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静电纺丝法构筑多孔中空二氧化硅纳米纤维及其功能化探究
一、引言
1.1研究背景与意义
二氧化硅作为一种重要的无机材料,在众多领域中展现出关键作用。从化学组成上看,其化学式为SiO?,在自然界中存在着晶态、无定形态、隐晶态和玻璃态等多种形式,像我们常见的水晶属于晶态二氧化硅,而硅藻土则是无定形态的代表。这种丰富的存在形式赋予了它独特的物理化学性质,如高熔点(结晶态二氧化硅熔点达1713℃)、化学惰性(常温下很难与其他物质反应,不溶于水和大多数酸,仅与氢氟酸反应)、良好的热稳定性以及生物相容性等。
基于这些特性,二氧化硅在工业领域应用广泛。在玻璃制造中,它是核心原料,与纯碱、石灰石等高温反应后,经成型、退火制成各种玻璃制品,如高透明度、耐高温的石英玻璃就常用于光学仪器和高温设备。在耐火材料领域,凭借高熔点和化学稳定性,二氧化硅用于建造钢铁冶炼、玻璃制造等高温工业所需的熔炉、窑炉设备,有效抵御高温侵蚀。在电子工业,特别是半导体领域,它作为掩模、芯片的钝化和保护膜、电隔离膜以及元器件的组成部分,对现代硅基微电子芯片制造起着关键作用,保障芯片性能和可靠性。
近年来,多孔中空二氧化硅纳米纤维作为二氧化硅材料家族的新成员,备受关注。与传统二氧化硅材料相比,其具有纳米级别的孔隙和中空结构,这使其比表面积和孔隙率大幅增加。较大的比表面积为物质的吸附和反应提供了更多的位点,在催化反应中,能使催化剂与反应物充分接触,提高催化效率;在吸附领域,对各种分子的吸附能力更强。而高孔隙率则赋予其良好的分子选择性,可用于分离不同大小和性质的分子。其优异的生物相容性,在生物医学领域,无论是作为药物载体,确保药物安全输送到体内目标部位,还是用于生物医学成像,帮助医生更清晰地观察体内组织和器官的状况,都有着巨大的应用潜力。且该材料易于表面修饰,通过化学改性等手段,可以引入各种功能基团,进一步拓展其应用范围,如使其具备特定的靶向性,精准作用于病变部位。
静电纺丝技术作为制备纳米纤维的一种简单、高效方法,为多孔中空二氧化硅纳米纤维的制备提供了有效途径。该技术通过在高压电场下,使聚合物溶液或熔体带电形成泰勒锥,进而喷出形成纳米纤维。利用静电纺丝制备多孔中空二氧化硅纳米纤维时,能够精确调控纤维的形态和结构,通过调整静电纺丝的电压、电流、喷孔直径、喷液浓度等参数,可以制备出具有不同直径、孔隙结构和中空度的纳米纤维,以满足不同应用场景的需求。在生物医学领域,制备出的纳米纤维可用于药物传输,实现药物的缓慢释放,延长药物作用时间,提高治疗效果;在生物传感器方面,能提高传感器的灵敏度和选择性,实现对生物分子的快速、准确检测。对其进行功能化研究,如负载药物、引入生物活性分子等,还能进一步增强其在生物医学领域的应用能力,开发出新型的生物医学材料和治疗手段,为解决生物医学领域的难题提供新的思路和方法,具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2国内外研究现状
在利用静电纺丝制备多孔中空二氧化硅纳米纤维的研究方面,国内外学者已取得了一系列成果。Zhang等首次利用静电纺丝技术成功制备出多孔二氧化硅纤维,他们通过调整纺丝液中各成分的比例以及静电纺丝参数,实现了对纤维形貌和孔隙结构的初步调控,为后续相关研究奠定了基础。此后,Tavakoli等对静电纺丝制备无机纳米纤维(包括二氧化硅纳米纤维)进行了系统综述,详细阐述了该技术在生物医学应用方面的潜力,强调了纤维结构与生物相容性之间的关系。
在国内,研究人员也在不断探索新的制备方法和优化工艺。有学者采用相分离方法,在静电纺丝过程中巧妙地制备出中空二氧化硅纳米纤维。通过深入研究发现,纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的含量、水的含量、针头结构以及接收距离等参数,对纤维形貌影响较大。当PVP含量过高时,纤维易出现粘连现象;水含量的变化会影响溶胶-凝胶过程,进而改变纤维的内部结构;不同的针头结构和接收距离则会改变电场分布和射流轨迹,导致纤维形态的差异。而纺丝电压和溶胶凝胶进行时间的影响相对较弱,但并非可以完全忽略,适当调整这些参数仍有助于获得更理想的纤维结构。
在功能化研究领域,国内外学者主要聚焦于通过表面修饰和化学改性等手段,赋予多孔中空二氧化硅纳米纤维更多的功能。在药物传输方面,Keith等对中空和多孔磁性纳米粒子(与二氧化硅纳米纤维在功能化思路上有相通之处)的合成及生物医学应用进行了综述,指出通过负载药物分子,并利用纳米纤维的中空结构实现药物的包封和缓释,能够提高药物的疗效和降低毒副作用。在生物医学成像领域,Tang等研究了介孔二氧化硅纳米粒子的合成及生物医学应用,发现对二氧化硅纳米材料进行功能化修饰后,可使其在生物医学成像中表现出更好的对比度和靶向性。在生物传感器方面,有研究通过在二氧化硅纳米纤维表面修饰特定的生物
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