无机离子对壳聚糖-聚环氧乙烷复合物可纺性的影响及规模化静电纺丝制膜研究

摘要

生物医用高分子材料是一个社会文明程度的物化,并伴随于人类社会的发展。高分子材料广泛应用于医学领域始于20世纪50年代。利用静电纺丝技术制备的生物医用高分子材料具有长径比高、比表面积大、孔隙率高等特点,已经得到了人们的广泛关注。但是,大量高分子材料难以借助环境友好的溶剂或者简单的技术条件实现高压静电纺丝并应用于医学领域。本文选取生物材料中常用的壳聚糖(Chitosan;简记为Chi)和分子结构简单、性能稳定的聚环氧乙烷(PEO),通过系统探索Chi和PEO复合体系的可纺性,以及实现规模化制备的途径,取得了良好的研究成果。具体研究内容和相关成果如下:
　　 1.无机金属离子介导Chi/PEO复合物可纺性研究
　　 首先,在目前常规静电纺丝实验装备条件下,向Chi中加入不同比例PEO组分进行纺丝,发现随着PEO组分显著增加,Chi的可纺性得到改善,在Chi:PEO质量比为1:9时得到连续的、表面光滑的纳米级纤维(直径为150-200 nm)。其次,选择难以实现电纺的Chi/PEO配比条件,分别研究了一、二、三价金属离子(Na+、Ca2+、Fe3+)对该高分子复合溶液可纺性的影响。结果发现,Na+离子在较低浓度下(0.2％)可改善Chi/PEO复合物的可纺性,并在0.4-1.6％范围具有优良的纤维形貌,并发现Na+离子在电纺过程发生二次结晶,在纳米级纤维体中析出NaCl晶体。在利用K+离子改善Chi/PEO复合物可纺性实验中也得到类似结果。相关研究还证实,Ca2+和Fe3+也可以显著改善Chi/PEO复合物的可纺性,其含量分别在0.4-1.2％和0.6-1.0％时得到连续纳米级纤维。依据上述无机金属离子介导Chi/PEO复合物电纺的一般规律,还成功制各了一元到四元人体生理代谢必需的微量元素(Mg2+、Zn2+、Sr2+、Fe2+)掺杂复合物纳米纤维。这些研究结果表明,人体生理代谢中的一些无机金属离子和微量元素能显著改善壳聚糖类高分子材料静电纺丝的可纺性,可望在创伤覆盖膜、骨再生引导膜以及营养学等领域开拓其应用价值。
　　 2.规模化连续制备Chi/PEO复合膜研究
　　 常规的单喷头喷丝.非运动接收载体型静电纺丝装备是制约静电纺丝膜材料商用化的瓶颈。据此,本课题对喷头数量和布局,接收载体形貌和运动方式等进行了改进,并探讨了连续规模化静电纺丝成膜的可行性。初步研究发现,从单喷头到二、三、四、六喷头组合均能实现复合物纳米纤维电纺并形成连续薄膜;同时,将载体由静态改为同轴转动,也能形成纤维薄膜。这一研究为高压静电纺丝连续成膜和规模化生长提供了良好借鉴意义。
　　 总之,通过本课题的研究,为解决可纺性差的高分子材料一步无污染静电纺丝成膜、微量元素协同掺杂纳米纤维的连续规模化制备提供了新的技术方案。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 静电纺丝技术

1.2.1 发展历程

1.2.2 研究现状

1.2.3 基本原理

1.2.4 影响因素

1.2.5 主要问题

1.3 高分子纤维膜以及生物医学应用

1.3.1 传统纤维

1.3.2 纳米纤维膜

1.3.3 电纺纤维膜

1.3.4 传统生物医用膜

1.3.5 生物医用静电纺丝膜

1.4 课题的提出与研究内容

第二章 实验材料与测试方法

2.1 化学试剂

2.2 实验仪器

2.3 材料制备

2.3.1 高分子溶液的配制

2.3.2 实验条件

2.3.3 样品收集

2.3.4 样品处理与保存

2.4 材料表征

第三章 无机金属离子介导CHI/PEO复合物可纺性研究

3.1 引言

3.2 PEO掺杂Chi溶液的静电纺丝过程

3.2.1 实验方案

3.2.2 实验结果与讨论

3.3 珠丝现象

3.4 金属离子对静电纺丝产物微形貌的影响

3.4.1 实验方案

3.4.2 实验结果与讨论

3.5 不同金属离子含量对静电纺丝产物微形貌的影响

3.5.1 一价金属离子不同含量的影响

3.5.2 二价金属离子不同含量的影响

3.5.3 三价金属离子不同含量的影响

3.5.4 三种金属离子对静电纺丝产物微形貌影响的对比

3.6 多元金属微量元素掺杂电纺纳米纤维的初步探索

3.7 本章小结

第四章 连续规模化制备CHI/PEO复合膜研究

4.1 引言

4.2 实验装置

4.2.1 中空圆环管道多喷头和球面成膜的静电纺丝制膜装置

4.2.2 改进后的进料喷头装置

4.2.3 改进后的辅助装置

4.2.4 改进后的收集装置

4.3 实验方案

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 不同类型收集装置

4.4.2 多喷头和转动收集装置

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

作者在读研究生期间主要学术活动和成果