第 1 章 绪论
1.1 引言
随着全球性能源紧缺和环境污染问题一天比一天严重，绿色材料的研究开发成为各国的重要任务之一。中国在2021年十四五规划中提出了生态文明建设实现新进步，生产生活方式绿色转型成效显著等规划。因此绿色材料的开发和利用势在必行，并且绿色材料在医学领域拥有广阔的前景，比如绿色材料在生物制药载体、医用敷料、人体内植部件和医用包装等方向的应用。
在医学领域，静电纺聚乳酸（PLA）纳米纤维得到了广泛的应用。近年来聚乳酸材料的研究成为了热点，它是一种可生物降解且可生物兼容的聚合物，可降解为水和二氧化碳被人体排出，其主要来源于玉米、小麦等可再生资源[1]。PLA通常用丙交酯的开环聚合或乳酸单体的缩聚来合成[2]。如今开发的聚乳酸医用材料也十分广泛，比如组织工程支架材料、药物载体材料和医用敷料材料等[3]。而静电纺聚乳酸纳米纤维具有比较高的比表面积、相互连通的空隙、纤维直径可控制和形貌可调节等优点，因此主要被应用于药物载体和医用敷料领域。但是静电纺聚乳酸纤维在上述应用中存在着很多的缺陷，例如聚乳酸本身亲水性差、负载亲水性药物不均匀、力学性能差等[4-6]。静电纺光滑纤维用于药物载体突释明显、用于医用敷料孔隙率低、保水率差等。因此静电纺PLA要想在药物载体的医用敷料领域得到更好的应用，就必须解决上述存在的问题。
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1.2 静电纺丝概述
1.2.1 静电纺丝技术的历史
1887 年，Charles V. Boys 报告说，存在外部电压的情况下可以将导电粘弹性液体拉伸成纤维[7]。他使用了一种设备，该设备由连接到电源的绝缘盘组成。已经证明，当粘稠的液体移动到盘的边缘时，其可以被抽成纤维，现在被广泛称为静电纺丝。该技术为生产直径低至纳米级的超细纤维打开了大门。通常，静电纺丝可以生产出直径从纳米到微米级别的纤维[8]。现在还有报道说可以生产直径低至 1 nm 甚至更低的静电纺丝纤维[9]。在文献中，电纺纤维的直径小于约 500 nm时通常被称为纳米纤维。
静电纺丝的概念是由威廉·吉尔伯特（William Gilbert）在 1600 年进行的一项较早的研究中提出的，在该研究中，他观察到在电场存在下锥形水滴的形成。大约一个世纪后，史蒂芬·格雷（Stephen Gray）观察了水滴的电流体动力学雾化，从中产生了非常细的水流[10]。静电纺丝可以认为是电喷涂技术的一种变体，两者都依靠使用高压来实现喷射液体[11]。在静电纺丝过程中，射流可以保持连续的形式以生产纤维，而不必像电喷雾那样破碎成小滴（用于形成颗粒）。
如今，许多公司已经设计并建立了工业生产线，开始批量生产电纺纳米纤维，从而实现商业化产品。目前，静电纺纳米纤维已广泛用于水和空气过滤，范围从工业产品（例如汽车滤清器）到民用产品（例如面膜和滤水器）。并且静电纺纳米纤维制备的生物医学产品很多已经被批准用于临床。同时，在实验室环境中，电纺纳米纤维经过了进一步的工程改造，具有特定的成分和创新的结构，使其具有特殊功能，可用于先进应用。
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第 2 章 溶液性能对纤维直径的交互作用
2.1 引言
纤维的结构决定了其性质，性质决定了其用途[78]。聚乳酸纤维膜在医药领域被广泛应用，纤维膜的微观形貌和直径大小对其应用至关重要[55]。静电纺纤维的形貌及其直径的控制在很大程度上取决于环境参数、加工参数和溶液性质[79]。 加工参数包括施加的电压，液体的推速以及喷丝尖端与收集器之间的距离等，环境参数包括环境温度和环境湿度等[80,81]。其中环境参数和加工参数可以分离成单参数对纤维直径的影响，例如增大电压或降低环境湿度有利于形成超细纤维；提高推速或缩短接收距离有利于形成直径较大的纤维，并且这些结论已经得到了证明。
溶液性质包含了溶液的粘度、表面张力、电导率、溶液浓度和溶质分子量等，其中溶液性能（粘度、电导率、表面张力）在静电纺丝中对纤维直径具有综合作用，各种因素之间还能够相互影响，所以又很难说哪种因素是主要影响[82]。
因此本章通过调整溶剂比例和溶液浓度的方法来改变溶液的性能，研究了溶液性能的交互作用对纤维直径的影响。通过 SEM 对纤维形貌进行表征，然后把得到的图片用 ImageJ 进行分析，得到纤维的平均直径。采用 SPSS 软件计算模拟出溶液性能和纤维平均直径之间的关系式并进行验证，进而可控的制备所需纤维的直径。
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2.2 实验部分
2.2.1 实验主要试剂
本章中使用的主要试剂为表 2-1。
表 2-1 实验所用主要试剂
2.2.2 实验主要仪器
本章使用的主要仪器为表 2-2。
本章使用的主要仪器为表 2-2。
表 2-2 实验所用主要仪器
第 3 章 PLA/NCC-MA 复合电纺纤维性能及应用研究 .................................. 27
3.1 引言 ....................................... 27
3.2 实验部分 ................................... 27
第 4 章 PLA/NCC-g-PLA 复合电纺纤维性能及药释行为研究 ............................ 45
4.1 引言 .................................................. 45
4.2 实验部分 ...................................... 45
第 5 章 结论 ........................ 66
第 4 章 PLA/NCC-g-PLA 复合电纺纤维性能及药释行为研究
4.1 引言
对于常规的药物输送系统，包括口服，注射和透粘膜等，药物被输送到全身循环，而不是客观地输送到特定部位。通常，药物被瞬间全部释放，随着时间的流逝而被迅速清除，导致疾病治疗效果受到限制且需要频繁给药[98]。据报道，传统给药只有非常少的药物分子被递送到患病区域，开发合适的药物释放系统以实现可持续释放是生物医学进步的基本目标。大量的研究集中于开发具有高效载药量和缓释作用的载药材料，从而使药物浓度在治疗窗口内保持较长的时间。
近年来，静电纺聚乳酸（PLA）作为药释载体引起了人们的兴趣。因为静电纺纳米纤维在结构上可以模拟细胞外基质（ECM），拥有负载药物以及药物缓释的能力[99]。静电纺纳米纤维作为药物载体，已经应用于多种药物[100]。但是静电纺光滑纤维存在亲水性差、力学性能差和加载亲水性药物不均匀、药物突释等不足，使其负载亲水性药物受到了限制。而亲水性材料搭载亲水性药物时，材料和药物都会降解导致缓释效果差。
因此本章通过纤维素纳米晶表面接枝生物相容性好的 L-丙交酯（L-LA）改善了纤维素与聚乳酸基体的相容性，使得修饰后的纤维素可以均匀的分散在聚乳酸纤维中。进而更好的提高纳米纤维膜的力学性能、热学性能、亲水性和负载亲水性药物的均匀性。并调节了纤维形貌，制备了串珠状载药纤维，有效的解决了光滑纤维药物突释的问题。
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第 5 章 结论
针对目前聚乳酸电纺膜在亲水性药物释放领域应用存在的缺陷，本文利用修饰纳米晶纤维素对聚乳酸电纺膜进行改性，探索了不同溶剂配比和溶液浓度等溶液性能对纤维直径和形貌的影响。接着我们分别利用马来酸酐和丙交酯对纤维素纳米晶进行了表面修饰，研究了表面修饰对纤维素纳米晶在聚乳酸基体中分散性能的影响，对聚乳酸复合纤维膜的力学性能、热学性能、亲水性等性能进行了分析。最后，我们分别对制备得到的串珠和多孔纳米复合纤维膜进行了药物释放和吸附性能研究。通过以上研究，我们得出以下结论：
（1）改变混合溶剂比例和 PLA 浓度来调节纺丝溶液性能（粘度、电导率和表面张力）。研究了溶液的性能对纤维直径的交互作用，发现溶液粘度和表面张力同纤维直径存在正相关关系，溶液电导率与纤维直径之间存在负相关关系，并且三种参数中溶液电导率对纤维直径的影响起主要作用。通过线性回归的方法分析了溶液性能和直径的关系，提出了纤维直径的预测公式并进行了验证，证明所得公式能够准确对纤维的直径进行预测。因此可以有目的的对纤维直径进行调控，用以制备自己所需直径的纤维。
（2）通过 L-丙交酯和马来酸酐对纤维素纳米晶进行接枝改性，提高了纤维素纳米晶和聚乳酸基体的相容性。将修饰后的纤维素纳米晶与 PLA 进行混纺，制备了 PLA/NCC-g-PLA 和 PLA/NCC-MA 纤维膜。并利用热重分析仪、万能试验机和接触角分析仪对纤维膜的热学性能、力学性能和亲水性能进行了表征。其中 PLA/NCC-MA 纤维膜与 PLA 纤维膜相比，纤维膜的分解温度由 272 ℃提升到了 296 ℃，最大分解温度由 348 ℃提升到了 393 ℃；拉伸强度提高了 0.34 倍；接触角由 113.5°降到了 87.3°。PLA/NCC-g-PLA 纤维膜与 PLA 纤维膜相比，纤维膜的分解温度由 276 ℃提升到了 289 ℃，最大分解温度由 330 ℃提升到了384 ℃；拉伸强度提高了 1.32 倍；接触角由 113.5°降到了 78.6°。改性后纤维素纳米晶的引入达到了增强 PLA 纤维膜力学性能、热学性能和亲水性能的目的，同时还提高了 PLA 纤维膜负载亲水性药物的均匀性。