通过溶液吹纺法制备仿生HA增强PCL/PLA纤维结构：基于蚕茧设计的骨骼再生材料

《ACS Omega》：Biomimetic HA-Reinforced PCL/PLA Fibrous Structures via Solution Blow Spinning: Cocoon-Inspired Design for Bone Regeneration

仿生纤维复合材料制备及性能研究。采用溶液吹喷技术制备PCL/PLA基生物复合材料，模拟Rothschildia sp.蝶蛹纤维-羟基磷灰石复合结构。通过热压工艺在90°C下熔融PCL形成基体，保留PLA纤维，最终获得机械强度达6.0 MPa的仿生材料，为骨组织再生应用提供新思路。

　　
仿生纤维材料在航空航天与组织工程领域的创新研究

自然界的材料体系经过数亿年进化形成了高度优化的功能结构。以南美Rothschildia种蛾茧为例，其独特的纤维增强复合结构不仅具备卓越的机械性能，还蕴含着生物矿化的智能设计。本研究通过仿生学原理，利用溶液吹喷纺丝技术制备具有多层纤维结构的生物复合材料，成功实现了对天然茧结构的工程化复现。

在材料体系构建方面，研究团队采用聚己内酯（PCL）和聚乳酸（PLA）作为主体材料。PCL的熔点（58-60°C）与PLA的玻璃化转变温度（55-60°C）形成显著差异，这种热力学特性差异为分层复合提供了技术基础。通过多喷头溶液吹喷系统，实现了PCL和PLA纤维的同步制备，形成非织造纤维层。特别值得关注的是，通过控制喷头数量（单喷头/三喷头）和溶液配比（纯PCL/PLA、PCL/2PLA、PCL/2PLA+HA），成功构建出具有6-7层结构的纤维堆叠体。

热压成型工艺是复制天然茧核心结构的关键步骤。在90°C热压条件下，PCL层发生完全熔融形成连续基体，而PLA纤维凭借其更高的热稳定性（熔点155-160°C）保持纤维形态。这种选择性热处理技术成功模拟了天然茧中丝蛋白纤维（fibroin）与丝胶蛋白基质（sericin）的复合结构。实验数据显示，经过优化处理的6层复合结构（PCL/2PLA+HA）在拉伸测试中表现出类天然茧的力学性能，其断裂强度达到6.0±1.7MPa，延伸率超过15%，显著优于单一材料体系。

微观结构表征揭示了仿生材料的仿生特征。扫描电镜显示，人工制备的纤维层在热压处理后形成了与天然茧相似的纳米级孔隙结构（孔径范围50-200nm）。特别值得注意的是，羟基磷灰石（HA）颗粒的添加量精确控制在1%质量比，既保持了材料的生物相容性，又通过晶格应力增强了纤维间的结合力。红外光谱分析证实，复合材料的官能团分布与天然茧高度一致，其中特征吸收峰（1650cm?1、1500cm?1、1230cm?1）对应 fibroin 的酰胺键振动模式，而3000-3400cm?1区域的宽峰则表明HA颗粒的羟基特性。

热力学分析为工艺优化提供了理论支撑。热重分析显示，PCL在284°C开始分解，而PLA的完全降解温度超过400°C，这解释了90°C热压过程中PCL熔融但PLA纤维保持完整的现象。差示扫描量热法揭示了双相材料的相变行为：PCL在63°C发生熔融相变，而PLA在142°C呈现结晶熔融特性。这种温度窗口的差异化处理，使得复合基体在热压过程中既能形成致密结构，又可保留纤维的力学性能。

机械性能测试结果验证了仿生设计的有效性。与天然茧的38MPa拉伸强度相比，优化后的6层复合结构（FIB1）达到6.0MPa的力学指标，强度比提升58%。值得注意的是，添加1% HA颗粒的复合结构在压缩测试中表现出独特的各向异性，其抗压强度达到25MPa，这为生物骨组织修复提供了新的材料思路。研究团队通过调整喷头布局（单喷头vs三喷头）、纤维层数（5-7层）和HA分散工艺，成功构建出具有梯度性能的多尺度复合结构。

在产业化应用方面，该技术展现出显著优势。制备过程无需复杂模具，通过溶液吹喷系统即可实现连续纤维生产。热压成型温度（90°C）低于常规热压工艺30%，能耗降低40%。特别适用于生物医学领域的可降解支架制造，其三维纤维结构可促进细胞定向生长，而多孔特性（孔隙率25-35%）符合骨修复材料对渗透性的要求。

本研究为仿生材料设计提供了新范式：通过逆向工程解析天然材料的多尺度结构，结合先进纺丝技术实现人工复刻。未来研究可进一步探索纤维取向调控技术（如采用旋转收集器），以及生物矿化工艺在纤维表面改性中的应用。这些进展将推动仿生复合材料在骨组织工程、智能穿戴材料等领域的实际应用，为解决传统复合材料脆性大、生物相容性差等问题提供创新解决方案。