您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
有序纳米纤维的制备在各向异性材料中应用.pdf58页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
文档加载中...广告还剩秒
需要金币：200 &&
优秀硕士毕业论文，完美PDF格式，可在线免费浏览全文和下载,支持复制编辑,可为大学生本专业本院系本科专科大专和研究生学士硕士相关类学生提供毕业论文范文范例指导,也可为要代写发表职称论文提供参考！！！
你可能关注的文档：
··········
··········
东南大学 硕士学位论文
有序纳米纤维的制备及其在各向异性材料中的应用 姓名：邵晔 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：顾忠泽 座机电话号码 有序纳米纤维的制备及其在各向异性材料中的应用 摘 要 静电纺丝是一种简便的，借助于高压静电作用，以聚合物溶液或熔体为原料来制备高聚物纤维的方法。
由它制备的纤维直径范围在几十纳米至几微米之间，具有比表面积高，制备方法简单，材料及形貌可控、
取料广泛等优点，因此在能源存贮、卫生保健、生物技术以及防护安全等领域有许多用途。电纺有序纳米
纤维作为电纺纳米纤维的重要组成部分，近几年来得到了广泛关注，并已有了较大的发展。有序纳米纤维
是通过改变电纺过程中的收集装置得到的。一般是借助库仑力、滚筒切向力或二者合力作用，使聚合物纤
维在接收装置上得以有序排列。然而迄今为止，现有的有序纤维电纺技术仍无法制备出大面积，较大厚度
的有序纤维膜，难以实现工业化应用。 本论文首先对国内外电纺制备有序纳米纤维的研究进行了系统分析，通过改进现有实验室有序电纺纤
维设备，实现了高度有序电纺纳米纤维的制备。在此基础上研究了有序纳米纤维膜在各向异性光学及磁性
材料中的应用。本论文的主要研究工作为： 1 改进电纺有序纤维的收集装置，提高了定向电纺纤维的有序度。结合增加平行电极及纤维挡板的
方法，控制电场力，降低纤维射流方向的影响。通过在高度有序电纺纤维膜中引入有机染料，实现基于有
序电纺纤维表面形貌的有机偏光片制备。并对影响偏振效率的因素如，掺杂层数，纤维直径进行了讨论。 2 通过一步混合电纺法制备有机染料偏光片，
正在加载中，请稍后...第28届北京青少年科技创新大赛
&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&医药与健康学
PLLA/HA纳米纤维引导组织再生膜的制备及相关性能研究
董翔 任贲博
指导教师：杨小平 刚永运
&&&&本文通过研究不同溶剂体系对静电纺丝工艺稳定性以及纳米纤维形貌的影响，优化了PLLA/HA纳米纤维膜的制备工艺，获得纤维平均直径为413nm、分布于200~800nm之间的聚乳酸复合羟基磷灰石（PLLA/HA）纳米纤维膜材料，通过高速滚筒收集方式获得了纤维平行排列的PLLA/HA膜，其平均拉伸强度达到了65.2MPa，拉伸模量为573.7MPa。在PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料上进行的人牙周膜细胞复合培养的对比实验结果证明，PLLA/HA纳米纤维膜与人牙周膜细胞具有很好的生物相容性，能更好的支持细胞粘附和增殖。另外，制备PLLA/HA纳米纤维膜的原料来源丰富、价格低廉，制备工艺简单，材料成本较低。PLLA/HA纳米纤维膜有望作为引导组织再生材料在引导牙周组织再生中发挥作用，替代昂贵的进口产品，造福更多的口腔疾病患者。
关键词：静电纺丝纳米纤维引导组织再生膜聚乳酸羟基磷灰石
第一部分前言
&&&&牙周病是指发生在牙齿支撑组织上的疾病，它会造成牙周组织的破坏、牙槽骨损失，最终导致牙齿的丧失。引导组织再生术是口腔临床广泛使用的一种治疗骨缺损和获得牙周组织再生的方法（图1. 1），它以膜材料为物理屏障，将引导再生膜置于骨缺损和种植体的上方，使有再生能力、迁移速率较慢的骨细胞优先进入骨缺损和种植体区，使其优势生长，同时阻止干扰骨形成但迁移速率较快的结缔组织细胞和上皮细胞的进入。组织学研究和临床研究表明，引导组织再生膜在促进骨缺损修复、牙槽嵴增高、促进牙种植体骨整合及牙周组织再生中取得了良好的治疗效果[1]。
图1. 1引导组织再生术示意图
&&&&静电纺丝是一种简易的制备纳米纤维的技术，所制得的纤维膜材料与细胞外基质形态结构相近，具有良好的通透性和极大的比表面积，有利于细胞的粘附、分化和增殖，能为组织功能性再生创造适宜的环境。通过静电纺丝技术制备的胶原、聚乳酸类纳米纤维材料已被广泛应用于构建血管、皮肤、骨组织工程和创伤辅料等等。与临床使用的引导组织再生膜相比，通过静电纺丝技术制备的胶原、明胶或聚乳酸-羟基乙酸类的纳米纤维膜具有生物相容性好、无需第二次手术取出以及三维网状支架结构可以引导细胞生长等优点，是一种理想的引导组织再生膜材料。因此，采用静电纺丝法研制引导组织再生膜已成为目前研究热点。近年来，Fujihara K.等通过静电纺丝法制备出复合纳米纤维膜，其外层采用聚己内酯纳米纤维、内层为聚己内酯和碳酸钙杂化纳米纤维组成的多层复合膜材料；Kim H.W.等采用原位生成胶原复合纳米羟基磷灰石材料并由静电纺丝制备梯度杂化纳米纤维膜用于引导硬、软组织再生，预示了引导组织再生膜材料结构与功能复合化的发展趋势[2]。
&&&&本研究的目的在于优化PLLA/HA纳米纤维的静电纺丝制备工艺，获得复合纳米HA的PLLA功能纳米纤维膜，并制备纤维平行排列的膜材料以提高材料的力学强度。为将PLLA/HA纳米纤维膜应用于引导组织再生，还进一步开展了材料生物相容性的相关研究。而实验的难点在于溶剂体系的选择以实现HA在PLLA纳米纤维上均匀分散，滚筒转速的确定以获得平行度高的纳米纤维膜，以及采用体外细胞培养的方法来评价材料的生物相容性。
第二部分静电纺丝法制备PLLA/HA纳米纤维膜
2. 1实验设备与试剂
&&&&（1）原料与试剂
表2. 1实验药品与试剂一览表
聚左旋聚乳酸
1,4-二氧六环
氮,氮-二甲基甲酰胺
医用级，Mw=10万
山东医疗器械研究所
北京世纪红星化工有限责任公司
上海化学试剂有限公司
北京世纪红星化工有限责任公司
表2. 2实验仪器一览表
医用注射泵
直流高压静电发生器
高速滚筒接收装置
扫描电子显微镜
万能材料试验机
电热鼓风干燥箱
恒温磁力搅拌器
精密电子厚度仪
超声分散仪
30 kV、3 mA
0~7000 rpm
JSM-5600 LV
DGX-9073 B
Top，Japan
天津东文高压电源厂
Hitachi，Japan
INSTRON，Cambridge
上海福玛实验设备有限公司
SHIMADZU，Japan
常州国华仪器有限公司
广州标际包装有限公司
昆山市超声仪器有限公司
2. 2静电纺丝法制备PLLA/HA纳米纤维膜
（1）静电纺丝制备纳米纤维技术的基本原理
&&&&静电纺丝技术诞生于上世纪30年代，其仪器主要由高电压源、纺丝泵、喷丝头和收集器等组件构成（图2. 1）。静电纺丝不同于常规的纺丝技术，它是基于在几千至几万伏的高压静电场中导电流体产生高速喷射的原理发展而来，由此法制得的纤维比传统纺丝方法细得多，纤维直径可控制在几十纳米到几个微米不等。
图2. 1静电纺丝原理示意图
（2）PLLA纺丝液和PLLA/HA纺丝液的配制
&&&&按配比将PLLA、纳米HA粒子置于二氯甲烷（DCM）、1,4-二氧六环（Dioxane）和氮,氮-二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶剂中，通过磁力搅拌和超声分散配制成均匀的纺丝液。其中，PLLA的含量固定为72 mg/mL，PLLA与纳米HA质量比为9：1，双溶剂体系中DCM和DMF的体积比为9: 1，三溶剂体系中DCM，Dioxane和DMF的体积比为8: 1: 1[3]。
（3）静电纺丝法制备PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜
&&&&将纺丝液注入20 mL医用注射器，通过注射泵来控制流速，设定为0.8 mL/h；高压直流发生器与喷丝头相连，设定为10 kV；采用细质铜网或高速转筒与负极相连作为纤维收集装置，距离喷丝头之间的距离设定为15 cm。将所制得的纳米纤维膜材料置于真空烘箱中40 ℃条件下烘干两周，以除去残留在纳米纤维上的有机溶剂。
2. 3纳米纤维膜的性能测试与表征
（1）电子扫描纤维镜（SEM）观察膜材料的微观形貌
&&&&对所制备的纳米纤维膜喷铂金后进行表面形态分析，观察其表面微观形貌，采用Image J软件对扫描电镜照片进行分析纤维直径大小和分布。
（此部分操作是在北京化工大学测试中心施用希老师指导协助下完成的。）
（2）纤维膜材料的拉伸性能测试
&&&&将纳米纤维膜裁剪成长20 mm、宽5 mm的长方形试样，在忽略样品的孔隙率的前提下，在每个样品上5个不同位置处使用精密电子厚度仪测量其厚度，取平均值。然后于室温条件（25 ℃）下，在INSTRON-1121型万能材料实验机上按照GB13022-91标准测试PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料的拉伸强度（δf）和拉伸模量（Ef），加载速度为20 mm/min，每组试样不低于10个。通过对比分析研究不同组成及不同结构对纳米纤维膜力学性能的影响。
2. 4人牙周膜细胞与PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料的复合培养
&&&&此部分实验委托北京大学医学部梅芳老师完成，用于验证PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料的生物学性能，其具体操作如下：
&&&&将PLLA和PLLA/HA纤维膜材料固定在24孔板内，经过Co60照射消毒，用200 μL培养液浸泡2h。取体外培养第4代人牙周膜细胞（hPDLCs），0.25%胰蛋白酶消化后，制成单细胞悬液（5×105 /mL），均匀接种于膜材料上，每块材料上的加入量为200 μL。4h后待细胞基本贴壁，再缓慢补足培养液至2 mL。hPDLCs与PLLA和PLLA/HA膜材料复合培养48h后进行扫描电子显微镜观察。其具体步骤为：① 4 ℃下于3％戊二醛水溶液中固定2h；②转入0.18 M蔗糖冲洗液中于4 ℃下浸泡2h；③ 4 ℃下用1％锇酸固定2h；④在4 ℃下，采用30％、50％、70％和90％的乙醇分别脱水15min，再采用100％乙醇于室温条件下脱水3次，每次10min；⑤在室温条件下采用乙酸异戊酯置换20min；⑥将试样于二氧化碳临界点干燥后喷金；⑦于JEOL JSM-5600LV扫描电子显微镜下进行观察。
第三部分结果与讨论
3. 1 不同溶剂体系对PLLA和PLLA/HA静电纺丝工艺及纤维微观形貌的影响
&&&&通过图像软件对扫描电镜照片分析结果表明，在纺丝液中引入10％体积比的氮,氮-二甲基甲酰胺后，PLLA纳米纤维的直径明显下降，平均直径由789nm降低到366 nm，分布区间从186~2263 nm变为195~839nm，且纳米纤维表面变得光滑无孔；而PLLA/HA纳米纤维平均直径也从1066nm降低至413nm，分布区间由555～1708 nm变为211～785nm（表3.3），且纳米HA粒子在PLLA纳米纤维上分布更为均匀。
&&&&在溶液法静电纺丝技术中，由于溶剂的挥发性（沸点和饱和蒸气压）不同，不同的溶剂对静电纺丝工艺稳定性以及纳米纤维的微观形貌存在着很大的影响。单独以二氯甲烷（沸点40℃）为溶剂时，绝大部分DCM在纤维到达收集器之前都已挥发掉，因此在纳米纤维表面留下了大量孔洞（图3. 1 b, f）。然而DCM的快速挥发极易造成喷丝口堵塞，严重影响了静电纺丝的连续性，造成所获得的纳米纤维粗细不均匀，直径分布很宽（图3. 1 a）。因此，单独使用DCM很难获得纤维直径小且分布均匀的纳米纤维。当采用二氯甲烷和氮,氮-二甲基甲酰胺（沸点156℃）双溶剂体系时，纳米纤维到达接收器后DMF依然存在，DMF相对缓慢的挥发速率能够形成光滑的纤维表面（图3.1 d），所得的纤维明显更细更均匀（表3. 3）。因此在纺丝液中加入一定量的DMF，可大大提高静电纺丝过程的稳定性，制备工艺的连续性得到改善，纤维的直径也明显下降（图3-1 c, d）。1,4-二氧六环（沸点101.4℃）在纺丝液中主要功能为使纳米羟基磷灰石在PLLA纺丝液中均匀分散，而Dioxane会干扰纳米纤维成型，在相同PLLA浓度的条件下收集到的纤维直径较大，因此，Dioxane在能够发挥其分散功能的前提下用量越少越好。在上述三种溶剂中，DMF由于其难挥发性而在纳米纤维膜材料里的残留最大，将对细胞、组织产生一定的毒性作用。而且纤维内部的DMF很难通过水洗、真空烘干以及低温冷冻干燥等传统方法除去，这会对组织再生带来不可预料的问题。
图3. 1PLLA及PLLA/HA纳米纤维的扫描电镜照片
其中：(a), (b)为PLLA-DCM体系；(c), (d)为PLLA-DCM/DMF体系；
(e), (f)为PLLA/HA-DCM/Dioxane体系；(g), (h)为PLLA/HA-DCM/ Dioxane/DMF体系
图3. 2PLLA及PLLA/HA纳米纤维直径分布分析图
其中：(a)为PLLA-DCM体系；(b)为PLLA-DCM/DMF体系；
(c)为PLLA/HA-DCM/Dioxane体系; (d)为PLLA/HA-DCM/Dioxane/DMF体系
表3. 3PLLA及PLLA/HA纳米纤维的直径分析
DCM/Dioxane
DCM/Dioxane/DMF
平均直径（nm）
分布区间（nm）
3. 2 接收速率对PLLA/HA纳米纤维膜材料平行排列程度的影响
&&&&在高压静电场的作用下，纳米纤维从喷丝口沿螺旋线方向喷出、固化成型到收集器整个过程的时间非常短，因此用高速转筒收集才能得到定向排列的纳米纤维。本研究通过调整滚筒的转速来控制滚筒表面的线速度（8，10和12 m/s），以研究接收速率对纤维平行程度的影响。对比不同转速下收集的PLLA/HA纳米纤维SEM照片结果可知，在较低转速（图3. 4 b）和过高转速（图3. 4 d）条件下都不能获得定向排列很好的纳米纤维，只有选择纳米纤维成型速率与接收速率相匹配的情况下（图3. 4 c），才可以获得平行排列程度较高的纳米纤维。因此，只有在10 m/s的接收速率条件下，才能收集到平行排列较好的PLLA/HA纳米纤维。
图3. 4不同排列微观结构的PLLA/HA纳米纤维扫描电镜照片
其中：(a)为由铜网收集；高速滚筒线速率分别为：(b)8 m/s; (c)10 m/s; (d)12 m/s
3. 3 不同的纤维排列结构对纳米纤维膜材料抗拉力学性能的影响
&&&&如表3. 5所示，在PLLA纳米纤维材料中复合了10%的纳米HA粒子后，无纺纳米纤维膜材料的拉伸强度由3.2MPa上升到3.3MPa，变化不大；而无纺纤维膜材料的拉伸模量由44.0MPa降至26.2MPa，断裂伸长率相应的由196.6%降低至101.4%。无纺纤维材料内部纤维呈无规排列，纤维之间主要靠静电作用吸附在一起，在受到外力牵伸作用时，主要由纤维间的缠结力来承载，因此引入纳米HA未能改善无纺纳米纤维膜的力学强度。而纳米HA在PLLA纳米纤维上聚集，在承受牵伸外力时则成为纤维上的缺陷而首先遭到破坏，因而造成无纺纳米纤维膜材料拉伸模量和断裂伸长率的大幅下降。
&&&&材料内部的微观平行结构对纤维膜材料的拉伸性能有更为明显的影响。具有一定平行排列结构的纳米纤维膜材料的力学拉伸性能要明显优于无纺纤维膜材料，在平行方向上能够承载更高的应力，纤维膜的拉伸强度均超过了50MPa，拉伸模量分别达到了291.0MPa和573.7 MPa，断裂伸长率则相应的明显降低。对比不含纳米HA与含纳米HA的平行纳米纤维膜力学性能可知，在平行纳米纤维膜中引入纳米HA粒子，能够进一步提高材料的拉伸强度和拉伸模量，使材料能够承载更高的外力。
表3. 5PLLA和PLLA/HA无纺纤维膜材料与平行纤维膜材料的力学性能
PLLA无纺纳米纤维膜
PLLA平行纳米纤维膜
PLLA/HA无纺纳米纤维膜
PLLA/HA平行纳米纤维膜
3. 4人牙周膜细胞在PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料上复合培养的情况
&&&&牙周组织主要包含来源于外胚层的上皮组织和来源于中胚层的结缔组织，牙周膜细胞(hPDLCs)一般指来源于中胚层的成纤维细胞，它是牙周组织中的重要细胞，研究证明其具有一定的分化潜能，在牙周膜细胞的再生过程中起着重要的作用。
&&&&人牙周膜细胞在PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料上生长的电子扫描显微镜结果如图3.6所示，复合培养48小时后hPDLCs能够在PLLA和PLLA/HA纳米纤维膜材料上贴附、生长和增殖。hPDLCs通过伸出突起抓住并包绕住纳米纤维，细胞逐渐由球形伸展为扁平，细胞沿纤维方向生长，也有细胞跨越多根纤维生长，细胞突起相接，并可见有部分细胞向纤维间隙的深处迁移、生长，细胞生长状态良好，细胞表面有明显可见的分泌物颗粒形成。
&&&&细胞在材料上体外复合培养的结果表明，hPDLCs纳米纤维膜上能够良好的贴附、生长和增殖，从而证明了该生物材料有良好的细胞相容性，对细胞无毒性和抑制作用，有利于细胞生长。电镜照片中细胞表面出现的分泌颗粒表明，在纳米纤维膜上复合培养的细胞能够行使一定的生物功能。与PLLA纳米纤维膜材料对比可以看出，hPDLCs在PLLA/HA纳米纤维膜材料上的生长明显优于前者，PLLA/HA纳米纤维膜材料更有利于细胞的生长。PLLA纤维上集结的纳米HA增加了材料的粗糙度，更适宜hPDLCs的粘附及生长，纳米HA同时对hPDLCs的生长具有一定的引导作用[4]。纳米纤维膜材料复合细胞培养结果表明，PLLA/HA纳米纤维膜材料在引导组织再生和引导骨组织再生方面有潜在的应用前景。
图3. 6hPDLCs在PLLA（a）和PLLA/HA（b）纳米纤维膜材料上复合培养扫描电镜照片
第四部分结论及应用前景
本研究得出优化的PLLA/HA纳米纤维的静电纺丝制备工艺：PLLA与HA以 9：1的比例溶解于混合溶剂（DCM：Dioxane：DMF = 8: 1: 1）中配成纺丝液，其中PLLA浓度为72mg/mL。在电压10kV、流速0.8 mL/h以及接收距离为15 cm的条件下，可获得表面光滑、HA在纤维上均匀分散、直径分布在200~800nm之间（平均直径为413nm）的PLLA/HA纳米纤维。
当滚筒的转速为10m/s时，能够收集到高度平行排列的PLLA/HA纳米纤维。
PLLA平行纳米纤维膜的平均拉伸强度和拉伸模量分别为55.4 MPa和291 MPa，明显优于PLLA无纺纳米纤维膜（分别为3.2 MPa和4.4 MPa），说明在沿纤维的平行方向上能够承载更高的应力。且纳米HA粒子的引入能进一步改善平行纤维膜的力学性能，其平均拉伸强度达到了65.2MPa，拉伸模量为573.7MPa。
hPDLCs在和PLLA/HA的纳米纤维膜材料上复合培养的情况表明，在两种纳米纤维膜材料上hPDLCs均能够良好的贴附、生长和增殖，但PLLA/HA纳米纤维膜材料较PLLA膜材料更有利于hPDLCs的生长。
已有动物实验表明，PLLA/HA纳米纤维膜材料具有良好的引导成骨功能[4]。此外，制备PLLA/HA纳米纤维膜的原料来源丰富、价格低廉，制备工艺简单，材料成本较低。因此，PLLA/HA纳米纤维膜有望作为引导组织再生材料在引导牙周组织再生中发挥作用，替代昂贵的进口产品，造福更多的口腔疾病患者。
第五部分参考文献
马莲主译. 牙种植技术- 艺术与科学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2004.
张慎, 杨小平, 王林, 邓旭亮. 静电纺丝法制备纳米纤维引导组织再生膜[J]. 2007年全国高分子学术报告会, E-P-253.
Gang Sui, Xiaoping Yang, et al. Poly-l-lactic acid/hydroxyapatite hybrid membrane for bone tissue regeneration [J]. J Biomed Mater Res Part A, ):445-454.
Fang Mei, Jinsheng Zhong, Xiaoping Yang, et al. Improved biological characteristics of Poly(l-lactic acid) electrospun membrane by incorporation of multiwalled carbon nano- tubes/hydroxyapatite Nanoparticles [J]. Biomacromolecules, 9-2735
第六部分致谢
&&&&首先，要感谢北京大学的邓旭亮研究员和北京化工大学的杨小平教授以及北师大实验中学刚永运老师。在整个课外科技活动中，无论是课题研究还是日常生活，我们都是在几位导师的关怀和教育下才能不断成长。在课题的研究过程中，是他们提供给了我良好的实验条件和大力的支持，从题目的选择、试验方案的设计、到具体步骤的实施以及论文撰写的指导，无不倾注了两位老师大量的心血。老师们敏锐开阔的科研思路、严谨求实的治学态度是我终生学习的榜样。
&&&&感谢北京大学医学部的梅芳老师和钟金晟老师，以及医学部曾经帮助过我们的所有老师，他们在课题的设计、实施和完成中提出了大量宝贵的意见和指导，在实验过程中给予了我们无私的帮助和热情的支持。
&&&&衷心感谢与我们一同工作在北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室的各位师兄师姐：张慎、刘海洋、周学刚、龙新云、张静、张歆等研究生同学在日常学习生活中给与我们的关心与帮助。我们在研究过程中遇到的许多困难都是在他们的帮助下解决的。
&&&&我们还要感谢我们的母校为我提供这个与科研工作者们近距离接触和向他们学习的机会，感谢所有帮助我们、支持我们的老师和同学。
&&&&最后我们想感谢我们的家长，谢谢您们对我们的理解与鼓励，我们的研究工作得益于您们的支持。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&电话：010-& &E-mail:cx33@&&&&&&&&&&&&&一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法
专利名称一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法
技术领域本发明属于天然生物高分子材料技术领域，涉及海藻酸钠纳米纤维膜的制备方法。
背景技术海藻酸(Sodium Alginate, SA)是存在于褐藻类中的天然高分子，是从褐藻或细 菌中提取出的天然多糖，具备良好的生物相容性。海藻酸是由古洛糖醛酸(记为G段)与 其立体异构体甘露糖醛酸(记为M段)两种结构单元构成的，这两种结构单元以三种方式 (MM段、GG段和MG段)通过α _1，4糖苷键链接，从而形成一种无支链的线性嵌段共聚物。 由于SA具有良好的生物相容性，无毒，其在药物释放、组织工程上有广泛的应用前景。海藻 酸很容易与一些二价阳离子结合，形成凝胶。据文献报道(Biomaterials 21 ； Macromolecules 53)，SA与二价离子形成凝胶时，是由G段与二价阳离子(通常 Ca2+)螯合形成物理交联点。与一般的离散的交联点不同，SA具有较长的离子连结段，因而 表现出独有的机械性能(如低拉伸强度下表现出高弹性)。纳米纤维由于其具有非常高的 体积-表面比，在组织工程、药物释放等领域具有较高的利用价值。静电纺丝技术是制备纳 米纤维简单而有效的方法。它是一种使带电荷的聚合物溶液或熔体射流在静电场中拉伸， 制备聚合物超细纤维方法。在外加电场达到一定临界值时，射流就会从喷丝口喷射而出，同 时溶剂挥发，射流固化，形成超细纤维。溶液的性质(如表面张力、电导率、粘度等)对其可 纺性有着至关重要的影响。据文献报道，纯SA由于其分子链呈刚性，在溶液中伸展，缺少必 要的链缠结作用，而难以直接通过静电纺丝技术得到其纳米纤维，但是可以通过加入其他 可纺性好的水溶性高分子(Polymer, 6-8031 ；Polymer 6-4934 ； Journal of Applied Polymer Science，， ；公开号为 CN 的中 国专利)或改性剂(如 Biomacromolecules 62-1365 ；公开号为 CN A 的中国专利)，而得到其纳米纤维。而要获得纯SA纳米纤维，通常采用先将SA交联，在洗去 另一组分的方法得到。此方法需要经过交联、洗涤、干燥等繁复的后处理过程，且洗去另一 组分后所得到的纤维表面粗糙，纤维强度降低。海藻酸钠是一种天然生物高分子，难溶于有机溶剂。由于其分子内的氢键以及分 子链刚性且含有羧酸基团，使其分子链在其水溶液中呈伸展状态，分子间缺少足够的缠结， 因而难以利用静电纺丝技术制备其纳米纤维。本发明通过向SA水溶液中加入极少量的 Ca2+，形成少量的物理交联点，增加分子间相互作用力的方法，实现制备纯的SA纳米纤维的 目的。
针对目前获得纯SA纳米纤维，需要经过交联、洗涤、干燥等繁复的后处理过程。本 发明的目的在于提供一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法。该方法可直接获得轻度交联的SA 纳米纤维，且纺丝过程中溶剂可充分挥发。
本发明的原理和方法SA在其水溶液中分子链伸展，分子间缠结点少，分子间作 用力弱，因而难以利用电纺丝技术制备其纳米纤维。本发明通过向其水溶液中加入极少量 的二价阳离子，形成少量的物理交联点，增加SA分子间作用力。由于交联点数目少，它可以 增加溶体强度，同时未形成凝胶，不限制溶体的流动性。成功地解决了 SA水溶液电纺丝过 程中喷滴而不形成射流的问题。为了调节和控制SA纳米纤维的直径及其分布，本发明通过 向纺丝溶液中引入小分子易挥发的非溶剂来调节溶液的表面张力以及电导率，以达到调节 纤维直径及其分布的目的。本发明是提供一种纯海藻酸钠纳米纤维的制备方法，其具体步骤如下1)海藻酸钠纺丝溶液的配制将海藻酸钠粉末分散于20wt% 40wt%的乙醇溶 液中，加水调节其浓度为^t % 6wt % ；向其中滴加交联剂，其中交联剂的含量为海藻酸钠 的Iwt % 3wt %，滴加时搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出后，加入IOwt % 20wt %的N， N-二甲基甲酰胺DMF的水溶液，其中DMF水溶液与乙醇溶液质量比为0. 5 2，边滴加边搅 拌，滴加完毕后静置，待气泡溢出后得到浓度为0. 5 2wt%的海藻酸钠纺丝溶液；2)静电纺丝步骤将步骤1)配制好的纺丝溶液加入注射器中，调节电压为10
25kV，喷头至接收器的距离为5 25cm，流量为0. 1 lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装 置上得到海藻酸钠的纳米纤维。步骤1)中所用的交联剂为CaCl2或MgCl2溶液，浓度为0. 05wt% 0. Iwt %。本发明方法的优点1)本发明直接获得轻度交联的纯SA纳米纤维，无需经过交联，再洗去另一组分， 再干燥等后处理工作，而得到纯的SA纳米纤维；2)本发明可以通过调节易挥发小分子(如乙醇、DMF等)的含量，调节纺丝溶液 的表面张力和电导率，以达到控制纤维直径及其分布的目的；3)本发明方法得到的纳米纤维，纤维直径细小QOOnm 500nm)。
图1是本发明使用的装置示意图；图2是本发明按实施例1制备所得纤维的扫描电镜图片；图3是本发明按实施例2所得纤维的扫描电镜图；图4是本发明按实施例2所得纤维端面扫描电镜图；图5是本发明按实施例3所得纤维扫描电镜图。
具体实施例方式实施例11)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液； 2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %的乙醇溶液中，SA浓度为%，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 2wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为1. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为1. 5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，喷头至 接收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作 生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。由扫描电镜图可以看出，纤维直径在500纳米左 右，分布均勻(附图1)实施例21)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %的乙醇溶液中，SA浓度为6wt %，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 72wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为2wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，喷头至接 收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作生物 组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容性， 可完全生物降解，且降解产物无毒害。由扫描电镜图可以看出，(附图2、；3)纤维直径分布 均勻，直径略微增大。实施例31)配制浓度为20wt %的乙醇的水溶液，配制IOwt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到20wt %的乙醇溶液中，SA浓度为%，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 2wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入IOwt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为1. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为1. 5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，喷头至 接收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作 生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。由扫描电镜图可以看出，(附图5)可以观察到， DMF和乙醇用量的减少，电导率增加，纤维直径明显减小。实施例41)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %的乙醇溶液中，SA浓度为5wt %，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. 05wt% CaCljjC溶液至CaCl2含量为SA的lwt%，$ 滴加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 2wt % ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰胺溶液和乙醇溶液的质量比为1，加水调节SA的浓度为作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，喷头至接 收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作生物 组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容性， 可完全生物降解，且降解产物无毒害。实施例51)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %溶液中，SA浓度为5wt %，搅拌至SA完全溶 解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 5wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为1，加水调节SA的浓度为0. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为0.5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，，喷头 至接收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作 生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。实施例61)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液； 2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %溶液中，SA浓度为%，搅拌至SA完全溶 解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的3wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为1.8Wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为1. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为1. 5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为25kV，喷头至 接收器的距离为10cm，流量为lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作 生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。实施例71)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %的乙醇溶液中，SA浓度为%，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 2wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为1. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为1. 5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为10kV，喷头至 接收器的距离为5cm，流量为0. 5ml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。实施例81)配制浓度为40wt %的乙醇的水溶液，配制20wt % DMF的水溶液；2)将海藻酸钠SA粉末分散到40wt %的乙醇溶液中，SA浓度为%，搅拌至SA 完全溶解，静置，待气泡逸出；3)向上述SA溶液中加入0. Iwt % CaCl2水溶液至CaCl2含量为SA的2wt%，边滴 加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出，此时SA溶液浓度为2. 2wt% ；4)向SA纺丝溶液中加入20wt% N, N- 二甲基甲酰胺的水溶液，N, N- 二甲基甲酰 胺溶液和乙醇溶液的质量比为0. 5，加水调节SA的浓度为1. 5wt%作为纺丝溶液；5)将配制好的浓度为1. 5wt%纺丝溶液加入注射器中，调节电压为15kV，喷头至 接收器的距离为15cm，流量为0. lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上得到可直接用作 生物组织工程材料、伤口修复材料等方面的纯SA纳米纤维膜，该纤维具有良好的生物相容 性，可完全生物降解，且降解产物无毒害。
1.一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法，其特征在于包含以下步骤1)海藻酸钠纺丝溶液的配制将海藻酸钠粉末分散于20wt% 40wt%的乙醇溶液中， 加水调节其浓度为 6wt% ；向其中滴加交联剂，其中交联剂的含量为海藻酸钠的 3wt%，滴加时搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出后，加入10wt% 20wt%的N， N-二甲基甲酰胺DMF的水溶液，其中DMF水溶液与乙醇溶液质量比为0. 5 2，边滴加边搅 拌，滴加完毕后静置，待气泡溢出后得到浓度为0. 5 2wt%的海藻酸钠纺丝溶液；2)静电纺丝步骤将步骤1)配制好的纺丝溶液加入注射器中，调节电压为10 25kV， 喷头至接收器的距离为5 25cm，流量为0. 1 lml/h ；开启纺丝装置，即可在收集装置上 得到海藻酸钠的纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)中所用的交联剂为CaCl2或MgCl2 溶液，浓度为0. 05wt% 0. Iwt%。
一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法属于天然生物高分子材料领域。本发明步骤将海藻酸钠粉末分散于乙醇溶液中，加水调节其浓度为4wt％～6wt％；向其中滴加交联剂，其中交联剂的含量为海藻酸钠的1wt％～3wt％，滴加时搅拌，滴加完毕后静置，待气泡逸出后，加入N，N-二甲基甲酰胺的水溶液，边滴加边搅拌，滴加完毕后静置，待气泡溢出后得到浓度为0.5～2wt％的海藻酸钠纺丝溶液；将纺丝溶液加入注射器中，调节电压为10～25kV，喷头至接收器的距离为5～25cm，流量为0.1～1ml/h；开启纺丝装置。针对目前获得纯SA纳米纤维需要经过交联、洗涤、干燥等繁复的后处理过程。该方法可直接获得轻度交联的SA纳米纤维，且纺丝过程中溶剂可充分挥发。
文档编号D01D1/02GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者方大为, 畅文凯, 聂俊, 马贵平 申请人:北京化工大学}