纳米蚕丝纤维改性聚乳酸薄膜及性能研究

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随着环境问题日益严峻,可循环可生物降解材料成为人们研究的热点。研究人员在大量的可生物降解材料中,发现聚乳酸(PLA)是一种无污染无毒、可自行生物降解的环境友好型高分子材料。PLA是由原料乳酸聚合而成,乳酸主要来自淀粉。因其良好的生物降解性,PLA制成的产品经过堆肥、微生物降解,最终可完全降解为对环境无害的CO2和H2O,减少了石油材料的使用,有利于生态环境的可持续发展;也被应用在药物释放、生物涂层以及组织工程等生物医药领域。不过PLA也存在亲水性较差的问题,使得它在细胞相容性方面表现不好。为了改进其不足,进一步提升其性能,考虑用亲水的天然纤维对其进行改性,扩展PLA的用途,以满足应用需求。蚕丝作为天然纤维,具有较好的亲水性、生物相容性、无毒无污染、缓释性和抗菌抑菌性等,在各个领域应用广泛。蚕丝内部包含特殊超微结构和多级微原纤维,通过物理或者化学处理方式,可将蚕丝分离成多级尺寸的纳米丝用来改性材料,以适应人体组织。因此本文考虑提取蚕丝内部的多级结构纳米丝以改性PLA材料,以扩展在生物医药的领域。本文通过静电纺丝制备PLA纤维膜,研究了不同质量浓度的纺丝液对纤维膜形态以及力学性能的影响。然后通过氧化剂次氯酸钠对利用甲酸预处理过的蚕丝进行分离,再经过离心、超声、透析的等后处理方法,得到了不同尺寸级的纳米丝,采用纳米粒度仪、紫外光谱法(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱法(FTIR)和x射线衍射法(XRD),研究了氧化剂用量对蚕丝尺寸及结构的影响。最后通过真空抽滤装置将制备的纳米蚕丝植入在PLA的表面,得到纳米蚕丝与PLA的复合材料,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、万能试验机、接触角测试仪等,研究了复合材料的表面形貌、接触角、力学性能和细胞相容性等。主要结果如下:(1)通过简易静电纺丝机制备了不同质量浓度的PLA纤维膜。通过红外发现PLA在制备和清洗过程去除残留溶剂,纤维膜结构与PLA原样的结构相同;接触角测试说明了PLA的质量浓度对水油性影响不大;SEM研究表明,当PLA的质量浓度达到15%时,PLA薄膜的表面形貌最佳,单丝粗细均匀,表面光滑;同时PLA质量浓度为15%时,薄膜的拉伸性强度达到最大值6MPa左右。(2)通过氧化剂次氯酸钠对甲酸培育的脱胶蚕丝进行氧化,研究了不同量的氧化剂对蚕丝分离成纳米蚕丝尺寸及结构的影响。从红外可以看出次氯酸钠将蚕丝微纤上的羟基氧化为羧基;XRD可以看出蚕丝的晶体区被攻击,结晶度下降,次氯酸钠使得蚕丝结构产生变化,但是用量的大小对蚕丝的结构变化基本没有影响。蚕丝的纤维粒径随着次氯酸钠用量的增加而逐渐减小,粒径分布的均匀度增加。纳米蚕丝的平均尺寸范围为200nm-550nm,制备的纳米蚕丝溶液也能保持稳定均一的状态。因此,利用次氯酸钠分离蚕丝是制备纳米蚕丝的一种有效方法,通过调节次氯酸钠的用量大小可以控制纳米蚕丝的粒径。(3)利用真空抽滤装置将制备的不同尺寸级的纳米蚕丝植入PLA纤维膜表面,研究了纳米蚕丝改性PLA复合材料的性能。通过SEM发现,MSF-1溶液因纳米丝尺寸大分布宽,在PLA表面形成具有较高的孔隙率的膜层;NSF-2和NSF-3分别在PLA表面形成的薄膜更为平坦致密。PLA薄膜表面的水接触角从115.2o变为平均80o左右,这表明经NSF改性的PLA薄膜的亲水性得到了改善,亲水性的提高使其促进细胞增殖成为可能。力学性能分析说明了,改性后材料的断裂伸长率增加,NSF-1/PLA和NSF-2/PLA抗拉强度增加,NSF-3/PLA抗拉强度减小,由于NSF-3较长时间的抽滤使得PLA基体材料受损。通过细胞培育和增殖发现NSF/PLA能促进细胞的增殖,NSF-1/PLA的增殖效果最好,因为它的表面更为粗糙和多孔,为细胞增殖提供了更为适宜的多孔支架环境。实验表明制备的纳米蚕丝改性PLA复合材料可有效提高细胞相容性,在生物医学材料的实际应用中具有广阔的前景。
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