靜電紡絲技術(shù)制備低維微納功能材料及應(yīng)用研究.pdf

1、靜電紡絲技術(shù)是一種利用高壓電場(chǎng)的拉伸作用制備一維微納材料的技術(shù)。與其它的方法相比，靜電紡絲技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、靈活多樣、制備效率高以及容易調(diào)控產(chǎn)物的尺寸和形貌等等。這種技術(shù)被認(rèn)為是目前制備連續(xù)長(zhǎng)納米纖維的唯一具有工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值的方法。
　　 在本文中，我們以靜電紡絲技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合溶膠凝膠法和后續(xù)的處理手段，制備了主要以SiO2為基礎(chǔ)的多種類(lèi)型微納功能纖維，探究了這些材料在諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。本文的研

2、究主要包含以下幾個(gè)方面：
　　 研究了可紡SiO2溶膠的合成工藝，探討了溶膠的可紡性和合成條件之間的關(guān)系，并且對(duì)溶膠性質(zhì)以及紡絲條件對(duì)SiO2電紡產(chǎn)物的形貌和尺寸的影響也作了初步的研究。實(shí)驗(yàn)表明溶膠的可紡性與溶膠的水解時(shí)間有很大的關(guān)系，紡絲條件對(duì)產(chǎn)物的形貌和直徑有較大的影響。以溶膠凝膠法得到的SiO2溶膠為紡絲液制備的SiO2納米纖維具有很好的柔韌性。
　　 以上述SiO2納米纖維為載體，通過(guò)在硝酸銀溶液中后續(xù)熱處理在S

3、iO2納米纖維的表面附載了銀納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)附載的銀納米顆粒的尺寸和形狀受硝酸銀溶液的濃度、熱處理的溫度和時(shí)間變化的影響。我們對(duì)這種銀納米顆粒修飾的SiO2納米纖維的抑菌性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種材料對(duì)大腸桿菌具有較高的抑菌效率。另外，細(xì)胞毒性測(cè)試的結(jié)果表明本文制備的銀納米顆粒修飾SiO2納米纖維能有效促進(jìn)骨髓間質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)和活性。通過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理，可以對(duì)使用后的纖維實(shí)現(xiàn)凈化和消毒，并且保持纖維的抑菌性能和柔韌性。因此，我們認(rèn)為這種材

4、料適合用作可重復(fù)使用的傷口敷料。
　　 在可紡SiO2溶膠中摻雜硝酸銀，通過(guò)靜電紡絲制備了硝酸銀摻雜的SiO2納米纖維，然后采用改進(jìn)的Stober方法以及后續(xù)的熱處理在SiO2納米纖維的表面包覆了介孔結(jié)構(gòu)的SiO2包層，得到了銀納米顆粒摻雜的核殼結(jié)構(gòu)介孔亞微米SiO2纖維。研究表明，這種介孔纖維具有良好的柔韌性和巨大的比表面積，這種材料能高效地吸收水和模擬體液，同時(shí)緩慢地釋放抗菌因子Ag，介孔SiO2包層能夠裝載藥物，并且以較快

5、的速度釋放藥物，因此本研究制備的介孔SiO2纖維可以持續(xù)長(zhǎng)久地提供抑菌效果，并且快速地釋放具有鎮(zhèn)痛和消炎等作用的藥物，非常適合作為多功能的傷口敷料。
　　 同樣以上述SiO2納米纖維為模板，通過(guò)改進(jìn)的Stober方法以及后續(xù)熱處理，我們制備了核殼結(jié)構(gòu)的介孔SiO2納米纖維，研究了這種材料對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附等溫過(guò)程和吸附動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本研究中制備的介孔SiO2纖維能夠?qū)b2+和Cd2+進(jìn)行高效而快速的吸附，其吸

6、附能力可以通過(guò)在表面附載有機(jī)功能團(tuán)-SH得到進(jìn)一步的提高。由于本身良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，核殼結(jié)構(gòu)SiO2纖維可以被方便地加工成特定形狀的薄膜，從而簡(jiǎn)化重金屬離子的吸附過(guò)程，提高這種材料的實(shí)際應(yīng)用可行性。
　　 納米孔結(jié)構(gòu)可以有效提高生物玻璃的生物活性，但納米孔結(jié)構(gòu)的引入往往引起生物玻璃纖維機(jī)械強(qiáng)度的大幅度下降。在上述銀納米顆粒摻雜介孔SiO2纖維研究的基礎(chǔ)上，我們提出了一種制備同時(shí)具有高的生物活性和機(jī)械強(qiáng)度的生物玻璃纖維的方法

7、。在本研究中，我們以硝酸銀摻雜的SiO2電紡絲納米纖維為模板，通過(guò)改進(jìn)的Stober方法和后續(xù)的熱處理，在纖維的表面包覆了介孔生物玻璃包層，得到了銀納米顆粒摻雜的核殼結(jié)構(gòu)介孔生物玻璃纖維。我們發(fā)現(xiàn)，本研究中制備的介孔生物玻璃纖維不僅具有很高的生物活性，同時(shí)又保持了良好的柔韌性，并且芯層摻雜的銀納米顆粒能夠緩慢地釋放抗菌因子Ag，起到持久的抗菌功效，而介孔結(jié)構(gòu)又可以裝載具有消炎止痛作用的藥物，因此這種材料非常適合作為生物硬組織工程支架應(yīng)用

8、。
　　 采用熒光材料作為藥物載體可以對(duì)藥物的走向和釋放進(jìn)行有效的監(jiān)控，研究者對(duì)靜電紡絲技術(shù)制備熒光藥物載體進(jìn)行了大量的研究，然而已有的報(bào)道中制備的熒光納米纖維的發(fā)射和激發(fā)波長(zhǎng)還沒(méi)有得到很好的優(yōu)化。本文中我們基于靜電紡絲技術(shù)制備了多孔結(jié)構(gòu)的YAG：Nd3+納米纖維，研究了這種材料的藥物裝載和釋放以及熒光特性。研究表明得到的YAG：Nd3+納米纖維具有巨大的比表面積和孔體積，有較高的藥物裝載能力，并且這種材料在800 nm激光的激

9、發(fā)下在1064 nm具有很強(qiáng)的熒光發(fā)射，因此這種材料的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)都位于人體透明窗口(700～1100 nm)，激發(fā)和發(fā)射之間有較大的波長(zhǎng)位移，保證較高的信噪比。作為熒光藥物載體，多孔YAG：Nd3+納米纖維將具有更大的體內(nèi)應(yīng)用深度。另外，我們還發(fā)現(xiàn)這種材料的1064 nm熒光強(qiáng)度隨藥物的釋放而衰減，可以對(duì)藥物的釋放進(jìn)行監(jiān)控。
　　 作為靜電紡絲技術(shù)制備Ag-SiO2基抑菌材料的拓展，我們采用電噴的方法制備了銀納米顆粒摻雜，形