静电纺丝技术制备低维微纳功能材料及应用研究

【摘要】：静电纺丝技术是一种利用高压电场的拉伸作用制备一维微纳材料的技术。与其它的方法相比,静电纺丝技术具有许多独特的优点,比如设备简单、成本低廉、灵活多样、制备效率高以及容易调控产物的尺寸和形貌等等。这种技术被认为是目前制备连续长纳米纤维的唯一具有工业化应用价值的方法。 在本文中,我们以静电纺丝技术为基础,结合溶胶凝胶法和后续的处理手段,制备了主要以SiO2为基础的多种类型微纳功能纤维,探究了这些材料在诸多领域的潜在应用。本文的研究主要包含以下几个方面： 研究了可纺SiO2溶胶的合成工艺,探讨了溶胶的可纺性和合成条件之间的关系,并且对溶胶性质以及纺丝条件对SiO2电纺产物的形貌和尺寸的影响也作了初步的研究。实验表明溶胶的可纺性与溶胶的水解时间有很大的关系,纺丝条件对产物的形貌和直径有较大的影响。以溶胶凝胶法得到的SiO2溶胶为纺丝液制备的SiO2纳米纤维具有很好的柔韧性。 以上述SiO2纳米纤维为载体,通过在硝酸银溶液中后续热处理在SiO2纳米纤维的表面附载了银纳米颗粒。研究发现附载的银纳米颗粒的尺寸和形状受硝酸银溶液的浓度、热处理的温度和时间变化的影响。我们对这种银纳米颗粒修饰的SiO2纳米纤维的抑菌性能进行了研究,发现这种材料对大肠杆菌具有较高的抑菌效率。另外,细胞毒性测试的结果表明本文制备的银纳米颗粒修饰SiO2纳米纤维能有效促进骨髓间质干细胞的生长和活性。通过简单的热处理,可以对使用后的纤维实现净化和消毒,并且保持纤维的抑菌性能和柔韧性。因此,我们认为这种材料适合用作可重复使用的伤口敷料。 在可纺SiO2溶胶中掺杂硝酸银,通过静电纺丝制备了硝酸银掺杂的SiO2纳米纤维,然后采用改进的Stober方法以及后续的热处理在SiO：纳米纤维的表面包覆了介孔结构的SiO2包层,得到了银纳米颗粒掺杂的核壳结构介孔亚微米SiO2纤维。研究表明,这种介孔纤维具有良好的柔韧性和巨大的比表面积,这种材料能高效地吸收水和模拟体液,同时缓慢地释放抗菌因子Ag,介孔SiO2包层能够装载药物,并且以较快的速度释放药物,因此本研究制备的介孔SiO2纤维可以持续长久地提供抑菌效果,并且快速地释放具有镇痛和消炎等作用的药物,非常适合作为多功能的伤口敷料。 同样以上述SiO2纳米纤维为模板,通过改进的Stober方法以及后续热处理,我们制备了核壳结构的介孔SiO2纳米纤维,研究了这种材料对pb2+和Cd2+的吸附等温过程和吸附动力学曲线。实验结果表明本研究中制备的介孔SiO2纤维能够对pb2+和Cd2+进行高效而快速的吸附,其吸附能力可以通过在表面附载有机功能团-SH得到进一步的提高。由于本身良好的柔韧性和机械强度,核壳结构Si02纤维可以被方便地加工成特定形状的薄膜,从而简化重金属离子的吸附过程,提高这种材料的实际应用可行性。 纳米孔结构可以有效提高生物玻璃的生物活性,但纳米孔结构的引入往往引起生物玻璃纤维机械强度的大幅度下降。在上述银纳米颗粒掺杂介孔Si02纤维研究的基础上,我们提出了一种制备同时具有高的生物活性和机械强度的生物玻璃纤维的方法。在本研究中,我们以硝酸银掺杂的Si02电纺丝纳米纤维为模板,通过改进的Stober方法和后续的热处理,在纤维的表面包覆了介孔生物玻璃包层,得到了银纳米颗粒掺杂的核壳结构介孔生物玻璃纤维。我们发现,本研究中制备的介孔生物玻璃纤维不仅具有很高的生物活性,同时又保持了良好的柔韧性,并且芯层掺杂的银纳米颗粒能够缓慢地释放抗菌因子Ag,起到持久的抗菌功效,而介孔结构又可以装载具有消炎止痛作用的药物,因此这种材料非常适合作为生物硬组织工程支架应用。 采用荧光材料作为药物载体可以对药物的走向和释放进行有效的监控,研究者对静电纺丝技术制备荧光药物载体进行了大量的研究,然而已有的报道中制备的荧光纳米纤维的发射和激发波长还没有得到很好的优化。本文中我们基于静电纺丝技术制备了多孔结构的YAG:Nd3+纳米纤维,研究了这种材料的药物装载和释放以及荧光特性。研究表明得到的YAG:Nd3+纳米纤维具有巨大的比表面积和孔体积,有较高的药物装载能力,并且这种材料在800 nm激光的激发下在1064 nm具有很强的荧光发射,因此这种材料的激发和发射波长都位于人体透明窗口(700～1100 nm),激发和发射之间有较大的波长位移,保证较高的信噪比。作为荧光药物载体,多孔YAG:Nd3+纳米纤维将具有更大的体内应用深度。另外,我们还发现这种材料的1064 nm荧光强度随药物的释放而衰减,可以对药物的释放进行监控。 作为静电纺丝技术制备Ag-SiO2基抑菌材料的拓展,我们采用电喷的方法制备了银纳米颗粒掺杂,形貌如同草莓的SiO2微米球,改善了银纳米颗粒在SiO2材料上的附载方式。实验结果显示,用电喷法得到的Ag-SiO2微米纤维具有很好的环境稳定性和水洗稳定性,并且具有高效的抑菌能力,是一种性能优良的抗菌剂。