静电纺PCL纤维的结构及力学性能表征

论文摘要

静电纺丝技术由于其能制备亚微米级甚至纳米级纤维,在组织工程领域被广泛使用,并且成为生产组织修复生物材料的主要方法。在本研究课题中,使用生物可降解聚己酸内酯（polycaprolactone-PCL）以及其与天然胶质的混合物作为静电纺丝的原液。在静电纺丝过程中,对高聚物分子量,原液浓度,原液导电性以及有机溶剂等原液工艺参数进行优化,分析对比不同参数下得到的纤维形态和尺寸。分子量的选择在纺丝液的制备中具有举足轻重的地位,从电镜照片上看,10000g/mol的PCL无法获得纤维,43000g/mol和80000g/mol的PCL能在一定浓度范围内得到较均匀的纤维。选取80000g/mol的PCL颗粒,并且增加纺丝液浓度时,纤维由非均匀态逐渐变得均匀,直径也有细微的增加,但过高的浓度会使得喷丝不稳定。原液导电性与溶解高聚物颗粒的有机溶剂的选择有关,醋酸/吡叮溶剂能电离出大量离子,因此提高了纺丝液的导电性,从而可制备出亚微米甚至纳米尺度的纤维,而以DMF为溶剂的纺丝液只能获得微米级的纤维。在工艺设备方面,利用自制的转鼓设备收集各向异性的取向纤维膜,使得原来杂乱排列的纤维排列于同一方向。收集过程中,高速悬转的转鼓进一步拉伸纤维,从而提高取向度。取向排列的纤维膜在浸润性能方面已经有所改善。通过DSC分析仪计算得到纤维的结晶度,发现亚微米和纳米级纤维的结晶度高于微米尺度的纤维。红外二色法在测试纤维取向度时得到应用。在拉伸性能测试中,两种尺度的纤维有着不同的断裂行为。根据拉伸曲线,微米级纤维膜有较大的断裂伸长率,而纳米级纤维的弹性变形较小,模量大。原子力显微镜在本研究中用于研究单纤维的弯曲特性。制样时,直接将纤维纺在硅质微米级栅栏上,纤维自由搭在栅栏的两端。使用三点弯曲法,根据应力-位移曲线计算单纤维的弯曲模量,分析弯曲模量与纤维直径,纤维微结构的关系。弯曲模量与纤维直径成反比。PCL与天然胶质的混合物也通过静电纺丝法制备纤维。三种方法验证了这两种物质能够共混。通过红外光谱图,发现在混合物中,天然胶质中的特征峰酰胺基Ⅰ和Ⅱ发生明显的偏移;扫描电镜照片中混合物纤维的表面不存在两相结构;蒸馏水沥滤实验后,试样质量没有损失,这也证明了天然胶质未从混合物中溶出。天然胶质的加入也使得纤维直径明显变小,纤维膜由疏水变为亲水,这点是用于组织工程生物材料的重要特性。但是混和纤维的弹性有明显的降低。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• 1.Introduction
• 1.1 Electrospinning
• 1.1.1 Principle and apparatus
• 1.1.2 Instrumental and chemical parameters
• 1.2 Tissue Engineering
• 1.2.1 Requirement of the biomaterials
• 1.2.2 Applications of e-spinning technique
• 1.3 Used Materials
• 1.3.1 Polycaprolactone
• 1.3.2 Collagen
• 1.3.3 Mixtures of polymers
• 1.4 Significance and purpose
• 2.Samples and experimental methods
• 2.1 Sample preparation
• 2.2 Test methods
• 2.2.1 Differential Scanning Calorimetry（DSC）
• 2.2.2 SEM
• 2.2.3 TEM
• 2.2.4 Viscosity
• 2.2.5 Electrical conductivity
• 2.2.6 Tensile test
• 2.2.7 Water contact angle
• 2.2.8 AFM
• 2.2.9 Fourier Transform Infrared Spectroscopy（FTIR）
• 3.Discussion and analysis
• 3.1 Pure PCL fiber spinning
• 3.1.1 Influence of the polymer concentration
• 3.1.2 Influence of the molecular weight
• 3.1.3 Properties of the pure electrospinning fibers
• 3.2 Blend fibers spinning
• 3.2.1 Fiber morphology
• 3.2.2 Properties of the blend spinning fibers
• 3.3 Compatibility
• 3.3.1 FT-IR measurement
• 3.3.2 Leaching test
• 3.3.3 TEM results
• 3.4 Orientation measurement
• 3.5 Bending properties
• 3.5.1 Topography
• 3.5.2 Force-displacement curves
• 3.5.3 Bending tests
• 4.Conclusions and prospects
• 4.1 Conclusions
• 4.2 Prospects
• 5.References
• ACKNOWLEDGEMENT