仿金毛狗蕨茸毛微结构的壳聚糖超细纤维膜的制备与性能研究

Inspired by the traditional Chinese medicine Cibotium barometz with bamboo-like microstructure for fast hemostasis, here we report on a novel type of ultrathin chitosan fiber membrane, with similar microstructure like the Cibotium barometz for fast blood coagulation, and efficient drug encapsulation and controlled release. Based on microfluidic technique, three-phase tubular laminar-flow that contains inner drops will be used for template synthesis of the bamboo-like ultrathin chitosan fiber membrane. Because the hemostatic effect of chitosan and the restriction of bamboo-like microstructure on the flowing of blood, the ultrathin fiber membrane enables fast blood coagulation. The bamboo-like microcavities can be used for compartmentalized encapsulation of versatile drugs for controlled release, which allows healing of the wound during the hemostasis. This work focuses on the microfluidic fabrication and the structure control of the ultrathin fiber membrane, the study of the effect of their microstructures on the blood coagulation, the investigation of their drug encapsulation and controlled release property as well as the mass transfer kinetics model, and the study of the synergetic effect and mechanism of controlled drug release and blood coagulation. This work will create new opportunities and theoretical basis for design and fabrication of ultrathin fiber membranes with fast hemostasis and multi-functions.

受能快速止血的传统中药金毛狗蕨茸毛微结构启发，本课题提出一种新型的具有可控竹节状中空微结构的壳聚糖超细纤维膜，以用于快速凝血及药物包载控释。该超细纤维膜独特的竹节状中空微结构通过微流控技术构建新型的内含液滴的管状三相层流体系为模板来构造；基于其壳聚糖成膜基材优良的促凝血功能，结合竹节状微结构对血液流动的限制作用，可协同实现快速凝血；同时，其竹节状微空腔可分隔包载药物并经缓释或快速释放直接作用于伤口，以在止血同时兼备治疗的功能。课题重点研究该超细纤维膜的微流控制备及其结构调控方法，确定其快速凝血的行为机理及其与内部微结构的关系，考察其药物包载和控释特性及其可控性、并建立相关传质动力学模型，研究药物控释与凝血功能的协同作用和机制。研究结果将为改进现有医用纤维材料的凝血功能并赋予其多功能化开辟新途径，为新一代超细中空纤维膜的设计与可控制备提供理论基础。

受能快速止血的传统中药金毛狗蕨茸毛微结构启发，本课题通过以微流控技术可控构建的新型内含液滴的管状三相层流液流为模板，成功制备得到了一系列新型的、具有可控竹节状微空腔结构的仿金毛狗蕨茸毛式超细纤维膜材料，以期用于药物包载控释及快速凝血。选用了具有良好的生物相容性、吸水特性和促凝血特性的壳聚糖、聚乙烯醇、以及海藻酸钙分别作为构造超细纤维膜的基材，并通过微通道内不同液相间的反应物跨越界面的传质过程实现了微通道内的原位交联反应，从而连续、可控地构建了一系列仿金毛狗蕨茸毛式超细纤维膜。研究了微通道结构尺寸、壁面润湿性、微流控操作条件、各相流体组成等因素对层流液流模板产生过程中、以及模板合成超细纤维膜过程中的三相层流体系的相界面稳定性及结构的影响调控规律，确定了用于有效制备内含液滴的管状三相层流液流模板和超细纤维膜的各液相组成和流速操作范围区间。通过调控层流液流模板形成过程中各液相的流速，实现了对所制得的超细微纤维膜的微结构，如微腔室尺寸和形状、微空腔间的间距、以及纤维膜壁厚度等的灵活调控。探明了所形成的超细纤维膜的微结构对其机械性能的影响规律。研究了该超细纤维膜对油溶性和水溶性物质的协同包载性能和吸水性能。其中，该超细纤维膜的内部油核可作为微空腔用于分隔包载油溶性的药物，而其亲水性的交联高分子水凝胶网络膜壁结构可用于包载亲水性的药物，从而实现对油溶性和水溶性药物在同一超细纤维膜中的协同包载。基于超细纤维膜对不同物质的优良协同包载特性和良好的吸水特性，以及膜基材本身良好的生物相容性、吸水特性和促凝血特性，有望使血液吸附浸润到膜壁上使其溶胀，实现所封装药物与血液的接触式控释给药和凝血。因此，该超细纤维膜有望进一步用于构建载药型医药止血贴片或敷料以用于伤口治愈和凝血。研究结果为创新设计和制备具有复杂可控内部结构的新一代超细纤维膜功能材料用于生物医药领域提供了新方法和科学指导。