再生丝素蛋白水溶液的微流体静电纺丝研究

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采用静电纺丝技术制备的支架材料可以最大限度地模拟细胞外基质,成为制备组织工程支架的主要技术之一。然而这种传统的纺丝技术与生物体纺丝器相比存在很大差异,无法模拟纤维成型过程中的复杂性。蜘蛛和蚕体内的生物仿生器在结构和功能上可以看做是某种复杂的微流体装置。利用微流体技术可以在微观尺度下控制、操作和检测复杂流体,甚至实现纺丝。在本论文中我们将微流体技术与静电纺丝技术相结合,使用微流体芯片及聚醚醚酮(PEEK)管路作为纺丝器,通过这种新颖的微流体静电纺丝技术将再生丝素蛋白水溶液(SF)纺成纤维毡。我们探索了它们的最佳纺丝工艺参数,并且通过改变微流体芯片尺寸,研究剪切和拉伸条件对纤维毡二级结构的影响。最后,使用微流体多通道芯片成功制备了SF/SS(丝胶)和SS/SF/SS纤维毡。采用扫描电子显微镜、透射电镜、红外光谱、拉曼光谱、差示扫描量热仪、X射线衍射、毛细管流动孔径测定仪和电子万能材料试验机等方法进行表征。为确定微流体芯片静电纺丝的最佳条件,本论文研究了SF质量分数、纺丝电压以及注射泵流速对纤维毡形貌、结构及性能的影响。结构表明:在SF质量分数33wt%、纺丝电压25kV、纺丝液流速1.2mL/h的条件下可以得到表观形貌良好、纤维粗细均匀的纤维毡。通过改变微流体芯片的出口段宽度、拉伸段和剪切段长度,从而对SF水溶液施加不同的拉伸和剪切条件。研究发现,拉伸速率和剪切速率的增加都有利于无规/α-螺旋构象向β-折叠构象转变,从而改善SF纤维的二级结构。我们也探索了PEEK管路微流体静电纺丝的最佳纺丝条件,PEEK内径、SF质量分数、电压和流速也会对纤维的形貌和性能产生影响。将微流体芯片、PEEK管路和传统的不锈钢针头(SUS)静电纺丝进行对比,相同横截面积下,芯片具有更小的当量直径和更大的剪切速率,纺得的纤维毡形貌良好、孔径最小,具有较高的β-折叠结构和结晶度,力学性能也比较优异。我们探索了丝素溶液和丝胶溶液共同纺丝的条件。以微流体双通道芯片作为纺丝器,成功制备了SF/SS纤维毡。两流体在微通道中以层流方式流动,到达芯片出口处既不共混也不分层,而是各自独立成丝,通过扫描电镜可以观察到粗细差异较大的两种纤维共存,形貌较好。使用PEEK管路代替双通道芯片静电纺丝时发现,纺丝得到的SF/SS纤维毡形貌变差。使用微流体三通道芯片成功制备了SS/SF/SS纤维毡,丝胶部分与丝素部分形成了三明治螺旋特殊结构。丝胶部分位于三明治的外侧,丝素部分位于内侧,丝胶部分包裹着丝素部分,相互缠结卷绕。微通道的层流和可控扩散特性可实现复杂的流体操控,我们有望制备具有特殊结构的静电纺丝纳米纤维,进一步拓展其在生物缓释、药物载体、基因修饰、医药检测等方面的应用。
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