具有可控拓扑排列或次级结构的电纺纳/微纤维材料的机理和应用研究

论文摘要

具有良好的生物相容性、高孔隙率、高比表面积、优异的力学性能以及合适的降解速度等特性的材料,在组织工程和给药系统等领域的应用中具有极其重要的作用。与此同时,基质材料的界面结构和界面性质能够强烈的影响细胞的生长增殖、细胞与基质交互作用、药物的装载和释放等的特性。通过对电纺技术的提升能将多种材料成功的制备成电纺纳/微纤维材料,使得其不仅具有极高的比表面积、孔隙率、和长径比等特性,而且还具有特定的拓扑排列或次级结构。这种特定的拓扑排列和次级结构为电纺纤维材料提供了更为丰富的界面结构与界面性质,致使在给药系统、膜工程、传感器,以及组织修复工程等多个领域受到了研究者的高度关注。因此基于电纺技术实现具有可控的拓扑排列或次级结构的纳/微电纺纤维材料,对构建理想意义上的组织工程支架和给药系统具有一定的学术研究价值和潜在的广阔应用前景。本文结合力学、电学、生物医学、药剂学等多学科领域的相关知识,研究了电纺纤维在不同接收器表面具有特定排列的定向过程与机理,并基于该机理实现了电纺纤维拓扑排列的可控性;研究和考察了电纺纤维特定拓扑排列结构和多孔性次级结构对其表面特性、力学性能、细胞的生长增殖与分布,以及药物的吸附与释放等特性的重要影响,探讨了具有特定拓扑排列和次级结构纳/微电纺纤维材料在组织工程和给药系统领域的潜在应用。本文的主要内容和结果:①基于静电场泊松方程（式2.1）,通过有限元分析方法（Finite Element Method, FEM）仿真和揭示了接收器结构变化与电纺空间三维电场分布的对应关系。并建立电纺过程中带电电纺纤维在静电场中所受电场力的有限元三维计算模型,通过该模型仿真模拟和分析电纺纤维在近接收器表面空间响应特定电场分布的力学行为,以此阐述了电纺纤维在不同接收器表面进行特定拓扑排列的定向过程与可能机理。研究结果表明,通过接收器结构改变获得不同拓扑排列的关键在于接收器形状的变化改变了其空间电场的分布,从而导致带电电纺纤维在近接收器表面空间响应了不同的电场分布,具体表现为带电电纺纤维在电场力三个等效分力Fa、Fz和Fn作用下,电纺纤维在不同的空间位置表现出不同的运动形态,当其运行至特定空间位置时（如位置CD,见图2.9）,在电场力的作用下电纺纤维必然被定向从而最终形成不同的拓扑排列。②通过对电纺纤维的定向机理的分析和数值模拟可以为获得预期的特定拓扑排列结构提供接收器设计的理论依据和指导。基于该机理的分析与仿真,设计和制备了多种形态的接收器,并成功的获得了多种预期电纺纤维拓扑排列结构:平行排列（图3.6）,辐射状排列（图3.7,3.8D、E）,正交编制状排列（图3.8C）,复杂拓扑排列（图3.8A、图5.3）等,实现了电纺纤维拓扑排列的可控性。以编制网状结构的聚ε-己内酯（Poly （ε-caprolactone） PCL）电纺纤维膜（PCL NF mesh）为代表,通过表征该电纺纤维膜的形态结构、表面特性、力学性能等来分析排列结构对电纺纤维相关特性的差异性影响。实验结果表明,由于电纺纤维拓扑排列的影响,较之随机排列的电纺PCL纳米纤维膜（PCL RNF mat）的接触角134.9±2.1°, PCL NF mesh的接触角高达140.1±1.2°,十分接近于超疏水材料的接触角（≥145°）。与此同时,电纺纤维的拓扑排列还能显著的影响其纤维膜的力学性能,PCL NF mesh的弹性模量（6.27±0.53 MPa）高出PCL RNF Mat膜弹性模量（4.4±0.57 MPa）的40%,但后者（146.46%）比前者（87.30%）具有更高的形变率。③分别利用PCL NF mesh与PCL RNF Mat作为细胞培养基质（支架）培养小鼠胚胎成骨细胞株MC3T3-E1,评价电纺纤维拓扑排列结构对细胞生长的影响。实验结果表明,与随机排列的电纺纤维相比,电纺纤维的特定拓扑结构不但增强了细胞的增殖能力,而且使得细胞形态发生了较大的变化,即细胞会沿着电纺纤维的径向被拉伸。更为重要的是这种拓扑结构给予了细胞生长取向的结构指引,使得其表面生长的细胞分布能够模拟电纺纤维的特定拓扑结构。这对构建模拟天然细胞外基质（Extra Cellular Matrix, ECM）结构的组织工程支架,使其再生组织具有特定的细胞分布,从而发挥生理功能具有重要的意义。④通过电纺获得纳米盐颗粒/聚合物复合电纺纤维,盐析选择性去除纳米盐颗粒后,成功的获得了多孔性电纺纤维。实验结果表明纳米盐的粒径、掺杂量,及其在溶液中的分散度能够强烈的影响多孔性电纺纤维的比表面积,以及直径和孔隙的分布。这种有效的制备多孔性电纺纤维的方法较之相分离法有着更为广谱的材料选择。由于多孔性次级结构改变了电纺纤维表面的微结构,与表面光滑的电纺纤维膜（PCL ESF）135.1±1.9°的接触角相比,多孔性电纺纤维膜（PCL EPF）的表面接触角高达142.3°±1.2°。不仅如此,多孔结构的存在,使得PCL EPF与PCL ESF尽管弹性模量的差异不大,但最终破坏应力（EPF:2.98±0.05MPa;ESF:3.53±0.08MPa）和形变（EPF:125.46%;ESF:155.9%）具有明显的差异。多孔性次级结构不但影响了电纺纤维的表面特性与力学性能,还对药物的吸附与释放有着重要的影响。以扑热息痛（Acetaminophen, AAP）作为模型药物,研究和讨论了多孔性次级结构对药物物理吸附和释放的影响。研究结果表明,由于多孔性次级结构进一步增加了电纺纤维的比表面积,使得多孔性电纺纤维PCL EPF对AAP的物理吸附能力是PCL ESF的1.6倍。同时,由于多孔性次级结构增加了AAP-PCL电纺纤维系统的药物释放界面,并改变了其释放界面的微环境,因此,较之光滑的电纺纤维（累积释放比0.67）,使得AAP的释放速度更快,且释放更为完全（累积释放比0.98）。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 科学问题的提出
• 1.2 论文的研究目的和意义
• 1.3 论文的研究内容与技术路线
• 1.3.1 电纺纤维定向的机理研究
• 1.3.2 具有可控拓扑排列的电纺纤维
• 1.3.3 多孔性次级结构电纺纤维的制备
• 1.3.4 复杂拓扑排列对细胞生长的研究
• 1.3.5 多孔状次级结构对药物吸附与释放研究
• 1.4 论文的创新点
• 2 电纺纤维定向排列的机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料、仪器与试剂
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验仪器、软件
• 2.2.3 试验试剂
• 2.3 电纺装置
• 2.4 有限元分析工具
• 2.4.1 有限元法的基本原理
• 2.4.2 Maxwell 3D 10.0 静电分析包
• 2.5 实验方法
• 2.5.1 接收器设计
• 2.5.2 电纺
• 2.5.3 仿真
• 2.6 实验结果与分析
• 2.6.1 不同接收器所得电纺丝比较
• 2.6.2 三维仿真
• 2.7 讨论与小结
• 3 具有可控拓扑排列的电纺纤维
• 3.1 引言
• 3.2 材料、仪器与试剂
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验仪器、软件
• 3.2.3 试验试剂
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 接收器设计
• 3.3.2 仿真
• 3.3.3 电纺
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 三维仿真
• 3.4.2 电纺实验结果
• 3.5 讨论与小结
• 4 具有多孔状次级结构电纺纤维的制备
• 4.1 引言
• 4.2 材料、仪器与试剂
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验仪器
• 4.2.3 试验试剂
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 电纺
• 4.3.2 盐析
• 4.3.3 多孔性电纺纤维表征
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 氯化钠造孔剂
• 4.4.2 碳酸钙造孔剂
• 4.4.3 盐析
• 4.5 讨论与小结
• 5 电纺纤维的拓扑排列对细胞生长与分布的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料、仪器与试剂
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验仪器
• 5.2.3 实验试剂
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 电纺
• 5.3.2 PCL 电纺纤维形态结构表征
• 5.3.3 PCL 电纺纤维表面可湿性表征
• 5.3.4 PCL 电纺纤维力学性能检测
• 5.3.5 细胞培养
• 5.3.6 MTT 分析
• 5.3.7 细胞形态及分布表征
• 5.3.8 统计分析
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 电纺纤维的排列与表面特性
• 5.4.2 力学性能检测
• 5.4.3 细胞的增殖、形态与分布
• 5.5 讨论与小结
• 6 多孔状次级结构对药物吸附与释放特性的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料、仪器与试剂
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验仪器
• 6.2.3 试验试剂
• 6.3 实验方法
• 6.3.1 多孔性电纺纤维制备
• 6.3.2 多孔性电纺纤维形态表征
• 6.3.3 多孔性电纺纤维表面特性表征
• 6.3.4 多孔性电纺纤维力学性能检测
• 6.3.5 AAP 标准曲线
• 6.3.6 药物吸附
• 6.3.7 药物释放
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 多孔性电纺纤维表征
• 6.4.2 多孔性电纺纤维表面特性表征
• 6.4.3 多孔性电纺纤维力学性能检测
• 6.4.4 AAP 标准曲线
• 6.4.5 AAP 吸附实验
• 6.4.6 AAP 释放实验
• 6.5 讨论与小结
• 7 全文结论与后续工作建议
• 7.1 全文的主要结论
• 7.1.1 电纺纤维定向机理
• 7.1.2 可控性电纺纤维拓扑排列
• 7.1.3 电纺纤维拓扑排列结构在组织工程中的应用
• 7.1.4 多孔状次级结构的制备及对药物吸附和释放的影响
• 7.2 后续工作建议
• 8 综述 1 电纺技术的发展与现状
• 8.1 引言
• 8.2 电纺设备与机理
• 8.3 电纺参数
• 8.3.1 应用电压
• 8.3.2 流速
• 8.3.3 接受距离
• 8.3.4 电纺溶液浓度
• 8.3.5 溶剂挥发性
• 8.3.6 溶液导电性
• 8.4 电纺纤维的拓扑排列
• 8.4.1 平行排列
• 8.4.2 编织结构
• 8.4.3 拓扑图案
• 8.5 电纺纤维的次级结构
• 8.5.1 多孔性次级结构
• 8.5.2 核壳结构
• 8.5.3 中空结构
• 8.6 结论
• 9 综述 2 电纺应用于组织工程与给药系统领域的发展与现状
• 9.1 引言
• 9.2 电纺应用于组织工程
• 9.2.1 材料
• 9.2.2 表面特性
• 9.2.3 定向排列
• 9.3 电纺纤维应用于给药系统
• 9.3.1 材料
• 9.3.2 药物装载方式
• 9.4 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 在攻读博士学位期间发表的论文
• B. 英文缩略词表