纳米莲纤维/海藻酸钠三维孔结构梯度分布材料构建及微结构调控

Focusing on the problems that the degradation rate of both nano lotus fiber and sodium alginate is unstabilized, the mechanical property of sodium alginate is insufficient and the traditional scaffolds in regenerative medicine lacks of functions and structures in regnaration of tissue and organs, this project will fabricate a three-dimentional & pore size gradient material using the modified natural polymer, nano lotus fiber and sodium alginage based on the previous study. Under the direction of the basic principles of biomimetics and materials science, the theory of heat and mass transfer, and the method of freeze drying and gradient scaffolds' designing, the present research mainly aims to study the controlled degradation of nano lotus fiber and sodium alginate, the design and preparation of three-dimentional composite material with controlled pore size gradient and microstructure, and the nano-modification of pore walls. Meanwhile, this work will investigate the effect of oxidized modification on the degradation rate of nano lotus fiber and sodium alginate, the formation mechanism of three-dimentional & pore size gradient material, the reinforced & toughened and pore wall modification effect of nano lotus fiber on the composite. The project will also characterize the pore size, porosity, pore connectivity, interface property, mechanical property and in vitro & in vivo degradation rate of the resulted material. The relationship between structure and performance in three-dimentional & pore size gradient material will be discussed in the end. The present project is expected to provide the foundation for future new type scaffolds in regenerative medicine.

本项目拟针对天然高分子聚合物--莲纤维和海藻酸钠降解不可控、海藻酸钠材料力学性能差以及传统再生医学材料组织再生能力弱等系列问题，在前期研究的基础上，以纳米莲纤维和海藻酸钠为基材，以纳米莲纤维/海藻酸钠三维孔结构梯度分布材料构建为主攻目标，借助材料学、仿真学和传热传质的基本原理，采用冷冻干燥法，结合梯度分布多孔材料结构设计，重点研究纳米莲纤维与海藻酸钠降解可控改性、三维孔结构梯度分布材料仿真设计与构建以及多孔材料孔壁微结构调控等，揭示氧化改性对莲纤维和海藻酸钠降解速率调控的规律、三维孔结构梯度分布材料成型及结构调控机理、纳米莲纤维对复合多孔材料的增强增韧及孔壁纳米自修饰作用，同时表征纳米莲纤维/海藻酸钠复合多孔材料的孔径及分布、孔隙率、孔连通性、界面性能、力学性能、体内外降解性能等，阐明具有孔结构梯度分布的纳米修饰多孔复合材料结构与性能的关系，为构建新型再生医学材料提供理论和实验依据。

本项目主要研究海藻酸钠、纳米莲纤维为基材的多孔材料制备及表征，重点对其降解性能进行深入探讨。.（1）蜂窝状海藻酸盐多孔材料的制备及表征。通过理化性质表征发现海藻酸钠易于加工成型，Mw=3.0×105海藻酸盐多孔材料成膜性能最佳，应根据需要选择合适的分子量以改善其性能。采用冷冻干燥技术、-10 ℃预冻可构建出蜂窝状多孔材料（孔隙率为92.06%），改变预冻温度可以调控孔隙结构。随着海藻酸钠用量增多，多孔材料的孔隙率降低，孔径减小，吸水率先上升而后下降；而拉伸强度、断裂伸长率均增加。以上研究为构建降解可控的海藻酸盐多孔材料奠定了基础。.（2）氧化海藻酸钠制备及海藻酸盐多孔材料的降解性能调控。对海藻酸钠进行醛基化改性并表征其化学组成、氧化度及降解性能；再分别用氯化钙、羧甲基壳聚糖进行交联，研究其降解性能。氯化钙交联后海藻酸盐多孔材料降解速率与氧化度的增加成正比，最高达61.71%。海藻酸盐多孔材料降解液pH值下降，亦与氧化度成正比。羧甲基壳聚糖交联氧化海藻酸钠制备的多孔材料降解速率提升，14天降解82.12%～100.00%。随着羧甲基壳聚糖用量提高，降解液pH值趋于上升，说明调整组分摩尔比可以控制材料的降解速率及pH值。.（3）纳米莲纤维/海藻酸盐多孔材料的制备及降解性能调控。采用TEMPO/NaClO/NaBr体系对预处理过的莲纤维进行羧基改性，所得纳米莲纤维直径为15 nm，其羧基含量随着氧化时间的增加而升高。对照组纤维素粉降解缓慢；纳米莲纤维降解速率与羧基含量成正相关，而降解液pH值随羧基含量上升呈下降趋势。氯化钙交联的纳米莲纤维/海藻酸盐多孔材料降解速率较小（40.20%），而羧甲基壳聚糖交联的纳米莲纤维/海藻酸盐多孔材料拥有优异的降解性能（59.16％），以及高孔隙率（87.10%）、高吸水率（1813.33%）、较好的拉伸性能（0.36 MPa /7.73%），为构建皮肤组织工程支架提供研究基础。