应用 | 生物组织用纳米纤维的制备和性能

背景

静电纺丝制备的纳米纤维具有表面多孔的形态结构，能为细胞的黏附和增殖提供较好的条件，可用于细胞外支架和载体。聚己内酯(PCL)具有半结晶结构、可生物降解的脂肪族聚酯，同时也是一种良好的生物基材料。由于生物相容性高和成本低等优点，被广泛应用于组织工程、药物释放和医疗领域中。但是，降解速度慢以及亲水性能差使其应用受限。PVA(聚乙烯醇)作为生物基材料具有可降解性、优秀的机械性能和水溶性，与PCL共混可提升复合材料性能。羧化处理的碳纳米管具有较高的机械强度，优异的导电能力和降解速率，同时没有发现在人体细胞上有毒性，也被广泛应用于生物材料研究中。

本文采用PVA作为复合纤维增强相，为其提供较高的机械强度和亲水性能。用羧基化单臂碳纳米管提高复合纤维的降解速率和导电能力，并在此基础上继续小幅度提升复合纤维的亲水性能，制备出PCL/PVA/CNTs复合纤维，对其溶液的性能以及复合纤维的表面形貌、力学性能、降解速率、水接触角进行测试和分析。

实验方法与仪器

接触角测试：将制备好的纳米纤维膜裁成5mm×5mm的矩形，粘在载玻片上待用，使用德国KRüSS公司DSA25接触角测量仪进行测试，设置单次滴液量为1μL，由软件自动计算水接触角。

DSA25接触角测量仪

表面张力：盛有纺丝溶液容器置于德国KRüSS公司K100全自动表面张力仪上，将铂金板靠近液面，执行程序自动完成测试并给出结果。

结果与讨论

表1 不同纺丝溶液的性能

由表1可知，仅由三氟乙醇溶解的PCL纺丝溶液表面张力为29.64 mN/m，加入PVA水溶液后纺丝液的表面张力降低为25.77 mN/m，而加入碳纳米管后各浓度间纺丝溶液表面张力并没有明显变化。

图1 水接触角(a) PCL纳米纤维，(b) PCL/PVA纳米纤维和(c-g)不同碳纳米管添加量的PCL/PVA/CNTs复合纤维。

从图1可以看出，PCL纳米纤维的水接触角为124.3°，而加入PVA的PCL/PVA复合纤维的水接触角为75.0°。当一种材料的水接触角在90°~180°时，其通常被认为是不湿润的;当水接触角在0°~90°时，其可以被称为湿润。PCL本身亲水性能不佳，加入亲水能力较强的PVA后，纳米纤维膜的亲水能力获得了较大的提升，满足湿润的条件。加入了碳纳米管的纤维膜水接触角会继续减小。随着碳纳米管浓度的增加，纳米纤维膜的水接触角也会逐渐减小。当碳纳米管的质量分数为5wt%时，水的湿润变得非常快，从水滴到纤维膜的时间开始记录，在0.01s内的湿润图像如图1(g)所示。由于碳纳米管具有独特的空心小管结构，它会对水的吸收起到一定的作用，提高纤维膜润湿的性能。所以添加了碳纳米管的复合纤维会拥有更小的水接触角，获得更高的亲水性。

小结

本文以PCL为基质材料，PVA和羧基化单臂碳纳米管作为增强材料，通过无针静电纺丝法制备出兼具良好力学性能、亲水性能和导电性能的PCL/PVA/CNTs复合纳米纤维。测试分析结果表明，PVA的加入能够显著提升纤维的力学性能和亲水性能，CNTs的添加能够为复合纤维提供导电能力并且提高纤维的降解速率。当CNTs的质量分数为1wt%时，纤维的力学性能最佳，同时细胞毒性的结果显示各组样品均有良好的细胞相容性。

本文有删减，详细信息请参考原文：

[1]文昱陇,闫俊,李红,等.PCL/PVA/CNTs静电纺丝纳米纤维的制备和性能[J].上海纺织科技,2025,53(02):41-47.DOI:10.16549/j.cnki.issn.1001-2044.2025.02.020.