基于靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙率的骨修復(fù)材料

1、<p>　　單位代碼 10006 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 10101041 </p><p>　　分類號(hào) R318.08 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　基于靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙率的骨修復(fù)材料&

2、lt;/p><p><b>　　2014年5月</b></p><p>　院（系）名稱生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院</p><p>　專業(yè)名稱生物醫(yī)學(xué)工程</p><p>　學(xué)生姓名李晨陽(yáng)</p><p>　指導(dǎo)教師李曉明</p><p><b>　　北京航空航天大學(xué)</

3、b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　?、瘛厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：</p><p>　　基于靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙率的骨修復(fù)材料 </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：</p><p>　　原始資料（

4、數(shù)據(jù)）：1.通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)的資料； </p><p>　　2.前期實(shí)驗(yàn)工作測(cè)得的數(shù)據(jù)與參數(shù)。 </p><p>　　設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1.掌握靜電紡絲設(shè)備的運(yùn)用 ； </p>

5、<p>　　2.掌握材料物理性能表征設(shè)備和儀器的運(yùn)用； </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容：</p><p>　　利用靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙（小于10μm）率及不同碳納米管含量的聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料，對(duì)材料的物理性能進(jìn)行表征，分析得到的電鏡掃描圖像中材料的微孔隙率。具體安排包括：文獻(xiàn)調(diào)研并完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，初步設(shè)定

6、靜電紡絲的各種參數(shù)（2014.3）；靜電紡絲制備含有不同含量碳納米管的聚乳酸/碳納米管復(fù)合材料，并通過(guò)改變各種紡絲參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)材料的表面形貌（2014.4）；通過(guò)電鏡掃描得到材料的SEM圖像，觀察材料的表面形貌，并分析各種紡絲參數(shù)對(duì)材料微孔隙率的影響。 </p><p><b>　?、?、主要參考資料：</b></p><p

7、>　　[1]Newman P, Minett A, Ellis-Behnke R, et al. Carbon nanotubes: Their potential and pitfalls for bone tissue regeneration and engineering [J]. Nanomedicine : Nanotechnology, Biology and Medicine, 2013, 9(8): 11

8、39-1158. [2]Hsiao C W, Bai M Y, Chang Y, et al. Electrical coupling of isolated cardiomyocyte clusters grown on aligned conductive

9、nanofibrous meshes for their synchronized beating [J]. Biomaterial</p><p>　　[4]張紅萍, 熊杰, 王利君, 等. 多壁碳納米管/聚乳酸復(fù)合超細(xì)纖維的制備及性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2012, 27(12): 146-150.

10、 </p><p>　　[5]趙昕, 張清華. 碳納米管/聚合物納米復(fù)合纖維靜電紡絲研究進(jìn)展[J]. 合成纖維工業(yè), 2009, 31(5): 35-38. </p&

11、gt;<p>　　[6]王小紅. 骨修復(fù)材料的研究進(jìn)展[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2001, 18(4): 647-652. </p><p>　　[7]丁新艷, 邵路, 路靜, 等. 聚乳酸復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2009, 31(3): 409r413. </p>

12、<p>　　生物與醫(yī)學(xué)工程 院（系） 生物醫(yī)學(xué)工程 專業(yè)類 101012 班</p><p>　　學(xué)生 李晨陽(yáng) </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 自2014年 03月 03日至2014年06 月 03日</p><p>　　答辯時(shí)間： 2014 年 06 月 03 日 成績(jī)

13、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　教研室主任 </p><p>　　注：任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的首頁(yè)。</p><p><b

14、>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　作者：李晨陽(yáng)</b></p><p><b>　　簽字：</b></p><p>　　時(shí)間：2014

15、年 5 月</p><p>　　基于靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙率的骨修復(fù)材料</p><p>　　學(xué) 生：李晨陽(yáng)</p><p><b>　　指導(dǎo)老師：李曉明</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　碳納米管由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)

16、、力學(xué)以及光學(xué)等性能,，在物理、化學(xué)、材料乃至生物領(lǐng)域備受關(guān)注。碳納米管全部由碳原子組成，缺陷少、密度低，具有很高的軸向強(qiáng)度和剛度，其性能優(yōu)于通用級(jí)炭纖維，被看作是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相。利用碳納米管具有極好的導(dǎo)電特性、電致發(fā)光和較大長(zhǎng)徑比等其他性能，可制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。目前，以聚乳酸為代表的聚酯類生物降解材料是組織工程研究中最常用的移植細(xì)胞的支架材料之一。聚乳酸材料具有良好的力學(xué)性能，但由于其脆性高，抗沖擊性差，強(qiáng)度往往不能滿足要

17、求，限制了其作為工程塑料的應(yīng)用。在聚乳酸中摻入少量的碳納米管可以極大地改善復(fù)合材料力學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性能。聚乳酸和碳納米管復(fù)合后，碳納米管起到晶核的作用，促進(jìn)聚乳酸的熔融和結(jié)晶；同時(shí)楊氏模量升高，斷裂伸展率降低，并且提高導(dǎo)電率。靜電紡絲技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的制備納米纖維的一種重要方法,其原理是將聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下噴射并進(jìn)行紡絲。用這種方法制得的納米尺寸的長(zhǎng)纖維，直徑一般在數(shù)十納米到幾微米之間，甚至可達(dá)1納米，且纖維的孔徑結(jié)構(gòu)與細(xì)

18、胞外基質(zhì)相似，可用作組織工程支架。</p><p>　　本課題采用靜電紡絲技術(shù)制備碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料，通過(guò)控制紡絲液中的碳納米管含量、紡絲過(guò)程中的接受距離、電壓等參數(shù)，制備了碳納米管含量分別為0%、0.5%的幾組材料。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）成像得到碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的SEM圖像，從而對(duì)材料的表面形貌進(jìn)行表征；通過(guò)比較控制不同參數(shù)下制備的電紡纖維的表面形貌，得出電紡纖維的直徑、微孔隙率等性質(zhì)與設(shè)置

19、的參數(shù)變量（包括接受距離、電壓等）之間的關(guān)系。</p><p>　　關(guān)鍵詞：碳納米管，聚乳酸，靜電紡絲，微孔隙率</p><p>　　Design of Control System of Mobil Robot</p><p>　　Author: Li Chenyang</p><p>　　Tutor: Li Xiaoming</p&

20、gt;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Great attention has been gained in the physical, chemical, materials and biological field due to its unique structure and excellent electrical, mechanical

21、 and optical properties. Carbon nanotubes are all made of carbon atoms. With less defect, low density, high axial strength and stiffness, its performance is better than the general level of carbon fibers, and it is regar

22、ded as the ideal composites reinforced phase. Since carbon nanotubes have excellent electrical conductivity, electroluminescen</p><p>　　In this topic, we use electrostatic spinning technology preparation of

23、carbon nanotubes/ polylactic acid composite material, through the control of carbon nanotube content in liquid spinning, spinning accept parameters such as distance, voltage, in the process of preparation of carbon nanot

24、ube content several groups of materials are 0% and 0% respectively. It is obtained by scanning electron microscope (SEM) imaging of carbon nanotubes/polylactic acid composite material of the SEM images, thus </p>

25、<p>　　Key words: CNT ( carbon nano tube ) ; polylactic acid ; electrostatic spinning; micro porosity</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　

26、　1.1 課題背景及目的1</p><p>　　1.1.1 碳納米管1</p><p>　　1.1.2 聚乳酸3</p><p>　　1.1.3 理想的骨修復(fù)材料的特性4</p><p>　　1.1.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況5</p><p>　　1

27、.3 課題研究方法7</p><p>　　1.4 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容7</p><p>　　2聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料的制備8</p><p>　　2.1 靜電紡絲的裝置和原理8</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)主要材料和設(shè)備9</p><p>　　2.3 不同碳納米管含量的碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的

28、制備9</p><p>　　2.3.1 碳納米管的純化9</p><p>　　2.3.2 碳納米管的羧基化9</p><p>　　2.3.3 紡絲液的配制10</p><p>　　2.3.4 紡絲參數(shù)的設(shè)置10</p><p>　　2.3.5 紡絲得到電紡纖維11</p><p>　

29、　3聚乳酸/碳納米管復(fù)合材料的SEM分析13</p><p>　　3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）的裝置和原理13</p><p>　　3.2 SEM圖的獲取過(guò)程14</p><p>　　3.3 對(duì)各組SEM圖像的分析14</p><p>　　3.3.1 碳納米管纖維的SEM圖像14</p><p>　　3

30、.3.2 比較相同電壓下不同接受距離造成的影響15</p><p>　　3.3.3 比較相同接受距離下不同電壓造成的影響17</p><p><b>　　3.4 討論19</b></p><p>　　3.4.1 電場(chǎng)強(qiáng)度E大于某臨界值E1的情況19</p><p>　　3.4.2 電場(chǎng)強(qiáng)度E小于某臨界值E1的情況

31、20</p><p>　　3.4.3 實(shí)驗(yàn)后續(xù)展望20</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　緒論&l

32、t;/b></p><p><b>　　課題背景及目的</b></p><p><b>　　碳納米管</b></p><p>　　碳納米管(CNTS) [1][2]是一種因其非凡的物理、電氣和化學(xué)性質(zhì)得到高度關(guān)注的石墨管狀結(jié)構(gòu)，可通過(guò)多種途徑被用于組織工程領(lǐng)域。概括地說(shuō)，碳納米管可以提高復(fù)合生物材料的力學(xué)性能和生物相

33、容性[3]，且不論是溶解狀態(tài)[4]或處于復(fù)合材料中[5]，都在活有機(jī)體內(nèi)顯示生物相容性；與細(xì)胞結(jié)合蛋白良性的相互影響[6]；通過(guò)優(yōu)先的細(xì)胞親和力調(diào)節(jié)細(xì)胞的形狀[7]；調(diào)控干細(xì)胞分化(特別是成骨細(xì)胞[8]和神經(jīng)元世系[9]；由于碳納米管具有很高的導(dǎo)電性，也能被用來(lái)研究電刺激的增殖的影響[10][11]、細(xì)胞的電活動(dòng)[12][13]或基于細(xì)胞的電子傳感器[14]；最后，碳納米管管狀的形狀和納米級(jí)維度允許其充當(dāng)胞外基質(zhì)(ECM)中纖維蛋白的形

34、態(tài)學(xué)仿生物。</p><p>　　碳納米管通常被劃分為兩個(gè)子集:單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs)。單壁碳納米管是單層管式石墨碳,而多壁碳納米管有多層(通常在2-40的范圍內(nèi))同心的管狀石墨碳。1991年日本學(xué)者Iijima清晰地觀測(cè)到多壁碳納米管(MWNT)，此后碳納米管得到了極大的重視，并越來(lái)越成為材料界的研究熱點(diǎn)。見(jiàn)圖1.1。</p><p><b>　

35、　(b)</b></p><p>　　圖1.1 （a）單壁碳納米管 （b）多壁碳納米管</p><p>　　在應(yīng)用于骨組織再生方面，碳納米管的尺寸特點(diǎn)使他們?cè)诒蛔鳛榧?xì)胞外基質(zhì)中的纖維狀蛋白的仿生類似物，尤其是膠原蛋白纖維的方面格外引人注目。三重螺旋膠原蛋白分子原膠原蛋白和膠原纖維——自組裝原膠原蛋白凝塊的長(zhǎng)度范圍，都與碳納米管有具有可比性。碳納米管的直徑可以制作在1?100納米

36、的范圍內(nèi)，且長(zhǎng)度可以超過(guò)5毫米；而原膠原分子的直徑是1.5納米，長(zhǎng)度是300納米。而且，碳納米管可以被制作成與膠原纖維具有相似的空間尺寸，直徑在20~400的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百微米（通過(guò)軸向重復(fù)的原膠原的單位數(shù)來(lái)確定）。此外，由于存在合成薄片狀或平行的紗線狀或任意取向的碳納米管的方法，因而存在著制作在多個(gè)尺度反應(yīng)細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原結(jié)構(gòu)的有階層的碳納米管結(jié)構(gòu)的可能性。碳納米管全部由碳原子組成，缺陷少、密度低，具有很高的軸向強(qiáng)度和剛度，其

37、性能優(yōu)于通用級(jí)炭纖維，被看作是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相。利用碳納米管具有極好的導(dǎo)電特性、電致發(fā)光和較大長(zhǎng)徑比等其他性能，可制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。</p><p>　　碳納米管在骨組織中的應(yīng)用的實(shí)踐顯示，復(fù)合材料中的碳納米管能表現(xiàn)出促進(jìn)細(xì)胞增殖、組織形成的能力，并且已被證明其能被無(wú)害地整合到骨基質(zhì)?；谶@一點(diǎn)，在骨組織的應(yīng)用中，只需考慮碳納米管在所需的移植站點(diǎn)的遷移對(duì)健康造成的威脅。這種現(xiàn)象存在問(wèn)題是因?yàn)榉稚⒌奶技{米

38、管相比于存在在復(fù)合材料中的碳納米管，顯示出不同的毒理學(xué)特點(diǎn)。分散體顯示出毒性，原因是引起細(xì)胞溶解，膜破裂和/或與生物分子相互作用；而存在于復(fù)合材料中的碳納米管則不表現(xiàn)毒性。</p><p>　　成功的功能性合成組織工程將依托于我們制造和控制具有相似的復(fù)雜性和細(xì)節(jié)的環(huán)境的能力，雖然這是尚未實(shí)現(xiàn)的，但是利用碳納米管之類的納米材料的途徑表現(xiàn)出對(duì)細(xì)胞行為積極的影響，這也使我們更接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。具體地，碳納米管在體內(nèi)行為

39、中表現(xiàn)出積極作用，而在體外實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證明，碳納米管可以以各種不同的方式來(lái)增加細(xì)胞增殖和成骨分化。這些方法包括使用碳納米管作為導(dǎo)電材料來(lái)使細(xì)胞暴露于電刺激；對(duì)碳納米管添加特定形貌用以控制納米架構(gòu)或在基板上添加特定圖案；創(chuàng)建碳納米管復(fù)合材料來(lái)提高材料的的機(jī)械性能和/或生物相容性；以及通過(guò)添加具有簡(jiǎn)單的功能基團(tuán)或生物化學(xué)基團(tuán)的碳納米管來(lái)改變材料的化學(xué)行為。此外，碳納米管在合成骨基質(zhì)中的應(yīng)用可允許組織工程師運(yùn)用其仿制纖維狀/ 細(xì)胞外基質(zhì)-蛋白質(zhì)

40、的優(yōu)勢(shì)，碳納米管親和吸附刺激細(xì)胞粘附蛋白質(zhì)組成一個(gè)電暈，優(yōu)先粘附并加強(qiáng)由整聯(lián)蛋白調(diào)節(jié)的碳納米管和細(xì)胞之間的粘連。</p><p><b>　　聚乳酸</b></p><p>　　聚乳酸(PLA)是由乳酸的環(huán)狀二聚體即丙交酯開(kāi)環(huán)聚合而成的高分子聚酯，因此又被稱為聚丙交酯。[15]作為可以完全生物降解的高分子復(fù)合材料，聚乳酸具有很好的生物相容性，其降解中間產(chǎn)物乳酸和最終產(chǎn)

41、物H2O和CO2均對(duì)機(jī)體無(wú)害；此外，由于其性能可在大范圍內(nèi)通過(guò)與其他單體共聚得到調(diào)節(jié)，聚乳酸已成為生物可降解材料領(lǐng)域中最受重視的材料之一。見(jiàn)圖1.2.</p><p>　　（a） （b）</p><p>　　圖1.2 （a）聚乳酸 （b）聚乳酸的結(jié)構(gòu)式</p><p>　　具體而言，聚乳酸的優(yōu)點(diǎn)主

42、要有以下幾方面：</p><p>　?。?）聚乳酸具備生物降解性。聚乳酸的合成原料為乳酸，可經(jīng)由可再生的植物資源（如玉米）提煉淀粉，經(jīng)糖化得到葡萄糖，再發(fā)酵制成高純度的乳酸。聚乳酸可以在土壤中完全被自然界中的微生物完全降解，最終生成水和二氧化碳，而其中二氧化碳可直接進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)或被植物所吸收，不污染環(huán)境。</p><p>　?。?）聚乳酸的機(jī)械性能和物理性能良好。聚乳酸具有最良好的抗拉強(qiáng)

43、度及延展度，適用于各種加工方法，加工方便，應(yīng)用十分廣泛，可用于加工各種類型的用品，滿足不同業(yè)界需求。</p><p>　?。?）聚乳酸的生物相容性良好，由于對(duì)人體無(wú)害，完全可用于醫(yī)藥領(lǐng)域。</p><p>　?。?）聚乳酸具有良好的透氣性、透氧性及透二氧二碳性，也具有隔離氣味的特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，故有安全及衛(wèi)生的疑慮，然而，聚乳酸是唯一具有優(yōu)良抑菌及抗霉特性的生物

44、可降解塑料。</p><p>　　理想的骨修復(fù)材料的特性</p><p>　　骨缺損是臨床上的常見(jiàn)疾病，是骨科和整形外科所共同面對(duì)的重大難題[16]，眾多病人因之面臨著巨大的痛苦，久久難以得到較好的治療。</p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)，骨修復(fù)材料主要采用自體或異體骨移植。但是，自體骨移植由于材料的可用性有限，且自體異位取骨更會(huì)造成病人發(fā)生并發(fā)癥，移植成功率不高，存在

45、著較大的缺陷；異體骨移植則更難尋求和儲(chǔ)存可用的骨材料，容易發(fā)生免疫反應(yīng)，成功率更低，并且在一定程度上加劇疾病傳播。為了克服這些問(wèn)題，人們通過(guò)各種方法途徑，制作了各種代替骨修復(fù)材料。</p><p>　　目前常見(jiàn)的合成骨修復(fù)材料有[17]：（1）無(wú)機(jī)非金屬骨修復(fù)材料：包括磷酸鈣類水泥和磷酸鈣陶瓷等；（2）復(fù)合骨代用材料和骨修復(fù)材料：包括金屬/羥基磷灰石骨代用材料、羥基磷灰石/明膠骨修復(fù)材料、羥基磷灰石/有機(jī)合成高分

46、子骨修復(fù)材料、以及含骨形態(tài)生長(zhǎng)因子（BMP）等活性因子的復(fù)合材料。遺憾的是，這些材料支架多少存在著一些問(wèn)題，比如，其中的某些部分不能在體內(nèi)完全降解或吸收，從而殘留在新生骨內(nèi)。這使得人們不斷改進(jìn)和尋找新的材料與工藝，試圖制備理想的骨修復(fù)材料。</p><p>　　理想的骨修復(fù)材料應(yīng)具有以下幾點(diǎn)特性[18]：（1）生物相容性：即能與骨組織發(fā)生良性的相互作用，骨細(xì)胞在材料表面的活性不受抑制，骨組織能進(jìn)行正常的自然再生過(guò)

47、程不受干擾；（2）有一定的大孔孔道：可以促進(jìn)骨細(xì)胞的遷移與增殖；（3）誘導(dǎo)再生性：即可以誘導(dǎo)成骨性能，刺激骨組織生長(zhǎng)；（4）機(jī)械耐受性：即具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的可塑性，可預(yù)先制作成一定形狀，同時(shí)可以為新生組織提供支撐，并保持一定時(shí)間直至新生組織具有自身生物力學(xué)特性；（5）生物降解性：即能在機(jī)體內(nèi)被降解，一定時(shí)間內(nèi)為宿主骨所取代，無(wú)毒副作用。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b>&

48、lt;/p><p>　　目前，以聚乳酸為代表的聚酯類生物降解材料是組織工程研究中最常用的移植細(xì)胞的支架材料之一。聚乳酸材料具有良好的力學(xué)性能，但由于其脆性高，抗沖擊性差，強(qiáng)度往往不能滿足要求，限制了其作為工程塑料的應(yīng)用。前人對(duì)提高聚乳酸力學(xué)性能等方面的改性做了很多研究，目前主要通過(guò)增強(qiáng)及增韌增塑改性來(lái)提高聚乳酸材料的力學(xué)性能。</p><p>　　在聚乳酸中摻入少量的碳納米管可以極大地改善復(fù)合

49、材料力學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性能。聚乳酸和碳納米管復(fù)合后，碳納米管起到晶核的作用，促進(jìn)聚乳酸的熔融和結(jié)晶；同時(shí)楊氏模量升高，斷裂伸展率降低，并且提高導(dǎo)電率。由此看來(lái)，碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的性能，在骨修復(fù)材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本次實(shí)驗(yàn)的主要目的就在于通過(guò)靜電紡絲法制備含有不同微孔隙（小于10μm）率的聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料，并對(duì)材料的物理性能進(jìn)行表征，其中更要著重分析制備過(guò)程中，靜電紡絲的各種紡絲參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)材料微

50、孔隙率的影響。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究狀況</b></p><p>　　由于納米纖維比同材質(zhì)的微米尺寸的纖維除了更好的機(jī)械性能外，還具有更多獨(dú)特的優(yōu)異性能，納米纖維最終會(huì)在納米復(fù)合材料制備中得到重要的應(yīng)用。例如在復(fù)合材料中假如基體聚合物和纖維折光指數(shù)不同，由于光散射會(huì)引起復(fù)合材料不透明，用尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的納米纖維就可以解決這個(gè)缺陷[19]。靜電紡聚

51、合物納米纖維在復(fù)合材料中主要是作為增強(qiáng)材料。Kim等[20]研究了PBI靜電紡納米纖維在環(huán)氧樹(shù)脂基體和橡膠基體中的增強(qiáng)效果。但是到目前為止，用靜電紡納米纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料主要目的是在保持合適的機(jī)械性能的基礎(chǔ)上提供一些優(yōu)異的物理(例如光學(xué)和電學(xué))和化學(xué)性能。例如Bergshoef等利用直徑為30～200nm的尼龍納米纖維除了使環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的硬度和拉伸性能增強(qiáng)，還保持了環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的透明度。</p><p&g

52、t;　　目前，制備納米纖維的方法主要有：靜電紡絲、毫微光刻、分子自組裝、化學(xué)腐蝕、汽相淀積以及復(fù)合構(gòu)造法等。其中靜電紡絲技術(shù)[21]是近年來(lái)發(fā)展的制備納米纖維的一種重要方法,其原理是將聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下噴射并進(jìn)行紡絲。用這種方法制得的納米尺寸的長(zhǎng)纖維，直徑一般在數(shù)十納米到幾微米之間，甚至可達(dá)1納米[22]，且纖維的孔徑結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)相似，可用作組織工程支架。靜電紡絲以其制造裝置簡(jiǎn)單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類繁多、工藝可控

53、等優(yōu)點(diǎn)，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。</p><p>　　人們對(duì)碳納米管/聚乳酸類復(fù)合物已經(jīng)做了一定的研究，其主要是將酸化處理過(guò)的碳納米管與聚乳酸進(jìn)行復(fù)合，研究復(fù)合物兩相間相容性及其力學(xué)性質(zhì)的變化情況。</p><p>　　龔華俊[23]等人通過(guò)靜電紡絲技術(shù)使用1,4-二氧六環(huán)和二氯甲烷制備了聚乳酸/多壁碳納米管/羥基磷灰石（HA）雜化納米纖維并對(duì)其表面形貌、力學(xué)性能、生物降

54、解和細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行了研究。研究表明，PLA 與MWNTs/HA 納米粒子之間存在相互作用，兩相的界面間形成了較強(qiáng)的鍵合力，較普通PLA 材料，該復(fù)合材料的生物降解速度和生物相容性都得到了較大的改善。</p><p>　　趙敏麗等人[24]在龔華俊等人的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了多壁碳納米管的引入對(duì)合成纖維的表面形貌以及生物降解性能的影響，以及改變紡絲工藝參數(shù)對(duì)電紡纖維尺寸的影響。結(jié)果表明，納米粒子混入合成纖維會(huì)使其表

55、面的粗糙度有所增加，從而有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁重；導(dǎo)電性的多壁碳納米管的加入使得紡絲液的導(dǎo)電性增加，紡絲過(guò)程中單位長(zhǎng)度的流體束受到更大的電場(chǎng)力，電紡纖維的直徑減小。適當(dāng)減少紡絲液的濃度可減少聚合物凝膠層的形成，有利于紡絲過(guò)程的穩(wěn)定；電壓的增大和紡絲液濃度的減少都使得合成纖維的直徑減小。</p><p>　　歐陽(yáng)春平等[25]利用酯化改性多壁碳納米管來(lái)增強(qiáng)聚乳酸材料的力學(xué)性能，經(jīng)改性之后，增強(qiáng)其親酯性，有利于改善其在

56、親酯性高分子聚乳酸中的分散性，提高復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，擴(kuò)大聚乳酸類材料的應(yīng)用范圍</p><p>　　張紅萍等人[26]通過(guò)靜電紡絲法制備出多壁碳納米管(MWNTs)增強(qiáng)聚乳酸( PLA) 復(fù)合超細(xì)纖維膜，用掃描電鏡、透射電鏡、差示掃描量熱儀、熱重分析儀對(duì)MWNTs/ PLA 復(fù)合超細(xì)纖維進(jìn)行了表征, 并進(jìn)行了拉伸測(cè)試。結(jié)果表明, MWNTs 分散于PLA 纖維中, 隨著MWNTs含量的增加, 纖維平均直徑先減小

57、后增大, MWNTs 的加入會(huì)降低PLA 的結(jié)晶度, 而MWNTs的加入提高了PLA 的熱解溫度。</p><p>　　David A. Stouta et al[27]對(duì)聚乳酸-羥基乙酸共聚物（50:50重量％），碳納米管（CNF）的纖維復(fù)合材料進(jìn)行了體外研究，調(diào)查了其在心肌組織工程的潛在應(yīng)用。CNF被添加到可生物降解的PLGA增加純PLGA的導(dǎo)電性和細(xì)胞相容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PLGA/CNF材料是導(dǎo)電的，并且

58、這些導(dǎo)電材料能促進(jìn)心肌組織中兩種重要類型的細(xì)胞粘附和增殖。</p><p>　　Shijun Shao et al [28]成功的通過(guò)靜電紡絲制備出了隨機(jī)分布的導(dǎo)電的聚乳酸/碳納米管納米纖維材料，他們根據(jù)材料表面形貌的變化，來(lái)表征體外降解情況。更重要的是由于復(fù)合材料中有導(dǎo)電性很好的碳納米管，這種材料可以為表征，跟蹤在電刺激下成骨細(xì)胞的增長(zhǎng)提供了可能。</p><p>　　Yuxia Kon

59、g et al[29]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備出了有序排列的(CNT/PLA-PCL)納米復(fù)合材料。羧基功能化的碳納米管在PLA溶液中有很好的分散性和穩(wěn)定性，而且碳納米管沿著纖維軸排列分布。Yuxia Kong et al 分別用了 場(chǎng)發(fā)射電鏡和透射電鏡以及拉曼光譜來(lái)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。</p><p><b>　　課題研究方法</b></p><p>　　本課題采用靜電紡絲技

60、術(shù)獲取碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料，并通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）成像得到碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的SEM圖像，從而觀察材料的表面形貌，分析材料的微孔隙率。</p><p>　　靜電紡絲實(shí)驗(yàn)包括紡絲液的制備以及紡絲得到電紡纖維兩部分，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，紡絲液的制備方面，可以控制的參數(shù)有紡絲液中碳納米管的質(zhì)量百分比；紡絲過(guò)程中需要調(diào)控的參數(shù)包括針頭內(nèi)徑、電壓、紡絲速度、紡絲時(shí)間和接收距離等。本課題的實(shí)驗(yàn)部分計(jì)劃控制一定量的

61、針頭內(nèi)徑、紡絲速度、紡絲時(shí)間，在不同的碳納米管的質(zhì)量百分比、電壓、接收距離的狀態(tài)下進(jìn)行靜電紡絲，得到不同的電紡纖維以進(jìn)行掃描成像。</p><p>　　通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）成像得到碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的SEM圖像，即可觀察到各組材料的表面形貌，對(duì)比各組材料的表面形貌，即可得出電紡纖維的直徑、微孔隙率等性質(zhì)與設(shè)置的參數(shù)變量之間的關(guān)系。</p><p><b>　　論文構(gòu)

62、成及研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文包括以下幾個(gè)部分：摘要、緒論、聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料的制備過(guò)程、對(duì)制備材料的SEM分析、以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)。其中，緒論部分包括課題背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題研究方法以及課題主要內(nèi)容；聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料的制備過(guò)程詳細(xì)介紹了原材料的準(zhǔn)備過(guò)程和靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)過(guò)程；對(duì)聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料進(jìn)行SEM分析的部分則通過(guò)比較控制不同參

63、數(shù)下制備的電紡纖維的表面形貌，得出電紡纖維的直徑、微孔隙率等性質(zhì)與設(shè)置的參數(shù)變量（包括接受距離、電壓等）之間的關(guān)系。</p><p>　　綜合上述，本實(shí)驗(yàn)的主要研究?jī)?nèi)容即：利用靜電紡絲技術(shù)制備含有不同微孔隙（小于10μm）率的聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料；通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）成像得到碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的SEM圖像，對(duì)材料的表面形貌進(jìn)行表征；通過(guò)比較控制不同參數(shù)下制備的電紡纖維的表面形貌，分析得出電

64、紡纖維的直徑、微孔隙率等性質(zhì)與設(shè)置的參數(shù)變量（包括接受距離、電壓等）之間的關(guān)系。</p><p>　　聚乳酸/碳納米管復(fù)合骨修復(fù)材料的制備</p><p>　　靜電紡絲的裝置和原理</p><p>　　常見(jiàn)靜電紡絲裝置[30]有兩類放置方式：立式或水平臥式，其裝置主要包括：噴射裝置，高壓發(fā)生器和接收裝置。噴射裝置的作用在于儲(chǔ)存高聚物熔體或溶液，并將之壓人高壓電場(chǎng)；高

65、壓發(fā)生器能夠在噴射裝置和接收裝置之間生成幾千至幾萬(wàn)伏的高壓靜電，其正極一般與噴射裝置的噴射口處可導(dǎo)電的毛細(xì)噴管相連，或者直接插入到熔體或溶液當(dāng)中；負(fù)極一般連接到接收裝置并接地。具體如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1靜電紡絲的基本裝置</p><p>　　在靜電紡絲過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有外加電壓時(shí)，由于儲(chǔ)液管中的溶液受到重力的作用而緩慢沿儲(chǔ)液管壁流淌，而在溶液與儲(chǔ)液管壁問(wèn)的粘附力和溶液本身

66、所具有的粘度和表面張力的綜合作用下，形成懸掛在儲(chǔ)液管口液滴；將聚合物熔體或溶液加上高壓靜電，從而在毛細(xì)管和接地的接收裝置間產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)力，使得熔體或溶液帶電，并在表面產(chǎn)生電流。由于同種電荷的互斥作用，當(dāng)電場(chǎng)力施加到液體表面使產(chǎn)生了與其表面張力方向相反的力。隨著電場(chǎng)力的增大，產(chǎn)生的靜電斥力使得在毛細(xì)噴管末端呈半球狀的液滴被拉伸成圓錐狀，這就是Taylor錐[31]。當(dāng)電場(chǎng)力超過(guò)臨界值后，反向力將克服液滴的表面張力，從而形成噴射流。在

67、高電場(chǎng)的作用下，發(fā)噴射流在去向接收裝置時(shí)會(huì)出現(xiàn)加速現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)生振蕩而不穩(wěn)定，產(chǎn)生頻率極高的不規(guī)則性螺旋運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致了噴射流在電場(chǎng)中的拉伸，噴射流發(fā)生分裂，之后，溶劑揮發(fā)，纖維固化，并以無(wú)序狀排列于收集裝置上，形成類似非織造布的纖維氈(網(wǎng)或者膜)，最終在接收裝置上形成無(wú)紡布狀的長(zhǎng)納米纖維。</p><p>　　靜電紡絲之所以能得到納米級(jí)別的電紡纖維的原因[32]在于：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，熔體或溶液從Taylor錐中被

68、項(xiàng)出，形成射流。通過(guò)電流體動(dòng)力學(xué)分析，可知，產(chǎn)生在熔體或溶液的表面電荷可能發(fā)生衰減，表面電荷與電場(chǎng)的偶合力可以導(dǎo)致出現(xiàn)切向電應(yīng)力，使帶電液流加速，直徑減小。</p><p>　　概括地說(shuō)，影響靜電紡絲過(guò)程的的因素[33]大致有3類：（1）環(huán)境因素：也即溫度、濕度和氣體流速等；（2）紡絲液的性質(zhì)：如紡絲液的濃度、導(dǎo)電率、表面張力、粘度、比熱、熱導(dǎo)率及相變熱等，以及溶劑的揮發(fā)性；（3）各種紡絲參數(shù)：①施加的電場(chǎng)強(qiáng)度（

69、kV/cm）：當(dāng)紡絲機(jī)構(gòu)固定時(shí)，它與施加的紡絲電壓成正比，一般而言，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，產(chǎn)生的靜電斥力增大，造成液滴的分裂能力增加，電紡纖維的直徑隨之變細(xì)；②電紡流體的流動(dòng)速率，當(dāng)噴絲頭孔徑固定時(shí)，射流平均速度與此成正比，從而影響紡絲速率；③ 噴絲頭與接收屏之間的距離，而且接收屏可以固定靜止或運(yùn)動(dòng)(通常為旋轉(zhuǎn))。距離增大，直徑變小。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)主要材料和設(shè)備</b>&l

70、t;/p><p>　　聚乳酸、多壁碳納米管、二氯甲烷、四氫呋喃、高壓電源、注射器、磁力攪拌器、掃描電子顯微鏡：島津MSS-550，日本島津公司。</p><p>　　不同碳納米管含量的碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的制備</p><p><b>　　碳納米管的純化</b></p><p>　　把要用的碳納米管放入濃鹽酸中（在通風(fēng)櫥

71、中進(jìn)行），完全浸泡3小時(shí)，然后在抽濾瓶中進(jìn)行抽濾，直到抽濾至中性為止，然后放入60℃真空干燥箱中，干燥24小時(shí)。</p><p><b>　　碳納米管的羧基化</b></p><p>　　把純化好的碳納米管放入混酸中（V濃硫酸：V濃硝酸 = 3:1）（在通風(fēng)櫥中進(jìn)行），在80℃下用磁力攪拌器攪拌（中速即可),5小時(shí)候即可，然后先用去離子水進(jìn)行稀釋并抽濾，直到抽出液為中

72、性即可。然后在把羧基化好的碳納米管放入60℃真空干燥箱中，干燥24小時(shí)。</p><p><b>　　紡絲液的配制</b></p><p>　　根據(jù)確定好的聚乳酸濃度15%來(lái)配制紡絲液。紡絲液中計(jì)劃加入3.5ml二氯甲烷和1.5ml四氫呋喃（V二氯甲烷：V四氫呋喃=70:30）,而已知二氯甲烷的密度為1.325g/ml，四氫呋喃的密度為0.888g/ml。</p

73、><p>　　當(dāng)碳納米管含量為0%時(shí)，有m（聚乳酸）：m（二氯甲烷+四氫呋喃）=15:85，也即</p><p>　　m（聚乳酸）=[ V二氯甲烷*1.325g/ml+ V四氫呋喃*0.888g/ml]*15/85</p><p>　　計(jì)算可得所需聚乳酸質(zhì)量為1.053g。</p><p>　　當(dāng)碳納米管含量為0.5%時(shí)，有m（碳納米管）：m（聚

74、乳酸）：m（二氯甲烷+四氫呋喃）=0.5:15:84.5，也即</p><p>　　m（碳納米管）=[ V二氯甲烷*1.325g/ml+ V四氫呋喃*0.888g/ml]*0.5/84.5</p><p>　　m（聚乳酸）=[ V二氯甲烷*1.325g/ml+ V四氫呋喃*0.888g/ml]*15/84.5</p><p>　　計(jì)算可得所需碳納米管質(zhì)量為0.071

75、g，所需聚乳酸質(zhì)量為1.067g。</p><p>　　把確定量的碳納米管放入小燒杯中，然后加入準(zhǔn)備好的聚乳酸，再用移液槍把二氯甲烷和四氫呋喃的混合溶劑加入燒杯中。在混合過(guò)程中，首先用振蕩器震蕩10分鐘，然后用磁力攪拌攪拌30分鐘，最后在超聲分散器中分散2小時(shí)，要注意混合過(guò)程不可過(guò)長(zhǎng)，否則溶劑過(guò)度揮發(fā)會(huì)造成紡絲液過(guò)于黏稠而難以紡絲，而后即可準(zhǔn)備裝置進(jìn)行紡絲。</p><p><b&g

76、t;　　紡絲參數(shù)的設(shè)置</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)有：聚乳酸含量 15%，針頭內(nèi)徑為0.8mm,電壓15kV、20kV、25kV，紡絲速率3ml/h，接受距離為13cm、15cm、17cm，具體如表2.1所示，根據(jù)這些參數(shù)開(kāi)始靜電紡絲預(yù)想的納米纖維材料。</p><p>　　表2.1 紡絲參數(shù)表</p><p><b>　　紡絲得

77、到電紡纖維</b></p><p>　　將紡絲液吸入注射器，然后將注射器固定到噴射裝置上，調(diào)節(jié)針頭到接收屏的距離為13cm，設(shè)置紡絲速率為3ml/h；在接收屏上固定錫箔紙；電源陽(yáng)極輸出端連接到注射器針頭，陰極輸出端則接到接收屏并接地。打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)電源兩極各為±7.5kV，開(kāi)始紡絲。當(dāng)觀察到有電紡纖維生成后，計(jì)時(shí)1分鐘即可。關(guān)閉電源，就可清晰得觀察到錫箔紙上有纖維粘附，如圖2.1所示。調(diào)整參

78、數(shù)，再按上述步驟繼續(xù)紡絲。具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如實(shí)驗(yàn)流程圖，即圖2.3所示。</p><p>　　注：圖中所示的是CNT含量0%，電壓15kV，接受距離為15cm時(shí)靜電紡絲得到的材料纖維</p><p>　　圖2.2 錫箔紙上的電紡纖維</p><p><b>　　圖2.2實(shí)驗(yàn)流程</b></p><p>　　紡絲結(jié)果得到了不

79、同電壓、不同接受距離下碳納米管含量分別為0%、0.5%的材料。此后，可以通過(guò)掃描電鏡得到碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料的SEM圖像，對(duì)材料的表面形貌進(jìn)行表征。</p><p>　　聚乳酸/碳納米管復(fù)合材料的SEM分析</p><p>　　掃描電子顯微鏡（SEM）的裝置和原理</p><p>　　掃描電子顯微鏡的制造原理是電子與物質(zhì)的相互作用，即用一束極狹窄的高能電子束掃描

80、樣本，樣本表面受到?jīng)_擊而受激發(fā)，并產(chǎn)生二次電子、俄歇電子、背散射電子、透射電子、特征X射線和連續(xù)譜X射線，以及電磁輻射（包括在可見(jiàn)光、紅外光、紫外光區(qū)域）；其中，主要采集的是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子的數(shù)量與電子束入射角有關(guān)，從而受到樣品的表面結(jié)構(gòu)的影響。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集，利用閃爍器將之轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將視頻放大后的電信號(hào)輸入到顯像管柵極，而后調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，即可得到反映

81、試樣表面形貌的二次電子像，圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。因此，可以說(shuō)，掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)。此外，樣品需經(jīng)過(guò)固定、脫水，并噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)，從而可以使樣品能夠產(chǎn)生次級(jí)電子信號(hào)。</p><p>　　掃描電子顯微鏡主要包括以下6大系統(tǒng)：（1）電子光學(xué)系統(tǒng)：包括電子槍、電磁透鏡和物鏡光闌，電子槍用于產(chǎn)生電子；而電磁透鏡則用于匯

82、聚電子束，分為匯聚透鏡和物鏡；（2）真空系統(tǒng)：包括真空泵和真空柱兩部分，真空柱是一個(gè)密封的柱形容器，樣品放置在其底端的密封室；真空泵用來(lái)在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空，可分為機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類；真空條件一方面增大了電子的平均自由程，使用于成像的電子數(shù)量更多，另一方面保護(hù)了易氧化的燈絲；（3）掃描系統(tǒng)：包括掃描信號(hào)發(fā)生器、掃描放大控制器和掃描偏轉(zhuǎn)線圈；（4）信號(hào)處理系統(tǒng)：包括次級(jí)電子探測(cè)器、閃爍器、光電倍增管和放大器等，用于處理各類

83、電子信號(hào)；（5）圖像記錄系統(tǒng)：采用電腦系統(tǒng)進(jìn)行圖像顯示和記錄管理；（6）電源系統(tǒng)。具體如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 掃描電鏡成像示意圖</p><p><b>　　SEM圖的獲取過(guò)程</b></p><p>　　首先用導(dǎo)電膠將附有材料的小片錫箔紙依次粘到樣品座上。然后將樣品座置于蒸金室中，合上蓋子，打開(kāi)通氣閥門(mén)，對(duì)蒸金室進(jìn)行抽

84、真空。選擇好適當(dāng)?shù)恼艚饡r(shí)間（5分鐘），達(dá)到真空度定好時(shí)間后加電壓并開(kāi)始計(jì)時(shí)，保持電流值，時(shí)間到后關(guān)閉電壓，關(guān)閉儀器，取出樣品。（注意：打開(kāi)蒸金室前必須先關(guān)閉通氣閥門(mén)，以防液體倒流。）鍍金完成后，將樣品座放入掃描電鏡的樣品交換室。樣品安裝后，在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)軟件即可觀察到樣品的SEM放大圖像。</p><p>　　對(duì)各組SEM圖像的分析</p><p>　　碳納米管纖維的SEM圖像</p

85、><p>　　電紡纖維中碳納米管纖維的直徑約為0.1微米，長(zhǎng)度1至2微米，如圖3.2所示。在圖中，電紡纖維的平均直徑大概有幾百納米，而可以觀察到的碳納米管纖維數(shù)量極少，這是因?yàn)樘技{米管在紡絲液中的濃度很低，因此，碳納米管纖維對(duì)電紡纖維整體的表面形貌影響確實(shí)很小。</p><p>　　注：圖中的電紡纖維參數(shù)為電壓15kV，接受距離15cm，碳納米管含量0.5%；放大倍數(shù)為10000。</p

86、><p>　　圖3.2 電紡纖維中的碳納米管纖維</p><p>　　比較相同電壓下不同接受距離造成的影響</p><p>　　對(duì)比相同電壓下，接受距離不同的材料SEM圖，如圖3.3所示，圖中（a）圖表示的是碳納米管含量0%，電壓25kV，接受距離14cm時(shí)靜電紡絲得到的材料，（b）、（c）兩圖中的材料相比于（a）只改變了接受距離，分別為15cm、17cm?？梢悦黠@地看

87、出，隨著接受距離的增大，電紡纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例增大，電紡纖維的平均直徑逐漸減小，微孔隙率增大，我們推測(cè)，這是因?yàn)樵谧銐虼蟮南嗤妷合拢m然場(chǎng)強(qiáng)變低，但噴射流的飛行距離增大，拉伸和分化充分，因而電紡纖維的平均直徑變細(xì)，相同時(shí)間內(nèi)噴射的紡絲液相同，由于電紡纖維變細(xì)變緊密，因而微孔隙率減小。</p><p><b>　　（b）</b></p><p><b&

88、gt;　?。╟）</b></p><p>　　注：放大倍數(shù)為2000倍</p><p>　　圖3.3 電壓為25kV時(shí)，碳納米管含量0%的材料SEM圖 （a）接受距離為14cm時(shí)的材料 （b）接受距離為15cm時(shí)的材料 （c）接受距離為17cm時(shí)的材料</p><p>　　然而，當(dāng)電壓較小時(shí)，一旦接受距離太大，電場(chǎng)強(qiáng)度下降后過(guò)小，很可能影響到拉伸速度和溶

89、劑的揮發(fā)，如圖3.4所示，雖然圖3.3（b）中的材料的紡絲參數(shù)中接受距離較大，為15cm，但是其中電紡纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例較小，電紡纖維的平均直徑較大，微孔隙率反而較大。顯然，這就是因?yàn)殡妷狠^小時(shí)，太大的接受距離造成電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)小，減慢了拉伸速度，并且造成溶劑過(guò)多的揮發(fā)，這也使得得到的材料粗細(xì)更不均勻，就如圖3.3（c）中所示。但是實(shí)在很長(zhǎng)的接受距離又使得圖（c）中的纖維較圖（b）中為更細(xì)，微孔隙率也有所減小。</p>

90、<p><b>　?。╞）</b></p><p><b>　?。╟）</b></p><p>　　注：放大倍數(shù)為2000倍</p><p>　　圖3.3 電壓為20kV時(shí)，碳納米管含量0%的材料SEM圖 （a）接受距離為14cm時(shí)的材料 （b）接受距離為15cm時(shí)的材料 （c）受距離為17cm時(shí)的材料<

91、;/p><p>　　比較相同接受距離下不同電壓造成的影響</p><p>　　對(duì)比相同較小接受距離下，不同電壓的材料SEM圖，我們發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的增大，電紡纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例先增大，后減??；材料的直徑先變小，后變大；材料的微孔隙率也是先變小，后變大，如圖3.4所示。在圖3.4中，（a）圖表示的是碳納米管含量0%，電壓15kV，接受距離14cm時(shí)靜電紡絲得到的材料，（b）、（c）兩圖中

92、的材料相比于（a）只改變了電壓，分別為20kV，25kV。我們認(rèn)為，從理論上分析[33]，電壓的增大對(duì)電紡纖維的表面形貌有兩方面了影響：首先，當(dāng)電壓增大時(shí)，毛細(xì)噴管末端Taylor錐型的液體受到了更大的電場(chǎng)力，這使得Taylor錐的形狀更趨向于變長(zhǎng)變細(xì)，從而使得射流得到更加大的加速度，電紡纖維受到的拉伸應(yīng)力隨之也越大，于是有利于形成更細(xì)的纖維材料，而相應(yīng)的，材料的微孔隙率也就減小了，具體可以從圖3.4的（a）、（b）兩圖當(dāng)中反映出來(lái)；而

93、在另一方面，電場(chǎng)力的提高，會(huì)造成射流速度過(guò)快，這導(dǎo)致紡絲液被噴出后，沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行分化規(guī)整，于是難以形成更細(xì)的纖維，于是其中粗的纖維較多，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)串珠的現(xiàn)象，即在電紡纖維中有液滴出現(xiàn)，而相應(yīng)的材料的微孔隙率也就變大了。當(dāng)電壓較小時(shí)</p><p><b>　?。╞）</b></p><p><b>　?。╟）</b></p>

94、;<p>　　注：放大倍數(shù)為6000。</p><p>　　圖3.4 當(dāng)接受距離為15cm時(shí)，碳納米管含量0.5%的材料SEM圖 （a）電壓為15kV時(shí)的材料 （b）電壓為20kV時(shí)的材料 （c）電壓為25kV時(shí)的材料</p><p>　　然而，當(dāng)接受距離較大時(shí)，雖然材料直徑與電壓參數(shù)的關(guān)系沒(méi)有太多的改變，但是材料的微孔隙率隨電壓的增大，呈現(xiàn)出先增大，后減小的規(guī)律，如圖

95、3.5所示。這是因?yàn)?，接受距離過(guò)大時(shí)，大的接受距離造成電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)小，于是紡絲得到的納米纖維又細(xì)又少；換言之，當(dāng)電壓從15kV增大到20kV此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠使紡出的納米纖維更細(xì)，但是不足以紡出大量的纖維，因此材料的微孔隙率反而大 ；當(dāng)電壓繼續(xù)增大，到25kV，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度有所增大，雖然如上文所說(shuō)紡絲液分化時(shí)間不夠而產(chǎn)生較粗的絲，但是可以紡出稍多的納米纖維，于是材料的微孔隙率反而減小。</p><p>　?。╝）

96、 （b）</p><p><b>　?。╟）</b></p><p>　　注：放大倍數(shù)為6000。</p><p>　　圖3.4 當(dāng)接受距離為15cm時(shí)，碳納米管含量0.5%的材料SEM圖 （a）電壓為15kV時(shí)的材料 （b）電壓為20kV時(shí)的材料 （c）電壓為25kV時(shí)的材料&l

97、t;/p><p><b>　　討論</b></p><p>　　電場(chǎng)強(qiáng)度E大于某臨界值E1的情況</p><p>　　我們認(rèn)為，在電場(chǎng)強(qiáng)度（與電壓/接受距離的比值有關(guān)）足夠大（E>E1）的情況下，材料的微孔隙率與材料的直徑有正相關(guān)的關(guān)系。</p><p>　　此時(shí)，當(dāng)控制電壓不變，改變接受距離，則材料的表面形貌受到了兩

98、方面的影響：一方面，在足夠大的相同電壓下，雖然場(chǎng)強(qiáng)變低，但噴射流的飛行距離增大，拉伸和分化充分，因而電紡纖維的平均直徑變細(xì)，相同時(shí)間內(nèi)噴射的紡絲液相同，由于電紡纖維變細(xì)變緊密，因而微孔隙率減小。然而，當(dāng)電壓較小時(shí)，一旦接受距離太大，電場(chǎng)強(qiáng)度下降后過(guò)小（E1<E<E2，E2為另一臨界值），很可能影響到拉伸速度和溶劑的揮發(fā)，因此雖然材料的紡絲參數(shù)中接受距離較大，其中電紡纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例較小，電紡纖維的平均直徑較大，微

99、孔隙率反而較大。</p><p>　　而當(dāng)控制接受距離不變，而改變電壓，則材料的表面形貌受到了兩方面的影響：首先，當(dāng)電壓增大時(shí)，毛細(xì)噴管末端Taylor錐型的液體受到了更大的電場(chǎng)力，這使得Taylor錐的形狀更趨向于變長(zhǎng)變細(xì)，從而使得射流得到更加大的加速度，電紡纖維受到的拉伸應(yīng)力隨之也越大，于是有利于形成更細(xì)的纖維材料，而相應(yīng)的，材料的微孔隙率也就減小了；而在另一方面，電場(chǎng)力的提高，會(huì)造成射流速度過(guò)快，這導(dǎo)致紡絲

100、液被噴出后，沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行分化規(guī)整，難以形成更細(xì)的纖維，于是其中粗的纖維較多，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)串珠的現(xiàn)象，即在電紡纖維中有液滴出現(xiàn)，而相應(yīng)的材料的微孔隙率也就變大了。當(dāng)電壓較小時(shí)，前者占據(jù)主導(dǎo)作用，即隨著電壓的增大，纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例增大，材料的直徑變??；與之相應(yīng)的材料的微孔隙率也變小。當(dāng)電壓達(dá)到一定程度后，后者的作用超過(guò)了前者，也即隨著電壓的增大，纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例減小，材料的直徑變大，材料的微孔隙率變大。&l

101、t;/p><p>　　電場(chǎng)強(qiáng)度E小于某臨界值E1的情況</p><p>　　此時(shí)，材料的微孔隙率和材料的纖維直徑不再有直接的關(guān)系，也即，由于此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)在過(guò)小，紡絲得到的納米纖維過(guò)少，不論粗細(xì)，材料的微孔隙率只和紡絲得到的纖維數(shù)量有關(guān)，因此，在圖3.4中，圖（b）的參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足了E<E1的情況，因此其中的材料直徑較之圖（a）雖然小，但是材料的微孔隙率卻大；而從（b）到（c），由于電場(chǎng)

102、強(qiáng)度的增大，紡絲得到了更多的纖維，于是材料的微孔隙率也增大。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)后續(xù)展望</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)基本已經(jīng)達(dá)成了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，成功使用靜電紡絲技術(shù)制備了碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料，并通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察了材料的放大圖像，得出了紡絲參數(shù)對(duì)材料表面形貌，尤其是對(duì)材料的微孔隙率的影響，這種影響非常復(fù)雜。</p><p

103、>　　在制備了碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料以后，還可以對(duì)之進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)材料的生物相容性、誘導(dǎo)再生性和生物降解性等。把骨髓干細(xì)胞接種于該材料上，在特定培養(yǎng)基培養(yǎng)過(guò)程中，可以研究其是否可以促進(jìn)骨組織的正常生長(zhǎng)發(fā)育，是否具有骨修復(fù)的能力；如果加上一定連續(xù)的電刺激，還可以研究是否能夠誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化，并且驗(yàn)證，在外來(lái)信號(hào)刺激下，孤立的心肌細(xì)胞群可以在制備的材料上產(chǎn)生于所加電信號(hào)頻率相同的振動(dòng)，即能夠產(chǎn)生共振。如果我們制備出的

104、這種材料在某種刺激下可以誘導(dǎo)自己的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化，并且得到的心肌細(xì)胞群在點(diǎn)刺激下能夠與功能正常的心肌細(xì)胞產(chǎn)生共振，那么這就為從根本上治療心肌梗塞提供了可能。</p><p>　　此外，本次實(shí)驗(yàn)中還存在了幾點(diǎn)缺陷，比如：只對(duì)碳納米管含量為0.5%的紡絲液進(jìn)行靜電紡絲，而沒(méi)能得到碳納米管含量更高（如1%）的材料；還有就是本次實(shí)驗(yàn)中所用到的SEM圖，其中有一部分的亮度并沒(méi)有調(diào)節(jié)到完美，這是因?yàn)楣P者對(duì)掃描

105、電子顯微鏡的使用還不太熟悉的緣故。因此，本實(shí)驗(yàn)還很有繼續(xù)改進(jìn)的空間。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　?。?）本次實(shí)驗(yàn)成功使用靜電紡絲技術(shù)，調(diào)節(jié)各種參數(shù)制備了碳納米管/聚乳酸復(fù)合材料；</p><p>　?。?）通過(guò)電子掃描顯微鏡，成功觀察到了復(fù)合材料纖維中的碳納米管纖維，這意味著確實(shí)紡絲得到了具有碳納米管填充物的聚

106、乳酸電紡纖維；</p><p>　?。?）通過(guò)比較分析所得的SEM圖，得到了紡絲參數(shù)對(duì)材料表面形貌，尤其是對(duì)材料的微孔隙率的影響，這種影響非常復(fù)雜：</p><p>　　①碳納米管在材料中的含量極少，同時(shí)碳納米管電紡纖維短且細(xì)小，因此幾乎對(duì)材料的表面形貌不產(chǎn)生任何影響</p><p>　?、陔妶?chǎng)強(qiáng)度（與電壓/接受距離的比值有關(guān)）過(guò)于小的情況下，紡絲得到的纖維數(shù)量極少

107、，材料的微孔隙率只和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)；</p><p>　　③而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，材料的微孔隙率表現(xiàn)出同材料纖維直徑的正相關(guān)性，同時(shí)受到紡絲參數(shù)：電壓和接受距離的影響。具體的：</p><p>　　當(dāng)控制電壓不變，改變接受距離時(shí)，一方面，在足夠大的相同電壓下，隨著接受距離的增大，電紡纖維的平均直徑變細(xì)，微孔隙率減??；另一方面，當(dāng)電壓較小時(shí)，一旦接受距離太大，電場(chǎng)強(qiáng)度下降，很可能影響到拉伸速度

108、和溶劑的揮發(fā)，因此雖然材料的紡絲參數(shù)中接受距離較大，其中電紡纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例較小，電紡纖維的平均直徑較大，微孔隙率反而較大。</p><p>　　當(dāng)控制接受距離不變，而改變電壓時(shí)，一方面，當(dāng)電壓較小時(shí)，電壓增大造成的電紡纖維受到的拉伸應(yīng)力隨之也越大的效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)作用，使得纖維中直徑較小的細(xì)纖維的比例增大，材料的直徑變??；而在另一方面，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度后，電場(chǎng)力的提高，會(huì)造成射流速度過(guò)快，這導(dǎo)致紡絲液