2013-3-15明胶静电纺丝的研究进展_卢伟鹏

摘 要 :作 为 天 然 高 分 子 之 一 的 明胶 无 毒 无 味 , 具有优异的生物 相容 性及 生物 可 降解性 "利
术的实验 和理 论 工作 也 得到 了深 人 的研 究 " 目前 已有 几 百 种 聚 合 物 通 过 静 电 纺 丝 技 术 制
用静 电纺丝技术 制备 的 明胶 纳米 纤维膜 材料
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第 3 卷第 1 期
卢 伟鹏等 :明胶静 电纺丝 的研 究进展
可降解性 " 因此 , 利用静 电纺丝装 置制备的 明 对 未 来 明胶 纳 米 纤 维 膜 材 料 的 工 艺 性 能 研 究 胶三 维 纳米 结 构 纤 维 膜 材 料 可 广 泛 应 用 于 生 和 应 用 发展 具 有重 大 的影 响 , 并有 可 能 推 翻 或
物 医用材 料 领 域 , 明胶 静 电 纺 丝 研 究 正 受 到 越
修正过去有针 电纺所获得的条件参 数和推论 "
无 针 电纺 的关 键点 在 于 产生 电纺溶 液 的表 面扰
来 越 多 的关 注 " 本 文 着 重 从 明 胶 静 电 纺 丝 的
装置 ! 工艺 ! 影 响 因素及 应用 研究 现状进 行详 细 的 阐述 "
生 物相 容 性 !可 降 解 性 以及 低 免 疫 原 性 1 9一 川 "
因此 , 明胶 在 国民 的生 产 生 活 中 应 用 具 有 重 大 的 意义 " 目前 常 用 的 明 胶 加 工 手 段 ( 冻 干 !涂
布 ! 浸 渍等 )制 备 出 各种 明胶 产 品 , 例 如 明胶 海 绵 !明胶 膜 ! 胶囊 ! 胶 片, 其不具有纳米 结构 , 因 此 产 品在生 物 相容 性 ! 生 物 可 降解 性 上 具 有 一 方 面 性 能 的降 低 ;同 时 也 影 响 明胶 优 良生 物 活
上 , 而 有 针 电纺 则呈 现 螺 旋 型扩 张 发 散路 径 " 1 .2 明胶 静 电纺 丝 工 艺
高电场的作用下发生震荡 , 产生频 率极 高的不 规 则 性 螺旋 运 动 , 导 致 喷 射 流 被 快 速 拉 细 , 溶
剂迅速挥发 ,最 终形成 直径在 纳米级 的纤维 ,
并 以随机 的方式 散 落 在 收 集 装 置 上 , 形 成 纳 米 纤 维膜 , 或者 在 移 动/ 旋 转 的 收 集 装 置 上 , 形成
年 代 初 , 美 国阿 克 伦 大 学 R e n e k er 课 题 组 对 该 技 术进 行 了进 一 步研 究 , 利 用 静 电纺 丝 技 术 制 备了一 多种 聚合 物 直 径 较 小 的纤 维 , 推 动 了静 电 纺 丝技 术 的发 展 1 7, -2 " 近 十年 来 随着 对 纳 米 材 料 的广 泛 应用 及 独特 性 能 的开 发 , 静 电 纺 丝 技
静 电纺丝 是 目前 唯 一 能 够 直 接 !连续 制 备 明 胶纳 米 纤 维 Fra Baidu bibliotek 方 法 , 其 优 势 是 实 验 条 件 温 和 ! 成 本 低 廉 !快 速 便 捷 1 0洲 " 根 据 应 用 的 需 要 , 静 电纺丝 技术 合 成 的 明胶 纳 米 纤 维 可 以 分
为 两 大类 , 即纯 明胶 纳 米 纤 维 和复 合 明 胶 纳 米
从性 能上讲 , 由于其特殊 的纳米 结构 , 纤 维膜
材料 具 有 很 强 的 吸 附 力 !良好 的 过 滤 性 !阻 隔 性 ! 粘合 性 ! 保 湿 性 !良好 的生 物 相 容 性 及 生 物
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量 注射 泵 !注 射 器 !以及 一 根 由 金 属 导 线 与 高 压 电源 正极 相 连 的针 头 组 成 的 单 喷 丝 头 或 喷 丝 头 阵列 构 成 , 收 集 装 置 则 由金 属 类 平 面 !滚 轴 !圆盘 或 滚 筒 等 各 种 类 型 的收 集 器 , 与 一 根 接地 ! 接 高压 电源 负 极 的金 属 导线 组 成 " 无 针 电纺指 液 体供 给装 置 由液 槽 和 光 面 滚 轮 !螺 杆
能 最 大程 度 地 仿 生 天 然 细 胞 外 基 质 的胶 原 蛋
白结 构 , 因此 在 生 物 医用 材 料 领 域 具 有 广 泛 的
备 出超 细纤 维 材 料 , 其 中包 括 合 成 的可 降 解 聚
合物 , 例 如 聚 乳 酸 !聚 乙交 醋 !聚 氧 化 乙烯 !聚
己内醋等及 其共 聚物 , 天然 高 分 子 如 蚕 丝 蛋 白 ! 纤维 蛋 白 !胶 原 蛋 白 !壳 聚 糖 !透 明 质 酸 !D N A 等 " 天然 高分子 在 生物 相 容性 和生 物 可 降 解性 方面 比合 成 高 分 子 具 有 更 大 的优 势 , 更 适 合 生
状 喂料 滚 轮 ! 线 式滚 轮 或 针 板 形 状 喂料 装 置组 成仁 6 2" 有 针 电纺 的 最 大 特 点 是 喷 丝 针 头 , 然 凝 固 , 导 致 针 头 的堵 塞 , 造 成 设 备 的 损 坏 " 同
纤 维 " 早 期 利 用 静 电纺 丝 制 备 的 明 胶 纳 米 纤 维 , 大 都是 纯 明胶 纳 米 纤 维 " 通 过 改 变 明 胶 原 料 的性 质 !电 纺 溶 液 的 条 件 及 静 电 纺 丝 的 参
1 1. 1 明胶静 电纺 丝简 介 明胶静 电 纺丝 装置
动 "产生液面扰动 的方法很多 , 例如 超声产生 扰动 ! 搅 拌 产 生 扰 动 !液 面 表 面 气 泡 产 生 扰 动 等 , 东华大学刘雍等利用气泡扰动制备 出气泡 静 电纺 丝机 1 洲 " 表 面扰动 的稳定 是关 系到无 针
第 3 卷第 1 期
20 13 年 3 月
明
胶
科
学
与
技
术
h e S ei T en ee and T eeh nolo盯 of G e lati n
V ol.3 3 . N o . M a r .2 0 13 .
运 鬓 蒸
明胶 静 电 纷 丝 的研 究 进 展
卢伟鹏 张 兵* 郭燕 川 **
中国科学 院理化技 术研究 所 , 北京 , 10 0 1 9 0
物 医疗 方 面 的应 用 , 受 到 国内外 学 者 的青 睐 " 明胶是 由 动 物 体 内 的 胶 原 蛋 白 水 解 制 备 而 成 , 其 氨 基 酸 组 成 和 胶 原 相 似 , 具 有 良好 的
应 用 , 引 起 了 国 内外 学 者 的 普 遍 关 注 " 本 文 介
绍 了 明胶 静 电 纺 丝 装 置 !工 艺 的 研 究 进 展 , 同
r or m h已s 提 出 [.,, ] " 196 6 年 , sim ons 发 明 了一
种 电纺装 置 , 制 备 出超 薄 的无 纺 布 [.] " 1 9 8 1 年
M a汕即 和 L ar ro n d o 利用静 电纺丝将 聚 乙烯 和
制 备具 有 纳 米 结 构 的 纤 维 膜 材 料 " 从 结 构 上 讲 , 其 具 有 明显 的 小 尺 寸 效 应 , 大 的 比表 面 积
数 , 制 备 不 同类 型 !不 同 形 貌 的纯 明 胶 纳 米 纤
维 , 探 索性 的开发 其 具 体 的 用 途 " 通 过 静 电纺
易 变性 ! 抗 潮 湿性 差 的 缺 点 " 为 了 实 现 对 明胶 纳 米 结 构 !组 分 及 性 能 的 调 控 , 实 现 明 胶 功 能
而 喷 丝溶 液 在 外 界 条 件 影 响 下 , 会 出现 变 稠 ! 丝 制备 的纯 明胶 纳米 纤 维 普 遍 存 在 着 易破 碎 !
和超 分 子 的排 列 效 果 " 另 外 , 明 胶 纤 维 膜 材 料 表 面形 成很 多微 小 的二 次 结 构 , 这 与 细胞 外 基 质 的 结 构 类 似 , 更 接 近 于 生 物 体 的结 构 尺 寸 ;
聚 丙 烯熔 体 制 备 成 连 续 纤 维 [ 4一 -2 "2 0 世纪 9 0
电纺 明胶纤 维膜材 料 的质 量 (直 径 分 布 !长径 比
在 高压 电场 的作 用 下 , 带 电 聚 合 物 溶 液 或 熔 融体 液体 会形成 一 个锥 体 , 这 就是所 谓 的 / 泰 勒锥 0(T aylor eone ) " 继 续 增 加 电场 强 度 , 溶 液 或熔 融 体 从 / 泰 勒 锥 0 中喷 出 " 喷 射 流 在
一 定纤 维 取 向 的纳 米 纤 维 膜 1 0一 4] " 静 电 纺 丝 .
装置主体一 般 由三部 分组成 :高 压 电源 !液 体 供 给 装 置 !收 集 装 置 仁 , 2 " 依据 液体 供 给装 置
的不 同 , 明胶 静 电 纺 丝 可 分 为 两 种 :有 针 电 纺
和 无 针 电纺 " 有 针 电 纺 指 液 体 供 给 装 置 由微
时 总 结 了 明 胶 静 电纺 丝 纳 米 纤 维 膜 材 料 在 生
物 医:疗领 域 内 的应 用 研 究 情 况 , 并 展 望 了 明胶 静 电纺 丝 工 艺 与 明胶 纳 米 纤 维 膜 材 料 的 发 展 趋 势 和研 究 方 向 " 关 键 词 :明胶 ;静 电纺 丝 ;纳 米纤 维 ;进 展 静 电纺 丝 技 术 ( E leetrospinnin g f i ber tech -
分布等 ) , 而表面扰动牵扯到许多非可控 因素 , 例 如共振 ! 液 面高 度 ! 溶 液 浓 度 !溶液 粘 度 等 , 这
需要 国 内外 学 者 做进 一 步 深 人 的探 索 ;无 针 电 纺具 有非 常多 样 化 的 电场 分 布 , 明 胶 纤 维 的 拉 伸路 径 随着 电场形 态 的不 同而 具有 不 同的拉 伸 路径 , 这导 致纤 维膜 材 料 厚 度分 布 的不 均 匀 , 因 此需 要 设 计 配 套 的 收 集 装 置 来 解 决 此 问 题 " 整 体 而 言 , 无 针 电纺 中 明胶 纤 维 被 拉 出泰 勒 锥 后 , 主体 以 向上 直线 发 散 的 形 式 投 射 到 收 集 器
时 , 由于 有 针 电纺 喷 丝 针 头 有 限 , 导 致 其 生 产 效 率较 低 [,,/ 2 " 无 针 电纺 是 通 过 外 界 作 用 在 明胶溶 液 表 面 产 生 扰 动 , 形 成 波 纹 , 在 电场 作 用 下 , 波 纹顶 端 被拉 伸 , 从 而 形 成 纳 米 纤 维 , 利 用 收集 装 置进 行 收 集 1 , 2" 因此 就 纳 米 纤 维 膜 材 料 的应 用 而 言 , 无 针 电纺 将 会 是 较 佳 的 量 产
化应 用 的需求 , 采 用 静 电纺 丝 制 备 复 合 明胶 纤
维技 术 的研 究 越 来 越 受 到 人 们 的关 注 " 复 合
明胶 纳 米纤 维 具 有 良好 的力 学 !机 械 等 许 多 独 特 的性 能 " 鲍 斡 裤 等 利 用 丝 素 与 明胶 混 合 , 在 丝 素/ 明胶 质 量 比 为 7 0 :3 0 时, 电纺得 到纤维
性 的 发挥 " 利用 静 电纺 丝 技 术 , 可 简单 快 捷 地
nique )是 指 带 电 的 高 分 子 溶 液 ( 或 熔 体 ) 在 静 电 场力 的作 用 下 拉 伸 变 形 , 再 经 溶 剂 挥 发 ( 或
静 电纺 丝 这 一 技 术 最 早 在 1 9 3 4 年 由美 国
熔 体冷 却 ) 而 固化 , 从 而获 得 纳米 纤 维 的 工艺 " 定 的缺 陷 , 造 成 其 机 械 性 能 !防 潮 !抗 湿 !抗 菌
形 貌 好 , 直 径 均 匀 , 离 散 程 度 小 的 复合 明 胶 纳
机 制 , 同时 解 决 了传 统 有 针 电纺 的 技 术 瓶 颈 ,
明
胶
科
学
与
技
术
20 13 年 3 月
米纤维 1 刊 " 颜静 等 采用 静 电纺 丝法 , 利 用 明 胶 !聚乳 酸 制 备 了生 物 学 性 能 可 控 的 明胶 聚乳 酸 复 合 纳 米 纤维 膜 , 具 有 良好 的细 胞 相 容 性 和 较 强 的力学 性 能 1 4了 . " 赵瑾 等采用静 电纺丝技 术 制 备 聚乳 酸 乙醇 酸 ( P L G A )/ 明胶 (G t )制备 P L G 刀 明胶 复合 纤 维 膜 , 研 究 了不 同 明 胶 比例 的纤 维 膜 的 微 观 形 貌 与 干 湿 态 的 力 学 性 能 [; 别 "针对 复合 明胶 纤维 的制备 , 静 电纺丝 工 艺 可 分 为 三 种 :( l ) 共 混 共 纺 ( blend eleetr o spinn ing ) ; ( 2 ) 单 溶 混 纺 ( m ixi n g eleetrosp i n-