（高分子化学与物理专业论文）同轴电纺在组织工程支架表面改性中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在本研究中，采用同轴共电纺制备了生物降解性核壳纤维膜，用于组织工程 支架。选择生物降解性合成材料聚己内酯作为核壳纤维的内核，为复合纤维支架 提供适宜的机械性能；选择细胞相容性天然材料明胶或玉米醇溶蛋白作为核壳纤 维的外壳，以增强细胞在纤维支架中的粘附增殖。 首先我们研究了聚己内酯明胶核壳纤维体系；研究中重点考察了内核纺丝 液进料速度对纤维形态、组成、机械性能等的影响。研究发现：当内核纺丝液进 料速度小于临界进料速度时，可以通过同轴电纺制备出表面光滑且形态均一的核 壳结构复合纤维。通过改变内核纺丝液的进料速度，可以很方便地改变纤维各方 面性能。复合纤维的壳层为明胶，但其中含有少量内核材料聚己内酯；纤维内核 为聚己内酯，其分子链的取向程度高于单轴电纺纤维中的分子链。可以用戊二醛 作为交联剂将复合纤维壳层的明胶交联固定；交联条件对纤维支架的形态和孔隙 率有一定影响。交联前的电纺纤维膜呈现不连续的应力一应变响应，这归因于复 合纤维的内外层的断裂伸长率不同；壳层交联可以增强纤维支架的力学性能。交 联纤维膜在与水结合后表现出与聚己内酯电纺膜相似的拉伸行为。初步的生物测 评表明，核壳纤维支架能够促进成纤维细胞在支架中的吸附增殖。 接下来，我们研究了聚己内酯玉米醇溶蛋白核壳纤维体系。研究发现：当 内核纺丝液进料速度小于临界进料速时，可以通过同轴电纺制备出表面光滑且形 态均一的核壳结构复合纤维。通过改变内核纺丝液的进料速度，可以很方便地改 变纤维直径、纤维形态以及纤维的化学组成。复合纤维的壳层为玉米醇溶蛋白， 其显著改善了聚己内酯纤维支架的表面浸润性；内核为聚己内酯，其分子的聚集 态结构与聚己内酯单轴电纺纤维相似。该核壳纤维膜的力学性能受纤维组成影响 较大：随内核含量提高，纤维膜的断裂伸长率增大，但屈服强度下降；提高核壳 纤维中内核含量可显著改善纤维支架在水相中的形态稳定性。 通过上述研究，我们发现通过同轴共电纺可以获得具有优良细胞亲和性且形 态稳定性较好的纤维支架，即同轴电纺可用以实现对单轴电纺纤维支架的表面改 性。 关键词：同轴( 共) 电纺、核壳纤维、组织工程支架、表而改性 i l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t af a c i l e p r o c e d u r eb a s e d o nc o a x i a l e l e c t r o s p i n n i n gw a sa d o p t e d t o p r e p a r e b i o d e g r a d a b l ec o r e s h e l lf i b r o u ss c a f f o l d sf o rt i s s u e e n g i n e e r i n g b i o d e g r a d a b l e p o l y ( e c a p r o l a c t o n e ) ( p c l ) w a su s e da st h ec o r em a t e r i a lt om a i n t a i nt h em e c h a n i c a l s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t es c a f f o l d s b i o c o m p a t i b l eg e l a t i no rz e i nf o r m e dt h es h e l l s t r u c t u r eo ft h ef i b e r st oe n h a n c ec e l la d h e s i o na n dp r o l i f e r a t i o n p r i m a r i l y ，t h ep c l g e l a t i nc o r e s h e l lf i b r o u ss y s t e mw a ss t u d i e d t h ee f f e c to ft h e f e e dr a t eo ft h ei n n e rp c lf l u i do nt h ef i b e r s p r o p e r t i e s ，s u c ha sf i b e rm o r p h o l o g y ， c o m p o s i t i o na n d o rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，w a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a t c o r e s h e l ls t r u c t u r e df i b e r sw i t hn a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o na n ds m o o t hs u r f a c e m o r p h o l o g yc o u l db eo b t a i n e dw h e nt h ef e e dr a t eo ft h ei n n e rd o p ew a sb e l o wt h e c r i t i c a lr a t e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef e e dr a t eo ft h ei n n e rd o p e ，t h e r ew a sa ni n c r e a s e i nt h ed i a m e t e ro fb o t ht h ei n n e rp c lf i b e r sa n dt h ew h o l ec o r e s h e l lf i b e r s g e l a t i n c o n t e n ti nt h ec o r e s h e l lf i b r o u sm e m b r a n e s ，a sw e l la st h er e l a t i v em o l a rp e r c e n to f a l p h ac a r b o na t o m sf r o mg e l a t i nm o l e c u l e st oa l lt h ea l p h ac a r b o na t o m sa tt h es u r f a c e o ft h ec o r e s h e l lf i b e r s ，d e c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nt h ef e e dr a t e p c lc h a i n si nt h e i n n e rl a y e ro ft h ec o r e s h e l lf i b e r sh a dh i g h e ro r i e n t a t i o nd e g r e et h a nt h o s ei nt h e m e m b r a n e sp r e p a r e db yu n i a x i a l e l e c t r o s p i n n i n g t h eo u t e rg e l a t i nl a y e ri nt h e c o r e s h e l lf i b e r sw a sc r o s s l i n k e dw i t h g l u t a r a l d e h y d es o l u t i o n i n e t h a n 0 1 b y o p t i m i z i n gg l u t a r a l d e h y d e g e l a t i nf e e dr a t i o ，t h ec r o s s l i n k e dm e m b r a n e sw i t hh i g h p o r o s i t yc o u l db eo b t a i n e d t h ec o r e s h e l lf i b r o u sm e m b r a n e sd i s p l a y e dd i f f e r e n t s t r e s s 。s t r a i n r e s p o n s e f r o mt h ee l e c t r o s p u nm e m b r a n e sc o m p o s e do fa s i n g l e c o m p o n e n t ad i s c o n t i n u o u sf e a t u r eo ft h es t r e s s s t r a i nc u r v e sw a so b s e r v e d ，w h i c h c o u l db ea t t r i b u t e dt ot h ea s y n c h r o n o u sf a i l u r eo ft h ei n n e rp c lf i b e ra n dt h eo u t e r g e l a t i nl a y e r c r o s s l i n k i n go ft h eo u t e rg e l a t i nl a y e rs t r e n g t h e n e dt h ec o r e s h e l l f i b r o u sm e m b r a n e s t h eh y d r a t e d ，c r o s s l i n k e dc o r e s h e l lf i b r o u sm e m b r a n e ss h o w e d c o m p a r a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t yt ot h ee l e c t r o s p u np c lm e m b r a n e p r e l i m i n a r y r e s u l t so fc e l lc u l t u r es u g g e s t e dt h a tt h ec r o s s l i n k e d ，c o r e s h e l lf i b r o u ss c a f f o l dc o u l d 浙江大学硕士学位论文 p r o m p tf i b r o b l a s ta d h e s i o na n dp r o l i f e r a t i o n l a t t e r l y ，w es t u d i e dt h ep c l z e i nc o r e s h e l lf i b r o u ss y s t e m l i k et h ef o r m e rs y s t e m ， i tw a sf o u n dt h a tc o r e s h e l ls t r u c t u r e df i b e r sw i t hn a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o na n ds m o o t h s u r f a c em o r p h o l o g yc o u l db eo b t a i n e dw h e nt h ef e e dr a t eo ft h ei n n e rd o p ew a sb e l o w t h ec r i t i c a lr a t e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef e e dr a t eo ft h ei n n e rd o p e ，t h e r ew a sa n i n c r e a s ei nt h ed i a m e t e ro fb o t ht h ei n n e rp c lf i b e r sa n dt h ew h o l ec o r e s h e l lf i b e r s t h ez e i ns h e l ll a y e ri m p r o v e dt h ew e t t a b i l i t yo ft h ei n n e rp c lf i b e rg r e a t l y t h e a g g r e g a t i o no fp c lc h a i n si nt h ei n n e rl a y e ro ft h ec o r e s h e l lf i b e r sw a ss i m i l a rt o t h o s ei nt h em e m b r a n e sp r e p a r e db yu n i - a x i a le l e c t r o s p i n n i n g t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea s - s p u nm e m b r a n ew e r es e n s i t i v e t ot h e c o m p o s i t i o no ft h e m e m b r a n e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n to fi n n e rp c l l a y e ri nt h ec o r e - s h e l lf i b e r s ， t h eb r e a ke l o n g a t i o ni n c r e a s e d ，w h i l et h ey i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e d i na d d i t i o n ，m o r e p c lt h ec o m p o s i t ef i b e r sc o n t a i n ，m o r es t a b l et h ef i b r o u ss c a f f o l di si nt h ec e l l c u l t u r ec o n d i t i o n f r o mo u rs t u d y ，i tc a nb ec o n d u d e dt h a tc y t o c o m p a t i b l ef i b r o u ss c a f f o l d sw i t h m o r p h o l o g ys t a b i l i t yc o u l db ep r e p a r e ds i m p l yb yc o a x i a le l e c t r o s p i l m i n g i no t h e r w o r d s ，t h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fu n i a x i a le l e c t r o s p u nf i b e r sc a nb ea c h i e v e db y c o - a x i a le l e c t r o s p i n n i n g k e yw o r d s ：c o a x i a le l e c t r o s p i n n i n 舀c o r e s h e l lf i b e r s ，s c a f f o l d ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n v 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 组织工程简介 1 1 1 组织工程的定义 组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 是一门新兴的交叉学科，最早是由美国国家 科学基金会在1 9 8 7 年正式提出和确定的。组织工程学是根据工程学和生命科学 的原理，应用正常具有特定生物活性的组织细胞与生物材料相结合，在体外或体 内构建组织、器官或其生物性替代物，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器 官功能的一门科学 1 。 f i g u r e1 - 1 i l l u s t r a t i o no ft i s s u ee n g i n e e r i n g 组织工程的三大要素是种子细胞、生物材料支架及组织或器官的形成和再 生；其核心是构建由活细胞和细胞支架组成的三维复合体。组织工程的基本原理 和方法是：将体外培养的组织细胞吸附、增殖于一种生物相容性良好并可被人体 逐步降解吸收的生物材料支架上进行生长，然后将此复合体植入机体的病损部 位，细胞在支架被机体降解吸收的同时形成新的、与自身形态和功能相一致的替 代物，从而达到修复创伤和重建功能的目的。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 组织工程支架及其制备 绝大多数哺乳动物细胞都呈贴壁生长性，即需要附着在支架上才能够生长、 增殖，所以支架在组织工程中的重要性不言而喻。支架为种子细胞提供生长、增 殖、新陈代谢、物质交换的场所，通过对支架的调整可以有效控制移植细胞的生 长位置以及细胞形态；支架的尺寸和形貌对再生组织的结构和功能都有重要影 响；支架可为新生组织提供机械支撑作用，抵抗外来压力，维持组织原有的形状 和组织的完整性：此外，支架还可以作为活性因子的载体，对一些生物活性物质 如生长因子等进行缓释，从而促进细胞的生长、增殖和分化。 支架材料的研究和开发是组织工程的关键所在。概括来说，用作支架的材料 应该具备以下条件： 1 生物相容性在体内不引起毒性反应、炎症反应和排异反应； 2 生物可降解性和可吸收性随着组织或器官形成，支架材料能够逐渐降解， 降解速率可调控，降解产物无毒性且能够被生物体吸收或排出体外； 3 有利于细胞的粘附和生长； 4 一定的力学强度和易于成型加工。 1 1 2 1 组织工程支架材料 目前，应用于组织工程的材料很多，大体可分为两大类： 天然生物材料 天然生物可降解材料与细胞的相容性比较好，但是这类材料般是通过生物 体组织分离获得，不同批次的原料之间的性质还会有所差别，而且机械性能较差。 常用的天然生物材料包括胶原明胶、糖胺聚糖、甲壳素壳聚糖、海藻酸盐以及 一些植物蛋白等 2 。 胶原( c o l l a g e n ) 是哺乳动物结缔组织中的主要成分；人体中约3 0 的蛋白质 为胶原，其在皮肤中的干重达7 2 。胶原的免疫原性比较温和，具有良好的细胞 粘附性和亲和性，是一类优良的生物材料，已经在伤口敷料、人工皮肤、骨组织 ： 程等领域中得到了广泛应用 3 。但胶原价格昂贵、力学强度差、降解过快， 需通过交联改进性能。交联包括物理交联和化学交联。化学交联能获得理想的交 联结构，但往往会引入有毒的交联剂而导致不良的副作用；物理交联包括热交联、 浙江大学硕士学位论文 紫外线交联和y 射线交联等，物理交联不会引入有毒化学物质，但难以获得较好 的交联强度和均一的交联密度。明胶是胶原的水解产物，其性能与胶原类似。 糖胺聚糖( g l y c o s a m i n o g l y c a n ，g a g ) ，又称粘多糖，是一类含有己糖胺和糖 醛酸的杂多糖。人和动物体的生长、愈创、抗菌、抗炎、抗过敏、成骨、组织老 化、动脉硬化等都与粘多糖有密切联系。这类化合物包括硫酸软骨素、硫酸皮肤 素、硫酸角质素、肝素和透明质酸等。其中6 一硫酸软骨素具有增强胶原和抵制 酶解的作用，在人工皮肤中应用最普遍。透明质酸( h y a l u r o n i ca c i d ，h a ) 是一 种结构最简单的氨基葡聚糖，存在于脊椎动物的连接组织、关节的滑液和软骨中。 由于h a 的结构疏松，强亲水含水性及多孔性，特别有利于细胞的迁移及增殖， 能够防止细胞过早分化；而且h a 还具有免疫惰性，使它在组织工程特别是骨组 织工程中得到了广泛应用 4 。肝素是一种优良的血液相容性材料，在人造血管、 心脏瓣膜等领域有广泛应用。 甲壳素是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹及昆虫等的甲壳之 中；甲壳素在碱液中脱乙酰基即得到壳聚糖，后者不具有免疫原性。用甲壳素或 壳聚糖制成的薄膜、纤维无纺布是一类良好的创伤包覆材料，效果优于由纤维素 制成的纱布。壳聚糖无免疫原性，是一种天然的聚阳离子多糖，可用于修复软骨、 骨和皮肤等组织损伤，还可用作神经、肝等组织修复的基质材料以及d n a 载体 等 5 。 合成生物材料 合成材料中研究较多的有聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 及它们的共聚物 ( p l g a ) 、聚e 一己内酯( p c l ) 、聚碳酸酯、聚酸酐、聚羟基烷基酸酯、聚磷腈、 聚氨基酸等 6 。 脂肪族聚酯是合成生物材料中研究最多、应用最广的生物可降解高分子。常 用的聚乳酸( 聚丙交酯p 【，a ) 包括聚左旋乳酸( p l l a ) 和内消旋聚乳酸( p d l l a ) 。 p l l a 为结晶聚合物，熔点约为1 8 5 。c ，具有优良的机械性能和较长的降解时间 ( 可达3 年) ，常用作医用缝合线和外科矫正材料；p d l l a 是无定型聚合物，降 解和吸收较快( 一般为3 6 个月) ，主要用作软组织修复材料和药物控释载体 等。聚乙醇酸( 聚乙交酯) 结晶度可高达5 0 ，熔点在2 2 5 左右；p g a 不溶于普 浙江大学硕士学位论文 通的有机溶剂，只溶解于高氟代有机溶剂如六氟异丙醇等。p g a 亲水性强，降解 快，其纤维植入体内2 4 周后即失去力学强度。由于单纯的p g a 机械强度较差， 而且脆性大、难以加工；因此通常将乙醇酸和乳酸共聚得到p l g a ，以改善材料 的机械性能和降解性能。p c l 是半结晶性高聚物，结晶度约为4 5 ，其玻璃化约 为一6 2 。c ，室温下呈橡胶态；因其具有良好的生物相容性和药物通透性，在医 学领域已经得到广泛的应用。但p c l 降解速度缓慢( 体内在2 4 年) ，通常采用 与p e g 等材料进行共聚以提高其亲水性和降解性。 脂肪族聚碳酸酯具有良好的生物相容性和力学性能。聚三亚甲基碳酸酯 ( p t m c ) 及其共聚物是目前研究最为广泛的一类。由于p t m c 室温下呈粘胶状，且 降解速率缓慢，通常将其与e 一己内酯共聚来改善机械性能，以适应不同的需要。 聚磷腈( p o l y p h o s p h a z e n e ) 是一类交替的氮磷原子为主链的聚合物，可将不 同的生物相容性侧基或侧链接枝到主链上来调控聚合物的物理化学性能，以适应 多种需要；其中对p e g 为侧链的聚磷腈研究最多。 总的来说，合成材料来源充足，加工性能好，可以通过适当的分子设计调控 材料的结构与性能，以达到不同的使用要求；但相对天然生物材料来说，合成材 料的组织相容性和细胞亲和性还远远不能满足组织工程和其它生物医用领域飞 速发展的需要。因此，根据组织或器官的具体需要，采用表面改性、固定生物活 性因子等手段使合成材料生物功能化，或将合成高分子材料与天然生物材料进行 杂化，制备兼有二者优点的新型材料，成为组织工程材料研究的热门领域。 1 1 2 2 组织工程支架的制各方法 要获得有效的组织工程支架，光有材料本身是不够的；组织工程的关键技术 之一在于将生物材料制成具有特定形状和孔结构的三维支架。研究表明，用于组 织工程的多孔支架应具有以下性能 7 ，8 1 ： 1 具有适当的孔径、较高的孔隙率和良好的孔连通性，以便于细胞的进入、 营养物质的渗入和废物的排出； 2 具有合适的降解速度以便与新生组织的生成速度相匹配； 3 支架材料表面要有良好的细胞相容性，要有利于细胞的粘附、铀展、分 4 浙江大学硕士学位论文 化和增殖； 4 支架本身要有与所修复的组织相匹配的力学性能； 5 构成支架本身的材料要有良好的可加工性能，以便得到合乎要求的具有 复杂形状的支架。 目前，制备多孔支架的方法主要有：纤维粘结法、溶液浇铸粒子沥出法、 气体发泡法 1 5 、相分离法、快速成型技术以及近年来出现的静电纺丝法等。 纤维粘结法( f i b e rb o n d i n g ) 纤维支架是组织工程研究中最早采用的胞外基质替代物之一，但其仅适用于 p g a 无纺纤维结构。制各方法有两种，热至粘结和溶液粘结。所谓热至粘结是通 过对p g a 纤维的热处理使纤维问形成物理连结，即得到纤维连结的p g a 网状支 架 9 ；溶液粘结是在p g a 无纺纤维上直接喷洒p l l a 或p l g a 的氯仿溶液，待 溶剂挥发后，在纤维相交处由p l l a 或p l g a 粘结起来 1 0 。纤维粘结法制成的 支架有较高的强度和比表面积，但难以控制支架中孔的尺寸和孔隙率。 溶液浇铸粒子沥出法( s o l v e n tc a s t i n g p a n i c u l a t el e a c h i n g ) 该方法制备的支架为多孔海绵支架。通常采用一定粒径的水溶性无机盐或糖 类晶体作为致孔剂，将其均匀分散于聚合物溶液中，然后在模具中浇铸成型，待 有机溶剂挥发后，得到聚合物致孔剂复合物，通过热处理可获得适当的结晶度 以提高最终支架的机械强度；最后用水溶出致孔剂即可获得类海绵结构的多孔支 架。用该技术可以制备出孔隙率高达9 3 、孔隙相互贯通的多孔支架。其孔径 大小由致孔剂的粒径控制，孔隙率通过致孔剂与聚合物溶液的比例调节，支架的 机械强度由热处理条件控制 11 。 由于溶液浇铸粒子沥出法简单方便、适用性广，成为组织工程多孔支架的 常用制备技术，广泛用于骨、软骨、神经、皮肤等组织器官的构建。但浚方法不 能直接制备出三维多孑l 支架，而且通过该方法难以获得大尺寸的多孔支架；孔隙 的形态及连通性不够理想；必须使用有机溶剂和水，这严重阻碍了水溶性生物活 性物质与支架的复合；另外还可能会残留少量的致孔剂。 相分离法( p h a s es e p a r a t i o n ) 相分离法是将聚合物溶液、乳液或水凝胶在低温下冷冻，使其发生相分离， 形成聚合物富集相和溶剂富集相，然后经冷冻干燥除去溶剂形成多孔支架，因而 浙江大学硕士学位论文 又可称为冷冻干燥法。按体系形态的不同分为乳液冷冻干燥法和溶液冷冻干燥法 等。所谓乳液冷冻干燥是将聚合物溶液与水形成的乳液体系在模具中冻干获得多 孔支架，其孔隙率和孔径尺寸与油水比率、聚合物溶液浓度、聚合物分子量有关 1 2 。该方法避免了高温，有利于生物活性物质的引入和控制释放，但必须考虑 有机溶剂的影响。溶液冷冻干燥法是直接将聚合物溶液冷冻产生液固相分离，再 经冷冻干燥制各多孔支架 1 3 。所得支架的孔径往往小于1 0 0m ，影响因素主 要有聚合物类型、溶液浓度和冷冻速率等。该方法适用于水溶性材料多孔支架的 制备。 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 快速成型技术又称为计算机辅助成型技术，是一种来自机械制造领域的支架 制备方法。该技术主要采用离散堆积原理：先由c a d 软件设计支架模型，然后 根据工艺要求，把三维模型分层，得到二维截面信息；在计算机控制下数控系统 以平面加工方式有序连续地加工出每一个薄层，并使它们自动粘结成型。其中三 维打印 1 4 和熔融堆积成型 1 5 是目前用于支架制各的两个主要的快速成型方 法。快速成型法优点在于可根据不同的个体，迅速制各出符合个体特征的三维多 孔支架，成型时间短，利于大规模的生产。其不足之处在于支架孔隙率偏低，通 常小于8 0 ，成型精度也有待提高。 以上制备多孔支架的方法各有优劣，可根据不同的需要进行选择。目前，实 验室中最常用的方法是溶液浇铸粒子沥出法和相分离法，但该两种方法成型时 间均较长。近年来，出现了一种高聚物静电纺丝技术，利用这种方法可以一步制 得由纳米微米级纤维构成的高分子无纺纤维毡，具有很高的孔隙率和比表而积， 它与细胞外基质在形态结构上具有更高的相似性；对收集装置进行适当的改进还 可以获得不同形状的纳米纤维支架。在第二节中将对此技术进行详细的介绍。 1 1 3 组织工程支架的表面改性 如前所述，高分子合成材料具有良好的物理机械性能、加工性能和化学稳定 性，因而被广泛应用于人造器官、组织工程、外科整形、以及药物控释等领域。 然而与天然高分子相比，大多数合成高分子材料生物相容性较差，其表面都是生 浙江大学硕士学位论文 物学惰性的。因此有必要对人工合成的高分子生物材料进行表面改性，这既可赋 予材料表面良好的生物相容性，又可以保留材料本体的性质而保持其特有的物理 性能。 影响生物材料细胞相容性的因素有很多，主要包括：材料的表面物理形貌、 表面亲疏水性、表面能、表面电荷、表面化学官能团和生物活性因子、表面的微 图案化等。对生物材料的表而改性主要是通过化学或物理方法改善材料的上述特 征，进而改善材料的生物相容性。目前合成材料的表面改性技术主要有表面涂层、 等离子体、表面接枝聚合、化学气相沉积等方法。 1 1 3 1 物理涂层或吸附 物理涂层或吸附是最为方便的生物材料表面改性技术。在化学惰性活生物惰 性的聚合物表面涂附一层具有良好生物相容性的材料，可大大提高其生物相容 性。q u i r k 等 1 6 叫每含有。r g d 序列的肽段g r g d s 接枝在多聚赖氨酸上，然后利 用多聚赖氨酸在聚乳酸( p l a ) 表面的吸附实现r g d 在聚乳酸表面的固定，以 提高材料表面对细胞的粘附。 表面涂层的关键是要采取一定措施提高涂层的稳定性。截留法( e n t r a p m e n t ) 是一种有效的提高涂层稳定性的方法。利用含有涂层材料的的溶液溶胀材料表 面，涂层物质渗透进入材料表面；然后用非溶剂处理，可使涂层物质截留于材料 表面。q u i r k 等f 17 】利用截留技术含将p e g 和含有g r g d s 肽段的多聚赖氨酸涂 层在聚乳酸表面，从而可控制细胞的粘附。另外，采用两亲性共聚物与生物材料 共混，使其在材料表面发生自富集也是一种有效的生物材料表面改性的方法 1 8 】。 1 1 3 2 等离子体 等离子体处理是应用最为广泛的生物材料表面改性技术。通过等离子体处 理，可将含氧、含氮或含硫的极性基团引入化学惰性的材料表面，提高其生物相 容性。影响等离子体改性效果的主要因素为反应气成分、等离子体功率、气体流 速和处理时间。最用的反应气体为空气、含氮化合物( 如氨气，氨类化合物) 和 含硫化合物( 如二氧化硫) 等。王等1 1 9 采用氨气等离子体处理聚乳酸表面，提 高了材料表面的亲水性和对3 t 3 细胞的相容性，在处理后的聚乳酸表面涂层胶 原，可得到稳定的胶原涂层，提高了材料的细胞相容性。g r i e s s e r 等用胺类、酰 胺类等离子体处理化学惰性的材料表面，大大改善了内皮细胞和成纤维细胞在该 材料表面的粘附和增殖，同时发现酰胺类等离子体处理后的表面生物相容性优于 胺类处理后的材料表面。 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 3 表面接枝聚合 表面接枝聚合是指通过具有某种官能团的单体在材料表面发生接枝聚合反 应，将这种特定的官能团化学键合在材料表面，改善材料的生物相容性。该方法 的关键是在化学惰性的材料表面引入引发活性点。引入引发剂基团的方法方法主 要有：表面氧化引入过氧基团，等离子体处理引入过氧基团或自由基，辐射、电 子束照射引入活性基团，以及在接枝单体中混入光引发剂。 k o 等利用臭氧氧化p u ，p m m a ，硅橡胶和p e 表面，在聚合物表面引入了 过氧基团，随后引发含有p e g 或p e g s 0 3 n a 的丙烯酸单体聚合，将p e g 或 p e g s 0 3 固定在聚合物表面1 2 0 1 。另外，利用过氧化氢氧化也可以达到良好的效 果。当采用氧气或空气的等离子体处理材料时，会直接在材料表面形成过氧基团； 利用惰性气体( 如氮气、氩气、氦气) 的等离子体处理材料表面可在聚合物表面 产生自由基，进而引发聚合反晦 2 1 1 。h s u 等利用氩气等离子体处理聚氨酯表面 随后引发了丙交酯的接枝聚合，人体血管内皮细胞和3 t 3 成纤维细胞的粘附提 高，血小板的粘附下降1 2 2 。聚己内酯( p c l ) 用电子束处理后直接浸入丙烯酸 溶液中可引发丙烯酸的接枝聚合反应 2 3 1 。 除了上述几种方法，还有许多特殊的方法被用于引发表面接枝聚合。例如， 利用高锰酸钾在p e t 表面引发丙烯酰胺接枝聚合 2 4 1 ，利用四价铈离子在含有羟 基的表面引发丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸3 氨基丙酯接枝聚合。c h e n 等 2 5 首先在聚氨酯分子链中引入大量羟基，再利用四价铈离子将甲基丙烯酸胆碱 酯( m a c c ) 接枝于材料表面。p m a c c 中的正电荷与肝素中的硫酸根负离子通 过静电作用相互吸引，从而制备了表面带有肝素的抗凝血聚氨酯材料。 1 1 3 4 化学气相沉积技术 化学气相沉积技术( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 主要被用来在金属材 料表面引入一层有机材料，它是将有机化合物的蒸气进行电离然后使其在低温的 金属表面沉积聚合。另外，化学气相沉积技术不仅可以在材料表面引入。层聚合 物材料，也可引入一层无机材料 2 6 ，2 7 。 1 1 3 5 生物材料表面改性技术的未来发展方向 制备具有良好的生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 、降解性( d e 伊a d a b i l i t y ) 和生物 活性( b i o a c t i v e ) 的表面是生物材料发展趋势之一【2 8 】。许多天然大分子或多肽 序列具有特定的生物功能，利用各种生物表面改性技术，将这些生物活性物质固 定于材料表面，可制得具有特殊生物功能的生物材料。另外，表面图案化已经逐 浙江大学硕士学位论文 渐成为生物材料表面改性的重要发展方向。微图案化表面的图案既可以是物理形 貌图案，也可以是化学图案，都对细胞生氏有重要影响。控制微图案化表面中不 同区域化学性质可实现细胞在某些区域的选择性粘附、增殖和定向迁移，其中粘 附蛋白和细胞生长因子的微图案化是实现细胞选择性粘附、增殖和定向迁移的重 要手段；微图案化表面还可以用来控制细胞的形态及其功能【2 9 。 第二节静电纺丝与高分子纳米纤维支架 当高聚物纤维材料的直径从微米级收缩到纳米级时，将表现出一些惊人的特 性，例如：非常大的比表面积( 微米级纤维比表面积的1 0 3 倍) 、多样的表面功 能性以及优良的机械性能。因其具有传统材料所不及的独特性能，聚合物纳米纤 维成为当今科技的前沿和研究热点，并在电子、机械、生物、医学、化工、纺织 等领域取得了一定的应用。 1 2 1 高压静电纺丝法简介 电纺技术可以看作静电喷射( 或电喷) 过程的演化。这两种技术均利用了高 压来激发液体射流的形成。电喷过程采用低粘度的溶液，所以带电射流的屈张破 裂使得产物只能形成小的液滴或是微粒。在电纺中，当带电喷射流( 由高粘度的 聚合物溶液组成) 在表面静电斥力和溶剂蒸发的作用下被连续拉伸而形成实心的 纤维。早在1 9 3 4 年，f o r m h a l s 3 0 就设计出了第一套电纺装置，并申请了专 利：但由于当时纺丝工艺很难稳定，生产效率低下，一直未得到人们的重视。近 年来，随着纳米科技的迅速升温，这种可制各纳米级纤维的纺丝技术引起了人们 的极大兴趣。其中a k r o n 大学的r e n e k e r 等e 3 1 ，3 2 对其工艺及应用作了较为 详细的研究，同时关于电纺丝过程的理论分析也逐渐展开。 浙江大学硕士学位论文 f i g u r e1 - 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h eb a s i cs e tu po fe l e c t r o s p i n n i n g 电纺法是一种简单方便、廉价而且无污染或低污染的纺丝技术，其装置主要 由三部分组成( 如图卜2 所示) ：高压电源、喷丝头及收集装置。尽管交流电也可 以用于电纺制纤，但高压电源通常采用输出电压在o 4 0k v 的直流高压电源发 生器；在纺丝过程中一般使用喷丝头与注射器相连，纺丝液贮存在注射器中，并 可在注射器活塞的推动下以可控的均匀速率流出喷丝头；收集装置可以是金属 板、金属网或电动滚筒等。将喷丝头和高压电源相连，收集装置接地，就可以在 喷丝头和接受装置之间形成一个高压电场。喷嘴处的高分子溶液或熔体由于表面 张力的作用呈半球状液滴；当与高压电源正极相连时，液滴表面聚集电荷，液滴 在电场力作用下开始变形。当电场强度达到某一临界值时，半球状液滴变为顶角 为4 9 3 。的锥形，即所谓的“t a y o l - 锥”。继续增强电场，电场力就会克服液 体的表面张力和纺丝液的粘弹力，纺丝液从锥体的顶端喷出形成带电细射流；带 电射流在电场作用下做不规则螺旋运动，在此过程中射流被高速拉伸，溶剂瞬间 挥发，形成超细纤维；纤维随机地散落在收集装置上，形成无纺纤维毡。这一过 程是在不到0 1s 的时问内完成的 3 3 。 1 2 2 影响电纺的工艺参数 研究表明，绝大多数高分子都可以进行电纺，目前已经有5 0 多种高分子被 成功的电纺成直径在3n m 1 岫之间的超绌纤维。其中大部分是采用溶液纺丝 l o 浙江大学硕士学位论文 法，包括d n a 、胶原、蚕丝、明胶、壳聚糖、透明质酸等天然高分子，以及尼龙、 聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氨酯( p u ) 、聚氧乙烯( p e o ) 、p l a 、p c l 等合 成高分子 3 4 ，3 5 。熔融态的高聚物也可以电纺成纳米纤维，但是纺丝条件不易 控制 3 6 ，目前很少采用。 在电纺工艺中，影响纤维形貌与j 肚能的参数主要有 3 1 ： 1 纺丝液的性质( 包括粘度、表面张力、电导率、溶剂挥发性等) ； 2 加工参数( 进样速度、电场强度、喷丝头与收集装置的距离等) ； 3 环境参数( 温度、湿度以及空气的流速等) 。 实验表明，影响纤维直径的最显著因素就是纺丝液粘度，粘度越高，纤维直 径越大 3 1 ，3 7 ：而溶液的粘度与其浓度和高分子的分子量直接相关，s u r e s hl s h e n o y 等和m c k e e 等详细研究了纺丝液中分子链的缠结状态对成纤性能 3 8 和 纤维直径的影响，发现高分子的分子量决定成纤的临界浓度c e ，在临界浓度以 上纤维的直径与纺丝液浓度成幂指数关系( 指数为2 6 ) 3 9 ，而在相同的浓度下 纤维的直径随分子量的增大而增大。一般情况下，随着电场强度的增加，带电纺 丝射流受到的静电作用增强，产生更为剧烈的拉伸，使所得的纤维直径变小。当 喷丝头的尺寸固定时，纤维直径与进样速度的增加而增加。在电场强度一定的条 件下，增大喷丝头与收集板之间的距离，增加了静电作用对射流的作用时间，结 果纤维直径减小。 f o n g 等 3 7 以p e o 水溶液为例，详细考察了溶液粘度、射流电荷密度以及 表面张力等因素对电纺纤维形貌的影响。发现随着溶液粘度的增加，珠链状纤维 的含量下降，珠状突起从球形变为纺锤形，直至消失，同时纤维直径增加；射流 电荷密度越高，越倾向于形成细且没有珠状物的纤维；表面张力越大，越容易产 生珠状物。此外，z o n g 等 4 0 和c h o i 等 4 1 均发现在纺丝液中加入少量小分 子盐类电解质，有助于消除纤维上的球珠状缺陷，而且获得的纤维较细且较均一， 这与电导率的变化有关。o e m i r 等【4 2 在对p u 进行电纺时发现，在较高的温度 下( 7 0 。c ) 纺制的纤维均一性好；具体的机理还不十分清楚，可能与高温下p u 溶 液的粘度降低有关。此外，纺丝环境对纤维形态也有一定的影响，如温度、湿度、 气体流通速度等都可能对纤维的表面形貌产生影响 4 3 。 1 1 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 电纺工艺的发展 电纺基本装置十分简单，并且在众多研究实验室里得到了广泛的应用。为了 更好控制电纺过程以获得更好的结构和纤维产物，许多研究人员对电纺装置( 尤 其是收集器和喷丝头) 进行了多种渠道的改进。对电纺装置的改进开始于对收集 设备的改进。例如，r e n e k e r 和其同事 4 4 引入旋转鼓来收集电纺纤维，获得厚 度均一的纤维毡。提高转鼓的转速到每分钟数千转可以获得沿圆周取向的纳米纤 维 4 5 ：但很难使转鼓的表面线速度与纤维的沉积速度相匹配。后来k a t t a 等 4 6 发展了镂空转鼓收集器( 如图卜3 所示) ，即用金属线制成镂空的转鼓，利用该收 集器可以收集到单轴取向的纤维阵列。 f i g u r e1 - 3 i m a g eo f w i r ed r u mc o l l e c t o r f i g u r e1 - 4 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h es e tu pu s e df o re l e c t r o s p i n n i n gn a n o f i b e r sa s u n i a x i a l l ya l i g n e da r r a y s t h ec o l l e c t o rw a sc o n s t r u c t e df r o mt w oc o n d u c t i v es u b s t r a t e s s e p a r a t e db yav o i dg a p 另外，x i a 等还发展了一种通过控制导体接收电极的几何形状来获得取向纤 浙江大学硕士学位论文 维的收集装置 4 7 。利用两个平行放置的条形导体及其中不同宽度的沟槽作为收 集装置( 如图卜4 简图所示) ，电纺纤维在电纺过程中平行排列在其上( 图4 c ) 。 通过对电极排布的调整或是采用不同形状的电极，就可以控制纳米纤维的沉积位 置和空间取