一、研究背景

丝绸是人类已知的最古老、最有用的动物纤维之一。蚕丝是一种动物纤维，由某些昆虫在自身周围结网成茧而产生。丝纤维主要由两种蛋白质结构组成，内层为纤维蛋白，外层为丝胶蛋白。纤维蛋白是构成蚕丝细丝的蛋白质，为蚕丝纤维提供了独特的物理和化学特性。丝胶蛋白是一组结合纤维蛋白丝的胶状蛋白质。蚕丝的化学成分通常包括 72%-83% 的纤维素、17%-28% 的丝胶、0.8%-1.0% 的油和蜡、1.0%-1.4% 的染料和灰分以及 11% 的水。蚕丝纤维素的氨基酸结构主要由两种非极性氨基酸组成：甘氨酸（43%）和丙氨酸（30%）。然后由 12% 的丝氨酸和少量的胱氨酸、酸性氨基酸和必需氨基酸组成。蚕丝系列的氨基酸结构正好相反。 主要是极性氨基酸丝氨酸（30%）、天门冬氨酸，以及非极性氨基酸甘氨酸和丙氨酸，合起来只占 22% 左右。蚕丝的分子量（200-350 kDa 或更高）为大体积的重复模块化疏水结构域，由小亲水基团阻隔。丝纤维表面光滑。其横截面呈纤维素三角形结构，四角覆盖着丝胶。从蚕丝中抽出的两根生丝的细度为 1.8-3 旦尼尔，而去除丝胶的单根丝的细度为 1-1.5 旦尼尔。蚕丝是天然纤维中最长的。蚕茧中的丝长在 1000 到 3000 米之间。从蚕茧中抽出的丝长在 500 到 1200 米之间。生丝纤维的直径在 12 微米到 30 微米之间。从蚕茧外部抽出的纤维内部要粗得多。这些是后来分泌的纤维，它们更细且均匀。

与球状蛋白质相比，天然丝纤维只能溶解在有限的溶剂中，这是因为纤维素中存在大量的分子内和分子间氢键，而且其结晶度高，具有特殊的物理化学特性，如润湿角为 69° ± 3°。纤维素可溶解在浓酸（磷酸、甲酸、硫酸和盐酸）水溶液和高离子强度的盐水溶液中，如氯化钙（CaCl2）、氯化锌（ZnCl2）、溴化锂（LiBr）和氯化镁（MgCl2）。

蚕丝纤维素（SF）是一种天然生物聚合物，具有生物相容性、生物可降解性、低炎症反应、柔韧性、良好的抗血栓形成性和惊人的机械性能。SF 多孔材料已在可控给药系统、抗凝血液材料、生物传感器、人造韧带、人造肌腱、人造皮肤、神经修复和移植、角膜修复和伤口敷料等方面得到广泛研究。

许多研究表明，SF 支架可为细胞增殖提供良好的支持，还可用于各种组织工程，包括骨、软骨和血管。

纳米材料世界包括各种具有特殊物理和化学性质和资质的有趣材料。这些材料包括零维纳米粒子或量子点，一维纳米线、纳米棒、纳米纤维和纳米管，以及二维纳米片。纳米纤维被认为是具有完美潜在用途的纳米材料，在其他纳米材料中独树一帜。纳米纤维最耀眼的特点之一是其超高的表面积-体积比和高孔隙率，这使其成为许多前沿应用的可靠和有吸引力的候选材料。从可合成纳米纤维的多种构件到纳米纤维已被证实具有显著效果的各种应用，都能真正证明纳米纤维的重要性。迄今为止，纳米纤维已由多种材料混合制备而成，如天然聚合物、合成聚合物、碳基纳米材料、半导体纳米材料和复合纳米材料。在过去几年中，随着纳米纤维合成和表征技术的快速发展，人们已将大量精力集中在探索纳米纤维的潜在功能应用、水和环境处理方面，包括能源生产和储存、生物医学工程和医疗保健。

静电纺丝生产设备电纺丝法被描述为在电和流体动力作用下使较小的材料成型的方法。15 世纪末，威廉-吉尔伯特（William Gilbert）的磁学和静电事件是第一个例子。1745 年，Bose 利用玻璃毛细管尖端进行喷涂；1902 年，J. F. Cooley 首次定义了电纺丝；1934 年，Anton Formhals 获得了第一项纤维生产专利[20]。1978 年，Sim 获得了纤维，这些纤维被用于空气过滤器[20]。1986 年，Hayati 研究了环境因素的影响；1996 年，Reneker 证明可以获得多种聚合物类型的纳米纤维。2003 年，Fridrikh 建立了一个数学方程来预测纤维的直径细度。

能够支持哺乳动物活细胞在体外增殖、分化和改良成所需组织的合成材料备受关注。这种材料，即支架，必须提供结构上的促进作用和引导细胞生长的协同作用。支架材料最好具有生物相容性、完全生物可降解性或可吸收性、多孔且表面积大、机械性能与目标组织相似并可灭菌。纳米纤维被认为是特别有前途的组织支架，因为其尺寸尺度模拟细胞外基质。

由于 SF 具有生物相容性和机械特性，许多研究人员已将其单独或作为多组分混合物使用。在这些生产方法的初期，有一种电纺丝方法[25-38]。研究人员在研究中使用了 12%-28% 的浓度和 2-4 千伏的应用电压。在生产结束时，研究人员的纤维直径质量达到了 12-1500 nm。从文献综述中可以了解到，已有许多关于丝纤维素细胞活力测试的研究。根据在蚕丝纤维素结构上进行的细胞增殖测试，他们发现细胞增殖可达 3-7 天和 3 周（内皮细胞蚕丝纤维素）。因此，蚕丝纤维素是一种适合在伤口愈合、血管、仿生纺织品和组织工程方面进行开发的生物聚合物。

研究结果表明，浓度、距离和外加应力参数对拉伸强度、纤毯厚度、纤毯表面和纤维直径变化的影响。对制备的蚕丝纤维纳米纤维结构进行了细胞增殖测试。评估了丝纤维蛋白纳米纤维结构的最高强度、毡厚度、毡表面和纤维直径，并观察了丝纤维蛋白对细胞增殖的影响。

二、摘要

蚕丝纤维素具有低炎症反应、生物降解、柔软、抗血栓形成、生物相容性和高抗拉强度等特性，是生物医学应用的理想材料。电纺丝可生成高比表面、多孔、纳米纤维尺寸的纤维，是一种简单的方法。我们开展了一项实验研究，利用静电纺丝生产设备电纺丝技术从蚕丝纤维素中生成纳米纤维结构，并优化了用于纺制均匀、连续的蚕丝纤维素纤维的电纺丝参数。结果，研究了浓度、距离和施加电压等变量对纳米材料的强度、厚度、表面结构和纤维直径的影响。然后，分析了丝纤维蛋白垫的体外细胞活力。结果表明，随着溶液浓度的升高，蚕丝纤维蛋白毡的强度、厚度和纤维直径都在增加。研究发现，纤维直径和抗拉强度值随着距离的增加而减小。可以确定的是，距离的影响因纤维毡厚度的浓度而异。拉伸强度与施加电压的升高和距离成反比。研究发现，纤维直径值随着施加电压的增加而减小。丝纤维蛋白毡的细胞存活率在 24 小时后较高，但在 48 小时后较低。

三、结论

根据这项研究得出的测试结果，丝纤维素纤维的直径随着距离的增加而减小，并且产生了更细的纤维。其原因是纳米纤维在到达集电极之前所承受的外加电压是连续的，丝纤维因变细而被覆盖。在三种浓度下都观察到了类似的情况。此外，丝纤维直径的增加与浓度的增加成正比。因此，低浓度生产细丝纤维和高浓度生产粗丝纤维是必要的。

在浓度为 10%和 12.5%的生产装置中，丝纤维蛋白毡的厚度随距离的增加而减少。丝纤维毡的厚度随溶液浓度的增加而增加。据测定，蚕丝纤维素毡厚度对近距离有影响。如果希望垫层厚度更高，在浓度为 12.5%、应用电压为 37 千伏和距离为 25 厘米时，可观察到最佳厚度。在生产浓度为 15%的产品时，由于环境参数的影响，丝纤维蛋白毡的厚度随着距离的增加而增加。

对所有结果进行检验后发现，12.5% 的浓度是获得强度最高的丝纤维纳米纤维毡的合适浓度。强度与施加电压的升高和距离成反比。在施加 40 千伏电压和 15 厘米距离时，结果最佳。

扫描电子显微镜（SEM）数据分析显示，在 10%的浓度下，短纤维的比例随着施加电压的降低而增加。在 37 千伏电压和 25 厘米距离下，丝纤维素纤维最均匀。浓度为 12.5%时，蚕丝纤维垫的蚕丝纤维呈规则状，并随着施加电压的降低而略微呈串珠状。在 35 kV 的电压和 25 cm 的距离下，获得的丝纤维最好。在 15%浓度下，发现纤维密度比其他浓度下形成的纤维密度更大。在这一浓度下，所有蚕丝纤维毯的纤维都是不间断和均匀的。据测定，随着溶液浓度和粘度的增加，起毛起球和纤维断裂的情况会减少。

根据获得的数据发现，强度、毡厚度、毡表面和纤维直径等参数受浓度、距离和施加电压的影响。对在工作条件下生产的产品的测试结果进行研究后发现，就纤维细度而言，10% 的浓度、40 千伏的施加电压和 25 厘米的距离可生产出最细的纤维。由此可见，如果要生产细纤维，除了低浓度外，高电压和高距离也非常有效。如果希望纤维毯的厚度大于 12.5%，则使用 37 千伏的电压和 15-20 厘米的距离可生产出最合适的厚纤维毯。在强度方面的研究结果表明，12.5% 的浓度、40 千伏的电压和 15 厘米的距离可生产出强度最高的毡。丝纤维蛋白毡的细胞存活率在 24 小时后较高，但在 48 小时后较低。第 48 小时和第 72 小时后，细胞活力略有增加。

图1.重量百分比为 10%、电压为 40 kV [分别为 15 厘米（a）、20 厘米（b）和 25 厘米（c）] 的蚕丝纳米纤维毡的扫描电镜图像 ( 50000)。

 

图2.重量百分比为 10%、电压为 37 kV 的纳米纤维毡的扫描电镜图像[分别为 15 厘米（a）、20 厘米（b）和 25 厘米（c）] ( 50000)。

图3.重量百分比为 10%、电压为 35 kV 的丝纤维纳米纤维毡的扫描电镜图像[分别为 15 厘米（a）、20 厘米（b）和 25 厘米（c）] ( 50000)。

图4.重量百分比为 12.5%、电压为 40 kV 的丝纤维纳米纤维毡的扫描电镜图像[分别为 15 厘米（a）、20 厘米（b）和 25 厘米（c）] ( 20000)。