超细定向纤维的电驱动法纺丝和性能的研究.pdf

超细定向纤维的电驱动法纺丝与性能研究 超细定向纤维的电驱动法纺丝与性能研究 摘 要 由静电纺丝技术制备的连续亚微米级纤维材料(俗称纳米纤维)， 由于其尺寸和形态上独特的仿生特性及良好的细胞和组织相容性而 在组织工程仿生支架的构建方面有着独特的发展前景，现已成为当今 组织工程再生医学支架材料研究的热门。然而，由于静电纺丝射流的 不可控性，目前制备的纳米纤维支架大都呈纤维方向任意排布的无纺 布形式，这在用于构建对力学性能要求较高、需由纤维定向排布组成 的各向异性致密结缔组织(如肌腱、韧带等)方面，仍是一个极具挑 战的难题。在以往的研究中，已发展了多种方法收集定向纳．微米超 细纤维包括采用高速旋转滚筒等，但目前的制备定向纳．微米超细纤 维的各种方法在纤维的定向程度、能收集到的纱束长度、产率、以及 力学性能等方面都与实际应用要求还有较大差距。因此，本课题旨在 研究通过从根本上控制电纺丝的射流稳定性，来方便地制备出连续、 定向、超细、高强的纤维材料的可能性，从而能设计和开发出新一代 具有实用价值的仿生纤维材料，满足今后对具结构特异性的肌腱、韧 带等组织构建时的使用需求。 本研究选用三种生物可降解聚合物材料即壳聚糖(CTS)、聚己 Da)可以显著地调节 量的超高分子量的聚氧化乙烯(Mw5，ooO，ooO 超细定向纤维的电驱动法纺丝与性能研究 这些纺丝液的粘弹性，实现抑制电纺时射流的不稳定弯曲摆动，得到 单一的电纺丝稳定射流，从而可以像传统的工业上的干、湿法纺丝一 样得到定向纤维。我们建立的这种非常简单的电驱动纺超细定向纤维 方法可以被称为稳定射流电纺丝(stablejet cm左右 我们成功制备了直径在1～10um的超细纤维单丝、长度为30 cmx20 的纤维束和30 cm的高定向聚合物超细纤维膜。这些定向纤 维的制备是基于一种改进的电纺设备，包括可控转速滚筒收集器的采 用以及纤维的横纵向喷射。SJE射流的连续、稳定、无不稳定弯曲摆 动现象由高速摄像机拍摄的实时图像得到证实。进一步，利用SJE方 法我们还可以制备定向的壳．芯结构的复合纤维，这为超细仿生定向 纤维的功能化提供了极大的可能性。 基于电驱动稳定射流电纺丝，本文对制备连续、定向、超细、高 强的组织工程支架构建用纤维材料进行了较为系统的以下两个方面 分子聚集态结构与力学性能之间的关系。研究结果表明：聚合物溶液 的粘弹性是决定SJE法能否形成稳定射流的关键因素。电驱动稳定射 流纺丝过程中，纤维直径随着电压和滚筒转速的提高而变细。SJE法 GPa、40±10MPa、2．13±O．73 模量可以分别达到11±6 GPa； MPa、 而断裂强度则在762±93 MPa范围。通过对纤维的分子取向和结晶取向进行X射线衍射分析 和偏振红外光谱分析，我们发现稳定射流电纺丝方法制备的超细纤维 ————————————垄塑堕堑堂登墅塑鎏堕竺兰丝丝堑窒 与常规电纺丝法制备的纤维相比，具有较高的分子取向度及结晶取向 度。收集过程中，滚筒转速的增加对纤维的进一步拉伸也有利于纤维 的分子和结晶取向度的提高。 关键词：稳定射流电纺丝，结构．性能关系，仿生支架，组织工程 超细定向纤维的电驱动法纺丝与性能研究 OFALIGNED ANDCHARACTERIZATION PREPARATION FIBERSBYSTABLEJET ULTRAFINE ABSTRACT Continuous submicron