组织工程中聚合物纳米纤维的电纺制备及机电性能研究

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在组织工程中,设计能模拟细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)多种功能的纤维支架来加速细胞黏附、增殖、分化和组织发生是至关重要的。以导电聚合物和生物相容性聚合物(天然或合成)为基础的静电纺丝导电聚合物复合纳米纤维因高比表面积和孔隙率以及高导电性而增强了细胞功能引起了人们的广泛关注。探究单根复合纳米纤维的机械和电学性能有利于优化复合导电支架在组织工程中的应用。排列有序的纤维由于可促进细胞生长而得到重点关注,其中磁场辅助静电纺丝法可以控制纤维的直径和均匀性并方便转移纤维而有很大研究意义。本论文主要研究了电纺聚苯胺(Polyaniline,PANi)/明胶复合纳米纤维的机械和电学性能,还研究了磁场强度对磁场辅助电纺聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)纳米纤维的影响。制备了电纺PANi/明胶复合纳米纤维,通过表征发现溶液浓度、电压、溶液流速和接收距离的最佳参数分别为45%、12 k V、0.8 ml/h和14 cm。采用三点弯曲法测量了单根PANi/明胶复合纤维的杨氏模量,结果表明单根纤维的杨氏模量存在尺寸效应,且随着PANi比例的提高,杨氏模量会增大,并发现45%PANi比例的PAGE-3纤维在100~250 nm直径区间达到了最大值5.75 GPa。通过单轴拉伸实验测量了不同PANi比例下的铸膜的拉伸模量,综合拉曼表征结果发现明胶分子由于静电纺丝的拉伸作用将部分由无序结构转变为有序的α-结构,这使得单根电纺纳米纤维的杨氏模量比铸膜拉伸模量高一个数量级。测量了PANi/明胶纤维毡、铸膜以及单根纤维在不同PANi比例下的电导率,并发现增加PANi的比例可以增大它们的电导率,这是由于PANi链的构象受到掺杂剂与溶剂相互作用的影响而变得有利于导电。PANi比例最高的复合纤维毡、铸膜和单根纤维的电导率都分别达到最大值3.08×10-3 S/cm、3.37×10-2 S/cm和4.85×10-2 S/cm。纤维毡的电导率由于要考虑纤维间的空气电导率而只有铸膜的0.1倍左右,而单根纳米纤维的电导率由于消除空气的影响是纤维毡的15倍左右。相较于铸膜,单根纳米纤维由于电纺过程对聚合物链的拉伸作用使得电子可以沿着有序的分子链传递而有更高的电导率。采用磁场辅助静电纺丝法(Magnetic-field-assisted electrospinning,MFAES)制备了有取向的PVDF纳米纤维,并发现当磁场强度增大时,纳米纤维直径减小,排列有序度提高,纤维受到的拉伸力增大,纤维分子链沿纤维轴向的取向度提升,单根纤维的杨氏模量提高。当磁场强度为0.5 T时,单根PVDF纳米纤维的杨氏模量在50~100 nm直径区间中达到了最大值10 GPa。通过上述对单根聚合物纳米纤维的机械和电学性能的研究,可为纳米纤维在组织工程支架中的应用提供设计依据。
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