基于微流控乳液模板法的生物医学材料制备及应用研究

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液滴微流控技术可以精确地控制多种微尺度流体的流动,并以高通量的方式生成结构和成分可调的单分散微液滴。这些液滴作为模板可以制造出各种各样的微球或自组装材料。适当的原材料和制造方法相结合,赋予这些材料多样化的功能。此外,液滴微流控技术还可以封装药物,蛋白质甚至是细胞,使制备的材料在药物输送,疾病诊断甚至是疾病治疗等生物医学应用领域发挥重要作用。在此,本论文基于液滴微流控技术,以抗菌性沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)纳米颗粒稳定的皮克林乳液为模板,设计出一款仿生跳虫表面的微纳结构水凝胶薄膜。基于其良好的防污性和抑菌性,论文研究了该薄膜作为生物医学材料在伤口愈合方面的治疗效果。论文内容主要包括以下三个方面:(1)本课题通过搭建同轴型毛细管微流控平台以及调整纳米胶体颗粒和溶液参数,分析了胶体颗粒吸附动力学对皮克林乳液模板稳定性的影响。结果表明,胶体颗粒在液滴界面的吸附过程是由扩散所主导,仅需7.4%的胶体颗粒覆盖率就可以稳定皮克林乳液。说明根据已证明的扩散模型我们可以计算出其他胶体颗粒稳定乳液所需要的参数并指导皮克林乳液型产品的设计。(2)基于以上皮克林乳液稳定机理的研究,本课题首次提出使用ZIF-8颗粒稳定二甲基硅油/聚乙烯醇(PVA)乳液作为模板制备具有微纳结构的材料。实验首先使用改进的液滴微流控平台生产出尺寸均一的ZIF-8型皮克林乳液。然后,通过乳液蒸发,液滴自组装,模板去除和交联固化等步骤制备出具有有序多孔结构的ZIF-8@PVA水凝胶薄膜。整齐排列的微腔结构和镶嵌于其上的ZIF-8纳米颗粒模仿了跳虫表面的微纳分层结构,使各类液滴在薄膜表面的接触角大于90°,证明该ZIF-8@PVA水凝胶薄膜具有液体全憎性,为设计具有防污功能的生物医学材料提供了新的思路。(3)最后,本课题探究了ZIF-8@PVA水凝胶薄膜在生物医学材料方面的应用潜力。良好的液体全疏性使薄膜表面不易被细菌定殖,同时薄膜多孔结构中适量包载的ZIF-8颗粒能够缓慢释放Zn2+破坏细菌细胞壁,使薄膜的抑菌率高达99.3%。基于其良好的抗细菌黏附和抑菌效果,实验测试了该薄膜作为伤口敷料的治疗效果。证明该材料不但具有良好的细胞生物相容性,还能有效地减轻伤口组织炎症,促进新生肉芽组织增长,新生血管再生和胶原蛋白沉积,极大地提高了伤口愈合速率。
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