（纺织材料与纺织品设计专业论文）静电纺再生丝素蛋白聚乳酸纤维膜的制备、结构与性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

浙江理工人学硕士学位论文 静电纺再生丝素蛋白聚乳酸纤维膜的制备、结构与性能研究 摘要 丝素蛋白是一种天然高分子材料，它有一些与众不同的生物学的特性，包括良好的生 物相容性、氧气和水蒸气渗透性、生物降解性等。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，丝素蛋白在生物医学材料领域的应用日趋广泛，丝素蛋白可用做药 物缓释载体、手术缝合线、人工皮肤和功能性细胞培养基质等，但其结构紧密，生物降解 速度很慢，限制了其在组织工程领域的应用。聚乳酸是一种具有发展前景的材料，具有良 好的生物降解性，但聚乳酸生物活性较低，细胞黏附较困难。将丝素和聚乳酸复合，形成 具有细胞黏附性优良，同时降解性能良好的生物医用材料，满足机体组织修复的要求，是 材料科学领域重要的任务之一。本文的研究内容是一方面讨论纯静电纺再生丝素蛋白纤维 的结构与性能，另一方面是讨论静电纺再生丝素蛋白聚乳酸纤维的结构、性能及其在组织 工程中的应用。具体的研究和结论如下： 1 将脱胶后的家蚕丝溶解在c a c l 2 c 2 h 5 0 h h 2 0 三元液中，经透析、冷冻干燥后得到海 绵状多孔再生丝素蛋白。将再生丝素蛋白溶解于9 8 甲酸中，分别配制质量分数为 1 2 2 0 的纺丝液。研究了纺丝液质量分数、纺丝电压、纺丝距离、纺丝流率对纤维直径 及形态的影响；探讨了经甲醇处理后纤维结构和性能的变化。结果表明：纺丝液质量分数 为1 2 2 0 时通过静电纺丝均能获得丝素纳米亚微米纤维；纤维直径随纺丝液质量分数 的增加而增大，随电压的增大而减小，随纺丝距离和纺丝流率的变化纤维直径都有不同的 变化。经过甲醇处理后d 化程度提高，处理时间越长，d 化程度越大。 2 将海绵状多孔再生丝素蛋白和聚乳酸以六氟异丙醇( h f 口) 为溶剂配成含固量为 4 1 2 的混合溶液，其中丝素蛋白与聚乳酸的质量比为9 5 ：5 ，采用纺丝参数分别为纺丝 距离：1 0 1 6 c m ：纺丝电压：1 2 2 4 k v ；纺丝流率：0 0 0 2 0 0 1 m v m i n 进行静电纺丝。s e m 结果表明当纺丝参数为纺丝液质量分数6 ，纺丝距离1 2 c m ，纺丝电压1 8 k v ，纺丝流率 0 0 1 m l m i n 时，能得到均匀且形态较好的纤维。使用这样的参数纺制含固量为6 的丝素蛋 白聚乳酸共混纤维膜，其中丝素蛋白与聚乳酸的质量比分别为1 0 0 ：0 ；9 5 ：5 ；9 0 ：1 0 ；8 5 ：1 5 ； 8 0 ：2 0 ；5 0 ：5 0 ；o ：1 0 0 。 3 对不同比例的丝素蛋白聚乳酸共混纤维膜进行各种测试。红外光谱测试和x r d 显 示，随着聚乳酸含量的增加，丝素分子的构象逐渐由无规构象向d 构象转变。通过对共混 纤维膜的热重分析，结果表明聚乳酸的加入有利于提高丝素分子的排列规整性。静态水接 浙江理工大学硕士学位论文 触法测试表明随着聚乳酸含量的增加，共混纤维膜的接触角不断增大，说明共混纤维膜的 亲水性随聚乳酸加入量的增大有所降低。利用全自动压汞仪进行孔隙率的测试，表明当聚 乳酸的含量为5 时，共混纤维膜的孔隙率达到最大，之后随着聚乳酸含量的进一步增多， 纤维膜的孔隙率逐渐降低。对共混纤维膜的拉伸实验，结果表明在聚乳酸含量较低时，随 着聚乳酸含量的增加，丝素蛋白聚乳酸共混纤维的屈服应力先增大后降低；而屈服应变先 降低后增大。屈服应力最大和屈服应变最小值都出现在聚乳酸的加入量为5 时。 4 将丝素蛋白和聚乳酸以六氟异丙醇( h f i p ) 为溶剂分别配成纺丝液质量分数为6 的 溶液，采用纺丝参数分别为纺丝液质量分数：6 ；纺丝距离：1 2 c m ；纺丝电压：1 8 k v ； 纺丝流率：0 0 1 m l m i n ，纺得比例为5 0 ：5 0 的丝素蛋白聚乳酸混杂纤维膜。测试表明：混 杂纤维膜比纯丝素蛋白纤维膜具有高的热分解温度，低的孔隙率和较好的力学性能。 5 对所选纤维样品进行细胞黏附性能测试，结果表明比例为9 5 ：5 的丝素蛋白聚乳酸共 混纤维膜的黏附性能最好。细胞增殖性能测试表明丝素蛋白和聚乳酸的共混和混杂都有利 于细胞的增殖。 总之，本文采用静电纺丝技术，纺制出性能优良的丝素蛋白聚乳酸共混和混杂纤维膜， 有望用于组织工程。 关键词：丝素蛋白纤维；s f p l a 共混纤维膜；s f p l a 混杂纤维膜；结构与性能；生 物学评价。 l i 浙江理1 = 大学硕上学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o s p u ns f p l af i b e ra n da p p l i c a t i o ni nt i s s u e 一 e n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h es i l kf i b r o i n ( s f ) i san a t u r a lp o l y m e rt h a ts h o w su n i q u eb i o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n g g o o db i o c o m p a t i b i l i t y , g o o do x y g e na n dw a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t ya n db i o d e g r a d a b i l i t ya n d s o o n w i t ht h ei n - d e p t hs t u d yo fi t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha su n i q u ea m i n o a c i dc o m p o s i t i o na n dc r y s t a ls t r u c t u r e ，s i l kf i b r o i nm a t e r i a li nb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n sb e c o m e a b r o a d t h es i l kf i b r o i nc a nb eu s e da sd r u gd e l i v e r yc a r r i e r , s u t u r es u r g e r y , a r t i f i c i a l l ys k i na n d f u n c t i o n a lm a t r i xc e l lc u l t u r e i t ss t r u c t u r ei sc o m p a c t , b i o d e g r a d a b l es p e e di ss l o w t h u st h e i r a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do ft i s s u ee n g i n e e r i n gi sl i m i t e d t h ep o l y l a c t i c a c i d ( p l a ) i sap r o m i s i n g m a t e r i a lw i t hg o o db i o d e g r a d a b i l i t y , b u ti t sb i o l o g i c a la c t i v i t yi sl o w i ti sd i f f i c u l tf o rc e l l a d h e s i o n o n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k si nt h ef i e l do fm a t e r i a l ss c i e n c ei st op r e p a r eb i o m e d i c a l m a t e r i a l sw i mg o o dc e l la d h e s i o na n dd e g r a d a b i l i t y , w h i c hc a nb er e a l i z e dt h r o u g hm i x i n gt h e s i l kf i b r o i na n dt h ep o l y l a c t i c - a c i d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sd i s c u s s i n gt h es t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c eo f t h ep u r er e g e n e r a t es i l kf i b r o i na n dt h es f p l af i b e rb yu s i n go fe l e c t r o s p i n n i n g m e t h o d t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a f t e rt h ee x t r a c t i o no fs e r i c i n , t h ef i b r o i nw a sd i s s o l v e di nc a c l 2 c 2 h s o h h 2 0s o l u t i o n , t h e nd i a l y s e di nd e i o n i z e dw a t e ra n df r e e z e d d r y i n gt op r e p a r er e g e n e r a t ep o r o u ss i l kf i b r o i n n l er e g e n e r a t es i l kf i b r o i nw a sd i s s o l v e di n9 8 f o r m i ca c i dt op r e p a r et h es p i n n i n gs o l u t i o n w i t l lt h ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n go f12 t o2 0 t h ei n f l u e n c e so fs p i n n i n gs o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n , v o l t a g e ，d i s t a n c ea n dt h ef l o wr a t eo nt h ef i b e rd i a m e t e ra n dm o r p h o l o g yw e r e i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r ，d i s c u s s e df i b e rs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ec h a n g ea f t e rm e t h a n o l s t r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a ts i l kf i b r o i nn a n o m e t e r s u b m i c r o nf i b e rc a r lb ep r e p a r e dw h e n t h es p i n n i n gs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni sf r o m12 t o2 0 r n l ef i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e sw i t hi t s s p i n n i n gs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n , a n dd e c r e a s e s 、柝mi t sv o l t a g e w i t ht h ec h a n g eo ft h ed i s t a n c e o rf l o wr a t e ，t h ef i b e rd i a m e t e rc h a n g e sd i f f e r e n t l y t h ed e g r e eo ft h epi si n c r e a s e da f t e rt h e m e t h a n o l st r e a t m e n t 2 t h es p o n g e l i k er e g e n e r a t ep o r o u ss i l kf i b r o i na n dp o l y l a c t i ca c i dw e r ed i s s o l v e di n f t i 浙江理工大学硕l ：学位论文 h f i pt op r e p a r et h em i x e ds o l u t i o nw i t l lt h ec o n c e n t r a t i o nf r o m 4 t o12 t h er a t i oo f s fa n d p l aw a s9 5 ：5 t l l ef o l l o w i n gs p i n n i n gp a r a m e t e r sw e r eu s e ds e p a r a t e l y ：s p i n n i n gd i s t a n c ew a s f r o m10t o16 c m ；s p i n n i n gv o l t a g ew a sf r o m12t o2 4 k v ；f l o wr a t eo fs p i n n i n gw a s0 0 0 2t o 0 01m l m i n s e mr e s u l t ss h o wt h a tu n i f o r ma n dg o o df i b e r sa r eo b t a i n e dw h e ns o l u t i o n c o n c e n t r a t i o ni s6 ，s p i n n i n gd i s t a n c ei s12 c m ，s p i n n i n gv o l t a g ei s18 k va n df l o wr a t eo f s p i n n i n gi s0 01m l m i n m e a n w h i l e ，d i f f e r e n ts i l kf i b r o i n p o l y l a c t i ca c i dm i x e df i b e rm e m b r a n e w i l lb ep r e p a r e ds e p a r a t e l y 谢t 1 16 s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o nw h e nt h er a t i oo fs fa n dp l ai s 1 0 0 ：0 ，9 5 ：5 ，9 0 ：1 0 ，8 5 ：1 5 ，8 0 ：2 0 ，5 0 ：5 0o r0 ：1 0 0 3 m i x e dm e m b r a n eo b t a i n e df r o md i f f e r e n tr a t i oo fs fa n dp l aw e r ee x a m i n e d 1 1 1 ef t i r a n dt h ex i 己de x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t et h a tw i lt h es u b s e q u e n ta d d i n go fp l at om i x e d s o l u t i o n , s fm o l e c u l a rc o n f o r m a t i o nt r a n s f o r m sf r o mt h er a n d o mc o i lt of l - s h e e te o n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h et ga n a l y s eo ft h ep l a s fm i x e df i b e rm e m b r a n e ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a t p l ac a l li n c r e a s et h er e g u l a r i t yo fs fm o l e c u l a ra r r a n g e m e n t w et e s t e dt h es t a t i cc o n t a c ta n g l e o ft h em i x e df i b e rm e m b r a n ew i t hw a t e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fp l ai n m i xt h ec o n t a c ta n g l ei n c r e a s ec o r r e s p o n d i n g l y ，w h i c hm e a n st h a tt h eh y d r o p h i l i t yo ft h em i x e d f i b e rm e m b r a n ed e c r e a s ew i t l lt h ei n c r e a s eo ft h ep l a t h ef u l l ya u t o m a t e di n s t r u m e n tf o r p r e s s u r em e r c u r yp o r o s i t yt e s t ss h o w e dt h a tw h e nt h ep o l y l a c t i ca c i dc o n t e n ti s5 ，t h ep o r o s i t y o ft h em i x e df i b e rm e m b r a n er e a c ht h el a r g e s t w i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s i n go fp o l y l a c t i ca c i d ，t h e p o r o s i t yo fm i x e df i b e rm e m b r a n ec o m e sd o w n w et e s t e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m i x e df i b e rm e m b r a n e 硼舱r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ep l ac o n t e n ti sl o w , y i e l ds t r e s so ft h e f i b e rm e m b r a n ed e c r e a s e st h e ni n c r e a s e ，a n dy i e l ds t r a i ni n c r e a s et h e nd e c e s e s e s ，谢mt h e i n c r e a s e dc o n t e n to fp o l y l a c t i ca c i d 1 1 1 el a r g e s ty i e l ds t r e s sa n d y i e l ds t r a i no c c u r ea t5 o fp l a c o n t e n t 4 t h es p o n g e - l i k er e g e n e r a t ep o r o u ss i l kf i b r o i na n dp o l y l a c t i ca c i dw e r ed i s s o l v e di n h f i ps e p a r a t e l yt op r e p a r et h es i n g l es o l u t i o n6 诵ms p i n n i n gc o n c e n t r a t i o n n l ef o l l o w i n g s p i n n i n gp a r a m e t e r sw e r eu s e df o r ：s p i n n i n gc o n c e n t r a t i o nw a s6 ；s p i n n i n gd i s t a n c ew a s12 c m ； s p i n n i n gv o l t a g ew a s18 k v ；f l o wr a t eo fs p i n n i n gw a so olm l m i n 1 1 l er a t i oo fs ff i b e ra n d p l af i b e ri s5 0 ：5 0 t e s t i n gs h o w st h a t ：t h ef a r r a g i n o u sf i b e rm e m b r a n eh a sah i g h e rt h e r m a l d e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ，l o w e rp o r o s i t ya n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nt h ep u r es i l k f i b r o i nf i b e rm e m b r a n e i v 浙江理工大学硕。 ：学位论文 5 c e l la d h e s i o nt e s t i n go f t h es e l e c t e df i b e rs a m p l e ss h o w st h a t9 5 ：5r a t i oo f t h es i l kf i b r o i n p o l y l a c t i ca c i dm i x e df i b e rm e m b r a n e h a st h eb e s tc e l la d h e s i o np r o p e r t i e s c e l lt e s ts h o w st h a t t h es i l kf i b r o i n p o l y l a c t i ca c i dm i x e df i b e rm e m b r a n ea n df a r r a g i n o u sf i b e rm e m b r a n ea r eb o t h b e n e f i tf o rt h ec e l lp r o l i f e r a t i o n i naw o r d ，w ep r e p a r e dt h es f p l am i x e df i b e rm e m b r a n ea n df a r r a g i n o u sf i b e rm e m b r a n e b yu s i n go fe l e c t r o s p i n n i n gm e t h o d t h ef i b e r sh a v ee x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s ot h e ya r ep r o m i s i n g t 0b eu s e di nt i s s u ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s i l kf i b r o i n ；s f p l am i x e df i b e rm e m b r a n e ；s f p l af a r r a g i n o u sf i b e r m e m b r a n e ；s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y ；b i o l o g i c a le v a l u a t i o n v 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蜀! 砻 日期： 加j 年o e , 月f 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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 不慨g 学位论文作者签名：碉、努 日期： 加彳年矿弓月护7 日 年解密后使用本版权书。 嚣孑朔搿日期：刎7 年哆月汐7 画 浙江理工大学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 丝素蛋白介绍 丝素是一种典型的纤维性蛋白质1 1 捌，是由2 0 3 0 的丝胶蛋白和7 0 一8 0 的丝素蛋 白以及极少量的色素、碳水化合物等构成。其中，丝胶蛋白是一种高分子量的球蛋白，其 分子结构的支链上亲水基含量较高，链排列不紧密，故易溶水、稀酸和稀碱，并能被蛋白 酶等水解，还具有与明胶类似的凝胶、粘着等特性。丝素蛋白含有1 8 种氨基酸，结构是由 结晶区和非结晶区两部分组成，结晶区主要由侧链较小的氨基酸残基组成，其中甘氨酸、 丙氨酸和丝氨酸占了8 5 ，三者比例为3 ：2 ：1 ，按一定的序列结构排列成较为规则的链段， 因此形成了结晶区。带有较大侧基的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等主要存在于非结晶区域。 丝素中极性基团约占2 9 5 ，非极性基团占7 0 5 ，丝素蛋白可在一些特殊的中性盐溶液 中发生无限膨胀形成粘稠的液体，透析除盐即可得到丝素的纯溶液。由于丝素蛋白的氨基 酸组成以甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸为主，与人体的皮肤和头发的角朊极为接近，这成为一 些研究中将丝素用于人造皮肤【3 】制造的原因之一。 丝素通常有三种构象，无规构象、q 螺旋、b 折叠，日本科学家又将q 螺旋称为s i l k i ，把 p 折叠称为s i l k i i ，0 l 结构中每隔3 6 个氨基酸残基螺旋上升一圈，在螺旋体中氨基、羧酸基 侧链向外伸出，相邻的螺旋圈之间形成链内氢键，氢键的取向与中心轴平行。p 结构是一 种肽链相当伸展的结构。其中肽链层层排列，依靠相邻肽链上的 c = 0 与 n h 形成的氢键 来维持其稳定的结构。当0 【角蛋白用热水和稀碱方法处理或者在外力下拉直时，氢键被破 坏形成折叠链空间结构【4 i ，a 角蛋白就会转变为b 角蛋白。近几年来随着丝素蛋白分子生物 学研究的进展，发现丝素蛋白的结晶区为较为紧密的p 折叠结构，在水中只发生膨胀而不 溶解，亦不溶于乙醇1 5 l 。在特定的处理条件下，丝素蛋白分子会发生无规则卷曲结构与p 一 折叠结构的相互转变，其形态可相应的表现为纤维状、粉状、膜状、凝胶状以及溶液状， 而且这些形态之间可相互转变。因此，丝素蛋白在应用方面体现出很大的灵活性。 丝素具有如下优点【6 l ：( 1 ) 与其他天然纤维和许多高性能合成纤维相比，有独特的力学 性能；( 2 ) 在外科领域的应用已有很长历史；( 3 ) 可以通过不同处理方法获得膜或其他形态， 而且工艺简单；( 4 ) 可以通过某些氨基酸的氨基和侧链的化学修饰较容易地改变表面性能； ( 5 ) 在体内外可以缓慢降解；( 6 ) 良好的生物相容性【”，氧气和水蒸气渗透性。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，国内外对丝素的应用正从传统的纺织领域 积极向多领域探索，丝素蛋白在生物医学领域有着广阔的应用前景 8 q o 】，可用做药物缓释 载体、生物传感器【1 1 1 、手术缝合线和其他探测器f 1 2 1 ，丝素蛋白膜可制成人工皮肤，可作为 1 浙江理工大学硕一 ：学位论文 功能性细胞培养基质【l3 j 等。 由于丝素膜的相对韧性还比较差，所以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、机械强度等性能。已报道与合成高分子共混的有：丝素 聚乙烯醇( p v a ) ，丝素聚乙二醇( p e g ) 【1 4 】，丝素聚乙二醇缩水甘油醚( p e g o ) ，丝素 聚丙烯酸酯( p a ) ，丝素丙烯酸丙烯酸甲酯共聚物、丝素聚l 一丙氨酸。与天然高分子共混 的有：丝素纤维素f 阍，丝素海藻酸钠i i t , j 8 ，丝素壳聚糖f 1 9 】，丝素明胶2 0 , 2 1 1 等。孙涛等担2 】 观察了人类涎腺细胞在几种生物材料上的生长情况。实验将人类颌下腺上皮细胞系( h s g ) 细胞分别接种子丝素蛋白、聚乳酸、聚醚酯( 聚对苯二甲酸乙二醇酯聚x , j - 苯二甲酸丁烯酯 嵌段共聚物) 生物材料上，观察到丝素蛋白膜上生长的h s g 细胞数量最多，贴壁良好，细胞 生长较好，认为丝素蛋白更适合h s g 细胞生长，可作为组织工程人造涎腺支架的表面涂层 材料。t o y o t a k e l 2 3 1 探讨了人体肝细胞在丝素膜上的体外培养。m i n o u r a 等1 2 4 】观察比较了小鼠 成纤维细胞( l 9 2 9 ) 在丝素膜和胶原上的附着和生长情况。i n o u y e 等【2 5 】研究了哺乳动物细胞 在丝素蛋白涂覆膜( 聚苯乙烯膜) 上的生长情况，并与胶原蛋白涂覆膜、聚苯乙烯膜比较。 c h i a r i n i 等【2 6 i 观察了四种成人成纤维细胞在丝素蛋白涂覆膜( 聚氨酯，s f p c 的生长情况， 采用空白p c u 作对比，发现前3 小时s f p c u 上的细胞附着率是p c u 上的2 2 倍；3 0d 后为2 5 倍，细胞数量为1 3 3 倍，增殖速率为1 6 5 倍。 1 2 聚乳酸介绍 聚乳酸( p l a ) 是目前研究应用相对较多的一种材料，它是以淀粉发酵( 或化学合成) 得到 的乳酸为基本原料制备得到的一种环境友好材料，它不仅具有良好的物理性能，还具有无 毒、良好的生物相容性、降解性能和组织吸收性，可完全降解为二氧化碳和水，被用于缓 释药物载体口7 1 、体内植入材料、手术缝合线、骨科固定材料组织工程【2 8 】和细胞培养工程。 静电纺丝技术的发展进一步促进了p l a 在生物材料领域的应用。国内外研究人员已经在静 电纺丝工艺参数对纤维直径、形态结构、结晶结构和孔隙结构的影响方面进行了研究【2 9 啦】， 文献【3 3 ，3 4 1 系统地研究了静电纺p l a 纤维的酶降解性以及结晶度对纤维的酶降解性的影响 等。文献1 3 5 】探索了金属接收屏、水浴、盐水以及甲醇等不同的接收方式对p l a 纤维结晶度 的影响。这些研究结果为静电纺p l a 纤维的研究和开发提供了一定的依据。 1 3 组织工程的概念、特点、意义 “组织工程”是在2 0 世纪8 0 年代提出来的，其后的1 0 多年时间里有了很大的发展，其 研究范围也更加广泛1 3 6 1 。其基本含义是将组织细胞粘附在一种生物相容性良好、并可在人 体内逐步被降解吸收的支架材料上，并提供营养使之扩增，在体外形成细胞生物材料复合 2 浙江理t 大学硕。 ：学位论文 物，然后将这种复合物植入肌体内，在支架材料逐步被人体降解吸收的同时，细胞不断增 殖并分泌基质，最终形成与原来特殊功能和形态相应的组织和器官，从而达到修复创伤和 重建功能的目的。因此，细胞治疗和组织移植现在都被归于组织工程范围中。 细胞外基质是指组织中除细脑以外支持和连接细胞的部分，在除血液以外的几乎所有 组织中都或多或少存在细胞外基质，而以结缔组织中为最多。细胞外基质是由多种生物大 分子组成的网络状结构，主要含有纤维蛋白( 胶原蛋白和弹性蛋白) ，糖蛋白( 微纤素，纤维 部连蛋白，层鼓连蛋白) 和蛋白多糖。作为载体，细脑外基质中还含有各种生长因子、细胞 因子、基质降解酶和其抑制因子、各种离子以及水分。细胞外基质的成分和结构并不是固 定不变的，它随组织的不同和生长发育的不同阶段而不同。 组织工程技术的关键是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体【3 6 】。这一三维空 间为细胞的吸附、生长、繁衍、新陈代谢、新组织形成提供支持 3 6 , 3 7 。作为组织工程细胞 支架的生物材料应具备以下特性 3 8 - 4 0 1 ：良好的细胞亲和性；一定的孔径和互相沟通的三维 孔结构，一定的几何形状；生物降解性，最终被机体代谢或吸收，且支架的降解产物不对 细胞繁殖产生不利的影响，其降解速度与细胞的增殖速度相匹配；一定的柔韧性，使之既 能同机体组织缝合并贴合，又不会对机体组织造成机械损伤等。 组织工程的一个独特的方面是研究细胞与可吸收支架材料以及与组织形成有关的环 境因素( 包括力学负载) 的相互作用，细胞对这些相互作用的反应包括细胞增殖和基质的生 物合成。随着我们得到更多的关于细胞与支架材料相互反应的相关知识，我们能更好地制 备新材料，以便使细胞更特异性地分化，更好地符合组织工程应用的需要。 1 4 静电纺丝技术 纳米纤维主要包括两个概念：是严格意义上的纳米纤维，是指纤维直径小于1 0 0 r i m 的超微细纤维；另一概念是将纳米微粒填充到纤维中，对纤维进行改性，也就是我们通常 意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法：静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝 法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造纳米直径纤维，以及采用直接纺丝或后整理 方法将纳米粉体材料与纤维复合，制备纳米纤维的方法。 静电纺丝这种思路6 0 年前就产生了。2 0 世纪9 0 年代初美国阿克伦大学的r e n e k e r 和他的 同事对这项技术又产生了兴趣【4 卜4 引，然而对静电纺丝的大量实验工作和深入的理论研究却 是近1 0 年中随纳米纤维的开发才完成的j 。当前，静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备 方法之一，作为一种独特的技术为世人所关注，因为它通过调节聚合物和纺丝过程的条件 可以制成直径范围由几微米降低至十几纳米的聚合物纳米纤维。静电纺丝法是聚合物溶液 3 浙江理工大学硕i ：学位论文 或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法。 由于超细纤维的优良性能，人们对其制造方法进行了广泛的研究，但是用传统的纺丝 方法很难纺出直径小于5 0 0n r n 的纤维，而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维，直径最小 可至l n m 。静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同，静电纺丝技术是通过静电力作 为牵引力来制备超细纤维。图1 1 是静电纺丝装置示意图4 5 1 。 图1 1 静电纺丝装置示意图 如图所示，在静电纺丝工艺过程中，将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静 电，从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表 面时，将在表面产生电流。同性电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这 样，当电场力施加于液体的表面时，将产生一个向外的力，对于一个半球形状的液滴，这 个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张 力时，带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大，在毛细管 末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状，这就是t a y l o r 锥。当电场力超 过一个临界值后，排斥的电场力将克服液滴的表面张力形成射流，而在静电纺丝过程中， 液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置 运动的时候，都会出现加速现象，这也导致了射流在电场中的拉伸，最终在接收装置上形 成无纺布状的纳米纤维【4 别。 在静电纺丝装置中，毛细管可以垂直或水平放置，两者不同之处在于液滴的引发机理 不同。毛细管水平放置时要用活塞泵挤压毛细管中流体引发液滴，而毛细管垂直放置时则 可以依靠重力作用或泵两种方式来引发液滴。有时也会以不同的倾斜角度来放置毛细管以 达到控制流体流动特性的目的。静电纺丝和传统的方法明显不同，在传统纺丝中，纤维受 4 到拉力、流变力、重力、惯性力以及空气动力的作用。在静电纺丝中高聚物溶液或熔体则 受到电场力的驱动，其拉仲力来自于所加电场和聚合物喷流中的电荷之间的作用，而传统 纺丝中拉仲力是由纺锤和卷筒产生的。在静电纺丝中，电场是决定纺丝成败的关键因素， 只有在对聚合物溶液或熔体捕加几千至匕百伏的高压静电后。聚合物才能克服表面张力形 成喷射细流，同时在喷射过程中随溶剂蒸发而固化，最终形成纳米纤维，直径一般在几十 纳米至几微米之间。 静电纺丝工艺| 4 1 中，影响聚合物纤维特性的工艺变量主要包括聚合物流体特性和纺丝 工艺参数两个方面。聚合物流体特性主要是聚合物的相对分子质量、相对分子质量分布、 链段结构和聚合物流体( 溶液或熔融体) 的粘性、电导率、表面张力等特性参数。纺丝工艺 参数主要包括静电场强度、毛细管喷丝头与接收板间的距离、聚合物流体的流速、接收板 的运动形式及纺丝环境温度和湿度等工艺参数。 1 5 丝素蛋白及其高聚物共共混丝的研究和在组织工程中的应用情况 图1 2 【4 ”清楚地显示了国外近1 0 年来在静电纺丝方面所取得的研究成果。由图l2 ( a ) 可 以看：n 2 0 0 0 年以前在静电纺丝方面的成果十分有限，而f i 2 0 0 0 年以来，这方面的研究有了 飞速的发展。如图1 2 ( b ) 所显示的，静电纺丝的研究t 要集中在美国，占8 l 。国外对静电 纺丝的研究较国内多得多，研究也较深入和系统。研究的热点主要集中在以下4 个方面：( 1 ) 研究电压、纺丝溶液或熔体的粘度等对纺丝的影响着重分析纺丝的工艺规律。佗1 研究纺 制不同类型约3 0 种聚合物纤维，并分析影响纺丝的因素及纤维的表征。( 3 1 研究分析静电纺 纤维的内部结构及性能测试：纤维的结晶和取向情况。( 4 ) 研究用静电纺丝所得制品的应用。 ab ( a ) 1 9 9 4 - 2 g 0 2 年静l 蚴丝的科技文献致量分布圈；( b ) 有关( a ) 中文献在f i 界上的分布 闰l o 国外近十年静电纺丝的研究j 髭果 与国外相比，目前国内对静电纺丝的研究还较少。国内已经取得的研究成果主要是 浙江理工人学硕士学位论文 中国纺织科学院用静电法得到了纳米级聚丙烯腈纤维膜【4 9 】；东北大学用静电法纺得到了 c 0 3 0 4 纳米纤维5 0 i f s i p v a p t t i 0 2 复合纳米纤维刚；中国科学院广州化学研究所也成功纺得 了乙基氰乙基纤维素纤维i 5 2 1 。此外，用静电法纺制聚丙交酯壳聚糖超细纤维杂化膜和静电 纺丝的力学模型的研究也在进行中。 目前在组织工程中使用的合成高分子材料，它们在降解性等方面都基本上能满足支架 材料的应用，但在生物相容性和细胞粘附能力方面却远不如天然高分子，而支架材料的生 物相容性和细胞粘附能力是至关重要的。丝素蛋白作为一种具有优良生物相容性的天然高 分子材料受到青睐，近年来运用丝素蛋白对一些生物高分子材料进行改性也引起了研究人 员的广泛关注。 c h i a r i n i 等1 2 6 】用s f 改性聚氨酯p u 、p c u 的表面性质，得到二维和三维的可用于组织工 程的支架材料，在体外用作人体细胞的培养基质。实验采用浸渍法将丝蛋白涂抹于p u 、p c u 基质上，然后通过醇处理使其发生构象转变，变成固相，来固定蛋白涂层。细胞生长研究 表明：用s f 改性后的p u 、p c u 对于啮齿动物的细胞吸附能力和增殖能力都有一定的改善。 c a ik y 等酬用化学和物理两种方法将s f 对聚- d ，l 乳酸( p d l l a ) 进行改性，并对改性 前后材料的细胞培养情况进行观察。测试结果表明，改性后材料的亲水性提高，生物相容 性得到改善，吸附在改性后的膜上的细胞数量比没有改性的更多，而且物理改性的p d l l a 膜上细胞的数量要比化学改性的膜上的多，这说明用物理方法改性比用化学方法改性更有 利于细胞在材料上的吸附。 于同隐等【列用s f 对聚己内酯( p c l ) 和聚羟基烷酸酯( p h a ) 进行改性。初步的实验结果表 明，改性后的p c l 和p h a 的亲水性都有明显改善，复合支架细胞数量扩增显著，更有利于 人胚肺成纤维细胞( h f l 一1 ) 的生长繁殖；并用不同浓度的丝蛋白溶液对具有不同孔径的多孔 支架进行改性，细胞培养结果显示，虽然s f 的改性更有利于细胞的吸附和繁殖，但高浓度 的蛋白吸附会使得多孔支架的孔隙率下降，从而影响细胞在其上的扩展。因此，用s f 对基 质进行改性时，浓度不宜过高。 田保中等 5 6 , 5 7 1 将c a c 0 3 加入丝素蛋白溶液中制成了一种新型丝素膜，研究了c a c 0 3 的 加入对丝素膜热性质和膜中丝素蛋白分子聚集态结构的影响。结果发现c a c 0 3 的加入量对 丝素膜热性质有比较明显的影响，并且c a c 0 3 在丝素膜中未起增塑作用，可能引起膜中丝 素蛋白的聚集态结构发生了某些变化。这种尝试提供了一些新的研究方向。 纳米级静电纺丝素纤维的比表面积很大，作为高性能生物材料已经被用于血管移植和 伤e l 修复。近年来这种纤维在组织工程领域中的研究也有一些进展，j i nh y o u