具有可控拓?fù)渑帕谢虼渭?jí)結(jié)構(gòu)的電紡納-微纖維材料的機(jī)理和應(yīng)用研究.pdf

1、具有良好的生物相容性、高孔隙率、高比表面積、優(yōu)異的力學(xué)性能以及合適的降解速度等特性的材料，在組織工程和給藥系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用中具有極其重要的作用。與此同時(shí)，基質(zhì)材料的界面結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)能夠強(qiáng)烈的影響細(xì)胞的生長增殖、細(xì)胞與基質(zhì)交互作用、藥物的裝載和釋放等的特性。通過對(duì)電紡技術(shù)的提升能將多種材料成功的制備成電紡納/微纖維材料，使得其不僅具有極高的比表面積、孔隙率、和長徑比等特性，而且還具有特定的拓?fù)渑帕谢虼渭?jí)結(jié)構(gòu)。這種特定的拓?fù)渑帕泻痛渭?jí)結(jié)構(gòu)

2、為電紡纖維材料提供了更為豐富的界面結(jié)構(gòu)與界面性質(zhì)，致使在給藥系統(tǒng)、膜工程、傳感器，以及組織修復(fù)工程等多個(gè)領(lǐng)域受到了研究者的高度關(guān)注。因此基于電紡技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有可控的拓?fù)渑帕谢虼渭?jí)結(jié)構(gòu)的納/微電紡纖維材料，對(duì)構(gòu)建理想意義上的組織工程支架和給藥系統(tǒng)具有一定的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和潛在的廣闊應(yīng)用前景。
　　 本文結(jié)合力學(xué)、電學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、藥劑學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，研究了電紡纖維在不同接收器表面具有特定排列的定向過程與機(jī)理，并基于該機(jī)理實(shí)現(xiàn)了

3、電紡纖維拓?fù)渑帕械目煽匦?；研究和考察了電紡纖維特定拓?fù)渑帕薪Y(jié)構(gòu)和多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)其表面特性、力學(xué)性能、細(xì)胞的生長增殖與分布，以及藥物的吸附與釋放等特性的重要影響，探討了具有特定拓?fù)渑帕泻痛渭?jí)結(jié)構(gòu)納/微電紡纖維材料在組織工程和給藥系統(tǒng)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
　　 本文的主要內(nèi)容和結(jié)果：
　　 ①基于靜電場(chǎng)泊松方程(式2.1)，通過有限元分析方法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)仿真和揭示了接收器結(jié)構(gòu)變化與電紡

4、空間三維電場(chǎng)分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并建立電紡過程中帶電電紡纖維在靜電場(chǎng)中所受電場(chǎng)力的有限元三維計(jì)算模型，通過該模型仿真模擬和分析電紡纖維在近接收器表面空間響應(yīng)特定電場(chǎng)分布的力學(xué)行為，以此闡述了電紡纖維在不同接收器表面進(jìn)行特定拓?fù)渑帕械亩ㄏ蜻^程與可能機(jī)理。研究結(jié)果表明，通過接收器結(jié)構(gòu)改變獲得不同拓?fù)渑帕械年P(guān)鍵在于接收器形狀的變化改變了其空間電場(chǎng)的分布，從而導(dǎo)致帶電電紡纖維在近接收器表面空間響應(yīng)了不同的電場(chǎng)分布，具體表現(xiàn)為帶電電紡纖維在電場(chǎng)力三個(gè)

5、等效分力Fa、Fz和Fn作用下，電紡纖維在不同的空間位置表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，當(dāng)其運(yùn)行至特定空間位置時(shí)(如位置CD，見圖2.9)，在電場(chǎng)力的作用下電紡纖維必然被定向從而最終形成不同的拓?fù)渑帕小?br>　　 ②通過對(duì)電紡纖維的定向機(jī)理的分析和數(shù)值模擬可以為獲得預(yù)期的特定拓?fù)渑帕薪Y(jié)構(gòu)提供接收器設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和指導(dǎo)。基于該機(jī)理的分析與仿真，設(shè)計(jì)和制備了多種形態(tài)的接收器，并成功的獲得了多種預(yù)期電紡纖維拓?fù)渑帕薪Y(jié)構(gòu)：平行排列(圖3.6)，輻射狀

6、排列(圖3.7，3.8D、E)，正交編制狀排列(圖3.8C)，復(fù)雜拓?fù)渑帕?圖3.8A、圖5.3)等，實(shí)現(xiàn)了電紡纖維拓?fù)渑帕械目煽匦?。以編制網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚ε-己內(nèi)酯(Poly(ε-caprolactone)PCL)電紡纖維膜(PCLNF mesh)為代表，通過表征該電紡纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)、表面特性、力學(xué)性能等來分析排列結(jié)構(gòu)對(duì)電紡纖維相關(guān)特性的差異性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于電紡纖維拓?fù)渑帕械挠绊懀^之隨機(jī)排列的電紡PCL納米纖維膜(PCL R

7、NF mat)的接觸角134.9±2.1°，PCL NF mesh的接觸角高達(dá)140.1±1.2°，十分接近于超疏水材料的接觸角(≥145°)。與此同時(shí)，電紡纖維的拓?fù)渑帕羞€能顯著的影響其纖維膜的力學(xué)性能，PCLNF mesh的彈性模量(6.27±0.53 MPa)高出PCL RNF Mat膜彈性模量(4.4±0.57 MPa)的40％，但后者(146.46％)比前者(87.30％)具有更高的形變率。
　　 ③分別利用PCL N

8、F mesh與PCL RNF Mat作為細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)(支架)培養(yǎng)小鼠胚胎成骨細(xì)胞株MC3T3-E1，評(píng)價(jià)電紡纖維拓?fù)渑帕薪Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生長的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與隨機(jī)排列的電紡纖維相比，電紡纖維的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但增強(qiáng)了細(xì)胞的增殖能力，而且使得細(xì)胞形態(tài)發(fā)生了較大的變化，即細(xì)胞會(huì)沿著電紡纖維的徑向被拉伸。更為重要的是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給予了細(xì)胞生長取向的結(jié)構(gòu)指引，使得其表面生長的細(xì)胞分布能夠模擬電紡纖維的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這對(duì)構(gòu)建模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)(Ex

9、tra Cellular Matrix,ECM)結(jié)構(gòu)的組織工程支架，使其再生組織具有特定的細(xì)胞分布，從而發(fā)揮生理功能具有重要的意義。
　　 ④通過電紡獲得納米鹽顆粒/聚合物復(fù)合電紡纖維，鹽析選擇性去除納米鹽顆粒后，成功的獲得了多孔性電紡纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米鹽的粒徑、摻雜量，及其在溶液中的分散度能夠強(qiáng)烈的影響多孔性電紡纖維的比表面積，以及直徑和孔隙的分布。這種有效的制備多孔性電紡纖維的方法較之相分離法有著更為廣譜的材料選擇。

10、r>　　 由于多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)改變了電紡纖維表面的微結(jié)構(gòu)，與表面光滑的電紡纖維膜(PCL ESF)135.1±1.9°的接觸角相比，多孔性電紡纖維膜(PCL EPF)的表面接觸角高達(dá)142.3°±1.2°。不僅如此，多孔結(jié)構(gòu)的存在，使得PCL EPF與PCL ESF盡管彈性模量的差異不大，但最終破壞應(yīng)力(EPF：2.98±0.05MPa；ESF：3.53±0.08MPa)和形變(EPF：125.46％；ESF：155.9％)具有明顯的差

11、異。
　　 多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)不但影響了電紡纖維的表面特性與力學(xué)性能，還對(duì)藥物的吸附與釋放有著重要的影響。以撲熱息痛(Acetaminophen,AAP)作為模型藥物，研究和討論了多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)藥物物理吸附和釋放的影響。研究結(jié)果表明，由于多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了電紡纖維的比表面積，使得多孔性電紡纖維PCLEPF對(duì)AAP的物理吸附能力是PCL ESF的1.6倍。同時(shí)，由于多孔性次級(jí)結(jié)構(gòu)增加了AAP-PCL電紡纖維系統(tǒng)的藥物釋放界面