具有可控拓撲排列或次級結構的電紡納-微纖維材料的機理和應用研究.pdf

1、具有良好的生物相容性、高孔隙率、高比表面積、優(yōu)異的力學性能以及合適的降解速度等特性的材料，在組織工程和給藥系統(tǒng)等領域的應用中具有極其重要的作用。與此同時，基質材料的界面結構和界面性質能夠強烈的影響細胞的生長增殖、細胞與基質交互作用、藥物的裝載和釋放等的特性。通過對電紡技術的提升能將多種材料成功的制備成電紡納/微纖維材料，使得其不僅具有極高的比表面積、孔隙率、和長徑比等特性，而且還具有特定的拓撲排列或次級結構。這種特定的拓撲排列和次級結構

2、為電紡纖維材料提供了更為豐富的界面結構與界面性質，致使在給藥系統(tǒng)、膜工程、傳感器，以及組織修復工程等多個領域受到了研究者的高度關注。因此基于電紡技術實現具有可控的拓撲排列或次級結構的納/微電紡纖維材料，對構建理想意義上的組織工程支架和給藥系統(tǒng)具有一定的學術研究價值和潛在的廣闊應用前景。
　　 本文結合力學、電學、生物醫(yī)學、藥劑學等多學科領域的相關知識，研究了電紡纖維在不同接收器表面具有特定排列的定向過程與機理，并基于該機理實現了

3、電紡纖維拓撲排列的可控性；研究和考察了電紡纖維特定拓撲排列結構和多孔性次級結構對其表面特性、力學性能、細胞的生長增殖與分布，以及藥物的吸附與釋放等特性的重要影響，探討了具有特定拓撲排列和次級結構納/微電紡纖維材料在組織工程和給藥系統(tǒng)領域的潛在應用。
　　 本文的主要內容和結果：
　　 ①基于靜電場泊松方程(式2.1)，通過有限元分析方法(Finite Element Method，FEM)仿真和揭示了接收器結構變化與電紡

4、空間三維電場分布的對應關系。并建立電紡過程中帶電電紡纖維在靜電場中所受電場力的有限元三維計算模型，通過該模型仿真模擬和分析電紡纖維在近接收器表面空間響應特定電場分布的力學行為，以此闡述了電紡纖維在不同接收器表面進行特定拓撲排列的定向過程與可能機理。研究結果表明，通過接收器結構改變獲得不同拓撲排列的關鍵在于接收器形狀的變化改變了其空間電場的分布，從而導致帶電電紡纖維在近接收器表面空間響應了不同的電場分布，具體表現為帶電電紡纖維在電場力三個

5、等效分力Fa、Fz和Fn作用下，電紡纖維在不同的空間位置表現出不同的運動形態(tài)，當其運行至特定空間位置時(如位置CD，見圖2.9)，在電場力的作用下電紡纖維必然被定向從而最終形成不同的拓撲排列。
　　 ②通過對電紡纖維的定向機理的分析和數值模擬可以為獲得預期的特定拓撲排列結構提供接收器設計的理論依據和指導?；谠摍C理的分析與仿真，設計和制備了多種形態(tài)的接收器，并成功的獲得了多種預期電紡纖維拓撲排列結構：平行排列(圖3.6)，輻射狀

6、排列(圖3.7，3.8D、E)，正交編制狀排列(圖3.8C)，復雜拓撲排列(圖3.8A、圖5.3)等，實現了電紡纖維拓撲排列的可控性。以編制網狀結構的聚ε-己內酯(Poly(ε-caprolactone)PCL)電紡纖維膜(PCLNF mesh)為代表，通過表征該電紡纖維膜的形態(tài)結構、表面特性、力學性能等來分析排列結構對電紡纖維相關特性的差異性影響。實驗結果表明，由于電紡纖維拓撲排列的影響，較之隨機排列的電紡PCL納米纖維膜(PCL R

7、NF mat)的接觸角134.9±2.1°，PCL NF mesh的接觸角高達140.1±1.2°，十分接近于超疏水材料的接觸角(≥145°)。與此同時，電紡纖維的拓撲排列還能顯著的影響其纖維膜的力學性能，PCLNF mesh的彈性模量(6.27±0.53 MPa)高出PCL RNF Mat膜彈性模量(4.4±0.57 MPa)的40％，但后者(146.46％)比前者(87.30％)具有更高的形變率。
　　 ③分別利用PCL N

8、F mesh與PCL RNF Mat作為細胞培養(yǎng)基質(支架)培養(yǎng)小鼠胚胎成骨細胞株MC3T3-E1，評價電紡纖維拓撲排列結構對細胞生長的影響。實驗結果表明，與隨機排列的電紡纖維相比，電紡纖維的特定拓撲結構不但增強了細胞的增殖能力，而且使得細胞形態(tài)發(fā)生了較大的變化，即細胞會沿著電紡纖維的徑向被拉伸。更為重要的是這種拓撲結構給予了細胞生長取向的結構指引，使得其表面生長的細胞分布能夠模擬電紡纖維的特定拓撲結構。這對構建模擬天然細胞外基質(Ex

9、tra Cellular Matrix,ECM)結構的組織工程支架，使其再生組織具有特定的細胞分布，從而發(fā)揮生理功能具有重要的意義。
　　 ④通過電紡獲得納米鹽顆粒/聚合物復合電紡纖維，鹽析選擇性去除納米鹽顆粒后，成功的獲得了多孔性電紡纖維。實驗結果表明納米鹽的粒徑、摻雜量，及其在溶液中的分散度能夠強烈的影響多孔性電紡纖維的比表面積，以及直徑和孔隙的分布。這種有效的制備多孔性電紡纖維的方法較之相分離法有著更為廣譜的材料選擇。

10、r>　　 由于多孔性次級結構改變了電紡纖維表面的微結構，與表面光滑的電紡纖維膜(PCL ESF)135.1±1.9°的接觸角相比，多孔性電紡纖維膜(PCL EPF)的表面接觸角高達142.3°±1.2°。不僅如此，多孔結構的存在，使得PCL EPF與PCL ESF盡管彈性模量的差異不大，但最終破壞應力(EPF：2.98±0.05MPa；ESF：3.53±0.08MPa)和形變(EPF：125.46％；ESF：155.9％)具有明顯的差

11、異。
　　 多孔性次級結構不但影響了電紡纖維的表面特性與力學性能，還對藥物的吸附與釋放有著重要的影響。以撲熱息痛(Acetaminophen,AAP)作為模型藥物，研究和討論了多孔性次級結構對藥物物理吸附和釋放的影響。研究結果表明，由于多孔性次級結構進一步增加了電紡纖維的比表面積，使得多孔性電紡纖維PCLEPF對AAP的物理吸附能力是PCL ESF的1.6倍。同時，由于多孔性次級結構增加了AAP-PCL電紡纖維系統(tǒng)的藥物釋放界面