新型多模式静电纺丝制备SF/PLGA纳米纤维支架及应用研究

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静电纺丝技术是制备纳米纤维的有效方法,其基本原理是聚合物溶液在特定环境中通过高压电场实现溶剂蒸发,或是利用熔体产生的带电射流经凝固后形成纳米纤维。用该技术制备纳米级纤维具有很多优越性,如孔隙率较高、直径较小等。因此,该技术被广泛应用于组织工程支架、材料过滤等领域。通过静电纺丝技术制备的组织工程支架具有以下特性:(1)比表面积和孔隙率较高,可用于模拟原生的细胞外基质拓扑结构;(2)通过调节电纺溶液的性质和纺丝工艺参数,可以得到满足多种组织要求的不同形貌和直径的纳米纤维;(3)通过使用天然或合成材料或将两种材料进行混合纺丝,所制备的支架具有力学性能良好、生物性能较优的特性,从而满足不同需求。因此,运用该技术制备不同类型的组织工程支架已成为研究热点。通过设计一套多功能静电纺丝实验装置,实现对实验装置成本的有效降低。通过对多模式接收器的设计,包含单滚筒和静、动态双滚筒,以实现静电纺丝工艺研究和制备应用。本装置的控制器为PLC,通过人机接口界面调节注射泵、高压电源和接收器,从而达到对静电纺丝实验的控制。步进电机作为注射泵的执行机构,用以进一步控制纺丝溶液的流速。针对该流量控制系统,建立两相混合步进电动机系统的数学模型,并对不同的PID和Fuzzy-PID控制方案进行详细探究、比较,在Matlab语言环境下对控制算法进行仿真,确定在供液系统模型极其复杂的条件下选取Fuzzy-PID控制方案,使得注射泵的流速精确度提高。用响应曲面法中的Box-Behnken design(BBD)设计法对静电纺丝过程进行了优化,并探究直径预测模型。因为静电纺丝技术无法准确表达纤维直径与影响因素之间的关系,通过响应曲面法建立二次多元回归模型,明确纤维直径与实验条件之间的关系,得出各因素变化对纤维直径的影响。响应曲面设计时采用溶液浓度、电纺电压、溶液流速通过三水平的BBD设计方法,进行建模、分析,从而系统性研究实验电纺参数对丝素蛋白(SF)以及乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纤维直径的影响,通过对模型的预测值与实际值的比较分析,验证了响应曲面法下的直径预测模型的合理性,为获得理想纤维直径的最佳静电纺实验参数提供了依据。选取SF和PLGA构建静电纺丝三明治结构纳米纤维支架。SF是一种生物相容性很好的天然高分子材料,因其低细胞毒性和制造成本、弱炎症反应等优点,在生物医学领域得到广泛的应用。PLGA具有生物相容性优和可加工性能,是制备组织工程支架的理想材料。将SF与PLGA分层电纺的方案能解决材料单一性的缺陷,也克服了混合溶解引起的材料性质变化的缺点,尤其是改善了纯PLGA纤维卷曲和SF纤维收缩严重的缺点。本课题将纳米纤维支架设计成三明治结构,将PLGA放置于中间,SF放置于两侧,既解决了SF本身的脆性,又不影响SF在培养细胞时的生物性能,所以该三明治结构的复合纳米纤维支架可以应用于皮肤组织工程。对电纺获得的SF/PLGA纤维支架进行了性能表征及生物性能评价。将电纺材料纳米纤维的平均直径作为目标值,采用静电纺丝技术构建复合纳米纤维支架,进行了形貌分析、褶皱试验、吸水性试验等,通过激光共聚焦显微镜和扫描电镜来观察纳米纤维上细胞的生长形态,运用CCK-8方法来观测静电纺纳米纤维上细胞的增殖情况。实验结果表明,SF/PLGA复合纳米纤维能为细胞提供良好的生长环境,且不表现出细胞毒性,在组织工程领域有着广阔的发展空间。
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