离心纺高含量海藻酸钠微纳米纤维的制备、成形机理及应用

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天然生物基海藻微纳米纤维因其优异的生物相容性和生物可降解性,广泛应用于生物医药领域,例如医用敷料、组织再生支架和药物传输载体等。目前以静电纺丝为代表的海藻微纳米纤维成形技术存在海藻含量低、成形过程中需要引入低毒化学试剂的问题,严重影响了海藻微纳米纤维的应用性能。本论文旨在利用离心纺丝技术,以水溶液体系制备高海藻含量及功能化微纳米纤维膜。同时,分析离心纺丝过程中高海藻微纳米纤维成形机理,并评价在功能性医用敷料方面的应用前景。本文主要研究内容及结论如下:(1)基于离心纺丝技术,以海藻酸钠溶液和海藻酸钠/聚氧化乙烯(PEO)混合溶液为研究对象,探究纺丝溶液性质和纺丝工艺参数与可纺性之间的关系,制备超高海藻含量微纳米纤维。结果表明溶剂挥发速率是影响海藻酸钠混合溶液可纺性的主要因素,适当提高离心纺环境温度制备出了海藻含量高达97.5wt%的微纳米纤维。PEO在离心纺过程中与海藻酸钠大分子链之间发生氢键作用,减弱海藻酸钠与水溶液的氢键作用,最终促使纤维成形。因此,离心纺利用在静电纺丝中不具备可纺性的海藻酸钠/低分子量PEO(300k Da)体系,也能制备出高海藻含量微纳米纤维。在制备天然生物基海藻微纳米纤维方面,离心纺丝技术较静电纺丝技术存在明显优势。(2)通过连续捕捉离心纺射流运动过程,以海藻酸钠、PEO和海藻酸钠/PEO混合溶液为研究对象,分析纺丝溶液性质和纺丝工艺参数对初始射流细化作用、射流运动及断裂机制的影响,明确PEO在海藻酸钠/PEO混合溶液成纤中的作用。结果表明无量纲雷诺数(0))能集中反应溶液性质和纺丝工艺参数对于初始射流的细化作用,0)数值越小,初始阶段射流细化作用越强。离心纺丝过程中连续射流弧长长度与射流轨迹半径之间呈指数增加的关系,射流的轨迹半径随着海藻酸钠溶液浓度和喷丝孔直径的增加以及喷丝器转速的减小而减小。纯海藻酸钠溶液由于形成的射流长度极短,因而不可离心纺成纤。加入PEO后,连续射流长度大幅增大,因而能顺利成纤。(3)通过物理交联的方式制备海藻酸钙微纳米纤维及载药海藻酸钙微纳米纤维,并评价吸液性能、药物缓释性能和抗菌性能。结果表明体积比为90/10的无水乙醇/氯化钙溶液能够“一浴法”制备出形貌良好的海藻酸钙微纳米纤维,较湿法纺丝和静电纺丝技术,可缩短工艺流程,在制备载药微纳米纤维时也能有效降低物理交联过程中药物的损失率。与商品海藻酸钙纤维敷料相比,本论文制备的离心纺海藻酸钙微纳米纤维膜具有更长的吸液时间和更高的吸液量,可在8h内持续吸液,吸液量是商品海藻酸钙纤维敷料的1.5倍以上。载药海藻酸钙微纳米纤维的药物缓释性能较好,药物释放率可达70%以上,缓释时间可达24h,与实际使用时海藻酸钙纤维敷料的更换时间相匹配。此外,载药海藻酸钙微纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性。
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