（纺织工程专业论文）丝素聚乳酸共混纤维性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

丝素，聚乳酸共混纤维性能研究中文提要丝素聚乳酸共混纤维性能研究中文提要生物可降解材料具有良好的生物相容性和生物安全性，聚合物和降解产物对机体毒副作用小，能满足多种生物医学功能需要，当今生物可降解材料在医学上的热点已经开始从缝合、固定等方面向组织工程支架材料方面发展。丝素( s f ) 是一种天然高分子材料，具有良好的生物亲和性，对机体无毒性，无致敏和刺激作用，除己用于外科手术缝合线、食品添加剂和化妆品外，近年诸多研究者己指出了将它用于人工皮肤、隐形眼镜、抗凝血材料及透析膜等生物医学材料的可能性。聚乳酸( p l a ) 是以乳酸为单体经化学合成的新型生物降解高分子材料，具有无毒、无刺激性、生物相容性好等特点，不污染环境，是目前最具有发展前景的可生物降解高分子材料，聚乳酸在组织工程中的应用极为广泛，在骨组织再生、人造皮肤、周围神经修复等方面均可作为细胞生长载体使用，并取得令人满意的结果。本文以丝素与聚乳酸以( 2 ：8 、4 ：6 、6 ：4 、8 ：2 ) ( w w ) 的比例湿法纺丝，对纺制的丝素聚乳酸共混纤维进行扫描电镜( s e m ) 、x - 衍射、差示扫描量热( d s c ) 、红外光谱分析，以y g 0 0 4 a 型单纤维电子强力仪分析力学性能，并用扫描电镜观察分析了丝素聚乳酸共混纤维的形态特征。此外，还探讨了放线菌酶对共混纤维的体外降解性能。结果表明，共混丝素纤维力学性能不如再生丝素，与再生丝素纤维相比，其断裂强度、断裂伸长率均比再生丝素纤维小很多，但是它的降解性能高于再生丝素纤维，较好解决了单纯丝素纤维难以降解的问题，有望在组织工程支架材料方面得到一定应用。关键词：丝素：聚乳酸；湿纺；性能作者：顾伟指导教师：左保齐教授墼型竺型型! 竺! ! 兰坠塑型塑生f ! 苎垒! 苎生望竺璺垒旦墅熊苎塑璺r e s e a r c ho np r o p e r t i e so fs i l kf i b r o i n p o l y ( i a c t i ca c i d )b l e n df i b e r sa b s t r a c tt h eb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l sh a v eg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t ya n db i o l o g i c a ls e c u f i t y ，t h e yc a nm e e tm a n yk i n d so fb i o m e d i c a lf u n c t i o nn e e d s n o w a d a y st h ef o c u so nm e d i c a ls c i e n c eo fb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l sh a sa l r e a d yd e v e l o p e df r o ms e w i n g ，f i x i n gm a t e r i a l st os c a f f o l d so ft i s s u ee n g i n e e r i n gs i l kf i b r o i n ( s f ) i sak i n do fn a t u r a lp o l y m e rm a t e r i a l s i th a sg o o db i o l o g i c a la f f i n i t y , n ot o x i c i t yt ot h eo r g a n i s m ，n os t i m u l m i n gq u a l i t y ，i th a sa l r e a d yb e e nu s e di ns e a m i n go ft h es u r g e r y , f o o da d d i t i v ea n dc o s m e t i c s r e s e a r c h e r sp o i n to u tt h a ti tw o u l dh a v eb e e na p p l i e dt ot h ea r t i f i c i a ls k i n ，c o n t a c tl e n s e s ，a n t i c o a g u l a n tm a t e r i a l ，d i a l y s i sm e m b r a n ea n dc e l lc u l t u r es c a f f o l d s p o l y ( 1 a c t i ca c i d ，p l a ) i sn e wb i o d e g r a d a b l eh i g hp o l y m e rm a t e r i a lo ft a k i n gt h el a c t i ca c i do fm o n o m e rb yc h e m i c a ls y n t h e s i s ，w i t hn ot o x i c i t y ，n os t i m u l a t i n gq u a l i t ya n dg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y ，a n dn o tp o l l u t i n gt h ee n v i r o n m e n t p l aw i l lb ew i d e s p r e a d l yu s e di nt i s s u ee n g i n e e r i n g ，o b t a i nt h es a t i s f y i n gr e s u l ti nt h eb o n et i s s u er e g e n e r a t i o n ，t h ea r t i f i c i a ls k i n ，t h ep e f i p h e r a ln e r v ea n ds oo ni i坠! 竺唑竺鬯鲤竺! ! 些! 塑型塑堡! ! 苎! ! 苎些坐型! ! 苎垒! 查苎! !t h e s fw i t hp l a ( 2 ：8 ，4 ：6 ，6 ：4 ，8 ：2 ) ( w w ) b l e n d sw e r es p u nb yw e ts p i n n i n gc r a f t ，t h eb l e n d sw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hs e m ，x r a yd i f f r a c t i o nd s c ，i r ，e l e c t r o ns i n g l e f i b e rt e n s i l et e s t e r i na d d t i o n ，t h ed e g r a d a b i l i t i e so ft h eb l e n d si nv i t r oc a u s e db yb i o l o g ye n z y m ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ef i n d i n g si n d i c a t e st h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs f p l ab l e n df i b e r sa r ei n f e r i o rt or s ff i b e r , c o m p a r i n gw i t ht h er s ff i b e lt h e i rb r e a k i n gs t r e n g t h ，b r e a k i n ge l o n g a t i o nr a t i oa r el e s st h a nt h er s ff i b e r t h es t u d i e ss h o wt h a tt h eb i o d e g r a d a b i l i t i e so ft h eb l e n d sa r es u p e r i o rt ot h er s ff i b e r ，s o l v i n gt h ep r o b l e mw h i c ht h er s fi sh a r dt ob ed e g r a d e d ，a n dh o p e f u l l yo b t m nt h ec e r t a i na p p l i c a t i o ni nt i s s u ee n g i n e e r i n gf i e l d k e yw o r d s ：s i l kf i b r o i n ，p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) ，w e t - s p i n n i n g ，p r o p e r t yi i iw r i t t e nb y ：w e ig us u p e r v i s e db y ：p r o f b a o q iz u ol y i 9 5 6 7 s o苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：眦日学位论文使用授权声明期：庐彩f i e苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，町以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。研究生签名：导师签名：日期：生堑：正日期：芝竺! ：兰：! ：丝紊，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论第一章绪论丝素是一种天然蛋白质，具有良好的生物相容性，已广泛研究并用于生物医用材料，随着对其独特氨基酸组成及结晶结构等理化特性研究的深入，尤其是近年来蚕丝多用途开发向高新技术的渗透，国内外对丝素的应用正从传统的纺织领域积极向化妆品、食品等领域扩展，在生物医学领域的探索，如利用丝素蛋白来制造药物缓释剂、生物传感器、隐形眼镜及皮肤、血管等人工器官等，更是受到广泛关注，已取得了一系列的基础研究成果，显示了巨大的应用潜力。聚乳酸( p l a ) 也叫聚丙交酯，由杜邦科技人员在1 9 3 2 年最早发现，是一种可完全生物降解的聚酯类高分子材料。它可以从生物体所产生的乳酸经合成制得，从其性能来看，聚乳酸可以与热塑性材料或纤维材料相媲美，聚乳酸无毒、无刺激性，已经成功应用于医学界，而且具有良好的生物相容性，使之成为医用缝合线、骨结合部位固定材料、组织缺损部位补强材料的理想选择。并且其降解产物乳酸、c o ：和地0 均是无害的天然小分子，同时聚乳酸有适宜的可加工性和优良的力学强度，因此受到普遍重视，正显示出越来越强的生命力。1 1 丝素的组成、结构、性质及应用1 1 1 丝素的组成蚕丝由丝素与丝胶两部分组成，丝素蛋白占蚕丝重量的7 0 8 0 ，它是人们利用的实质材料。丝素蛋白由1 8 种氨基酸所组成，它具有良好的生物相容性，对机体无毒性，无致敏和刺激作用“1 ，丝素蛋白是可部分生物降解的，其降解产物本身不仅对组织无毒副作用，还对如皮肤、牙周组织等有营养与修复的作用。一般认为，在体内丝素会被缓慢吸收，吸收速率受种植地点、力学环境以及其他多种因素的影响，而且还可以通过制作不同结构形态的丝素蛋白材料来调节其降解速率。1 。丝素蛋白正是由于具有上述性质，在生物医用领域得到了日益广泛的应用。而将其用于细胞培养的基质，或对一些生物高分子进行修饰，改善它们的生物性能，使其适用于组织工程，更是近年来丝素蛋白应用研究的热点。丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论1 1 2 丝素的结构丝素是一种纤维状蛋白，由无定形区和结晶区构成。其中结晶区包括2 种结晶形态，分别称为s i l ki 型和s “k i i 型。s i l ki 晶体立体构象呈曲柄形，是介于b 一折叠与a 一螺旋之间的一种中间形态，s i l ki i 晶体呈反平行b 一折叠层结构，属单斜晶系，由肽链构成折叠层，再由折叠层形成整个s i l k i i 晶体“3 。在s i l k i i 中，肽链的链段排列整齐，相邻链段之间的氢键和分子间引力使它们结合的相当紧密，抵抗外力拉伸的能力强，柔软度低，在水中难以溶解，对酸、碱、盐、酶及热的抵抗力较强。无定形丝素中肽链的链段排列不整齐，链段之间的结合力较弱，易溶于水，柔软度高，抵抗外力拉伸的能力弱，吸湿性强，对酸、碱、盐、酶和热的抵抗力较弱。在透射电镜和扫描电镜下观察，丝素纤维基原纤直径为l o n m 1 5 n m ，基原纤结合组成直径为4 0 n m 6 0 n m 的微原纤，微原纤结合组成直径为0 1 9 m o 4 9 m 的巨原纤，巨原纤再结合组成直径为l p m 3 p m 的原纤，大约1 0 0 根原纤构成直径大约为1 5 p m 2 5 u m 的丝素纤维“1 。有些金属离子对丝素蛋白的构象有一定的影响。在一定p h 值条件下，n i 2 t 离子通过四配位的螯合作用诱导丝素蛋白s i l k i i 的形成，v i n e y 根据电感耦合等离子体( i c p )技术推n c a ：+ 的增加能使s “ki i 的形成加速，李贵阳等用n m r 谱定量拟合的结果表明，c f + 、c u 2 + 的存在有利于s i l ki i 的形成“1 。1 1 3 丝素的性质丝素蛋白具有多孔性和较高的吸水回潮率，不溶于水，可在部分高浓度的无机盐作用下水解。丝素蛋白在1 0 0 时开始脱水，从1 7 5 。c 开始逐步失重，颜色由白变黄，至2 8 0 。c 完全变黑，3 0 5 。c 时分解。在光的作用下，蚕丝纤维中的氢键会发生断裂引起机械性能恶化，而且紫外线会在有氧和水存在的条件下，通过使酪氨酸和色氨酸残基的氧化而使丝泛黄。丝素溶液中丝素蛋白的构象为无规则卷曲结构，在4 5 下中速干燥固化得到含s “ki 结构的丝索膜；温度高于4 5 。c 时，s i l ki 向s i l k i i 转变。丝素溶液干燥固化后的结构不但受温度影响，还与干燥速度、溶液的酸碱度及组成有着密切的关系。长时间常温下干燥的过程中有s il ki 的形成，但最终会形成稳定的s i l ki i ；当干燥速度过快时，即使在5 0 以上，仍以无定形结构为主；若溶液干燥初期p h 值大于5 ，丝索，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论则形成无定形结构；若溶液干燥初期p h 值小于5 ，则形成s i l ki i ；若丝素水溶液中加入甲醇、乙醇等溶剂，则形成s i l k i i 。另外，将丝索水溶液搅拌或将固态丝素快速拉伸，则形成s 订ki i ；将丝素水溶液放置于7 k v 的电场中时，部分带极性的链段在电场的作用下定向排列，使丝素构象形成s i l k i i 。由此我们可以看出，丝素溶液在受到外界刺激时，很容易形成其比较稳定的结构形态s “k i i ”1 。1 1 4 丝素的应用在丝素蛋白特性研究中，其良好的成膜性是最受人们关注的热点之一，与传统应用较多的天然高分子材料胶原与壳聚糖等相比，丝素蛋白膜成膜方便性更好，可以保持极高的透明性，在高湿状态下的柔韧性与形态保持性能也较为突出4 1 。吴徵宇等。1 用丝素膜制成“人造皮肤”创面保护膜和新鲜猪皮分别在兔身上作对比试验，结果显示丝素膜的各项性能均优于猪皮，具有良好的透湿性和与创面的粘附性，促进了创面愈合。张幼珠等“”研制的丝素药物创面保护膜，具有良好的柔韧性、透水性、透气性、与创面的粘附性以及与人体的生物相容性，可将药物从膜中先快后慢的释放出来，具有抑菌杀菌作用和创面覆盖材料保护创面的作用。由于纯丝索膜性脆、不耐压、柔韧性差、易溶于水，因此许多学者用高分子材料与丝素混合制成共混膜，从而改善了丝素膜的吸水性和机械性能。己报道的有聚乙烯醇一丝素蛋白膜“，丝素蛋白- p v p ( 聚乙烯毗咯烷酮) 共混膜“，以及丝素蛋白一褐藻糖胶“、丝素蛋白一聚丙烯酰胺“、壳聚糖一丝素蛋白膜“”1 等共混膜。这些高吸水的天然高分子共混膜是制作人工皮肤的优良材料，调节共混膜体系中组分的比例，可以得到在不同条件下所需要的膜。有机磷类农药可通过抑制人体中的乙酰胆碱酯酶的水解而侵害人体。用丝素蛋白溶液为材料合成生物酶防护剂后，可直接和有毒物质( 有机磷酯) 发生反应储合成稳定的磷酰化胆碱酯酶而阻断毒剂对人体的侵害。杨旭红等“7 3 以乙酰胆碱酯酶为材料，以丝素蛋白溶液为载体制得防护剂，并测定了经防护剂保护后酶的活性，经过9 个月后，丝素蛋白溶液保存的乙酰胆碱酯酶仍然具有活性，而以蒸馏水为防护剂载体的乙酰胆碱酯酶则完全丧失活性。这表明以丝素蛋白溶液作为生物酶防护剂是可行的，它具有较好的防毒效果，可使酶具有较长的保存寿命。丝素蛋白非结晶区有许多碱性氨基酸，对细胞有一定程度的吸附作用，能吸引细丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论胞附着在其上面。m i n o u r a 等学者“”1 研究了株化纤维芽细胞l - 9 2 9 在丝素膜上的接附和增殖情况，证实了丝素蛋白用作哺乳动物细胞培养基质的可行性。甲斐丰健等。”学者进行了人体肝细胞在丝素膜上的活体培养。在丝素膜上播种肝细胞2 4 小时后，用位相差显微镜可观察到细胞沿基质表面和内部的网状结构作多重结构的接附。谷苯转氨酶和谷丙转氨酶化验结果显示，接种l 7 天间，丝素膜上附着的肝细胞的谷苯转氨酶和谷丙转氨酶活性值几乎没有变化。丝素膜上培养的肝细胞的氨处理能和肝细胞蛋白分泌能也不低于目前最好肝细胞培养基胶原。因此，如果用添加交联剂等方法控制细胞的接附和增殖性，丝素膜可被用作人体细胞的培养基质。闵思佳等。“进行了丝素蛋白用于药物载体方面的研究。先获得多孔性丝素水凝胶，分别用其包埋阳离子型药物水晶紫、阴离子型药物锤虫蓝和非离子型药物丝裂霉素c ，然后在不同p h 缓冲液中测定水凝胶的药物透过行为和药物释放行为，以及水凝胶的溶解性和酶分解性。结果表明其凝胶具有一定药物透过性，在释放药物时，具有一定程度的p h 响应性，在作为药物缓释载体时具有一定的酶分解性。由于蚕丝的强度和弹性系数与生物体的肌腱有近似的数值，又具有良好的生物亲和性，因此，有学者开展了人工肌腱与韧带方面的研究恤3 。在丝素蛋白中导入带电化合物后，可加速其与钙、磷酸基团的凝集，进一步将带有负电荷的羧基、磷酸基导入丝素蛋白材料，可使其达到改性要求，改性以后的丝素蛋白可与生物骨基质中主要无机成分羟磷灰石结晶中的基团紧密凝聚，其钙的凝集量比未处理的丝素蛋白有大幅度的增加，特别是导入磷酸基的丝素蛋白中，钙的凝聚量比未处理的丝素蛋白高过1 0倍以上，可望用于开发人工肌腱与人工韧带。g r e g o r y 等恻直接将蚕丝纤维用于人工十字韧带( a c l ) 的制作，将3 0 根单纤维丝组成一股，每6 股成一束，再这样3 束成一股，6 股成一束，然后直接用作a c l 基质。经s e m 、d n a 定量以及胶原含量等测试后的结果显示，这样做成的支架能支持成人骨髓基质细胞( b m s c s ) 的生长和扩散以及分化。吴海涛等。“采用蚕丝与软骨细胞进行复合培养，探索了蚕丝作为软骨细胞体外培养支架的可行性，发现蚕丝对软骨细胞具有良好的吸附作用，并能维持软骨细胞正常形态和功能是适合软骨细胞立体培养的良好天然支架。左保齐等o ”以丝素蛋白具有良好的生物相容性的前提为基础，研究再生丝素纤维的结构与其生物降解性的关系，为再生丝素蛋白纤维用作组织工程支架材料提供了依据。4丝素僳乳酸共混纤维性能研究第一章绪论1 2 聚乳酸的结构、合成及应用1 2 1 聚乳酸的结构乳酸是最简单的手性分子之一，有2 种旋光异构体：l - 乳酸和d 一乳酸，分子式g h 6 谯，结构式如下：( ：f ) ( ) hh ( 卜( 一hc ，l 乳酸c t x ) 待一( 一o hl( h ，r 一乳酸2 个乳酸分子间两两发生酯化，生成环状丙交酯c 6 心0 4 ，由于乳酸有旋光性的差别，因此聚乳酸也有右旋聚乳酸( p d l a ) ，左旋聚乳酸( p l l a ) ，外消旋聚乳酸( p d l l a ) ，非旋光性聚乳酸( m e s o p l a ) 等几种不同的旋光性聚合物，其性能也有差异。结构式如下：o俨“cct c _ r “，(0俨 hc 卜 c 卜t ；瞰e 一“o0l 一丙交酯d 一丙交酯m e s o - 丙交酯左旋聚乳酸( p l l a ) 具有结晶性，熔点较高，且原料相对容易得到，因此一般用来纺制纤维。1 2 2 聚乳酸的合成聚乳酸的合成主要有两条路线，即直接缩聚法和开环聚合法( 又称丙交酯开环聚合法) 。直接缩聚法就是通过乳酸分子间的脱水，直接制备聚乳酸，这种方法制得的聚乳酸，分子量低、产品性能差、易分解，实用价值不大。直接缩聚法分子式如下：丝紊，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论h o c h ( c h ，) c o o h ! ! 二h e o c h ( c h ，) c o 抽h ! 二h e o c h ( c h 3 ) c o - o h，) 二啼h e 如c h ( c h ，) c o 抽h _ 二h e j o c h ( c h 3 )低聚物聚乳酸开环聚合就是先将乳酸脱水缩合成环状低聚物，然后在高温、高真空的条件下开环聚合。开环聚合法，可以制得分子量为4 0 万以上的聚合物，其机械强度高，适于用作医用材料。目前，在制备聚乳酸的报道中，大都采用开环聚合法。首先由乳酸经脱水环构化制得丙交酯：2 h h c o o h 墅：至丝1c h 3乳酸然后由丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯：n1 2 3 聚乳酸的应用丙交酯o h ,丙交酯夤叫占hc h 3在生物可降解材料中，p l a 具有很多优点，如熔点高、结晶度大，透明度好。纤维性能具有合成纤维特性，介于聚酯及聚酰胺纤维之间，具有高强度、抗酸、易染色( 处理温度低于聚酯纤维) 、可混纺性( 如与棉、麻等材质混纺) 等性能。更令人称道的是它的吸湿及扩散能力以及天然抗菌效果。用聚乳酸制成的面料柔软、耐用、有丝绸般的光泽、舒适的手感和皮肤接触感觉，并具有良好的水扩散性和抗菌防霉性，特别适合制作运动服。聚乳酸不仅用于服装、服饰以及非服装领域，还可作为日常生活用品材料及土木工程、种植、农业、园艺、林业、包装等用材料。目前聚乳酸主要应用在生物医学领域。6丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论聚乳酸缝线有生物降解性，随着伤口的愈合，缝线缓慢降解并吸收，无需二次手术。1 9 7 5 年，组成为9 2 g a 和8 l a 的p l g a 首次作为缝合线( v i c r y l ) 出现在市场上，即受到医生的青睐1 。聚乳酸纤维及乳酸乙交酯的共聚物纤维作为医用缝合线己安全使用了近3 0 年，它们的生物相容性早被广泛接受。聚乳酸及其共聚物缝合线柔软性好、易染成深色，缝合和打结比较方便，另外，该类聚合物还具有生物相容性好，改变共聚物组成，可控制吸收周期的特点。因此，聚乳酸及其共聚物缝合线是一类比较理想的可吸收手术缝合线1 。为了增强聚乳酸的力学性能，人们屙各种方法将其与各种纤维复合。g o g o l e n s k i采用拉丝编织的方法制备出一种自增强的p l l a 材料。m a j o l a 将p g a 手术缝合线穿过p l l a 溶液，使p l l a 包裹p g a 纤维，溶液蒸发掉，再切成一定长度的纤维，置于模中实施热压，获得p g a p l l a 增强材料。a l e x a n d e r p a r s o n 等人研究了c 纤维p l l a 复合材料作为骨折内固定装置时其作用与金属材料的比较。结果显示：c 纤维p l l a 有类似于金属装置的强度与硬度，而且，随着骨组织的恢复，这种材料随着p u a 的被吸收将逐渐失去硬度，将载重转移到痊愈的骨上去。一旦度过了恢复期，不必去除部分吸收的材料，消除了第二次手术过程，也避免了金属材料植入后长期的应力与腐蚀问题。1 9 7 0 年y o l e s 等率先将p l a 用作药物长效缓释制剂载体。1 9 7 9 年b e c k 等推出孕酮p l g a 缓释胶囊。近3 0 年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途径。高分子量聚乳酸用作控释药物制刹的载体可分为两种情形：一是制作药物胶囊，可有效的抑制吞噬细菌的作用，让药物定量持续释放保持血药浓度相对平稳，减少服药次数，同时降低一些药物集中吸收对肠胃刺激性及毒副作用。以p l g a 为载体，制成的全反式维甲酸p l g a 微球，体外试验表明，其具有明显的缓释作用o 。二是作为囊膜材料用于药物、制剂、生物制品微珠、微球的微型包覆膜，这样就避免了多颗粒药剂集中在一个胶囊的传统方式，而作为每一粒珠的微型包覆，以更有效地控制药物剂量的平稳释放，这种研究近年来异常活跃，己进入临床试验阶段。谢茵等。“采用乳化溶剂挥散法制备动脉栓塞性乳酸微粒球，制出了粒径在4 0 p m l o s p m 之间的癌栓塞剂聚乳酸微球，在治疗时借助介入放射疗法，将栓塞性微球剂注入动脉，使其达到靶位，一方面使肿瘤部位血管栓塞，以切断癌细胞的血液养分供应，另一方面是药物在肿瘤组织周围缓慢7丝素聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论定位释放，杀死癌细胞，减少化疗药物的全身性毒副作用，提高疗效指数。7 0 年代研究人员将开环聚合得到的聚乳酸片材用于动物试验，之后发展成骨板、骨钉等形状，但共同的缺点是材料强度达不到使用要求，8 0 年代随着立体选择性聚乳酸、高分子量p d l l a 的合成“”和增强技术的应用，大幅度提高了材料的强度，较好地满足了骨固定材料的要求，研究证明采用乳酸乙醇酸共聚物或聚左旋乳酸自增强材料固定踝部开放型骨折是成功的。“。用纤维类材料氢氧化铝、羟基磷灰石、磷酸钙等增强聚乳酸更可大大提高材料的强度；而采用羟基磷灰石聚乳酸复合材料，可在材料强度和降解速度方面得到明显改善，提高材料的强度维持时间和生物相容性，是一种非常有发展前景的材料。多孔状聚乳酸材料不仅具有良好的生物降解性，也有利于细胞营养成分的渗入和代谢产物的排除，为细胞的生长、增殖和分泌提供合适的微观环境，从而广泛应用于组织工程学研究。研究人员用聚乳酸纤维网培养鼻软骨细胞、用软骨细胞生物降解聚合物修复小鼠膝关节软骨缺损，用三维立体的p l g a 和空隙率9 0 的p l g a 泡沫支架培养成骨细胞和鼠颅骨成骨细胞都取得了良好效果。另外聚乳酸及共聚物也广泛应用在血管修复、皮肤细胞、及肝细胞生长等方面，是种较为理想的组织工程材料。“。石桂欣等0 4 3 应用溶液浇铸致孔剂浸出技术制备出一系列的聚乳酸及不同组成的聚乳酸一聚羟基乙酸多孔细胞支架。随致孔剂用量的增加，多孔支架的孔隙率逐渐增加，致孔剂颗粒大小对孔隙率基本无影响；致孔剂的颗粒大小只影响多孔支架的孔径。在致孔剂用量及致孔剂颗粒大小都相同的情况下，随着共聚物中乙交脂含量的增加，孔隙率逐渐下降。软骨细胞在这种支架上繁殖良好，3 周后己开始分泌细胞外基质。g u o p i n g 等。”使用冰微粒作为致孔剂，采用同样的技术制出聚乳酸和聚乳酸一聚乙二醇生物可降解泡沫，将溶解在氯仿中的p l a 或p l g a 溶液同冰微粒混合在一起，扫描电镜观察显示这些泡沫中形成分布均一、相互连接的孔结构，泡沫的孔度和表面积随着冰微粒质量的增加而增加，而中央的孔径保持不变，泡沫的孔结构可通过控制处理变量如冰微粒的大小和质量进行操作。以上技术一般只能生产出孔径为2 0 0 ”m 以下的支架，而对于组织工程中的血管化也很重要的孔径为2 0 0 p m 一2 5 0 p m 的支架材料，用这些技术则几乎不能达到。一种新的基于层层加工的精确压制生产技术( p e m ) 可生产出2 0 0 p m - 2 5 0 p m 孔径的支架材料，这种材料有望用于组织工程。“。丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论1 3 本课题研究目的及意义组织工程学是一门以细胞生物学、分子生物学、生物材料学和临床医学等学科为基础的多学科交叉学科，目的是要运用工程学和生命科学的原理和方法，研究和开发、修复和改善损伤组织及其功能的生物替代物。其基本方法是将体外培养的高浓度组织细胞，扩增后粘附于一种生物相容性好、并可被人体逐渐降解吸收的细胞外基质上。该材料可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行气体交换，排除废物，使细胞按预制形态的三维支架生长：然后将这种细胞生物材料复合体植入肌体病损部位，从而达到修复和重建的目的。丝素蛋白具有良好的生物相容性，其超微结构能很好地适应人体的机体组织，因此，丝素纤维可用作手术缝合线、隐形眼镜、人工皮肤等，还可以与其他材料混合制作人工肌肉。丝素具有独特的氨基酸组成和丝脘蛋白的二级结构，并且其中部分氨基酸对人体具有保健、医药功效，丝素主要氨基酸之一的甘氨酸具有降低人体血液中胆固醇浓度的功能，丙氨酸具有促进乙醇代谢的功能，酪氨酸具有预防痴呆症的功能。“。但是丝素纤维结构紧密，难以生物降解，限制了其在生物医学领域的应用。聚乳酸是近年来研究报道的可吸收材料之一。它在体内无毒，有良好的生物相容性，不引起周围组织炎症，无排异反应，并且可被生物降解，其降解产物乳酸，可以参与人体内糖类代谢循环，无残留。此外，聚乳酸具有较好的机械强度、弹性模量和热成型性，通过调节其分子量，选择不同的聚合方式及成型手段，可以调节并控制聚乳酸的力学性能、降解速度，以满足不同的临床要求1 。因此，丝素聚乳酸共混纤维可以有效发挥各自优点，有望在生物医学领域得到应用。本文以家蚕丝用n a ：c o 。溶液脱去丝胶，脱胶后的丝素在l i b r ：g h 。o h = 4 0 ：6 0 ( w w )中( 7 8 2 ) 搅拌溶解，经透析、过滤后 ! 导纯丝素溶液。将透析好的丝素溶液，过滤，置于聚乙烯塑料板中，在室温下干燥成膜。将丝素膜与聚乳酸以( 2 ：8 、4 ：6 、6 ：4 、8 ：2 ) ( w w ) 的比例混合，分别置于六氟异丙醇( h f i p ) 溶剂中，密封置于2 5 。c 恒温水浴中，震荡溶解制得丝素聚乳酸共混纺丝液。以丝素与聚乳酸共混纺丝液按上述比例湿法纺丝，对纺制的丝素聚乳酸共混纤维进行x 一衍射、差示扫描量热( d s c ) 、红外光谱分析，以y g 0 0 4 a 型单纤维电子强力仪分析力学性能，并用扫描电镜观察分析了丝素聚乳酸共混纤维的形态特征。此外，丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第一章绪论还探讨了丝素聚乳酸共混纤维的结构与力学性能的关系和放线菌酶对共混纤维体外降解的影响。丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第二章丝素，聚乳酸共混纺丝液的制各及纺丝第二章丝素聚乳酸共混纺丝液的制备及纺丝2 1 引言丝素由于具有高度有序的反平行b 一折叠构象，且两条相邻g 一折叠肽链的n h和c = o 间形成氢键，结构稳定，因此丝素难以溶解，只有在酸、碱或部分浓中性盐中才水解，然而用酸或碱溶解丝素时会大大降低丝素的分子量，不利于纺丝，所以一般用高浓度的中性盐作为溶剂来溶解丝素。本论文采用的纯丝素溶液均在l i b r ：c 2 地o h= 4 0 ：6 0 ( w w ) 中溶解所得。2 2 丝素聚乳酸共混纺丝液的制备2 2 1 实验材料化学纯溴化锂( l i b r h = o ) ( 上海恒信化学试剂有限公司) 、分析纯乙醇( 上海化学试剂二厂) 、无水碳酸钠( 上海兴达化学试剂厂生产) 、六氟异丙醇( i f i p ) ( 美国杜邦公司) 、聚乳酸( 美国n a t u r ew o r k 公司) 。2 2 2 丝素溶解、丝素膜的制备家蚕丝用浓度为o 5 ( w w ) 碳酸钠( 丝素和溶液的重量比为1 ：2 0 ) 煮沸三次，每次大3 0 分钟。再用6 0 。c 以上的水清洗2 遍，重复3 次，用去离子水清洗两次，以去除丝胶而制得纯丝素。脱胶后的纯丝素置于1 0 5 恒温下烘3 h ，备用。纯丝素在l i b r ：g h ；o h = 4 0 ：6 0 ( w w ) 中于( 7 8 2 ) 搅拌溶解，放入截流分子量为l 万道尔顿左右的透析袋中以流动水及去离子水透析三天三夜，过滤后置于聚乙烯塑料板中，室温下干燥成膜，备用。2 2 3 聚乳酸的干燥聚乳酸颗粒在6 0 下于真空烘箱中干燥1 2 h ，以除去聚乳酸颗粒含有的水分，提高纺丝的可行性。2 2 4 丝素聚乳酸共混纺丝液的制备丝素膜与聚乳酸以( 2 ：8 、4 ：6 、6 ：4 、8 ：2 ) ( w w ) 的比例混合，分别置于1 1丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第二章丝素聚乳酸共混纺丝液的制备及纺丝h f i p 溶剂中。密封置于恒温2 5 c 的水浴中，震荡溶解制得共混液，经不锈钢滤网过滤，真空消泡后制得纯净的含量为1 0 ( w w ) 的共混纺丝液。2 2 5 聚乳酸分子量的测定采用稀释粘度法( 稀释式乌式粘度计) 测定聚乳酸的分子量，所测数据如下表2 - 1 。表2 - 1 聚乳酸分子量测定结果参数tr l rns pr is p ci nr l r c浓八8 3 1 ll7 8 6 107 8 6 1l0 2 3 607 5 5 3c2 3c6 9 9 7l5 0 3 805 0 3 80 9 8 4 90 7 9 7 61 2c6 35 l13 6 4 9o3 6 4 9o 9 5 0 30 8 1 0 21 3c5 71 6l2 2 8 5o2 2 8 5o8 9 3 6o 8 0 4 81 4c5 4 3 l1 1 6 7 20 1 6 7 20 8 7 0 90 8 0 5 3以ns p c 对c 以及1 nnr c 对c 的关系作图，见图2 - 1 ：n s p c或l nr t r cc图2 1r ls p c 对c 和l nr lr c 对c 的关系图ns p c1 nr t r c他加帖姑叫tfiiiif上q丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第二章丝素，聚乳酸共混纺丝液的制各及纺丝由图2 一l 可知特性粘数m = o 8 4m = k 砺。( 2 1 )k = i 0 4 1 0 4d = 0 7 5k ，a 为经验常数由公式( 2 一1 ) 计算出聚乳酸的平均分子量m = 1 6 2 0 5 4 。2 3 纺丝由于丝素纤维的热分解温度在1 5 0 。c 左右，因此采用湿法纺丝的方法进行纺丝。湿法纺丝工艺如下：挤出凝固清洗牵引1 次罗拉2 次罗拉卷取牵伸图2 - 3 控制柜图2 2 湿法纺丝机设备图2 4 挤出头丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第二章丝素，聚乳酸共混纺丝液的制各及纺丝图2 5 纺丝过程2 3 1 纺丝过程2 3 ll 凝固、清洗、牵引纺丝液经过氮气加压，从挤出头挤出的长丝由牵引辊拉出，经过凝固槽使长丝历经长1 5 米的凝固过程。为了适应长丝在凝固槽内的停留时间，牵引辊提供0 9 8 _ _ 9 8米分的可调速度，以完成长丝的凝固过程。2 3 1 2 第1 罗拉、第2 罗拉第l 和第2 次牵伸都在牵伸槽内完成，由直径为1 0 0 毫米的表面光滑的圆盘组成的传动机构来实现。第l 罗拉可调线速度为1 9 6 1 9 米分，第2 罗拉的可调速度2 6 2 6米分，由此组成了牵引辊到第2 罗拉之间的从0 9 8 8 2 6 米分的线速度调节范围。2 3 1 3 卷取、电控箱由于卷曲时因绕层的增加而导致线速度的改变，为了保持与第2 罗拉的线速度一致，在卷取轴上采用片状摩擦片来实现。电控箱是湿法纺丝的中心控制部件，在控制屏上可以直接查对第l 罗拉牵引、第2丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第二章丝素僳乳酸共混纺丝液的制各及纺丝罗拉牵引的线速度坐标值。2 3 2 丝的后处理将纺好的丝浸泡在无水乙醇中，密封，置于室温下2 4 , b 时。2 3 2 1 丝的热定形2 3 2 1 1 热定形的目的热定形是工艺加工中的种重要的加工手段，其目的是使材料得到的变形能固定下来，以取得一定的尺寸稳定性。在纺丝工艺中，因为定形是以改变纤维分子内部的结构特征来提高品质为目的的，因此定形温度一般较高，这一方面是因为如不达到这样的温度即不足以使内部的结构特征发生变化：另一方面又是因为有必要使它尽可能高于今后利用它这一性能的加工温度和使用温度，以保证在加工和使用温度中不会失去这一性能。2 3 2 1 2 丝的定形将浸泡的长丝取出，放在电热消毒器中，温度设置在1 2 0 。c 左右，定形3 0 分钟。丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究3 1 引言本文以湿法纺丝制备再生丝素纤维、丝素聚乳酸共混纤维以及聚乳酸纤维，然后用扫描电镜( s e m ) 、x - 衍射、红外光谱、差示扫描量热( d s c ) 、电子单纤维强力测试等方法对纤维的结构性能进行分析，比较不同重量比共混纤维性能的差异，最后以放线菌酶对共混纤维进行体外酶降解实验。3 2 实验仪器3 2 1 扫描电子显微镜( s e m )日本$ 5 2 0 扫描电子显微镜，试样喷金后观察共混纤维的表面形态结构。3 2 2x 一衍射日本理学电机株式会社d m a x 一3 a 型全自动x 一衍射衍射仪，管电压4 0 k v ，管电流3 0 m h ，扫描速度2 。m i n ，使用c u k 。线，2o = 2 。4 5 。3 2 3 红外光谱美国n i c o l e t 公司的m a g n a 一5 5 0 傅立叶红外光谱仪，波数4 0 0 0 c m l 4 0 0 c m ，分辨率4 c m l 。3 2 4 差示扫描量热( d s c )c b r 一4 型差动热分析仪，升温速度l o 。c m i n ，扫描温度室温4 5 0 。c ，氮气流量1 2 0 m l m i n 。3 3 结果与讨论3 3 1 丝素聚乳酸共混纤维形态结构3 3 1 1 横截面结构丝素聚乳酸共混纤维的扫描电镜横截面结构分别见图3 - 1 至图3 4 。丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究图3 一l 至图3 4 中，( a ) 图放大倍数为3 0 0 倍，( b ) 图放大倍数为1 0 0 0 倍，( c )图放大倍数为5 0 0 0 倍。( a )( b )( c )图3 - 1 丝素，聚乳酸2 ：8 ( w w ) 纤维扫描图片( a )( b )( c )图3 - 2 丝素聚乳酸5 ：4 ( w w ) 纤维扫描图片( b )( c )图3 3 丝素聚乳酸8 ：2 ( w w ) 纤维扫描图片7丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究( a )( b )( c )图3 _ 4 聚乳酸纤维扫描图片3 3 1 2 纵向结构丝素聚乳酸共混纤维的扫描电镜纵向结构分别见图3 5 至图3 8 。图3 5 中( a ) 图放大倍数为1 0 0 0 倍，( b ) 图放大倍数为1 0 0 0 倍。图3 _ 6 中( a ) 图放大倍数为1 5 0 0 倍，( b ) 图放大倍数为1 5 0 0 倍。图3 7 中( a ) 图放大倍数为8 0 0 倍，( b ) 图放大倍数为8 0 0 倍。图3 5 中( a ) 图放大倍数为1 3 0 0 倍，( b ) 图放大倍数为1 3 0 0 倍。( a )图3 - 5 丝素聚乳酸2 ：( b )8 ( w w ) 纤维扫描图片8丝索，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究( a )( b )图3 - 6 丝素聚乳酸6 ：4 ( w w ) 纤维扫描图片( a )( b )图3 7 丝素聚乳酸8 ：2 ( w w ) 纤维扫描图片( a )( b )图3 - 8 聚乳酸纤维扫描图片1 9丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究从图3 - 1 图3 - 4 中可以看出随着共混纤维中聚乳酸比例的提高，聚乳酸和丝素存在一定的相分离现象，主要是由于聚乳酸和丝素两者的凝固速度不同所引起的。而且在共混纤维中，聚乳酸比例越小，聚乳酸在共混纤维断面的分布越均匀，如在图3 - 3 ( c ) 丝素聚乳酸8 ：2 ( w w ) 纤维扫描图片中，可以清晰地看到聚乳酸比较均匀地分布在共混纤维中，分布在纤维中的聚乳酸直径大约为2 0 0 n m 3 0 0 n m 。在图3 - - 5 图3 8 中看出，共混纤维的纵向面还是比较光滑、平整的。3 3 2 丝素聚乳酸共混纤维聚集态结构3 3 2 1x - 衍射蚤丽c芒01 0图3 - 9 天然丝素x 衍射图4 05 020竺塑塾墼茎望竺丝堡壁里壅!苎三兰竺墨窭墨墼苎望竺丝堕塑堡壁旦塑01 02 03 04 05 02e图3 1 0 再生丝素x 衍射图01 02 04 05 02e图3 - 1 1 丝素聚乳酸8 ：2 ( w w ) x 衍射图2 1扫i s c o l u 一占_霜_。1口1丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究x们c01 02 03 04 05 02e图3 1 2 丝素聚乳酸6 ：4 ( w w ) x 一衍射图o1 02 03 04 05 020图3 1 3 丝素聚乳酸4 ：6 ( w w ) x 衍射图三罚c m l u丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究备而c羔o1 02 03 04 05 02o图3 1 4 丝素聚乳酸2 ：8 ( w w ) x 一衍射图图3 1 5 聚乳酸x 衍射图2e苦丽c g c丝素，聚乳酸共混纤维性能研究第三章丝素聚乳酸共混纤维结构性能研究从图3 一1 5 聚乳酸x 一衍射图可知，聚乳酸存在3 个衍射峰，图3 1 0 再生丝素纤维x 一衍射图中，在2 2 。左右存在很强的衍射峰。由图3 一n 至图3 一1 4 可知，共混纤维中随着聚乳酸比例的提高，聚乳酸的衍射峰越来越明显，而再生丝索的衍射峰强度越来越弱。3 3 2 2 红外光谱红外吸收光谱是分子振动吸收光谱，利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红外光谱图。表3 一l 丝蛋白质构象与红外光谱波数( c m l ) 。”心带酰胺i酰胺i i酰胺i i i酰胺v构象b 一折叠1 6 2 5 1 6 4 01 5 1 5 1 5 2 51 2 6 57 0 0a 一螺旋1 6 5 01 5 4 51 2 4 06 0 0无规卷曲