果胶纳米纤维的电纺、交联及生物医用性能研究

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果胶来源广泛、生物相容性好并具有独特的生物活性,具备生物医用潜力。静电纺丝法制备的纳米纤维结构与天然的细胞外基质的结构类似,并具有高孔隙率、孔洞互通、高比表面积的特点,在生物医学领域应用具有显著的优势。然而,纯果胶水溶液无法直接电纺,使用合成高分子辅助电纺需要高含量的合成高分子,且电纺直接得到的果胶纳米纤维不能耐受水相环境,这些问题的存在导致了生物医用领域果胶纳米纤维的缺失。本文中,我们通过合理的改善纺丝溶液体系,成功制备了合成高分子含量较低的果胶纳米纤维,并通过交联使其获得耐水性,使其能够在生理的水相环境中保持结构稳定,从而使果胶纳米纤维的生物医用成为可能。随后,对果胶纳米纤维的生物医学性能进行了表征,证实了果胶纳米纤维具有生物医用的潜力。本文的具体工作包括三部分:第一部分是,以少量的柔性合成高分子聚氧化乙烯(PEO)作为可移除的载体,解决果胶的水溶液由于高分子链间缠结不足,无法直接电纺形成纳米纤维的难题,获得果胶纳米纤维。同时,向果胶水溶液中加入表面活性剂Triton X-100以降低表面张力,加入共溶剂二甲基亚砜(DMSO)或提高PEO的分子量进一步促进高分子链间的缠结,并用二氯甲烷作为选择性溶剂对果胶纳米纤维进行洗涤,成功制备PEO含量仅为1.5%的果胶纳米纤维。第二部分是,采用三种方法对三种具有代表性的果胶(高酯橘皮果胶H-CP、低酯向日葵果胶L-SP、酰胺化低酯苹果果胶LAm-AP)纳米纤维进行交联,使纤维获得耐水性能。第一种方法是利用果胶分子链上的羧基官能团,使用钙离子(Ca2+)对纤维进行交联;第二种方法是在钙离子交联的基础上,利用果胶分子链上的羟基官能团,再使用戊二醛(GLU)对纤维进行交联;第三种方法是在钙离子交联的基础上,利用果胶分子链上的羧基官能团,再使用己二酸二酰肼(ADH)对纤维进行交联。随后,通过对形貌和化学组成的表征证实了交联反应成功。第三部分是,对交联后的果胶纳米纤维的生物医用相关性能进行表征,包括纤维的结晶、力学、降解、细胞学性能,并分析讨论影响这些性能的因素。力学与降解性能结果表明,在钙离子交联的果胶纳米纤维中,H-CP酯化度最高,且分子链呈支化结构,交联网络最稀疏,所以其纤维力学强度最低,降解最快;L-SP酯化度最低且半乳糖醛酸含量最高,交联网络密集,且分子链以直链型为主,所以其纤维力学强度最高,降解最慢。戊二醛交联反应促使形成新的共价交联网络,但是由于戊二醛交联反应所必需的酸性环境使部分钙离子从交联网络中流失并对果胶分子链上的糖苷键有破坏作用,所以戊二醛进一步交联使得果胶纳米纤维的力学强度仅有少许提升,且降解并未得到延缓。由于己二酸二酰肼交联反应的环境比较温和,在促使形成新的共价交联网络的同时,不破坏果胶分子链,对钙离子交联的网络的破坏作用较少甚至没有,所以,经己二酸二酰肼交联的纤维,力学强度得到了大幅的提升,降解也得到了有效的延缓。细胞毒性结果表明,除戊二醛交联的纤维在高浓度时具有一定的毒性外,其它纤维均无毒性。细胞的黏附、增殖结果表明,高酯化度和己二酸二酰肼交联有利于促进细胞在果胶纳米纤维上的黏附和增殖。综上所述,通过PEO含量较低的果胶纳米纤维的电纺制备及交联,成功获得了具备耐水性能的果胶纳米纤维,弥补了生物医用领域中果胶纳米纤维的空白;对其生物医用性能的表征结果表明,果胶纳米纤维具有可调节的力学、降解以及细胞学性能,在组织工程、药物输送、外伤修复等生物医学领域具有广阔的应用前景。
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