超细定向纤维的电驱动法纺丝与性能研究

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由静电纺丝技术制备的连续亚微米级纤维材料(俗称纳米纤维),由于其尺寸和形态上独特的仿生特性及良好的细胞和组织相容性而在组织工程仿生支架的构建方面有着独特的发展前景,现己成为当今组织工程再生医学支架材料研究的热门。然而,由于静电纺丝射流的不可控性,目前制备的纳米纤维支架大都呈纤维方向任意排布的无纺布形式,这在用于构建对力学性能要求较高、需由纤维定向排布组成的各向异性致密结缔组织(如肌健、韧带等)方面,仍是一个极具挑战的难题。在以往的研究中,己发展了多种方法收集定向纳一微米超细纤维包括采用高速旋转滚筒等,但目前的制备定向纳一微米超细纤维的各种方法在纤维的定向程度、能收集到的纱束长度、产率、以及力学性能等方面都与实际应用要求还有较大差距。因此,本课题旨在研究通过从根本上控制电纺丝的射流稳定性,来方便地制备出连续、定向、超细、高强的纤维材料的可能性,从而能设计和开发出新一代具有实用价值的仿生纤维材料,满足今后对具结构特异性的肌键、韧带等组织构建时的使用需求。本研究选用三种生物可降解聚合物材料即壳聚糖(CTS)、聚己内酷(PCL)、聚乳酸(PLLA)作为研究对象,发现纺丝液中加入少量的超高分子量的聚氧化乙烯(Mw>5,000,000Da)可以显著地调节这些纺丝液的粘弹性,实现抑制电纺时射流的不稳定弯曲摆动,得到单一的电纺丝稳定射流,从而可以像传统的工业上的干、湿法纺丝一样得到定向纤维。我们建立的这种非常简单的电驱动纺超细定向纤维方法可以被称为稳定射流电纺丝(stable jet electrospinning, SJE)。由此我们成功制备了直径在1~10μm的超细纤维单丝、长度为30 cm左右的纤维束和30 cm×20 cm的高定向聚合物超细纤维膜。这些定向纤维的制备是基于一种改进的电纺设备,包括可控转速滚筒收集器的采用以及纤维的横纵向喷射。SJE射流的连续、稳定、无不稳定弯曲摆动现象由高速摄像机拍摄的实时图像得到证实。进一步,利用SJE方法我们还可以制备定向的壳-芯结构的复合纤维,这为超细仿生定向纤维的功能化提供了极大的可能性。基于电驱动稳定射流电纺丝,本文对制备连续、定向、超细、高强的组织工程支架构建用纤维材料进行了较为系统的以下两个方面的研究:(1)SJE纺丝的机理与工艺调控;(2)SJE法制备的纤维的分子聚集态结构与力学性能之间的关系。研究结果表明:聚合物溶液的粘弹性是决定SJE法能否形成稳定射流的关键因素。电驱动稳定射流纺丝过程中,纤维直径随着电压和滚筒转速的提高而变细。SJE法制备的超细纤维具有较高的力学性能,如CTS、PCL、PLLA的纤维模量可以分别达到11±6 GPa、40±10 MPa、2.13±0.73 GPa;而断裂强度则在762±93 MPa、120±30 MPa、205.62±46.35MPa范围。通过对纤维的分子取向和结晶取向进行X射线衍射分析和偏振红外光谱分析,我们发现稳定射流电纺丝方法制备的超细纤维与常规电纺丝法制备的纤维相比,具有较高的分子取向度及结晶取向度。收集过程中,滚筒转速的增加对纤维的进一步拉伸也有利于纤维的分子和结晶取向度的提高。
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