静电纺串珠纳米纤维膜机械性能的研究

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静电纺串珠纳米纤维可以将颗粒药物包裹在串珠内,此结构能有效延长药物的释放周期和降低药物的初始释放量,因此串珠纳米纤维为解决药物突释问题提供了新思路。因为静电纺串珠纳米纤维所具备的良好的药物缓释性能,所以在组织工程领域有无限的前景。进一步用于组织工程中,因为不同部位的组织对力学性能的要求不尽相同,所以力学性能设计也是组织工程支架设计非常重要的方面,前人学者对串珠纳米纤维机械性能的研究十分有限,基本处于空白阶段,故本课题对静电纺串珠纳米纤维膜的机械性能进行研究。
  影响串珠纳米纤维膜机械性能的主要因素总结起来主要有三方面,串珠纳米纤维的外观形貌、膜的孔隙率和纤维的排列分布。通过改变纺丝溶液浓度和溶剂挥发性以及改变接收装置对以上主要因素进行改变,从而来探究这些主要因素对串珠纳米纤维膜机械性能的影响规律,进而来提高串珠纳米纤维膜的机械性能。
  (1)通过改变纺丝溶液浓度来研究溶液浓度对纤维形貌的影响,通过电子扫描显微镜(SEM)对纤维形貌进行观察,发现纺丝溶液浓度对纤维形貌的影响十分显著。随着浓度增大,串珠数量急剧减少直至变为光滑纳米纤维;还发现串珠数量与纤维直径之间关系十分密切,随着纤维直径增大,串珠数量逐渐减少。进一步通过对其机械性能进行测试并分析串珠数量以及纤维直径对机械性能的影响,发现不仅串珠纳米纤维膜的机械性能明显差于光滑纳米纤维膜,而且随着串珠数量的增多,机械性能越差。
  串珠数量不仅影响串珠纳米纤维膜的机械性能,而且与载药性能关系密切,根据串珠数量对药物释放性能的影响再结合串珠数量和纤维直径对机械性能的影响,故在满足适合载药的基础上为后续机械性能研究确定了纺丝溶液的基础浓度为140 mg/ml。
  (2)进一步通过改变溶剂的种类对纤维形貌进行研究,研究发现随着溶剂挥发性增大,纤维直径逐渐增大,此外发现当使用挥发性小的六氟异丙醇时,纤维与纤维间融接点明显多于其他挥发性较大的溶剂。通过对串珠纳米纤维膜的机械性能进行测试,测试结果表明使用挥发性小的六氟异丙醇为溶剂制备得到的串珠纳米纤维膜,其孔隙率由80.05 %(氯仿和丙酮的混合溶剂)降到70.65 %,断裂强度提高到3.13 MPa(是氯仿和丙酮混合溶剂的2.7倍),断裂伸长率提高到121.71%(是氯仿和丙酮混合溶剂的3.3倍)。
  溶剂挥发性主要通过影响串珠纳米纤维膜的孔隙率,进而对机械性能产生影响。挥发性小的溶剂能显著降低膜的孔隙率,从而使其机械性能得到显著提升,特别是断裂强度和断裂伸长率。由此可以利用溶剂的挥发性对串珠纳米纤维膜的孔隙率进行调控来对串珠纳米纤维的机械性能进行优化。
  (3)研究中还发现,选用挥发性小的六氟异丙醇为溶剂,即使串珠纳米纤维膜的机械性能得到了增强,但是串珠纳米纤维膜的机械性能与光滑纳米纤维膜仍存在较大差距。于是在选用挥发性小的六氟异丙醇为新溶剂体系的基础上,进一步通过改变纤维的排列分布来增强串珠纳米纤维膜的机械性能。在此阶段利用滚筒接收装置代替原本的平板接收装置,通过滚筒转速的调节提高纤维的取向程度。研究发现,串珠纳米纤维膜在较低转速条件下即可明显改善纤维的排列分布,此外转速过高会破坏串珠纳米纤维的串珠结构甚至会拉断纤维。当转速达到800 rpm时,即可得到纤维取向分布明显的串珠纳米纤维膜,断裂强度、杨氏模量和断裂伸长率亦得到进一步增强,分别达到8.08 MPa,151.32 MPa和233.44%,此时串珠纳米纤维膜的机械性能与光滑纳米纤维膜的差异明显减小,能满足软骨组织对机械性能的要求。
  通过对串珠纳米纤维膜的纤维外观形貌优化、孔隙率以及取向排列程度的调控可对其机械性能在一定范围内进行调控,将来有望灵活应用于不同器官或组织的修复。
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