x t r a c d l u l a rm a t r i x ， e c m ) 的生物学功能，为新器官的形成提供三维生存空间，并将细胞输送至特定的生长位 置；更为重要的是，它还应携带细胞生长分化所必需的信号分子( 如粘附多肽、生长因子等) ， 为器官再生提供微环境。在细胞支架植入病损部位后，支架逐渐降解吸收，而移植细胞继 续生长，形成具有特定形态和功能的新生组织。为了达到移植物与供体的理想整合，构成 支架的生物学材料应该具有生物相容性、可降解与可吸收性。 目前常用的组织工程材料主要有：天然高分子材料、合成高分子材料以及无机材料等。 1 1 1 天然高分子材料 天然高分子材料大多来源于动植物体内，具有良好的生物相容性以及可降解、降解产 l 浙江理工大学硕士学位论文 物无毒等特点，但由于其机械性能较差，往往无法满足组织工程支架的要求。常用的天然 高分子材料有胶原( c o l l a g e n ) 、明胶( g e l a t i n ) 、甲壳素和壳聚糖( c h i t i na n dc h i t o s a n ) 、透 明质酸( h y a l u r o n i ca c i d ，h a ) 、纤维素( c e l l u l o s e ) 、丝素蛋白( s i l kf i b r o i n ) 等。 1 1 2 合成高分子材料 合成高分子材料具有良好的力学性能和加工性能，因而产品的质量容易标准化，有利 于大规模生产。合成高分子材料的种类多、选择范围广，是组织工程材料的一个重要来源 【l l 。合成组织工程材料的最大缺点是材料表面缺乏细胞可以识别的位点，通常不具备生物 活性，而且材料的降解产物可能存在一定的毒性【2 】。常用的合成高分子材料主要有聚乳酸 ( p l a ) 、聚乙交醋( p g a ) 、聚乳酸聚羟基乙酸共聚物( p l g a ) 、聚己内醋( p c l ) 、聚( 3 - 羟基丁酸酯) ( p 皿) 等。 1 1 3 组织工程用无机材料 各种生物陶瓷也广泛应用于组织工程，特别是骨组织工程支架材料的构建，主要有羟 基磷灰石( h a ) 、3 - 磷酸三钙( b - t c p ) 等。 组织工程支架的制备技术 组织工程支架的种类非常众多，理想的组织工程支架在设计过程中应满足以下基本要 求1 3 ，4 】： ( 1 ) 良好的生物相容性。即无明显的细胞毒性、降解产物对细胞无毒害作用，不引起 炎症反应和免疫排斥，有利于细胞的黏附、增殖。 ( 2 ) 良好的生物可降解性。支架材料在受损组织修复后应能降解，降解速度应与组织 再生的速度相匹配。 ( 3 ) 具有合理的三维立体多孔结构。支架孔隙率和比表面积大，以利于细胞黏附生长、 细胞外基质沉淀、营养和氧气的传输、代谢产物的排出以及血管和神经的内生长。 ( 4 ) 适当的机械强度。支架应具备与所修复组织相匹配的机械强度，以便于在体内生 物力学微环境中保持结构的稳定性和完整性，为新生组织提供支撑。 ( 5 ) 易于加工、成形、消毒和保存。 因此，如何制备具有良好细胞相容性和生物降解性的三维多孔支架成为组织工程学科 2 浙江理工大学硕士学位论文 研究的重点。在组织工程支架的制作过程中，除选材和后处理外，对支架性能影响最大的 步骤就是多孔支架的制备，因为制备工艺决定了支架的整体外形、微观结构以及力学性能 和降解性能。其中支架的孔径【5 , 6 1 、孔隙率、孔间连通性对细胞的增殖、黏附和分化有着很 重要的影响，因此多孔支架的微观结构就成为最关键的因素。 目前能制备出多孔支架的方法有很多 7 1 ，包括：溶液浇铸粒子沥滤法、纤维连接法、 相分离法、快速赋型法、膜迭片法、熔融模法、聚合物陶瓷纤维复合泡沫法、原位聚合法 等。静电纺丝法属于纤维连接法中的一种，它被认为是制备纳米纤维的最有效方法之一。 1 2 1 溶液浇铸粒子沥滤法 溶液浇铸粒子沥滤法是制备组织工程支架的一种传统方法。此法是将聚合物溶解在 易挥发的溶剂中，然后将溶液浇铸到充满致孔剂的模具中；待溶剂挥发后，将聚合物致 孔剂的混合物在适当的条件下沥滤以去掉致孔剂，得到不含粒子的聚合物支架。 溶液浇铸粒子沥滤法的操作方便，其孔的尺寸和孔隙率可以通过加入致孔剂的含量 及致孔剂粒子大小来独立调节。只要能找到适合的溶剂，此法可应用于任何一种聚合物。 但此法亦存在缺陷，由于致孔剂和聚合物的密度不同，最终使得得到的支架的孔结构大小 和形状不规则，孔隙率不均一。 1 2 2 纤维连接法 纤维连接法就是将大量纤维连接成纤维网。此法一般选用两种加热时不相互熔的聚合 物，且这两种聚合物对某种溶剂具有不同的溶解性能。将一种聚合物纤维包埋在另一种聚 合物基质中，加热后使聚合物纤维在交差点处因熔融发生连接，然后再溶解去除作为基质 的那种聚合物，最后剩下纤维网。 纤维连接法制得的支架孔隙率高、比表面积大，有利于细胞的黏附生长。但此法对溶 剂和聚合物熔融温度的要求限制了这一技术的广泛应用。 1 2 3 相分离法 相分离法是将指聚合物溶液通过一种可控方式进行骤冷，得到连续的聚合物固相和溶 剂固相，然后将固化的溶剂相通过升华的方式去除，得到多孔的聚合物支架的一种方法。 由于这个过程是在低温下进行，因此可以在制备过程中加载复合生物活性分子，以便解决 3 浙江理工大学硕士学位论文 药物运载问题。但这一技术对设备和实验条件的要求较高，孔隙尺寸不易控制，不利于细 胞的迁移。 1 2 4 熔融模法 熔融模法与溶液浇铸粒子沥滤法类似，不同的是熔融模法是将聚合物粉末预先与可 沥去相混合，然后倒入模具中加热，直至聚合物的玻璃化温度以上，成形后取出在水中浸 泡，除去可沥去相，从而得到具有模具三维外形的多孔支架。这一技术可以根据需要从而 制得具有特殊三维外形的支架。但由于在制作过程中需要对材料进行加热，可能会引起聚 合物性质的改变，而且加热对可沥去相也有影响。 1 3 静电纺丝技术及其在组织工程支架中的应用 组织工程支架材料的不同制备技术中，静电纺丝法由于其制得的的纤维支架比表面积 大、孔连通性好、形态结构与天然细胞外间质相似，适合于细胞的粘附、增殖和分化，近 年来受到越来越多的关注，现已广泛应用于生物医学领域。 1 3 1 静电纺丝技术 静电纺丝技术的基本原理是利用高压电场使聚合物溶液或熔体产生带电射流而形成 纳米纤维，其装置如图1 1 所示，当高压电加在毛细管上时，毛细管尖的纺丝液或熔体表 面将聚集电荷，并在电场力作用下开始变形。当电场力大于聚合物液滴的表面张力时，聚 合物将形成喷射细流。在带电射流向接收装置高速运动的过程中，溶剂不断挥发或熔体逐 渐固化形成纤维，并在接收装置上沉积，形成纤维网状的薄膜。 影响静电纺丝的因素主要包括以下三个方面： ( 1 ) 纺丝液性质，如纺丝液粘度、质量分数、相对分子量、传导率、介电常数、表 面张力、射流所带电荷和聚合物结构等。 ( 2 ) 纺丝的过程条件，如电压、纺丝流率、纺丝距离、毛细管直径以及收集板的运 动情况等。 ( 3 ) 周围环境参数，如温度、湿度、气体流速和大气压等。 4 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 高压电源2 接收装置3 微量注射泵4 注射器 5 纺丝液6 毛细管7 升降台 图1 1 静电纺丝装置图 1 3 2 静电纺丝技术在组织工程支架中的应用 从目前的研究现状来看，静电纺丝产品更加重视其实际应用。静电纺丝制备的纤维由 于具有体积比表面积大、孔隙率高、纤维尺寸可控、纺丝装置简单和适用的材料广泛等特 点，在组织工程支架、药物控释【8 】、传感器【9 】、过滤材料【1 0 1 、纳米复合材料【1 1 1 等方面具有 较大的应用前景。组织工程支架作为其应用的一方面，已吸引了越来越多的科学工作者及 研究机构的关注。 细胞外基质( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ，e c m ) 是组成间质和上皮一血管中基质的不溶性结构成 分，它不仅仅是细胞机械支持组织，而且是供给营养和免疫应答的场所，参与调节胚胎发 育进程，决定细胞的粘附与迁移，在创伤修复和纤维化、细胞的生长、分化、代谢和肿瘤 发生及转移中起重要作用，并作为组织替代材料用于临床研究。其主要成分包括胶原 ( c o l l a g e n ) 、非胶原糖蛋白、弹性蛋白、糖胺多糖、蛋白聚糖( p r o t e o g l y c a n ) 、与基质代谢 相关的酶及细胞因子【1 2 】。如图1 2 所示。其中，蛋白聚糖等能够形成水性的胶状物，在这 种胶状物中包埋有许多其它的基质成分；胶原和弹性蛋白等结构蛋白能赋予细胞外基质一 定的强度和韧性；纤粘连蛋白( f i b r o n e e t i n ) 和层粘连蛋白( 1 a m i n i n ) 等粘着蛋白，能够促使 细胞同基质结合。以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物，这种复 合物通过纤粘连蛋白或层粘连蛋白以及其他的连接分子直接与细胞表面受体连接；或附着 浙江理工大学硕士学位论文 到受体上。由于受体多数是膜整合蛋白，并与细胞内的骨架蛋白相连，所以细胞外基质通 过膜整合蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体。 图1 2 细胞外基质不意图 组织工程中，支架主要用于模拟组织细胞外基质的生物学功能，为细胞以及组织生长 提供适宜的环境，随着细胞的分裂逐渐降解和消失，将新的空间提供给组织和细胞，并使 新生成的组织和器官具备与细胞支架相似的几何外形。 纳米纤维由于具有与天然细胞外基质相近的微观结构而广泛应用于组织工程之架中。 静电纺丝法与相比以往的支架制备技术相比，它制得的纳米纤维具有高的比表面积、合适 的孔径和高的孔隙率，有利于细胞粘附、增殖和分化，有利于细胞种植和细胞外基质的形 成、氧气和营养物质的传输和代谢物的排放等。从支架结构形貌上看，静电纺丝支架能更 好地在形态上模拟细胞外基质( e c m ) 。因此，在组织工程支架方面有巨大的发展前景。 l a l e h 等【1 3 】用静电纺丝法制备了聚己内酯明胶( 7 0 ：3 0 ) 纳米纤维，并用于培养神经干 细胞，结果表明，与p c l 纤维支架相比，聚己内酯明胶共混纤维支架更有利于细胞的分 化和增殖，同时也发现，神经干细胞是沿着纤维趋向的方向作进一步的分化和生长的。z o n g 等【1 4 1 研究了心肌细胞在聚乙交酯丙交酯共聚物( p l g a ) 和聚左旋乳酸( p l l a ) 两种电纺纤 维支架上的黏附和生长情况，结果表明p l l a 纤维支架上心肌细胞能成功地发展成了成熟 的肌小节。同时也显示该细胞对支架材料的组成成分较为敏感，更偏向于相对疏水性的表 面，而心肌组织的结构和功能化构建可通过提供不同的纳米和微米级纤维支架的化学和几 何表面来实现。y o o 等【1 5 j 对人体表皮角化细胞在甲壳素丝素混纺和混杂两种纤维膜上的细 6 浙江理工大学硕士学位论文 胞相容性进行了评估，结果显示，在l h 内混纺纤维膜比混杂纤维膜具有更好的黏附和增 殖效果，而培养7 天后发现，甲壳素丝素比例为2 5 7 5 的混杂纤维膜和混纺纤维膜具有相 同的效果。研究认为，细胞活性与纤维膜的形态、结晶结构和化学组成有关。m a t h t e w s 等 1 1 6 j 将胶原纺制成纤维直径在1 0 0 7 0 0 n m 的纤维膜，该支架的结构及生物性能与天然的生物 细胞外基质极其相似；生物测评表明，细胞倾向于沿纤维的轴向生长。y o s h i m o o t 等【1 7 】把 p c l 电纺纤维膜用作小鼠骨组织工程支架，并对其细胞相容性进行了评估，发现l 周后支 架细胞体系中有大量的细胞外基质产生，4 周后有工型胶原产生，且支架细胞体系发生钙 化，这表明由p c l 制成的纤维支架可以为矿化组织的形成提供了有利环境，是一种理想的 骨组织工程材料。k i d o a k i 等【l8 】采用分步纺丝法以及多纺丝头共纺法制备了具有多层结构 的管状支架，用于血管等组织的再生，其支架的各层为支架提供不同的功能。m o 等【1 9 】将 p ( l l a c l ) 电纺纤维膜用作皮肤组织工程的支架，发现平滑肌细胞和内皮细胞在该支架上 表现出优异的粘附和增殖行为。m a 等【2 啦! 1 将明胶和胶原接枝到p c l 电纺支架的纤维表面， 成功地改善了该支架与内皮细胞的形容性。 1 4 静电纺z e i n 以及p l g a 纳米纤维的研究现状 1 4 1 静电纺z e i n 的研究现状 z e i n 是玉米中主要的贮藏蛋白，在1 8 2 1 最早由j g o r h a m 年发现并命名的吲。z e i n 具有很好的成膜性、组织相容性、可降解性和降解产物无毒等特性，是一种很好的组织工 程材料 2 3 】。但目前，对于z e i n 静电纺丝的研究相对较少，多是纺丝工艺参数的研究。 m i y o s h i 等1 2 4 j 采用乙醇溶液为溶剂，对纺丝液质量分数在1 8 2 5 之间z e i n 溶液 进行静电纺丝，并研究了纺丝工艺参数对纤维形态的影响，他认为质量分数是最重要的纺 丝参数之一。t o r r e s g i n e r 等【2 5 j 以乙醇溶液为溶剂，详细研究了纺丝工艺参数，如纺丝液 质量分数、溶剂含量、纺丝流率、纺丝电压、纺丝距离以及p h 值对纤维直径和形态的影 响。j i a n g 等【2 6 j 采用n , n - - - 甲基甲酰胺( d m f ) 为溶剂，研究了纺丝液质量分数、纺丝电 压和纺丝距离对z e i n 纳米纤维形态的影响。 纤维形态和结构的影响。实验得出，以乙酸、 s e l l i n g 等【2 7 】研究了不同溶剂对静电纺z e i n 甲醇水溶液、乙醇、和异丙醇为溶剂进行静 电纺可以得到z e i n 纤维；而以d m f 、丙酮水、乙酸水、8 m 尿素水、或1 0 的n a o h 水溶液为溶剂时却不能纺得z e i n 纤维。实验同时还得出了乙酸是静电纺z e i n 的良好溶 剂。 7 浙江理工大学硕士学位论文 y a o 等团j 以乙醇水溶液为溶剂，以聚乙烯基吡咯烷酮( p v p ) 为增溶剂，对z e i n h a p v p 不同混合比例进行了静电纺丝，研究了组分含量对纤维形态的影响。实验证明， 混合纤维的平均直径随着z e i n 组分含量的增加而增加，随着p v p 含量的增加而减小， h a 的含量对纤维直径无明显影响。实验还采用亚甲基联苯二异氰酸酯( i ) 对复合纤 维膜进行交联改性。 j i a n g 等 2 6 1 采用同轴静电纺丝制备了以聚( n 己内酯) ( p c l ) 为核，以z e i n 为壳的 皮芯结构纳米纤维，提高了静电纺z e i n 纤维的力学性能，可应用在组织工程中。 国内东南大学的李新松等在静电纺制备z e i n 和z e 耐添加剂( 包括药物类和可降解聚 合物等) 的纳米纤维膜以及所得纤维膜的应用方面申请了发明专利。这种z e i n 纳米纤维 多孔膜，电纺所用的溶剂为低脂肪醇或其与水的混合物，其特征在于该多孔膜是z e i n 纳 米纤维或含有添加剂的z e i n 纳米纤维无规堆积而成，z e i n 纳米纤维是带状纤维，纤维的 横向尺寸为2 0 n m - - 1 0 p r o ，多孔膜的孔尺寸为1 0 0 n m - - 1 0 0 9 m 。李新松等采用六亚甲二异 氰酸( h d i ) 对z e i n 纤维进行交联【2 9 】，提高了纤维膜的力学性能，他还采用二苯基甲烷 异氰酸酯( m d i ) 对z e i n 纤维膜进行处理，使其拉伸强度大大提高。对交联后的z e i n 纤维 膜进行生物学评价，结果发现交联后的纤维膜的生物相容性良好，且在培养液中可以维持 较长时间的纤维状结构。李新松等还在z e i n 纺丝液中加入透明质酸、聚乙烯吡咯烷酮、 聚氨酯等，制得了多种混杂纤维。对其进行生物学评价，结果显示了静电纺z e i n 纤维无 明显的细胞毒性，有较好的细胞亲和性，z e i n 纳米纤维将在组织修复和组织工程支架中有 广泛的应用前景。 1 4 2 静电纺p l g a 的研究现状 聚乳酸一羟基乙酸共聚物( p l g a ) 因具有良好的生物相容性、生物降解性、机械性能 等，在生物医学领域得到了广泛的应用。近年来，有关p l g a 的静电纺丝研究的越来越 多。 王颖俊等1 3 川研究了溶剂挥发性对p l g a 电纺纤维直径及其膜动态力学性能的影响。 发现随着溶剂挥发性质增强，纤维形貌发生一定的变化，纤维直径增大。何晨光等【3 1 ，3 刁研 究了静电纺丝的主要参数( 纺丝液浓度、纺丝流率、电压) 对p l g a 纤维支架形貌和纤 维直径的影响，并考察了制备参数对纤维支架结构的影响规律。m o n c y 等p 3 1 对用于骨组织 工程的p l g a h a 纳米复合材料支架的进行了研究，并探讨了h a 的质量分数