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大规模制备高性能生物相容光纤的新方法

2020-11-29

纺织科学研究 2020年10期
关键词:前驱皮层损耗

据报道,东华大学朱美芳院士课题组开发了可用于制备多种皮芯结构水凝胶光纤的集成式光引发动态湿法纺丝工艺。该工艺可为多种水凝胶皮芯纤维体系提供对纤维直径、机械性能、光学性能的精确控制。

皮芯结构水凝胶光纤的皮层选用海藻酸钠作为前驱液,芯层选用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和丙烯酰胺(AAm)的水溶液作为前驱液。通过自制的同轴纺丝喷头,在有牵伸的条件下将前驱液挤出至氯化钙凝固浴中。钙离子扩散进入海藻酸钠中,并使其交联固化,形成水凝胶皮层。同时在喷头附近用紫外光照射光纤,使PEGDA和AAm发生自由基聚合,形成凝胶网络。研究人员在实验室条件下制备了10m 长的连续光纤,可以预见,该方法同样适用于千米长度的光纤制备。此外,通过调节前驱液浓度、单体比例、拉伸速度、挤出速度和皮芯挤出速度比,可以很方便地改变光纤的光学、机械性能及尺寸。

研究人员分别对光纤长度、光波长、光纤粗细和光纤弯曲角度对光损耗的影响进行了探究,并选用没有皮层的PEGDA/AAm 光纤作为对照。研究表明,没有皮层的光纤无全反射现象,散射损耗严重;光纤越长,其传播过程中的光损耗也越大。随着光波长增长,光纤损耗逐渐降低,这主要是因为PEGDA/AAm 等高分子材料对长波长的光透过率较高。随着光纤芯层直径增大,损耗降低,这是由于粗光纤中光在界面的全反射次数降低,反射时的损耗降低。光纤弯曲会增加光损耗,在弯曲角度为180o时,光纤末端的光强仅为无弯曲时的50%。不过这一损耗并非永久性的,在回复至初始形状后光纤的损耗也回复至初始水平。

对于可植入光纤来讲,其在体内的使用性与力学性能和生物相容性有关。本实验中的皮芯水凝胶光纤的力学性能主要取决于强度较高的PEGDA/AAm 芯层,当提高皮/芯挤出速度比时,芯层直径迅速下降,而皮层先下降,后基本不变。因而光纤的总直径会下降,并导致拉伸强度和模量下降、断裂伸长率提升。在光纤材料上接种NIH-3T3细胞3天后,空白组和光纤材料上的细胞群落密度并无明显不同,证明材料无细胞毒性。相比于传统光热治疗或光遗传学中使用的二氧化硅基和高分子基光纤,皮芯水凝胶光纤在保证良好的光传导性能的同时还具有更优异的生物相容性。

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