靜電紡絲是制備納米纖維最簡單易行的方法，靜電紡納米纖維具有較大的比表面積，較高的孔隙率以及可控的納米纖維直徑等特征。因此受到了越來越多的關(guān)注，被應(yīng)用到增強(qiáng)復(fù)合材料，過濾膜，傳感器，藥物緩釋和組織工程等各個(gè)方面。但是目前應(yīng)用的隨機(jī)排列的納米纖維強(qiáng)度較低，在很大程度上限制了納米纖維的應(yīng)用。靜電紡取向納米纖維可以有效地提高納米纖維的機(jī)械強(qiáng)度，而且取向的納米纖維形態(tài)可以引導(dǎo)藥物和蛋白等的定向釋放，引導(dǎo)細(xì)胞的定向生長，在藥物釋放和組織工程方面有更加廣闊的應(yīng)用。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析靜電紡過程中射流的受力，研究溶液的表面張力對(duì)靜電紡射流的形成和拉伸的影響。然后在射流拉伸分析的基礎(chǔ)上，研究射流的運(yùn)動(dòng)，并通過自行設(shè)計(jì)的裝置控制射流的運(yùn)動(dòng)，制備取向的納米纖維。最后研究取向的納米纖維在血管組織工程方面的應(yīng)用。

本文首先利用質(zhì)量守恒定律，電荷守恒定律和動(dòng)量守恒定律分析靜電紡射流的受力，從理論方面研究溶液的表面張力對(duì)靜電紡射流形成和拉伸的影響。結(jié)果表明溶液的表面張力與射流形成的臨界電壓之間的關(guān)系為Φc～γ；射流的半徑R與射流距離截取點(diǎn)之間的縱向距離z之間的關(guān)系為：R-Cz-1/2+C1其中C是關(guān)于溶液表面張力的一個(gè)常數(shù)。然后在聚乙烯醇(PVA)中加入了不同含量的陰離子表面活性劑，降低溶液的表面張力，從實(shí)驗(yàn)方面驗(yàn)證溶液的表面張力對(duì)射流形成和拉伸的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果是一致的，即射流形成的臨界電壓與溶液的表面張力成一個(gè)正比例的關(guān)系，溶液的表面張力越小，射流形成的臨界電壓越小。溶液的表面張力對(duì)射流的拉伸沒有影響，不同的表面張力下，射流的直徑與縱向距離之間的關(guān)系都是R～z-1/2；但是溶液的表面張力對(duì)射流的直徑有很大的影響，即溶液的表面張力越小，射流的直徑越小。為了進(jìn)一步研究溶液的表面張力對(duì)靜電紡納米纖維性能的影響，本文還在PVA溶液中加入了不同種類(陽離子，陰離子，非離子和兩性表面活性劑)不同含量的表面活性劑，研究表面活性劑對(duì)溶液性質(zhì)以及納米纖維形態(tài)和性能的影響。

結(jié)果表明當(dāng)表面活性劑的含量小于1%時(shí)，PVA溶液的表面張力會(huì)隨著表面活性劑含量的增加而減小；PVA溶液的粘度會(huì)隨著陽離子和陰離子表面活性劑含量的增加而增加；除了非離子表面活性劑，在PVA溶液中加入其它三種表面活性劑都會(huì)有效地增加PVA溶液的電導(dǎo)率。另外，在PVA溶液中加入表面活性劑，可以有效地降低納米纖維的直徑，當(dāng)加入1%的非離子表面活性劑以后，納米纖維的直徑從405nm降低到了100nm。而且納米纖維的熱學(xué)性能和結(jié)晶度都隨著表面活性劑的加入而提高了。在分析射流拉伸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，本文利用麥克斯韋電場方程以及電荷之間的庫倫斥力研究納米纖維取向排列的機(jī)理。平行電極對(duì)納米纖維產(chǎn)生的附加電場改變了接收裝置的靜電場分布，根據(jù)最低能量定理，納米纖維最終將沿著與電極垂直的方向取向排列。由于沉積下來的納米纖維還帶有一些電荷，已經(jīng)沉積的納米纖維對(duì)剛沉積下來的納米纖維有一個(gè)庫倫斥力，納米纖維之間存在的庫倫斥力進(jìn)一步增加纖維的取向排列。

在理論分析的基礎(chǔ)上，改進(jìn)現(xiàn)有的靜電紡設(shè)備，通過引入輔助電極，自行設(shè)計(jì)了平行金屬板和滾筒平行電極等取向納米纖維的收集裝置。兩塊平行排列的金屬板相當(dāng)于一個(gè)電容，將兩塊金屬板接相同的負(fù)電壓，在靜電紡過程中，兩塊金屬板會(huì)同時(shí)對(duì)射流有一個(gè)相同的拉伸力，納米纖維最終將沿垂直于金屬板的方面取向沉積下來。而滾筒平行電極組合收集裝置不僅可以提高納米纖維的收集面積，而且通過改變滾筒和平行電極的位置，還可以制取取向方向不同的分層的取向納米纖維。利用平行金屬板收集裝置和平行電極滾筒組合的收集裝置進(jìn)行靜電紡絲，收集取向排列的PVA和聚乳酸(PLLA)納米纖維。

最后本文還利用Ansoft Maxwell電磁場模擬軟件，模擬平行金屬板裝置和滾筒平行電極組合裝置的電場強(qiáng)度分布，從電場方面驗(yàn)證了納米纖維在平行金屬板收集裝置和滾筒平行電極組合收集裝置中的取向排列。人體的許多組織，例如神經(jīng)組織，肌肉組織和心臟組織中，其微觀結(jié)構(gòu)都是高度取向的。在血管組織工程中，平滑肌細(xì)胞(SMCs)沿血管壁中間膜的取向排列是本體動(dòng)脈血管的一個(gè)關(guān)鍵特征，取向的聚合物納米纖維可以被用作細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的替代材料，為細(xì)胞的粘附生長提供支架材料和機(jī)械強(qiáng)度，并通過納米纖維的形態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長行為。本論文利用靜電紡絲的方法制備非取向和取向排列的聚氨酯(PU)和混合的聚氨酯/膠原蛋白(PU/Coll)納米纖維，用作血管組織工程的支架材料，研究取向納米纖維對(duì)引導(dǎo)細(xì)胞取向生長的作用。

由于靜電紡過程中旋轉(zhuǎn)的滾筒所產(chǎn)生的拉伸力，取向的納米纖維的直徑略小于非取向的納米纖維，取向的納米纖維還具有各向異性的親水性能和力學(xué)性能，其性能特征與血管ECM的微觀結(jié)構(gòu)更相似。在PU和PU/Coll納米纖維表面培養(yǎng)SMCs，結(jié)果表明：膠原蛋白的嵌入有效地提高了SMCs的增殖率，取向的PU/Coll納米纖維通過纖維的接觸引導(dǎo)作用促使了SMCs的取向生長，且SMCs的延伸的紡錐形態(tài)與體內(nèi)的SMCs的紡錐形態(tài)更接近。培養(yǎng)在取向的PU/Coll納米纖維表面的SMCs表現(xiàn)出了較強(qiáng)的，均勻的，取向的SMA和MHC蛋白表達(dá)。取向的PU/Coll納米纖維具有更小的直徑，各向異性的親水性和力學(xué)性能，還可以促使SMCs的取向生長，提高SMCs的蛋白表達(dá)，是更好的血管組織工程支架材料。血管內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)是血管壁中一種非常重要的細(xì)胞，在血管支架材料表面培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)將賦予了支架的抗血栓性，有效地阻止血管支架的血栓形成，提高血管移植物的成功率。但是ECs是一種成熟的細(xì)胞，其增殖能力有限，間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)是一種多功能干細(xì)胞，具有強(qiáng)大的增殖能力和多向分化潛能，在適宜的體內(nèi)或體外環(huán)境下可分化為血管內(nèi)皮細(xì)胞。因此研究MSCs向ECs的分化對(duì)于血管組織工程具有非常重要的意義。

本文制備取向的聚乳酸(PLLA)和混合的聚乳酸／膠原蛋白(PLLA/Coll)納米纖維，進(jìn)一步研究取向的納米纖維形態(tài)對(duì)MSCs向ECs的分化的影響。取向的PLLA/Coll納米纖維具有更小的納米纖維直徑，各向異性的親水性和機(jī)械性能，與血管壁ECM的微觀性能更接近。在非取向和取向納米纖維支架表面培養(yǎng)MSCs，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)在取向的PLLA/Coll納米纖維表面的MSCs表現(xiàn)出來取向的鵝卵石形態(tài)，與體內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)最接近。蛋白染色結(jié)果表明培養(yǎng)在取向納米纖維表面的MSCs顯現(xiàn)出了更強(qiáng)的ECs的特征蛋白CD31和vWF，取向的納米纖維形態(tài)有效地提高了MSCs的增殖率和向ECs方向的分化。較好的機(jī)械性能，特殊的納米纖維形態(tài)以及各向異性的親水性能等賦予了取向納米纖維更廣的應(yīng)用范圍，本文首先從理論上分析靜電紡射流的受力，控制射流的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過自行設(shè)計(jì)的接收裝置制備取向的納米纖維，并將取向的納米纖維應(yīng)用到血管組織工程中，為進(jìn)一步擴(kuò)寬取向納米纖維的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。