纳米纤维的制备与改性

2016-12-01 16:44:07 作者：本网整理来源：何洋 SWJTU生物医学工程分享至：

纳米纤维：直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，此外，将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维也称为纳米纤维。狭义上讲，纳米纤维的直径介于1nm到100nm之间，但广义上讲，维直径低于1000nm的纤维均称为纳米纤维。

目前制备纳米纤维膜的技术有自组装、拉伸法、相分离法、静电纺丝、模板合成等方法。其中，静电纺丝的实验设备简单、操作简单、成本较低、工艺可控性好、适用范围广、纤维尺寸可控等优点，成为制备纤维的研究热点。

电纺丝技术（electrospinning）又称静电纺丝，是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。

静电纺丝体系的组成部分为：微流泵、注射器、毛细喷头、高压电源、接收板，典型装置如下图所示。其中高压电源、喷头装置、接收装置是主要组成部分。喷头到收集板的距离一般为10-20 cm，电压为0-50 kV。

在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的泰勒锥（ Taylor cone）。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，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，形成无纺布。

    静电纺丝影响因素：

    ·聚合物的分子量，分子量分布和分子结构（分支，线性等）

    ·溶液性质（浓度，粘度，电导率，表面张力，液体流量等）

    ·电动势大小

    ·毛细管和收集屏幕之间的距离

    ·环境参数（温度，湿度和室内空气流速）

    ·收集装置的运动规律

    ·喷丝口针头形状

    电纺纤维的特点：

    ·极大比表面积

    ·高孔隙率

    ·三维网状结构

    ·模拟细胞外基质结构

    ·纤维直径可调

    目前电纺纤维表面改性的方法：

    等离子喷涂：引入更高氧化态的碳物质如羟基，醚和羰基，赋予纤维表面润湿性，表面极性和生物粘附性，从而促进大分子和细胞的粘附，也可通过键断裂和交联反应改变材料特性。缺点：不均匀，这是由于等离子体被限制地渗透到多孔静电纺丝垫中，减少了位于支架内部的纤维表面的改性；长等离子体处理暴露可导致纤维损伤如变化纤维结构。

    多巴胺涂层：多巴胺（DA）分子含有烷基胺和儿茶酚官能团并且可以在微碱性pH条件下自聚合形成聚（多巴胺）（PDA），已经提出将儿茶酚聚合成薄膜以两种方式起作用，在基材表面上产生强的表面锚定，加上表面官能化。优点：简单的沉积，基底独立，与带硫醇和氨基的生物分子发生次级作用力。缺点：耗时间，不适用于碱敏感材料。

    Thelayer-by-layer （LbL） method层层自组装是利用逐层交替沉积的方法，借助各层分子间的弱相互作用（如静电引力、氢键、配位键等） , 使层与层自发地缔和形成结构完整、性能稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程。优点：容易实现，厚度高度可控适合任何类型的表面，不需要有机溶剂。缺点：不是化学键结合，多个步骤。

    表面接枝聚合法就是先通过各种手段在膜表面产生自由基，然后膜表面产生的自由基进一步与改性单体或功能基团反应，从而达到改性的目的。自由基聚合：聚合反应属链式聚合反应，分为链引发、链增长、链终止和链转移四个基元反应链转移链自由基从单体、溶剂、引发剂等低分子或已形成的大分子上夺取一个原子而终止，并使这些失去原子的分子形成新的自由基。链终止将活性种转移给另一分子，而原来活性种本身却终止。