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静电纺丝是将聚合物的溶液或熔体,利用高压静电的方法进行喷射拉伸而获得纤维的技术,是一种制备亚微米到纳米级聚合物纤维简单而有效的方法。电纺纳米纤维膜具有很大的比表面积及较高的孔隙率,在创伤敷料、组织工程支架、药物缓释等方面具有广阔的应用前景。与此同时,聚丁二酸丁二醇酯(PBS)具有良好的生物降解性能、生物相容性、力学性能、热稳定性和成型加工性能,且生产成本较低,因此其在生物材料上的应用受到了广泛关注,是一种潜在的能用于组织工程支架、药物缓释等领域的可降解生物医用材料。据此,本论文旨在将静电纺丝技术与PBS相结合,制备出具有纳米纤维结构的PBS及其复合材料,进一步地扩大PBS在生物医学领域的应用。
论文的研究内容和主要结果如下:
(1)首先对PBS的电纺条件进行了探索,主要考察了PBS溶液的组成(浓度、溶剂、加入无机盐)对PBS可纺性的影响。通过扫描电镜对电纺产物进行了表征,结果表明了PBS氯仿溶液不具备可纺性,这主要是因为氯仿的介电常数低,导致溶液在电场下不能产生足够的感应电荷。而在PBS溶液中加入少量的硝酸银可以明显地提高PBS的可纺性,得到了均匀的PBS纳米纤维,纤维直径在数百纳米,这是由于硝酸银的加入提高了溶液的电荷密度。
(2)首次运用了乳液电纺的方法来改善聚合物的可纺性,在电纺的研究中具有一定的创新性。结果表明了通过在PBS氯仿溶液中分散少量的含表面活性剂的水溶液,简单地乳化后可以明显地提高PBS的可纺性,得到了较均匀的PBS纳米纤维,并且通过改变分散相的含量可以在一定程度上调节PBS纳米纤维的形貌。同时对乳液电纺得到聚合物纳米纤维的机理进行了初步的探讨和分析,但有待进一步的研究和完善。
(3)对乳液电纺得到PBS纳米纤维膜的理化性能、力学性能及生物学性能进行了表征,结果表明PBS纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率,分别为4.04m2/g和61.6%;在力学性能方面,相比于PBS薄膜,纳米纤维膜韧性变好,应变明显增大,而拉伸强度和杨氏模量相对地减小;在生物学性能方面,PBS纳米纤维膜具有良好的生物相容性,比PBS薄膜更有利于细胞的粘附和增殖,可以作为组织工程支架材料。
(4)电纺制备了含纳米银颗粒(AgNPs)的PBS纳米纤维膜并对其抗菌性能进行了研究。其中纳米银颗粒由硝酸银在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的还原和稳定作用下通过简单有效的方法制备得到,其粒径在10nm以下。通过扫描电镜和透射电镜对纳米银颗粒的形貌及其在PBS纳米纤维上的分布情况进行了表征,结果表明了纳米银颗粒能够较均匀地分布在PBS纤维中,并且没有明显的团聚现象。通过原子吸收光谱(ICP)对。PBS-AgNPs复合纳米纤维膜在水溶液中对银的释放行为进行了表征。在抗菌性能方面,PBS-AgNPs复合纳米纤维膜表现出较强的抗菌效果,当纤维膜上银含量为0.29%时,对大肠杆菌(革兰氏阴性)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性)的抗菌率已超过了99%。此外,在短时间内复合纤维膜能发挥较强的杀菌作用,并且在很长一段时间能保持抑制细菌生长的效果,这主要是因为纤维膜上纳米银颗粒能够在较长的时间内稳定缓慢地释放。
(5)通过乳液电纺的方法成功地制备了PBS/PLGA共混纤维膜,并对其力学性能和生物学性能进行了表征。作为组织工程支架材料,纯的PBS纤维膜的拉伸强度和杨氏模量低,不能满足一些组织对力学性能的要求,而通过与PLGA共混以及对混合比例的调节,可以对纤维膜的拉伸强度、杨氏模量及断裂伸长率在较大的范围内进行调控,从而可以适应不同组织对力学性能的要求,而在生物学性能方面,PBS/PLGA共混纤维膜同样表现出良好的生物学性能,因此这种复合材料在组织工程支架领域具有更大的应用潜力。
(6)选用水溶性抗生素一硫酸庆大霉素(GS)作为模型药物,通过乳液电纺的方法制备了负载GS的PBS纳米纤维膜,并对药物的缓释性能进行了初步的研究。结果表明了乳液电纺能较好使水溶性药物一硫酸庆大霉素负载于PBS纳米纤维上,并且在水溶液中具有一定的缓释效果。由此证明了通过乳液电纺制备负载药物或者生物活性物质的PBS纳米纤维膜的可行性,为进一步开发能应用于药物缓释、缓释型组织工程支架等方面的PBS复合纳米纤维膜奠定了基础。