再生丝素蛋白左旋聚乳酸——聚己内酯共聚物复合纳米纤维膜支架的制备及性能研究知识讲解.docx
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1、此文档收集于网络,如有侵权请联系网站删除浙江理工大学硕士学位论文再生丝素蛋白左旋聚乳酸聚己内酯共聚物复合纳米纤维膜 支架的制备及性能研究中文摘要本文首先通过静电纺丝法制备天然交联剂京尼平交联再生丝素蛋白纳米纤维多孔膜, 并对其形貌、结构以及力学性能进行研究。发现随着京尼平含量的增加,纳米纤维直径逐 渐变大,形貌变得粗细不均,且交联程度逐渐增大,材料的热性能逐渐提高,常温下的力 学性能也逐渐增强。当京尼平含量为10时其力学性能较好,其断裂强度为196MPa,但 对于断裂伸长率的提高效果并不明显。体外细胞培养实验表明京尼平的加入对于L929细胞 无毒副作用。为了进一步提高静电纺丝素蛋白纳米纤维膜的
2、力学性能,以满足不同组织工程支架的 要求,选用了高聚物左旋聚乳酸-聚己内酯共聚物P(LLACL)】与丝素蛋白按不同混比共混, 利用静电纺丝法制备左旋聚乳酸-聚己内酯共聚物P(LLA-CL)丝素蛋白共混纳米纤维膜。 结果表明,随着随着丝素蛋白含量的减少,纤维直径变大,均匀度变差。随着P(LLACL) 含量的增多,共混膜的热性能提高,力学性能也提高较多,但由于P(LLACL)的憎水性, 材料的细胞相容性受到一定的影响。为了提高材料的力学性能同时能保持较好的生物相容性,通过同轴静电纺丝法制备丝 素蛋白P(LLACL)皮芯结构复合纳米纤维膜,并将为了进一步提高复合纤维膜的力学性 能,将材料的芯层中混入
3、多壁碳纳米管(MWCNTs),并探讨了MWCNTs的含量对于其力学性能的影响,结果表明,随着MWCNTS含量的增多,其热性能提高,当MWCNTs的质量 分数为1O时,MWCNTs在纳米纤维中分散较均匀,其纳米膜的力学性能也最好,且 MWCNTs的混入有利于提高纳米膜的生物相容性。最后,通过对皮层、芯层浓度以及芯层纺丝流率等参数的探讨,得出制备形貌较好的 丝素蛋白P(LLA-CL)皮芯结构复合纳米纤维膜的最佳工艺参数:皮层浓度为8,芯层浓度为2,芯层纺丝流率为O008mLmin。而提高芯层浓度或者芯层纺丝流率都能提高材料的力学性能,当芯层混入1O的MWCNTs时,材料的力学性能较好,断裂强度为1
4、87MPa, 断裂伸长率为50。并通过细胞实验表明,丝素蛋白P(LLACL)皮芯结构复合纳米纤维支 架有利于细胞的粘附和生长,因此在组织工程支架领域具有一定的应用前景。 关键词:丝素蛋白;左旋聚乳酸聚己内酯共聚物:静电纺丝;皮芯结构;力学性能;生物 相容性此文档仅供学习和交流浙江理工大学硕士学位论文Study on the preparation and properties of regenerated silk fibroin poly(L-lactic acidCO-一caprolactone)composite nanofibrous membrane seaffoIdsAbstrac
5、tIn this study,the ultrafine silk fibroin(SF)which is CROSSlinked by Genipin fibrous membranes were prepared by electrospinningThe morphology,structure and mechanical properties of the ultrafine fibrous membranes were investigatedIt was found that the diameter ofnanofibcr became larger,the morpholog
6、y became nonuniform,the cross-linking dgree wasincreased,the thermal behavior Was improved and mechanical properties at ordi肋巧 temperatures vvitll increasing of content of genipinWhen the content of genipin is 1 0,the mechanical properties Was good,and the breaking stress was 1 96MPa,but the breakin
7、g strain was not improved obviouslyThe ultrafine fibrous scaffolds were non-toxic for L929 cell which was proved by the experiment of cell cultivation in vitroTo improve the mechanical properties of electropun silk fibroin nanofiber membranes futher, we chose poly(L-lactic acid-co-caprolactone)blend
8、 silk fibroin with different mass ratios to fit the defference of the tissue engineer scaffoldSFP(LLA-CL)blend composite nanofibrousmembranes Was prepared by electrospinningThe result showed that the diameter of nanofiberwas became larger and the morphology became nonuniform witll wi也increasing of P
9、(LLA-CL)As a msultthe thermal behavior of the blend membranes was advanced and mechanical properties was improvedHowever,the nanofiber membrane Was not good for cellcompatibility because of the hydrophobicity of P(LLA-CL)To improve the the mechanical properties of nanofibcr membranes and also keep t
10、he good cell compatibility,we prepared SFP(LLA-CL)shellcore composite nanofiber membranes by COelectrospinningTo improve the mechanical properties of composite membranes如ther MWCNTs was mixed with P(LLA-CL)and discuss the effect of the content of MWCNTs to the the mechanical propertiesThe result sho
11、wed that the thermal behavior Was advanced with the increasing of the content of MWCNTsWhen When the content of MWCNTs is 1O。the MWCNTs disperse uniformly in the P(LLACL)and mechanical properties was bestThe blendind of MWCNTs Was better for cell compatibilityAt last we got the technological paramet
12、ers of preparing SFP(LLACL)shellcore浙江理工大学硕士学位论文composite nanofiber membranes best by discussing the affected by core flow rate,co心and shell concentrationsThe results revealed that composite nanofibers witIl uniform morphology and integrated shellcore structure were obtained when shell and core conc
13、entrations WCle 8and2respectively and core spinning rates was 0008 mlminAnd increase the core concentrations or core flow rate would improve the mechanical propertiesWhen blending the 1OMWCNTs to the core,the mechanical properties was advanced luther,the breaking stress was 1 87MPa and the breaking
14、strain was 50the result of experiment of cell culture showed that SFP(LLA-CL) shellcore composite nanofibcr membranes was good for cell adhere and proliferationAs a result,they have great application potential in tissue engineering scaffoldsKeywords:Silk fibroin;Poly(Llactic acid-co-g-caprolactone);
15、Electrospinning;Shell-corestructure;Mechanical properties;BiocompatibilityIII浙江理工大学硕士学位论文第一章绪论11引言近年来,制备纳米材料的纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术,其 潜在的重要性毋庸置疑。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等 四类。纳米纤维作为纳米材料的一种通常具有更强的优势。我们知道当纤维的直径从微米 级转变到纳米级时,其性质就会发生意想不到的变化。纳米纤维的比表面积极大,是普通 微米纤维的1000倍以上,且纵横比较高、与其他物质的互相渗透力极强。因此在许多重要 领域
16、有着不可限量的潜能。一方面,纳米纤维的广泛应用,对纳米纤维的制备技术提出了 新的更高的要求,同时也为纳米纤维制备技术的发展提供了新的发展空间;另一方面,纳 米纤维制备技术的不断创新与发展,也使得纳米纤维的种类不断更新,其性能和功能也得 以进一步的体现和应用。目前纳米纤维广泛应用在服装、食品、医药、能源、电子、造纸、 航空等领域,特别是在产业用纺织品领域将有更大作为【11。而静电纺丝法则是一种简单、快速而高效的制备纳米亚微米纤维的技术,其设备简 单易操作。静电纺丝得到的无纺布有孔隙率高、比表面积大和均一性等优点,使得其能够 在生物材料【21、过滤材料131、传感器材料吲等方面有很好的应用前景。丝
17、素蛋白是一种源于蚕丝的天然高分子蛋白质【5】,其含量占蚕丝的7080,含有18 种氨基酸,其中的11种为人体必需氨基酸:另一方面,丝素蛋白对人体无毒害作用,安全 可靠,具有良好的生物相容性,适于开发成功能性材料【6】。而左旋聚乳酸(PLLA)与聚己 内酯(PCL)的共聚产物具有两者各自的优点,如机械强度高、韧性好、具有合适的降解 速率以及较好的生物相容性,目前已受到越来越广泛的关注,在生物医学领域具有一定的 应用前景。利用静电纺丝法以及同轴静电纺丝法制备交联改性的再生丝素蛋白纳米纤维膜、利用 多壁碳纳米管(MWCNTs)增强的左旋聚乳酸聚己内酯共聚物P(LLA-CL)】纳米纤维膜以 及再生丝素
18、蛋白左旋聚乳酸聚己内酯共聚物复合的纳米纤维支架材料,考察其在组织工程 中的初步应用。相关背景综述如下。12组织工程支架组织工程学(Tissue Engineering)rq又称再生医学,是近年来逐步发展起来的-I新 学科,是材料学、工程学以及生命科学共同发展并相互融合的产物,其基本思路是先在体浙江理工大学硕士学位论文外分离、培养细胞,后将一定数量的细胞接种在具有一定空间结构的支架上,并且通过细 胞间的黏附、生长繁殖及分泌细胞外基质,从而构成一定结构及功能的组织或器官,用于 代替坏损的组织或者器官的一部分或者全部的功能f8】。在组织工程中的三大基本要素是组织工程支架、种子细胞以及组织构建。而构建
19、人体 组织或器官涉及种子细胞在生物反应器中大规模培养和繁殖,生物力学信号施加以及生长 因子等化学信使的控制释放等关键技术。其中,支架材料在组织工程研究领域中起核心作 用,它不仅可以为特定的细胞提供结构支撑的作用,还可以起到模板的作用,引导组织再 生以及控制组织结构。因此,用于组织工程的支架材料既是组织工程的基础,又是组织工 程成败的关键,所以说寻找一种既具有良好的生物相容性以及生物降解性又具有一定的形 状以及连通三维多孔结构的支架材料是组织工程领域的一个重要研究课题。组织工程支架材料是一种可以为构建组织细胞提供一个三维支架,它不仅有利于细胞 的粘附、增殖以及分化,同时为细胞生长和繁殖提供了合适
20、的外部环境。因此除了满足一 般生物医学材料的要求外,组织工程学所需要的理想支架材料还应符合以下要求19】:(1)具有良好的生物相容性,无明显的细胞毒性、免疫排斥以及炎症反应,不会因 邻近组织而受到排异;(2)具有合适的孔尺寸、较高的孔隙率以及相连通的孔形态,可以有利子细胞的粘 附、增殖以及细胞外基质的形成、氧气及营养的传输、代谢产物的排泄,同时还有利于血管和神经的内长入;(3)具有可降解性以及一定的降解速率,当移植的细胞或组织在被植入体内存活时, 支架材料可以自行降解,降解速率能与细胞和组织的生长速率相匹配;(4)具有较高的比表面积、合适的表面理化性质以及良好的细胞界面关系; (5)具有一定的
21、结构强度,且与植入部位组织的机械性能相匹配,能在体内保持结构稳定性及完整性;(6)具有理想的二维或三维结构,便于加工成所需的组织或器官形状,且移植到体 内后能保持固有形状。组织工程是近些年逐步发展起来的新兴学科,支架材料作为组织工程领域的关键因 素,其研究也得到了迅猛发展,涵盖了天然生物材料及人工合成高分子材料两大类。而人2浙江理工大学硕士学位论文们对于组织工程相关产品的迫切需求,也将吸引更多优秀的研究人员致力于组织工程领域 相关产品的开发。13静电纺丝131静电纺丝原理静电纺丝法又称静电纺,是目前为止制备纳米级或亚微米级纤维最为有效而简便的方 法,它由Formhals1伽于1934年首次申请
22、了关于静电纺丝的专利,并设计了第一套静电纺 丝装置。该装置如图11所示。静电纺丝装置由三部分组成,即储液器、高压电源以及收 集装置。1964年,Taylor以完全导电的液体为模型【】,他认为液体静电雾化时,喷嘴尖端会形成一个锥形液柱泰勒锥(Taylor cone),并分析解决了弯月形锥形液柱中的力平衡 问题,发现在临界电压下的半锥角为493度,当电压继续增大,突破临界电压时,形成的 电场力就会克服聚合物液滴表面的张力以及粘滞力,使聚合物液滴产生一股不稳定的喷射 流,在电场力继续作用下,喷射流被迅速牵伸,沿着不稳定的螺旋轨迹运动,同时溶剂挥 发、熔体固化,纳米纤维逐步形成,并最终固积在收集装置上
23、。”帅”一HK】h Vf)loe Power!;unolV岫研。d口匿I】要歪至工132影响静电纺丝的因素 影响静电纺丝的工艺参数有很多种,大体可分为两个方面:(1)过程参数的影响:纺丝电压【1 21、纺丝距离【13】、纺丝液流量【12l、喷丝头内径141以及环境参数【15】。(2)纺丝液性 质的影响:浓度和黏度【16l、纺丝溶剂117J、溶液表面张力【】8】、高聚物分子量【1 91、添加物【20J 等。在上述的各种影响因素中,浓度和黏度、纺丝溶剂、高聚物分子量、添加物、纺丝电 压、纺丝距离以及纺丝流量这些影响因素对于静电纺丝的影响较大,而目前已有大量文献 12t-25报道这些因素是如何影响静
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