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用于心脏组织工程的功能性可生物降解静电纺纳米纤维研究

作　者: 尹君
导　师: 晏雄；G.Fortunato
学　校: 东华大学
专　业: 纺织工程
关键词: 静电纺丝法 PCL静电纺纤维胶原蛋白静电纺纳米纤维 AFM三点压弯测试杨氏弹性模量
分类号: TQ340.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

静电纺丝法最早出现于1934年,利用静电纺丝法制备的纳米纤维非织造膜具有很高的质体比,很大的表面积,沉积的纤维之间有很多空隙且很容易进行表面处理,因此是组织工程支架的理想材料。特别是应用于二维的组织工程,例如皮肤或是心脏组织工程。影响静电纺丝的纳米性能的工艺参数包括溶液性质(电导率,粘度和表面张力),聚合物的分子特性(分子量,分歧度,聚合物链缠结度)和仪器参数,如针尖到收集板之间的距离,输液喷的喂入速度和环境条件,如空气湿度或温度。静电纺丝的聚合物溶液可以产生不同的结构,包括珠状纤维,纺锤状纤维,正常纤维。在本课题的开始阶段,首先研究了静电纺丝法的工艺参数。纤维或非织造膜由两种溶剂系统所制备:氯仿和N,N-二甲基甲酰胺的混合剂及含少量的(约40μg)嘧啶的乙酸溶液。为了研究聚合物浓度,DMF含量百分比,应用电压,针尖—收集板距离,溶剂系统等因素的影响,电子扫描显微镜、溶液黏度仪、溶液导电率测试仪被使用。通过研究得到以下的结论:1.随着聚合体浓度的上升,纤维的直径增加,当聚合物浓度达到约15%wt时,纤维直径达到最大值,之后随着聚合体浓度的继续上升,纤维直径开始减小。2.随着溶液中DMF含量百分比(vol%)的增长,纤维直径不断减小。这是可能有两种解释:DMF能减小聚合物溶液的表面张力。低表面张力的溶液中聚合物分子链分布的更平均,更直。因此附加电荷之后会更完全的伸展,于是,得到了更细的纤维。或增加了溶液的电导率,当电导率增加时,溶液中传送的电荷也增加,喷射流拉伸的更加厉害,因此纤维更细。3.当电压从10千伏变化至20千伏时纤维直径迅速减小,之后电压继续增加纤维直径保持不变。随着电压升高,还可以观察到珠状纤维不断增加。应用电压是除了注射器喷射速率以外的聚合物喷射的驱动力,当应用电压过低时,因为无法克服表面张力,针头无法出现喷射流。当应用电压过高时,喷射流直接从针管中喷出,无法形成泰勒锥,因此会产生珠状纤维。4.当针尖—收集板距离过大时,静电场太小而无法克服表面张力,部分产生的纤维无法到达收集板。当距离过小,纤维仍然是潮湿的。5.两种溶剂系统中,含少量嘧啶(40μg)的醋酸溶剂的导电率远远大于氯仿和DMF的混合溶剂的导电率,同时,由含少量嘧啶(40μg)的醋酸溶剂所获得的PCL纳米纤维比由氯仿和DMF的混合溶剂所获得PCL纳米纤维更加细而均匀,不容易得到珠状纤维。嘧啶对聚合物溶液的电导率有着重要的影响。近些年,单根纤维的机械性能是研究的热点。在本课题中,纳米级至微米级静电纺纤维根据第一步中所积累的参数信息制备出,被用于三点压弯测试,测试其杨氏弹性模量。实验中使用了两种不同的纤维,纯PCL静电纺纤维和胶原蛋白静电纺纤维。通过测试和计算可获得以下的结论。1.在大气条件下,平均直径从50nm至2500nm的纯PCL静电纺纤维,其杨氏弹性模量由15.1Gpa下降至0.005Gpa。2.大气条件下,随着纤维直径由167nm下降至43nm,胶原蛋白静电纺纤维的弹性模量由3Gpa上升至53Gpa。3.这说明随着直径的不断增大,其弹性模量急剧减少,即直径越小的纤维越坚硬。对于这种现象可能有两个原因:1.纤维的结晶度随着直径的减小而增大;2.分子链的取向度随着直径的减小而增大。通过DSC的测试结果,纤维的结晶度随着直径的减小没有明显的变化趋势。因此在将来的研究中,应该向着分子链的取向度方向进行研究,wide-angle X-raydiffraction(WAXD)等测试方法需要被使用,纳米纤维直径与弹性模量之间的关系将进一步被探究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
1.绪论  10-16
  1.1 静电纺丝法的发展及前景  10-11
  1.2 静电纺丝法的基本原理原理概述  11-12
  1.3 组织工程与静电纺丝法  12-15
  1.4 本课题的主要目的及任务  15-16
2.设备、仪器及材料  16-21
  2.1 静电纺丝设备  16
  2.2 分析仪器  16-20
  2.3 材料  20-21
3.静电纺丝法参数研究  21-34
  3.1 纯PCL静电纺丝法参数研究  21-31
  3.2 纯胶原蛋白静电纺丝法参数研究  31-33
  3.3 本章小结  33-34
4.静电纺纳米纤维机械性能研究  34-48
  4.1 原子力显微镜(AFM)  34-40
  4.2 试验结果及分析  40-47
  4.3 本章小结  47-48
5.结论与展望  48-50
  5.1 结论  48-49
  5.2 展望  49-50
参考文献  50-54
附录  54-55
致谢  55

用于心脏组织工程的功能性可生物降解静电纺纳米纤维研究

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