CN101805938A - 一种生物相容的纳米导电纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物相容的纳米导电纤维及制备方法，含有聚乳酸、碳纳米管、十二烷基磺酸钠三种组分，其质量配比为：聚乳酸100份、碳纳米管5-10份、十二烷基磺酸钠1份，将三种组分利用复配溶剂三氯甲烷和二甲基亚砜制备成纺丝液后，采用静电纺丝装置喷射制得生物相容的纳米导电纤维，纤维直径为200-500nm，碳纳米管被聚乳酸均匀包裹并在纤维内有序排列，所述的碳纳米管表面羟基化，羟基质量分数为3.06wt％，直径为10-20nm，长度为30μm，纯度大于95wt％，比表面积大于200m2/g。本发明工艺先进简单，配方合理，制得的纳米导电纤维具有良好的生物相容性，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种有良好的生物相容性和生物可降解性的纳米纤维及其制备方法，特备涉及一种具有一定导电性的生物相容的纳米导电纤维及其制备方法。
背景技术
传统的纤维制备技术只能制备微米级以上的纤维，而在纳米技术日益发展的今天，把纤维制成纳米级的尺寸开始被人们所关注。静电纺丝是一种新型纺丝技术，可制备微、纳米级的纤维，因此得到了研究者们的广泛重视。迄今为止已有多种聚合物采用静电纺丝技术成功制备出了纳米纤维，如聚乙烯醇，聚丙烯腈，聚酰亚胺，尼龙等，相关研究已日渐深入。但这些材料大多难降解或回收困难，由此造成的环境保护问题也日益严重。
从保护环境和保持社会的可持续发展出发，一类有良好生物相容性和生物可降解性的材料开始被人们所重视研究，聚乳酸就是这样一种高分子材料。聚乳酸(PLA)具有良好的热塑性、生物相容性、生物可降解性及组织可吸收性，因此不仅在通用领域，在生物医学工程方面如药物控制释放基材、多孔的组织工程支架，人造器官等方面也具有潜在的应用价值。通过静电纺丝制备的聚乳酸纤维，若交叉重叠，可用作组织工程支架；若单根使用，则可用作微、纳米级的纤维材料；若在单根纤维里包容导电材料，则还可用作生物相容的纳米导线。
碳纳米管是一种具有良好导电性能的多层纳米管状纤维材料。其直径一般为几个到几十纳米，长度为几个到几十微米，长径比一般大于1,000，具有优良的热、力学性能，并具有良好的生物相容性。将其与聚乳酸复合，是进一步改善聚乳酸强度、赋予材料导电性、并拓展材料应用领域的简单易行的方法。
发明内容
本发明的目的就在于利用静电纺丝技术制备生物相容且生物可降解的聚乳酸/碳纳米管纤维，纤维尺寸从纳米至微米级，有绝缘外层(聚乳酸)，导电内芯(碳纳米管)，可用作纳米导线；本发明的另一目的在于提供上述纤维的制备方法。
本发明的技术方案是：一种生物相容的纳米导电纤维，其特征在于该纳米导电纤维含有以下三种组分：聚乳酸、碳纳米管、十二烷基磺酸钠，三种组分的质量配比为：聚乳酸100份、碳纳米管5-10份、十二烷基磺酸钠1份，将三种组分利用复配溶剂三氯甲烷和二甲基亚砜制备成纺丝液后，采用静电纺丝装置喷射制得生物相容的纳米导电纤维，纳米导电纤维直径为200-500nm，碳纳米管被聚乳酸均匀包裹并在纤维内有序排列，所述的碳纳米管表面羟基化，羟基质量分数为3.06wt％，直径为10-20nm，长度为30μm，纯度大于95wt％，比表面积大于200m2/g。
所述的聚乳酸是一种数均分子量为100,000，熔融指数为8g/10min，熔点为160℃的生物可降解高分子材料。
所述的复配溶剂三氯甲烷和二甲基亚砜的质量比为3∶1，三氯甲烷和二甲基亚砜的质量份之和大于聚乳酸、碳纳米管和十二烷基磺酸钠三种组分的质量份之和。
上述的生物相容的纳米导电纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管、十二烷基磺酸钠加入至三氯甲烷中，超声分散，待分散均匀后再加入聚乳酸，然后按复配溶剂的比例添加二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为5-10wt％的纺丝液；
(2)将步骤(1)制备的纺丝液引入静电纺丝装置中，高压下喷射制得生物相容的纳米导电纤维。
所述的高压下喷射制备纳米纤维的喷丝头与接收板之间的距离为15cm，电源电压为20kV。
本发明工艺先进简单，配方合理，制得的纳米导电纤维具有良好的生物相容性，应用前景广泛。本发明的关键在于选择合适的碳纳米管，因为碳纳米管的表面羟基化处理，长径比等结构参数合理，使纤维最终的形态更好，碳纳米管在纤维中的分布更合理。同时，采用高极化能力的复配溶剂三氯甲烷/二甲基亚砜制备纺丝液有利于射流形成。此外，纺丝液中含有少量的乳化剂十二烷基磺酸钠有利于纺丝速度的提高以及纤维形态的改善。利用简便易行的静电纺丝方法制备生物相容且生物可降解的聚乳酸/碳纳米管纳米导电纤维，纤维直径在200-500nm，碳纳米管在聚乳酸纤维里有序排列，制得的生物相容的纳米导电纤维具有良好的导电性。该产品既可用于生物组织工程领域，也可用于电子电器精细结构上作为传导器件。
本发明的其他优点和效果将在下面的具体实施方式中继续描述。
附图说明
图1为本发明所述的静电纺丝装置示意图。
图2为本发明实施例1制得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片。
图3为本发明实施例1制得的生物相容的纳米导电纤维的透射电子显微镜照片。
图4为本发明实施例2制得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片。
图5为本发明对比例1制得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片。
图6为本发明对比例2制得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片。
图7为本发明对比例3制得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片。
图中：1纺丝液、2接收板、3高压直流电源。
具体实施方式
下面结合附图及最佳实施方式对本发明做进一步说明，以使公众对本发明的内容有整体和充分的了解。
生物相容的纳米导电纤维，含有聚乳酸、碳纳米管、十二烷基磺酸钠三种组分，聚乳酸、碳纳米管、十二烷基磺酸钠的质量比为100∶5-10∶1，将三种组分利用三氯甲烷、二甲基亚砜制备成纺丝液后，采用静电纺丝装置喷射制得生物相容的纳米导电纤维，纤维直径为200-500nm，碳纳米管被聚乳酸均匀包裹并在纤维内有序排列。碳纳米管表面羟基化，羟基质量分数为3.06wt％，直径为10-20nm，长度约30μm，纯度大于95wt％，比表面积大于200m2/g。三氯甲烷、二甲基亚砜的质量比为3∶1。聚乳酸是一种数均分子量约为100000，熔融指数约为8g/10min，熔点约为160℃的生物可降解高分子材料。三氯甲烷和二甲基亚砜的质量份之和与聚乳酸、碳纳米管和十二烷基磺酸钠三种组分的质量份之和的质量比为100∶5-10。
图1为本发明所述静电纺丝装置示意图，图中1纺丝液、2接收板、3高压直流电源。通过对纺丝液(高分子溶液)施加外加电场，使纺丝液带上高压静电，带电的纺丝液在电场力作用下，在毛细管端口形成泰勒锥并被加速。当电场力足够大时，高分子溶液滴可克服表面张力形成喷射细流，细流在喷射过程溶剂挥发，最终落在接收装置上，得到纳米纤维。
图2，图4，图5，图6，图7是采用Olympus BX51型光学显微镜(POM)观察的不同条件下制备的生物相容的纳米导电纤维的形态，放大倍数(a)为200倍，(b)为500倍。
图3是利用透射电子显微镜(TEM)观察生物相容的纳米导电纤维的内部结构，放大倍数为59000。
实施例1
(1)将5质量份表面羟基化的碳纳米管、1质量份的十二烷基磺酸钠加入至足量的三氯甲烷中，超声分散，待碳纳米管分散均匀后加入100质量份的聚乳酸，然后添加三氯甲烷并加入二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为6.5wt％的纺丝液，其中三氯甲烷与二甲基亚砜质量比为3∶1。
(2)将步骤(1)制备的纺丝液置于静电纺丝装置中，喷丝头与接收板之间的距离为15cm，接通电源将电压调至20kV开始纺丝，制得生物相容的纳米导电纤维。
三氯甲烷和二甲基亚砜的质量份之和与聚乳酸、碳纳米管和十二烷基磺酸钠三种组分的质量份之和的质量比为100∶5-10。
图2为通过实施例1获得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片，可以看出纤维表面形态均一，无珠串结构。
图3为该纤维的透射电子显微镜照片，碳纳米管被聚乳酸均匀的包覆，且在纤维内有序排列，形成了有绝缘外层(聚乳酸)和导电内芯(碳纳米管)的纳米导线。
实施例2
(1)将10质量份表面羟基化的碳纳米管、1质量份的十二烷基磺酸钠加入至足量的三氯甲烷中，超声分散，待碳纳米管分散均匀后加入100质量份的聚乳酸，然后添加三氯甲烷并加入二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为6.5wt％的纺丝液，其中三氯甲烷与二甲基亚砜质量比为3∶1。
(2)将步骤(1)制备的纺丝液置于静电纺丝装置中，喷丝头与接收板之间的距离为15cm，接通电源将电压调至20kV开始纺丝，制得生物相容的纳米导电纤维。
三氯甲烷和二甲基亚砜的质量份之和与聚乳酸、碳纳米管和十二烷基磺酸钠三种组分的质量份之和的质量比为100∶5-10。
图4为通过实施例2获得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片，可以看出纤维表面形态均一，无珠串结构。
对比例1
(1)将10质量份表面羟基化的碳纳米管加入至足量的三氯甲烷中，超声分散，待碳纳米管分散均匀后加入100质量份的聚乳酸，然后添加三氯甲烷并加入二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为6.5wt％的纺丝液，其中三氯甲烷与二甲基亚砜质量比为3∶1。
(2)将步骤(1)制备的纺丝液置于静电纺丝装置中，喷丝头与接收板之间的距离为15cm，接通电源将电压调至20kV开始纺丝，制得生物相容的纳米导电纤维。
图5为通过对比例1获得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片，与实施例2获得的纤维相比，对比例1获得的纤维表面存在少量的珠串结构，这表明实施例中十二烷基磺酸钠作为乳化剂有利于纤维形态的改善。
对比例2
(1)将10质量份的碳纳米管加入至足量的三氯甲烷中，超声分散，待碳纳米管分散均匀后加入100质量份的聚乳酸，然后添加三氯甲烷并加入二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为6.5wt％的纺丝液，其中三氯甲烷与二甲基亚砜质量比为3∶1，碳纳米管表面无修饰，长径比小于1000。
(2)将步骤(1)制备的纺丝液置于静电纺丝装置中，喷丝头与接收板之间的距离为15cm，接通电源将电压调至20kV开始纺丝，制得生物相容的纳米导电纤维。
图6为通过对比例2获得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片，与实施例2获得的纤维相比，对比例2获得的纤维表面存在较多的珠串结构，这表明实施例中表面羟基化的碳纳米管能够更好的分散于聚乳酸基体及其溶液中，有利于获得形态良好的纤维。
对比例3
(1)将10质量份表面羟基化的碳纳米管加入至足量的三氯甲烷中，超声分散，待碳纳米管分散均匀后加入100份质量的聚乳酸，然后添加三氯甲烷并加入二甲基亚砜，配置好再次超声分散，制备出浓度为6.5wt％的纺丝液，其中三氯甲烷与二甲基亚砜质量比为3∶1。
(2)将步骤(1)制备的纺丝液置于静电纺丝装置中，喷丝头与接收板之间的距离为15cm，接通电源将电压调至20kV开始纺丝，制得生物相容的纳米导电纤维。
图7为通过对比例3获得的生物相容的纳米导电纤维的光学显微镜照片，与实施例2获得的纤维相比，纤维上有较多珠串结构，这表明实施例中采用二甲基亚砜与三氯甲烷复配作为溶剂有利于获得形态良好的纤维。
Claims (5)
1.一种生物相容的纳米导电纤维，其特征在于该纳米导电纤维含有以下三种组分：聚乳酸、碳纳米管、十二烷基磺酸钠，三种组分的质量配比为：聚乳酸100份、碳纳米管5-10份、十二烷基磺酸钠1份，将三种组分利用复配溶剂三氯甲烷和二甲基亚砜制备成纺丝液后，采用静电纺丝装置喷射制得生物相容的纳米导电纤维，纳米导电纤维直径为200-500nm，碳纳米管被聚乳酸均匀包裹并在纤维内有序排列，所述的碳纳米管表面羟基化，羟基质量分数为3.06wt％，直径为10-20nm，长度为30μm，纯度大于95wt％，比表面积大于200m2/g。
2.根据权利要求1所述的生物相容的纳米导电纤维，其特征在于所述的聚乳酸是一种数均分子量为100000，熔融指数为8g/10min，熔点为160℃的生物可降解高分子材料。
3.根据权利要求1所述的生物相容的纳米导电纤维，其特征在于所述的复配溶剂三氯甲烷和二甲基亚砜的质量比为3∶1。
4.一种如权利要求1所述的生物相容的纳米导电纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将碳纳米管、十二烷基磺酸钠加入至三氯甲烷中，超声分散，待分散均匀后再加入聚乳酸，然后按复配溶剂的比例添加二甲基亚砜，配置好后再次超声分散，制备出浓度为5-10wt％的纺丝液；
(2)将步骤(1)制备的纺丝液引入静电纺丝装置中，高压下喷射制得生物相容的纳米导电纤维。
5.根据权利要求4所述的生物相容的纳米导电纤维的制备方法，其特征在于所述的高压下喷射制备纳米纤维的喷丝头与接收板之间的距离为15cm，电源电压为20kV。
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| 《高分子学报》 20050430 龚华军等 电纺丝法制备聚乳酸/多壁碳纳米管/羟基磷灰石杂化纳米纤维的研究 第2节 1-5 , 第2期 2 * |
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