静电纺的压电纳米纤维的压电性导致的细胞增殖现象的内在机理研究

In this proposal, we plan to use Near Field Electrospinning (NFES), Conventional Electrospinning (CES) methods to study the molecular orientation and piezoelectric properties of various piezoelectric polymer nanofibers. We chose to study PVDF (Poly (vinylidene Fluoride) and PLLA (Poly-L-lactic-acid) which have variation in relative orientation of dipole direction and polymer main chain direction. We will compare the piezoelectric and mechanical properties of nanofibers fabricated under various electrospinning conditions, such as different solvents, precursor solution concentration , electric field, needle tip and gap distance. Further, the fabricated fiber will be analyzed by SEM, second harmonic generation, X-Ray diffraction and DSC measurement..Once all the electrospinning parameters are studies and the polymer fiber manufacturing process is designed and optimized, we will use a lab designed Bioflex setup to do the cell testing. Before the cells are grown on the culture plates, various electrospun PVDF or PLLA fibers from different electrospinning conditions will be glued on the bottom of the cell culture plates. During the experiment, we plan to test the fibroblast cells under varied experimental conditions, such as various piezoelectric coefficient and dipole directions. At last, we expect that we can unveil the reason why the cells show enhanced migration, adhesion and cell proliferation rate under piezoelectric effect. This effect will have potential applications in future tissue engineering, and drug delivery.

近年来，利用静电纺丝法来制备聚合物纳米纤维，并将其用于组织工程、药物输送等领域引起了越来越多的研究兴趣。这里，我们计划使用近场静电纺丝法以及传统静电纺丝法去研究不同压电聚合物纳米纤维，包括聚偏氟乙烯以及聚左旋乳酸的分子取向以及压电属性。这些材料的分子主链与偶极子的之间方向不尽相同。因此，通过不同的静电纺丝条件，比如不同的溶剂、溶液浓度、电场强度、从针头到标靶的距离L等，我们来制作不同的压电纳米纤维。然后我们通过对比这些压电纳米纤维的压电性能以及机械性能的变化，来找到最佳的静电纺丝条件，一旦这些静电纺丝的参数确定以后，申请人计划使用自己实验室内搭建的可振动柔性细胞培养基来进行分子生物实验。通过比较装载在不同压电聚合物上的小鼠成纤维细胞的增长，繁殖以及粘附性的实验，来揭示细胞在不同大小、方向的压电性影响下的迁移率，粘附性以及增殖变化的内在机制，从而为这一领域在将来的广泛应用奠定良好的基础。

在项目实施过程中，我们主要研究了静电纺丝法制备的PVDF（聚偏氟乙烯）以及PLLA（聚左旋乳酸）纳米纤维在促进成纤维细胞的增殖以及小鼠表皮细胞的生长的应用。我们通过远场静电纺丝法 (FFES) 制备了P(VDF-TrFE)纳米纤维，发现其压电性较小，而经过极化后压电系数d31可达16.17pC/N。P(VDF-TrFE)纳米纤维在大鼠创伤区域在活动中产生电能，从而为创口处的细胞提供电刺激。在极化P(VDF-TrFE)纳米纤维支架的作用下，L92成纤维细胞的增殖率比在未极化的P(VDF-TrFE)纳米纤维支架上提高了1.6倍。另外，我们还通过静电纺丝法制备了聚左旋乳酸（PLLA）纳米纤维并测试了不同类型聚乳酸的PM2.5过滤性能。发现静电纺丝法制备的PLLA压电系数d14为2.25 pC/N。同时发现其过滤PM2.5效率达99.3%，优于商业3M公司的PM2.5过滤面罩。此外，我们首次研究了单电荷驻极体（单种电荷）材料可用于能量收集和自驱动设备应用。单电荷驻极体鞋垫在人行走过程中可产生最大178V的输出电压和2.85µA 的电流。最后，我们还进行了聚左旋驻极体（PLA）的可穿戴自驱动传感的理论及应用研究，我们发现驻极体和压电结合的混合纳米发电机可用来驱动蓝牙电路并发射蓝牙信号，控制LED 灯的开关。这些课题的研究，对于压电聚合物在促进细胞增殖、创伤愈合以及生物可降解的防护口罩，以及自驱动的可穿戴传感器方面有非常重要的引领作用。我们发表在期刊Nano Energy(43, 63-71, 2018)PVDF促进细胞增殖的文章,从2018起已他引60次。还有，我们发表在Advanced Sustainable Systems(2, 5, 1700178, 2018）研究单电荷驻极体材料在可器件文章，为国内外首次研究单电荷驻极体在可穿戴器件方面的应用。2020年我们发表在Advanced Functional Materials(Adv. Func. Mater., 30,14, 1908724, 2020)目前为止已经被引用14次。这些科研都对压电聚合物与人体的结合，促进伤口愈合、可穿戴方面的科研具有非常重要的引领作用。课题的相关研究已发表SCI文章11篇（其中一区4篇，二区3篇，三区4篇），获授权发明专利4项。