电纺丝磁性纳米纤维膜材料的制备与表征中文摘要

静电纺丝纳米纤维膜能够最大程度的仿生天然细胞外基质的胶原纤维网络结构，是一种良好的引导组织再生膜结构。由于合成与天然可降解高分子材料本身所存在的缺陷，现在研究热点发展到了合成，天然高分子功能性复合膜，以及纳米粒子杂化纤维膜，以...>> 详细

引导组织再生(guided tissue regeneration，GTR)和引导骨组织再生(guide bone regeneration，GBR)为解决牙根和种植体周围骨量不足、牙槽嵴萎缩及其它骨缺损的修复提供了方向。如何利用结构特征改变GTR/GBR膜生物活性，提高GTR/GBR术的效能成为研究热点。

静电纺丝纳米纤维膜能够最大程度的仿生天然细胞外基质的胶原纤维网络结构，是一种良好的引导组织再生膜结构。由于合成与天然可降解高分子材料本身所存在的缺陷，现在研究热点发展到了合成，天然高分子功能性复合膜，以及纳米粒子杂化纤维膜，以满足GTR/GBR组织工程的需要。

超顺磁性纳米粒子具有良好的尘物相容性和特殊的磁学效应，被广泛应用与生物医学领域，部分研究表明超顺磁性纳米粒子具有促进成骨细胞增殖作用。静电纺丝超顺磁性高分子纳米纤维材料集合了电纺丝纳米纤维膜材料与超顺磁性纳米粒子的特性，为发展具有骨诱导性能的GTR/GBR膜材料提供了新思路。

明胶纳米纤维膜与壳聚糖(chitosan，CS)/聚乙烯醇(Poly(vinyl alcohol)， PVA)纳米纤维膜是一种富有潜力的组织再生修复材料。然而超顺磁性明胶纳米纤维膜、超顺磁性CS/PVA电纺丝纳米纤维膜还没有研究报道，超顺磁性纳米粒子的掺杂是否会影响这两种电纺丝纳米纤维膜的制备与性能还不清楚。

本文从以下三个方面进行初步研究：

实验一、Fe₃O₄超顺磁性纳米粒子的制备与表面改性

目的：制备高分散的超顺磁性Fe₃O₄纳米粒子，并系统研究其理化性能，为进一步制备超顺磁性纳米纤维膜材料奠定基础。

材料与方法：基于共沉淀原理产生的“微乳液”方法，利用柠檬酸钠与油酸改性剂调控，制备在分别水相/油相溶剂中实现高分散的超顺磁性Fe₃O₄纳米粒子；采用透射电镜(transmission electron microscope，TEM)验证其分散性能，X射线衍射(x-ray diffraction，XRD)表征磁性纳米粒子的晶型，傅立叶红外光谱(fourier transform infrared spectrophotometry，FT-IR)分析其表面化学基团，振动样品磁强计(vibrating sample magnetometer，VSM)表征其磁学性能。

结果：成功制备出超顺磁性Fe₃O₄纳米粒子，TEM证实表面改性显著改善粒子分散性；XRD检测显示本研究制备的Fe₃O₄为反尖晶石晶型，表面改性不改变粒子的晶型；FT-IR分析证实包裹在纳米粒子表面的柠檬酸钠与油酸的存在；VSM显示Fe₃O₄纳米粒子具有超顺磁性，表面改性可以降低粒子饱和磁化强度。

结论：基于共沉淀原理产生的“微乳液”方法，可以获得简单易行的超顺磁性Fe₃O₄纳米粒子制备与改性方法。

实验二、电纺丝超顺磁性Fe₃O₄/明胶纳米纤维膜的制备与表征

目的：采用静电纺丝法制备Fe₃O₄/明胶纳米纤维膜，并系统研究其理化性能，初步表征其细胞生物相容性，为进一步用于组织再生修复奠定基础。

材料与方法：采用静电纺丝工艺制备Fe₃O₄/明胶纳米纤维膜；通过扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察纤维膜三维形貌，TEM表征纤维膜中Fe₃O₄纳米粒子的分散形式；采用XRD、FT-IR、VSM、TEM等方法系统研究纤维膜理化性能；通过拉伸试验测试其动态力学性能；采用四甲基偶氮唑盐比色法(methyl thiazolyl tetrazolium，MTT)表征纤维膜细胞相容性，初步评价这种新型生物膜用于GTR/GBR的可行性。

结果：SEM观测显示电纺丝法制备的Fe₃O₄/明胶纳米纤维膜具有纤维连续、光滑、直径分布均匀的三维网状结构，TEM表明纤维膜中Fe₃O₄纳米粒子以散在的岛状分布；XRD显示电纺丝工艺对Fe₃O₄晶型无明显影响，FT-IR分析证实Fe₃O₄未与明胶发生化学反应，VSM表明纤维膜具有超顺磁性；动念力学分析显示Fe₃O₄纳米粒子的掺杂能够显著提高纤维的刚性；MTT检测显示Fe₃O₄的掺杂可以有效促进MG-63细胞在纤维膜上的生长和增殖。

结论：电纺丝法可以成功制备出超顺磁性Fe₃O₄/明胶纳米纤维膜，该纤维膜在引导组织再生领域是很有前景的支架材料。

实验三、超顺磁性Fe₃O₄/壳聚糖/聚乙烯醇电纺丝纳米纤维膜的制备与表征

目的：采用静电纺丝法制备Fe₃O₄/CS/PVA复合纳米纤维膜，并系统研究其理化性能，初步表征其细胞生物相容性，为进一步用于组织再生修复奠定基础。

材料与方法：采用静电纺丝工艺制备Fe₃O₄/CS/PVA复合纳米纤维膜；通过SEM观察纤维膜三维形貌，TEM表征纤维膜中Fe₃O₄纳米粒子的分散形式；采用XRD、FT-IR、VSM、TEM等方法系统研究纤维膜理化性能；通过拉伸试验测试其动态力学性能；采用MTT法表征纤维膜细胞相容性，初步评价这种新型生物膜用于GTR/GBR的可行性。

结果：SEM观测显示电纺丝法制备的Fe₃O₄/CS/PVA复合纳米纤维膜具有纤维连续、光滑、直径分布均匀的三维网状结构，TEM表明纤维膜中Fe₃O₄纳米粒子均匀分布；XRD显示电纺丝工艺对Fe₃O₄与CS/PVA晶型无明显影响，FT-IR分析证实Fe₃O₄与CS/PVA未发生化学反应，VSM表明纤维膜具有超顺磁性；动态力学分析显示Fe₃O₄纳米粒子的掺杂能够显著提高纤维的刚性；MTT检测证实Fe₃O₄超顺磁性纳米粒子含量的增加可以有效促进MG-63细胞在纤维膜上的生长和增殖。

结论：电纺丝法可以成功制备出超顺磁性Fe₃O₄/CS/PVA复合纳米纤维膜，该复合纤维膜在引导组织再生领域具有应用前景。

[关键词]

引导组织再生，静电纺丝，纤维膜，超顺磁性，Fe₃O₄纳米粒子。

《静电纺丝与纳米纤维》以静电纺丝技术的理论为基础，系统介绍了静电纺纳米纤维的种类与结构、功能化应用及批量化制造。内容涉及静电纺丝技术的起源、发展以及基本原理；静电纺纳米纤维的种类、结构、测试技术、表面功能化修饰技术；静电纺纳米纤维在生物医学、过滤、个体防护、传感、自清洁、催化、能源、光电磁、复合增强、食品工程、化妆品等领域的应用研究；静电纺纳米纤维批量化制造设备及技术发展的现状。《静电纺丝与纳米纤维》可供静电纺丝和纳米纤维材料领域的研究人员阅读，也可供高等院校相关专业的师生参考。

第1章绪论001

1.1　聚合物纳米纤维与静电纺丝的发展 002

1.1.1　纳米纤维及其制备技术 003

1.1.2　静电纺丝技术发展简史 005

1.2　聚合物静电纺丝技术分类与特点 010

参考文献 013

第2章聚合物溶液静电纺丝技术017

2.1　聚合物溶液静电纺丝原理 018

2.1.1　泰勒锥 019

2.1.2　阈值（临界）电压 019

2.1.3　射流稳定运动段 020

2.1.4　射流不稳定运动段 021

2.1.5　射流直径的计算 022

2.1.6　电晕现象 024

2.2　聚合物溶液静电纺丝材料 025

2.3　聚合物溶液静电纺丝设备 027

2.4　聚合物溶液静电纺丝过程 032

2.4.1　溶液黏度 033

2.4.2　溶液表面张力和电导率 033

2.4.3　电场 034

2.4.4　收集距离 034

2.4.5　进料速率 035

2.4.6　环境参数 035

参考文献 036

第3章聚合物熔体静电纺丝技术039

3.1　聚合物熔体静电纺丝装置 040

3.2　聚合物熔体微分静电纺丝的提出 045

3.3　聚合物熔体静电纺丝材料 049

3.4　聚合物熔体微分静电纺丝射流间距的理论分析 051

3.4.1　射流间距的定义 051

3.4.2　射流间距分析模型的建立 052

3.4.3　射流间距模型的数学分析 053

3.5　聚合物熔体微分静电纺丝射流间距的实验研究 058

3.5.1　匀强电场强度对射流间距的影响 060

3.5.2　最大电场强度对射流间距的影响 062

3.5.3　熔体黏度对射流间距的影响 065

3.5.4　进给流量对射流间距的影响 066

3.6　小结 067

参考文献 068

第4章聚合物静电纺丝的模拟分析071

4.1　静电纺丝建模相关研究进展 072

4.2　熔体静电纺丝中电场分布规律 074

4.2.1　有限元模拟方法简介 074

4.2.2　电场模型建立与参数选择 075

4.2.3　纺丝喷头对电场分布规律的影响 084

4.2.4　不同接收电极的电场模拟和实验对比 090

4.2.5　辅助结构对纺丝电场的影响 094

4.3　拔河效应介观模拟分析 096

4.3.1　耗散粒子动力学简介 097

4.3.2　弹簧系数对拔河效应的影响 101

4.3.3　聚合物链长对拔河效应的影响 103

4.3.4　聚合物黏度对拔河效应的影响 104

4.4　射流细化的理论分析 106

4.4.1　模型的建立 106

4.4.2　理论分析 108

参考文献 112

第5章熔体微分静电纺丝工艺115

5.1　电场 116

5.1.1　纺丝电压对纤维直径的影响 116

5.1.2　纺丝距离对纤维直径的影响 119

5.2　分子量与熔体黏度 121

5.2.1　纤维的制备 122

5.2.2　聚合物分子量对熔体微分电纺纤维的影响 123

5.3　进给流量 127

5.4　气流辅助工艺 130

5.4.1　气流辅助装置 130

5.4.2　气流速度与纤维直径的关系 132

5.5　小结 133

参考文献 134

第6章静电纺丝的工业化技术137

6.1　溶液静电纺丝工业化技术 138

6.1.1　多针头静电纺丝设备 138

6.1.2　无针多射流静电纺丝设备 141

6.2　熔体静电纺丝工业化技术 150

6.2.1　熔体微分静电纺丝单喷头设备 151

6.2.2　熔体微分静电纺丝4喷头设备 156

6.2.3　熔体微分静电纺丝32喷头设备 158

6.2.4　设备设计流程与关键点 163

参考文献 164

第7章静电纺丝纳米纤维的应用研究进展167

7.1　静电纺丝纳米纤维在环境污染治理中的应用 168

7.1.1　高效过滤 169

7.1.2　催化氧化 170

7.1.3　吸附 172

7.1.4　固定酶及其他 176

7.2　生物医药领域的应用 177

7.2.1　药物缓释 178

7.2.2　组织工程 180

7.2.3　伤口敷料 183

7.2.4　小结 184

7.3　静电纺丝纳米纤维在能源领域的应用 185

7.3.1　锂离子电池材料 185

7.3.2　燃料电池材料 188

7.3.3　超级电容器材料 189

参考文献 190

第8章静电纺丝纳米捻线199

8.1　概述 200

8.2　纳米纤维捻线的制备方法 201

8.3　展望 208

参考文献 208

第9章聚合物纳米纤维静电纺丝技术的未来211

索引 214 2100433B

本书依据作者研究团队首创的聚合物熔体微分静电纺丝技术以及国内外纳米纤维静电纺丝的最新研究进展，从工艺的角度出发，着重介绍了熔体静电纺丝技术的原理、模拟分析及工艺进展，并介绍了熔体静电纺丝的工业化技术及应用，最后对聚合物纳米静电纺丝技术的未来进行了展望。

本书可供从事纳米纤维静电纺丝及其相关领域研究的人员及高等院校相关专业学生参考使用。