Luận án tiến sĩ: Cấu trúc và tính chất của sợi polymer điện quay cùng ứng dụng trong kỹ thuật y sinh

• Tác giả: Cheryl L. Casper
• Người hướng dẫn: Dr. John Rabolt
• Trường học: University of Delaware
• Chuyên ngành: Materials Science and Engineering
• Đề tài: Cấu Trúc Và Tính Chất Của Sợi Polymer Điện Quay Và Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Y Sinh
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Ann Arbor

• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Introduction to Electrospinning
• 1.2. The Electrospinning Process
• 2. CHƯƠNG 2: INFLUENCE OF HUMIDITY AND MOLECULAR WEIGHT ON FIBER FORMATION AND SURFACE MORPHOLOGY
• 2.1. Influence of Polymer Molecular Weight on Fiber Formation
• 2.2. Effect of Humidity on Surface Morphology
• 2.2.1. Varying Humidity Level
• 2.2.2. Effect of Molecular Weight on Pore Formation
• 3. CHƯƠNG 3: FUNCTIONALIZING ELECTROSPUN FIBERS WITH BIOLOGICALLY RELEVANT MACROMOLECULES FOR POTENTIAL BIOMATERIAL APPLICATIONS
• 3.1. Synthesis of PEG-LMWH-Dye and LMWH-Dye Conjugates
• 3.2. Toluidine Blue Assays
• 3.3. Growth Factor Binding Assays
• 3.4. Growth Factor Release Assays
• 3.5. Cell Proliferation Assay
• 3.6. Electrospinning Dye-Labeled LMWH with PEO
• 3.7. Incorporation of PEG-LMWH-dye in PEO Electrospun Fibers
• 3.8. Changing the Carrier Polymer
• 3.9. Preliminary Cell Studies
• 4. CHƯƠNG 4: ATTACHMENT OF PROTEINS TO ELECTROSPUN COLLAGEN AND GELATIN MEMBRANES FOR USE AS TISSUE ENGINEERING SCAFFOLDS
• 4.1. Determining Extent of Crosslinking via Kaiser Test
• 4.2. Synthesis and Attachment of Proteins to Electrospun Fibers
• 4.2.1. Heparin-BSA Synthesis and Biotinylation
• 4.2.2. Dot Blot Assay
• 4.2.3. Attachment of Heparin-BSA-Biotin and PlnDI-Biotin to Electrospun Fibers
• 4.2.4. Assessing Bioactivity of Heparin-BSA-Biotin and PlnDI via Growth Factor Binding Assays
• 4.3. Results and Discussion
• 4.3.1. Preparation and Crosslinking of Electrospun Collagen and Gelatin Membranes
• 4.3.2. Synthesis and Attachment of Proteins to Electrospun Matrices
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

I. Cấu trúc và tính chất của sợi polymer điện quay

Sợi polymer điện quay là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực vật liệu nano, đặc biệt là trong kỹ thuật y sinh. Quá trình điện quay tạo ra các sợi có đường kính từ nano đến micromet, mang lại cấu trúc polymer đặc biệt với diện tích bề mặt lớn và mạng lưới sợi liên kết chặt chẽ. Các tính chất polymer như độ nhớt, trọng lượng phân tử và nồng độ dung dịch ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành sợi. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tích số độ nhớt nội tại và nồng độ dung dịch nhỏ hơn 10, các hạt thay vì sợi liên tục sẽ được hình thành. Điều này nhấn mạnh vai trò của sự đan xen chuỗi polymer và các tương tác phân tử trong quá trình tạo sợi.

1.1. Ảnh hưởng của độ ẩm đến cấu trúc sợi

Độ ẩm tương đối trong quá trình điện quay có tác động đáng kể đến cấu trúc sợi nano. Khi độ ẩm vượt quá 30%, các đặc điểm xốp xuất hiện trên bề mặt sợi polystyrene. Kích thước lỗ xốp tăng từ 85 nm lên 135 nm khi độ ẩm tăng. Ngoài ra, phân bố kích thước, hình dạng và độ sâu của lỗ xốp cũng thay đổi theo độ ẩm. Các nghiên cứu AFM cho thấy độ sâu lỗ xốp tăng từ 48 nm lên 220 nm khi độ ẩm tăng. Hiện tượng này được giải thích bởi quá trình ngưng tụ bay hơi, trong đó thời gian khuếch tán polymer giảm khi trọng lượng phân tử tăng.

II. Ứng dụng của sợi polymer điện quay trong kỹ thuật y sinh

Sợi polymer điện quay đã được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật y sinh, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu y sinh và công nghệ y sinh. Các sợi này được sử dụng để tạo ra các màng sinh học có khả năng liên kết và giải phóng các yếu tố tăng trưởng, hỗ trợ quá trình tái tạo mô và y học ứng dụng. Nghiên cứu tập trung vào việc kết hợp heparin trọng lượng phân tử thấp (LMWH) vào sợi điện quang, nhằm tạo ra các ma trận sinh học hoạt động. PEG-LMWH được chứng minh là có khả năng liên kết và giữ heparin lâu hơn so với LMWH đơn thuần, mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các hệ thống phân phối thuốc.

2.1. Ứng dụng trong tái tạo mô

Các sợi collagen và gelatin được tạo ra bằng phương pháp điện quay có đường kính từ 2-6 µm, được sử dụng làm giàn giáo trong tái tạo mô xương. Quá trình liên kết chéo và khử trùng được tối ưu hóa để đảm bảo tính ổn định của sợi. Các protein như Perlecan domain I (PlnDI) được gắn vào sợi để tăng khả năng liên kết yếu tố tăng trưởng, hỗ trợ quá trình tái tạo mô. Nghiên cứu này đã đặt nền móng cho việc phát triển các giàn giáo sinh học từ sợi điện quang, ứng dụng trong y học ứng dụng và công nghệ y sinh.

III. Tương lai và triển vọng của sợi polymer điện quang

Nghiên cứu về sợi polymer điện quang đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu nano y sinh và công nghệ điện quang. Các kết quả từ nghiên cứu này không chỉ cung cấp hiểu biết sâu sắc về quá trình điện quang polymer mà còn đưa ra các ứng dụng thực tiễn trong y học ứng dụng và kỹ thuật y sinh. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất sợi, phương pháp liên kết chéo và gắn protein sẽ tiếp tục là trọng tâm trong các nghiên cứu tương lai, nhằm phát triển các vật liệu sinh học tiên tiến phục vụ cho y học và kỹ thuật.

3.1. Hướng nghiên cứu tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu quả của sợi polymer điện quang trong các ứng dụng y sinh, bao gồm việc tăng cường khả năng liên kết yếu tố tăng trưởng và cải thiện tính tương thích sinh học. Ngoài ra, việc mở rộng quy mô sản xuất sợi điện quang để ứng dụng thương mại cũng là một hướng đi quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu y sinh và công nghệ y sinh.