生物材料静电纺丝及其应用研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lb878719
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聚乳酸具有良好的生物性能,同时也具有一定的机械性能,如:抗拉强度,弹性恢复性好,延展性和热塑性。本论文通过常规的控制单一过程变量的方法进行了熔体静电纺丝法制备左旋聚乳酸的平板接收实验。本研究的设备是本实验室自己研发的熔体静电纺丝机,实验制备的纤维作为后续实验的参照组。研究结果发现,这种颗粒状左旋聚乳酸在熔体静电纺丝机的热加工温度在190 ℃~230 ℃,其中,电压和距离影响纤维粗细的范围跨度比较大,但是,规律不明显。本论文研究的高压电源的范围是30 kV~45 kV,加热温度范围是220 ℃~250 ℃,研究的纺丝距离为6.5 cm到9.5 cm之间。最细,最均匀纤维在距离为7.5 cm,加热温度为250 ℃,电源电压为35 kV时产生。在这个条件下制备的纤维平均直径为3.591±1.484μm,并且总结得出了 4个工艺条件对纤维直径以及结晶度的作用规律。在保持其他实验条件不变的情况下,实验组把参照组的大平板接收换成了静止的直径为8 mm的圆柱和高压针尖接收,制备了细化的左旋聚乳酸纤维,并且同样研究了过程参数对纤维的影响,重点研究了温度对纤维直径的影响。实验结果表明,通过11组实验对照,减小接收板可以使纤维聚集,并且使纤维的平均直径变小。综合39组实验结果,最佳实验条件在250 ℃,30 kV,7.5 cm条件下,制备的最细纤维的为2.658±1.632 μm。根据研究结果得出以下规律:在6.5 cm与8.5 cm之间,随着纺丝的距离越远纤维越细,在30 kV~45 kV之间,随着施加的电压越大,纤维越细,但是温度对其的作用规律不明显,也与其他人研究结论类似。3D打印法这种加工方法的主要原理是将原材料通过加热,从喷嘴流出然后胀大,通过空冷再次沉积在被控制了 3个自由度的接收板上。这种加工方式近年来在国内外研究中发展迅速,原理上也与熔体静电纺丝有着异曲同工之妙。因此,本研究通过实验室自主搭建了一个3D打印笔与直流高压电源结合的新型熔体纺丝装置,并且用移动的高压针尖代替了接收平板,利用近场静电原理,通过与之前实验一样的方式研究了纤维的各种环境因素对纤维直径以及结晶度的规律,使用的材料是丝状聚乳酸,用不存在高压电源的情况作为实验的对照组。研究结果表明,制备纤维的平均直径最小,直径方差分布范围最小的纺丝条件为工作温度180 ℃,应用高压电45 kV,纺丝的距离6 mm。这个条件下,获得的最佳纤维的平均直径0.5171±0.0249mm。运用这个条件,实验组精确打印出了几种不同的图案:直线,直角,方形,二层、三层重叠的和圆形的,证明了高压电对纤维的细化作用在熔融沉积中依然存在。这说明了增加高压电源可以作为一种简单的,成本低廉的改善3D打印中纤维粗细的方法运用到实际情况下。之后,运用一样的近距离接收静电纺丝原理和装置,针尖接收,在15 kV,230 ℃,4 mm制备出了细化的直写的纤维平均直径为4.64±0.73μm,并且制备出了图案化的纤维,主要是圆弧转折和直角转折。为了进一步研究有序化纤维用于制备具有生物性能的材料研究,本论文用熔体静电纺丝高速转辊接收法制备了 5组的不同比例的PLLA/PEO/nHA混合体系的纤维膜。先找出最合适的接收转速以及最好的电源电压,然后再用5组制备出排列整齐的膜;通过为期8周的体外降解实验,证明了混料膜具有好的降解性;通过力学性能测试证明了有序混合膜在力学特性具有的优势;结晶性能的测试表明了各组分在影响混合膜结晶度中发挥的作用。这种综合性能较好的混合膜有望用于骨组织工程的研究。
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