PHBV纳米纤维支架的制备及其性能研究

论文摘要

聚（羟基丁酸酯-羟基戊酸酯）（PHBV）是聚羟基脂肪酸酯的一种,它是由微生物合成的,具有良好的生物相容性和机械强度,它的最终降解产物是（R）-3-羟基丁酸,这是人体血液中的一种常见组分。近年来,PHBV被作为一种可降解的组织工程材料引发越来越多的关注。目前制备PHBV支架的方法主要是热压-粒滤、电纺丝和自组装,由于这几种方法各有其局限性,故本研究尝试采用相分离的方法来制备PHBV纳米纤维支架。研究过程中,通过改变混合溶剂中两个组分的比例以及冷凝温度,研究这两个因素对PHBV支架的形貌及结晶性质的影响。研究发现通过调节氯仿/二氧六环混合溶剂中两个组分的比例和冷凝温度可制备PHBV纳米纤维支架,纤维形貌规整,直径约为50～300nm,孔径均一,孔隙联通良好。混合溶剂中两种溶剂的比例会影响凝胶化所需的温度以及纳米纤维形成所需的冷凝温度和冷凝温度的范围。当混合溶剂中二氧六环比例较低的时候,PHBV需要较低的温度才能达到凝胶化的要求;随着混合溶剂中二氧六环比例变大,PHBV凝胶化所需温度范围变大。当二氧六环比例为10%和50%条件下只能制备得到孔壁结构多孔支架;当二氧六环的比例为20%～40%时,才有可能制备得到PHBV纳米纤维支架。而在这个溶剂混合比例范围内,随着溶剂中二氧六环含量的增加,成纤维所需温度范围扩大,从20%二氧六环下只在-80℃才能形成纳米纤维结构;到40%二氧六环下,4℃～液氮条件下都可形成纳米纤维结构。根据PHBV在氯仿及二氧六环中的溶解度差异,制备了具有形貌差异的PHBV多孔支架。结果表明,在冷凝温度为-24℃时,氯仿/二氧六环溶剂配比为70/30时,制备得到形貌规整的纳米纤维支架,而在溶剂配比为90/10和50/50时,制备得到孔-壁结构多孔支架。纳米纤维支架的结晶度比孔壁结构支架的结晶度低很多,而且,前者在b轴上有明显的择优取向,在（020）和（110）方向上的晶粒尺寸也比孔壁结构支架的大,且在纳米纤维支架中,PHBV的晶型更单一,主要为β相,而且晶粒尺寸分布较窄。从红外数据也可以发现,纳米纤维支架中PHBV链段上的C=O和C-O-C较多孔支架更具有取向性。由于纳米纤维的拓扑结构及生物效应,使其在细胞学实验中表现出良好的细胞粘附性及促进生长的作用。利用氯仿和二氧六环冷凝点的不同,在不同的冷凝温度下制备了一系列具有形貌差异的PHBV纳米纤维支架。研究表明,PHBV纳米纤维支架的形貌受冷凝温度的影响,当冷凝温度为-24℃～-80℃时,可制备得到纤维大小均一,形状规整,空隙联通性良好的纳米纤维支架;XRD、FTIR和DSC的分析结果表明,随着冷凝温度的降低,PHBV的结晶度下降,（020）方向上的结晶晶粒尺寸减小,聚合物中的α相减少,当冷凝温度降到-80℃时,PHBV中只存在β相。在细胞粘附实验中,在冷凝温度为-24℃～液氮条件下制备的PHBV纳米纤维支架表现出良好的粘附性能。采用原子力显微镜进一步观察PHBV薄片样品的微观形貌以及PHBV球晶的晶体结构和形貌。观察结果表明,薄片状的样品成纤维温度所需温度要求比3D结构的支架样品的低,只需达到4℃就可观察到纳米纤维形貌,所得到的纳米纤维束是由许多细小的单根纳米纤维组成的;随着冷凝温度的降低,到-24℃时,组成纳米纤维束的单根纳米纤维直径更小,长度更长;但当温度继续降低时,PHBV样品的形貌出现变化,出现针状的纤维;随着温度的继续降低,PHBV样品中的纳米纤维减少,出现大团状的形貌。而混合溶剂中两种溶剂的比例不同会影响PHBV样品的相分离过程,虽然当混合溶剂中二氧六环比例为10%和50%时,PHBV支架都是形成孔-壁结构,但是从AFM照片中可以看出,当二氧六环比例较低时,PHBV样品比较分散,片状样品边界不清晰,形状不规则,而在含量较高时,PHBV呈现较小的长片状,边界清晰,形状规整,结构紧凑。同时,通过PHBV球晶形貌的观察分析发现,PHBV带状球晶随着冷凝温度的降低球晶直径减小。这一方面是因为随着冷凝温度的降低,形成球晶的晶核增加;另一方面是因为大量的球晶挤压在一起,阻碍球晶的继续生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 组织工程
• 1.1.1 组织工程的产生及意义
• 1.1.2 组织工程的关键问题
• 1.2 生物材料与细胞的相互作用
• 1.3 组织工程支架材料
• 1.3.1 高分子支架材料
• 1.3.2 无机支架材料
• 1.4 三维多孔支架材料的研究现状
• 1.4.1 含微球多孔支架的研究现状
• 1.4.2 孔-壁结构多孔支架的研究现状
• 1.4.3 纳米纤维多孔支架的研究现状
• 1.5.P HBV 多孔支架的研究现状
• 1.6 本论文研究的目的、内容、意义及创新性
• 第二章 PHBV 支架凝胶化条件研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 主要材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.3 性质与表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 不同溶剂种类对PHBV 凝胶化的影响
• 2.4.2 不同溶剂比例的氯仿/二氧六环混合溶剂及不同冷凝温度对 PHBV 凝胶化的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 PHBV 多孔支架的构建及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 主要材料
• 3.2.2 仪器设备
• 3.2.3 PHBV 多孔支架的制备
• 3.3 性能与表征
• 3.3.1 SEM 形貌观察
• 3.3.2 广角X 射线测支架的结晶度
• 3.3.3 红外光谱表征
• 3.3.4 DSC 测试
• 3.3.5 细胞粘附实验
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 SEM 形貌观察
• 3.4.2 PHBV 纳米纤维支架的WAXD 表征
• 3.4.3 PHBV 多孔支架的红外表征
• 3.4.4 PHBV 多孔支架的DSC 实验
• 3.4.5 PHBV 纳米纤维支架的细胞粘附实验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 PHBV 纳米纤维支架的构建及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 主要材料
• 4.2.2 仪器设备
• 4.2.3 PHBV 支架的制备
• 4.3 性能与表征
• 4.3.1 SEM 形貌观察
• 4.3.2 广角X 射线测支架的结晶度
• 3.3.3 红外光谱表征
• 4.3.4 DSC 测试
• 4.3.5 细胞粘附实验
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 SEM 形貌观察
• 4.4.2 PHBV 纳米纤维支架的WAXD 表征
• 4.4.3 PHBV 纳米纤维的红外表征
• 4.4.4 PHBV 纳米纤维支架的DSC 实验
• 4.4.5 PHBV 纳米纤维支架的细胞粘附实验研究
• 4.5 讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 运用AFM 研究PHBV 纳米纤维的结晶性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 主要材料
• 5.2.2 仪器设备
• 5.2.3 样品的制备
• 5.2.4 AFM 观察PHBV 玻璃片表面形貌
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件