合成纤维范例6篇

合成纤维

合成纤维范文1

碳纤维是一种含碳量在百分之九十五以上的高强度、高模量纤维的新型合成材料。

碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好。碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。

(来源:文章屋网 )

合成纤维范文2

关键词:绿色;合成纤维;回收;应用

1 前言

资源的匮乏和环境的污染,这是当今全球共同面临的问题。而世界的纺织工业一方面随着人口的日渐增多突出表现为原料紧缺,其价格大幅度上扬[1];国际上20世纪60年代后期随着世界石油化工工业的迅猛发展,合成塑料及合成纤维也得到相应的发展,但合成纤维工业的发展深受石油价格大幅涨落的影响,而且生产过程中和使用之后的废料处理引起许多麻烦,根本原因在于大多数高聚物不能生物降解;另一方面,大量的纺织废料——生产过程的下脚料、废纱、废布以及用过的旧衣服和其他纺织品[2]往往用来擦油污设备和零件或清洁地板、或掩埋,既浪费资源又造成污染,可重复利用的范围十分有限;此外,一些极具优势的天然纤维的开发和利用仍有待提高。

为了满足纺织工业生产所需原料,同时减少环境污染,国内外纺织界同仁都在不断地利用废旧纺织原料再生和开发新的原料资源。世界标准化组织于1995年底推出的ISO 14000对纺织品的环保性能以及可回收性作了明确的要求。回收不仅减少了对天然资源——棉花、毛等纤维的消耗,更重要的是对不可再生资源——石油的消耗,减少了对污染物的处置[1]。值得一提的是废旧纺织原料再生技术的进展[3]:在非织造布生产中,纤维用量最大的是土工布、针刺地毯、喷胶棉、无胶棉和针刺絮片及汽车内装饰材料等厚重产品,而这些非织造布产品对纤维原料的性能要求并不很高。

2010年,产业用纺织品纤维加工量达821.7万吨,同比增长13.6%;非织造布纤维加工量达279.5万吨,同比增长16%。到2012年,产业用纺织品纤维加工量占纺织品加工总量的比重将提高到25%。同时,废旧纤维回收再利用占产业用纺织品纤维加工量的比例将达到20%以上[4]。目前,可供回收利用、制造再生纤维的原料包括合成高分子废料,主要是合成纤维生产加工过程中的下脚料、边角料、废纱废丝、碎料布片,日常生活中的废旧衣物和其他废弃纺织品,以及其他塑料废弃料如聚酰胺、聚酯、聚丙烯等。

2 再生合成纤维的研究

2.1 聚酯的回收利用

如今,聚酯系列制品的应用愈来愈广泛,遍及工业、农业和每个家庭。产品包括服装、玩具、录音录像带、器皿、饮料瓶、汽车的零部件等。聚酯的废弃物到处可见,已造成严重的环境污染。再生聚酯短纤维价格低(是常规聚酯短纤维的75%~80%)、用途广、品质指标接近或达到常规涤纶短纤维标准,所以被广泛应用在非织造布和产业用纺织品上,在国内外市场上供不应求,其发展潜力很大。再生聚酯短纤维原料来源广泛、成本低。聚酯瓶(PET)就是再生聚酯短纤维生产的一种主要原料,聚酯瓶经过一系列加工处理即可用来纺丝、制成非织造布和产业用纺织品原料[3]。

据欧洲PET瓶回收利用组织(PETCORE)称,欧洲2007年市场收集量达到了113万吨,占所有PET瓶的40%,回收利用率比上一年提高20%,且PET回收利用材料应用于制造纤维的吨位数在整个应用市场上所占份额为47%[5]。

聚酯瓶回收处理大体可分三种[3]:

(1)第一种方法包括前清洗处理工艺、全自动分选工艺、后清洗处理工艺,这种方法自动化程度很高,可将聚乙烯、聚氯乙烯瓶底、熔体粘胶、各种标签以及铝盖分离开来,特别是对瓶内剩余物清洗比较彻底,通过分离系统,将各种废料分开,做到各尽其用。这种回收方法及瓶片纺丝技术在许多欧美公司和集团已取得明显的进展。此种工艺方法比较先进,但瓶片还不能直接用于纺丝。设备一次性投资较大,能耗较高。

(2)第二种方法包括分离粉碎工艺、瓶片混合结晶工艺、瓶片干燥冷却工艺,该方法两种处理工艺方法采用了结晶工艺专利技术,使瓶片的无定形结构由结晶器变成结晶状态,既防止了后续干燥过程中的熔融,也避免了瓶片在经过粘附阶段时的烧结现象,同时可使瓶片的含水量达到0.005%以下,从而达到可纺的目的。此种工艺技术比较先进,但设备一次性投资太大。

(3)第三种方法的主要特点是对聚酯瓶进行人工分选,此种方法自动化程度较低,分离准确程度差,去底和除纸盖比较彻底。用人多,劳动强度大,规模小,但是比较适合我们的国情。据不完全统计,采用此种方法的小型加工厂在全国有近百家。

采用结晶工艺专利技术处理的聚酯瓶片,通常可以直接用于纺丝,因此,这种瓶片纺丝方法被称作直接纺丝法,该方法加工的再生聚酯短纤维品质质量很好,各项技术性能指标基本上可以达到标准切片纺丝质量;采用其他方法所得到的聚酯瓶片都需要进行再生造粒,然后方可用于纺丝,因此被称作造粒纺丝法。朱光宇[6]利用回收的聚酯瓶片和色母粒为主要原料,经螺杆挤压机熔融挤压、在线可切换熔体过滤器过滤、多孔细旦喷丝板纺丝、侧吹风冷却、油嘴上油、卷绕成型等工序,制成接近原生聚酯切片生产的多孔细旦有色涤纶预取向长丝产品,可广泛用于服用及产业用纺织品领域。

此外,聚酯还可采用化学法进行回收。化学回收方法包括化学改进及化学降解[7]:化学改进通常采用增链改性、交联改性、氯化改性等来改变聚酯的链长、结构,从而提高某些特性,如1,4-二(2,2′-噁唑啉)基苯(PBO)就是一种很好的增链剂,它的加入可使PET废料的特性黏度由0.78 dL/g上升到0.85 dL/g,平均相对分子质量增至25600。

化学降解是用解聚剂在一定条件下打断酯键,将高聚物降解为单体或低聚物以实现再资源化,M. Ghaemy等[8]采用乙二醇在醋酸盐催化下对PET废弃纤维进行解聚,获得纯度超过75%的对苯二甲酸乙二酯二聚体;施立勇等[9]使用乙二醇对有色聚酯废料解聚,经分离提纯,得到对苯二甲酸二乙二醇酯单体及其低聚物,其纯度可达96%以上;李雁[10]开发了超临界甲醇技术对纤维级PET进行解聚,用溶解—热过滤—沉析的方法脱色提纯,对苯二甲酸二甲酷的产率可达到85%,纯度达到99.9%以上,白度达到87.5;日本KobeSteel公司开发出一种废聚酯的化学再生技术,该技术用超临界水将废聚酯水解成对苯二甲酸和乙二醇,这种工艺回收生产的对苯二甲酸的纯度约为99%[11];李庆峰等[12]公开了一种涤纶纤维或涤纶混纺织物废料回收再利用方法:将涤纶纤维、涤纶织物及其混纺织物废料置于反应釜内,加入溶剂和催化剂,于25℃~200℃下,对苯二甲酸乙二醇酯进行溶解或醇解,将得到的溶液进行过滤,排入蒸馏釜内,对溶液进行蒸馏,回收有机溶剂,该方法不但可以处理纯涤纶纤维和涤纶织物,而且可以直接处理涤纶混纺纤维和涤纶混纺织物,对涤纶纤维、涤纶织物及其混纺织物废料的黏度没有要求,不需对涤纶纤维、涤纶织物及其混纺织物服装进行人工分拣,不会对环境造成严重污染,符合节能减排的要求。

2.2 尼龙的回收利用

尼龙是聚酰胺类高分子材料的俗称,其品种繁多,有脂肪族尼龙、芳香族尼龙等,其中以尼龙6和尼龙66应用最多,产量最大。尼龙66绝大部分应用于化纤工业,尼龙6则有70%应用于纤维工业,30%应用于工程塑料。回收尼龙的最大来源是废旧地毯,其次是汽车中使用的尼龙工程塑料、安全气囊和轮胎帘子线等,这些制品使用量大,且便于集中回收,组分相对简单,容易进行分类分离处理,从而降低回收成本,提高回收效益[13]。

废旧尼龙的回收包括机械回收和化学回收[13]:

(1)机械回收:经过适当分离破碎以后回收的尼龙纤维可以作为混凝土结构材料和土壤加固材料,甚至可以直接把废塑料和废玻璃混在一起压成砖块,与普通黏土砖块相比表现出很好的压缩强度;从工程塑料回收下来的尼龙根据需要与新树脂混合,如聚酯、玻纤、无机物等,可作为汽车部件和其他工程塑料使用。

(2)化学回收:即优化工艺参数,使尼龙在催化剂的作用下,发生解聚反应,得到尼龙6或尼龙66单体,通过重新聚合获得洁净的尼龙材料;除了将尼龙解聚为单体完成回收之外,也可以通过裂解方式转变为燃料油加以利用。日本开发了一套新的反应器系统,通入蒸气进行废塑料的热裂解,结果表明,包含聚酰胺(PA6和PA66)在内的8种主要塑料均能被高效率地热解成单体或燃料油加以回收利用。程欣等[14]发明了一种回收废弃尼龙66的方法,具体是在酸性催化剂作用下使尼龙66水解,经过进一步处理,提取己二酸和己二胺。Jinyang Chen等[15]在催化剂作用下控制亚临界条件水解尼龙6,获得氨基己酸及己内酰胺等。

世界上最大的尼龙工业化回收项目Evergreen,是美国DSM化工公司和Honeywell国际公司合资建设的。该项目开发了用地毯或其他产品的旧尼龙制造己内酰胺,适用于再制成纤维或塑料等。再生的己内酰胺质量与新品相同,DSM公司认为该项目的特点是经济可行、清洁有效率,可以无限次地使用尼龙废料而性能不变。这与过去把地毯废料用机械方法处理的效果大不相同。机械处理只能作为低档用途使用,例如做地毯底布用。估算Evergreen美国的工厂相当于每年节约己内酰胺常规法生产用的70万吨原油,在环境保护方面还减少了土埋法所占用的土地。DSM估算每年美国有45万吨地毯废料用土埋法处理,现在美国已经有75处收集旧地毯的点。欧洲也开始收集尼龙6的废旧物运到美国使用。由于收集机构已经建立,欧洲也在建同样的回收设施,回收还会延伸到汽车部件,造纸用毡和其他尼龙的废料[16]。

2.3 聚丙烯的回收利用

成纤聚丙烯(PP)是生产丙纶纤维的原料,由于PP原料应用广泛,如无纺布购物袋、用即弃卫生用品、地毯等,所以一直供应紧张。

到目前为止,大部分的研究和开发工作都围绕着废PP熔融体的性质和造粒再纺丝等方面进行。废PP可以使用螺杆挤压机进行造粒,然后再纺丝。回收PP再造粒时要经过反复加热和熔融,PP的化学和物理性质都会发生变化,再造粒的添加剂、挤压条件以及废料中的灰分也会对成品丝的性质造成很大的影响,若性能太差可能导致无法纺丝。在回收PP时,首先应考虑材料的均匀性、纯度、相对分子质量分布以及熔融体的性质。试验表明,微量添加剂的含量也是保证回收成功的重要因素。将再生PP用于纺丝生产织物时,对于原料有很高的要求,否则纺丝困难。由于地毯用量的增加,以及其他复合材料的使用,使得回收PP成纤聚合物的工作越来越困难。因此PP的回收利用成本相对较高[17]。

聚丙烯也可通过热裂解或催化热裂解进行化学回收,通过裂解可得到丙烯单体,再经聚合实现材料的无限次循环利用,同时对环境无污染,但该方法技术要求高,成本亦较高。

2.4 其他纤维的回收利用

某些时候,废弃纤维成分复杂,难以分离,还可有以下用途。

将不同质量的纤维包(一个产品通常为2~3种纤维成分),连同低熔点纤维一并喂入开包机。纤维从开包机被吹送入混棉箱,以将不同成分的纤维均匀混合。成网机将混合的纤维制成均匀的棉网,形成不同纤维三维均匀分布的纤维网或棉网,棉网的厚度范围为10mm~350mm。此后,松散的纤维网被连续喂入生产线的核心设备——带有强制穿透热风系统的Santatherm双导带热风烘燥机,其加热方式通常为天然气直接加热,或通过蒸汽或热油管道的热交换器加热,实现热粘合。

该热粘合无纺布具有良好的隔热/隔音性能、低成本、重量轻、经济又环保、加工工艺简单等特点,可应用于各行各业,如:家用纺织品中的地毯背垫、家具垫料、褥垫保护层;汽车隔热材料;汽车隔音材料中的空气进口、隔壁单元、传动信道、阀帽内里、内外圈冲阀;工业用去污擦拭巾;保护性的包装材料;建筑材料中的隔热材料、隔音材料等[18]。

据报道,台湾一家公司应用针刺非织造布生产设备,开发了应用于花卉园艺的非织造布种植袋,用以代替传统的塑料或陶土花盆。非织造布种植袋具有重量轻,易搬运和储存的特点,并且避免了制作陶土花盆挖用耕地黏土、浪费能源和人力的现象。由于这种种植袋具有孔隙,当花木移栽到地里时,不需重新装盆,可直接埋入地中,节省了费用,简化了园艺工程。另外,还可根据不同需要,将花木种植在不同强度的种植袋中,以控制花木根的生长程度,防止树根生长顶碎街道路面的现象发生。非织造布种植袋原料来源丰富,有许多纤维可以利用:纺织废料、日用纤维及亚麻、黄麻等天然纤维。非织造布种植袋产品的开发,受到了园艺界及花卉爱好者的欢迎[19]。

3 结语

再生纤维的开发利用是推进循环经济发展,实现可持续发展的必由之路。目前主要的纺织纤维价格上扬也促使厂家认真考虑如何经济地提高利润。合成高分子废弃料回收利用的前景十分诱人,只要充分提高认识,加强研究,合理开发,再生纤维必将成为一门新兴的、大有作为的行业。

但是再生纤维生产过程中,由于原料来源的特殊性,其自身的卫生安全程度以及在整个加工还原过程,如原料回收、分类、开松、整理和织造过程中所涉及的生产环境卫生状况,各种洗涤剂、染化料、助剂和整理剂等化学物质的加入,不可避免地在纤维中或多或少地存在多种对人体有害的细菌和各种化学残留物,将直接影响再加工纤维的各项安全性指标,并对从业人员的健康和安全造成危害。因此必须加强再加工纤维生产行业管理和规范,对纺织废料再加工产品的安全性进行研究并进行控制,积极引进和研发新型再加工设备,改进生产工艺,采取必要的措施,使纺织废料及其再加工纤维在得到有效利用的同时,提高再生利用的附加值,确保从业人员和消费者的健康安全。

参考文献:

[1] 张卓. 国内外纺织品回收业的现状[J]. 国外纺织技术, 2001(2):37-39.

[2] 王一薇. 纺织废料的回收利用及安全控制[J]. 中国纤检, 2007(9): 70-71.

[3] 冷纯廷,袁成侠.聚酯瓶片纺再生短纤维技术[J]. 产业用纺织品, 1996, 14(2): 28-29.

[4] 李娟.从产业用“十二五”规划看纤维机会[N]. 中国纺织报, 2012-03-20.

[5] 朱光宇. 利用回收的聚酯瓶片生产多孔细旦有色涤纶预取向长丝的生产工艺[P]. 中国, CN102168320A. 2011-08-31.

[6] 钱伯章. 欧洲PET瓶回收利用率达40%[J]. 聚酯工业, 2008(5): 31.

[7] 史元元,陈衍夏,施亦东,等.聚酯回收料的再资源化及其纺织产品的开发[J]. 纺织科技进展, 2008(1):29-31.

[8] Ghaemy M, Mossaddegh K. Depolymerisation of poly(ethylene terephthalate) fiber wastes using ethylene glycol[J]. Polymer Degradation and Stability, 2005, 90(3): 570-576.

[9] 施立勇,蒋惠亮,马宝利,等.聚酯废丝的化学回收研究[J]. 应用化工, 2009, 38(3): 415-420.

[10] 李雁.有色废弃PET材料的化学回收及下游产品开发[D]. 大连:大连理工大学, 2009.

[11] 戴训霞,胡钢.聚酯回收技术及其回收产品应用进展[J]. 合成纤维, 2007(6): 5-8.

[12] 李庆峰,杜芳,张学斌.一种涤纶纤维或涤纶织物废料回收再利用方法[P]. 中国, CN102061005A. 2011-05-18.

[13] 魏丹毅,王邃, 张振民,等.废旧尼龙制品的循环利用[J].广东化工,2008,35(2): 58-61.

[14] 程欣,许绍东,贺光亮,等. 一种废尼龙回收利用的生产方法[P]. 中国. CN1569802. 2006-09-06.

[15] Jinyang Chen, Guiyang Liu, Lujiang Jin, et al. Catalytic hydrolysis of waste nylon 6 to produce -caprolactam in sub-critical water[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2010, 87(1): 50-55.

[16] Jurp Rupp Derek T.ward. 从废料到纤维——纺织废弃物的回收再利用[J]. 纺织信息周刊, 2001, 37: 16.

[17] 王永耀. 聚乙烯、聚丙烯废塑料回收利用进展[J].石油化工, 2003, 32(8):718-723.

[18] Cavitec Fritz Witt, Erich Weiss. 利用废纤维及再生纤维制作无纺布. .

合成纤维范文3

【关键词】合成纤维;混凝土建材;应用

引言:

混凝土是我建筑工程项目建设中重要材料,在我国工程项目建设中占有重要地位。随着近年来,建筑行业的不断发展以及建设工艺技术的强化与提升,建筑工程建设对混凝土建材提出了更高的要求与使用标准,其强度、稳定性、韧度、使用耐久性、抗震抗裂性成为混凝土建材研发与应用的重点。而纤维与混凝土的合理搭配,则有效促进了混凝土性能的优化,有利于促进我国建筑领域的优化发展。基于此,本文以合成纤维的应用为例,对其进行了简要分析。

1.合成纤维相关概述

合成纤维又被称为“纤聚合物”是化学纤维中的一种,是具有一定可溶性/可熔性,由人工合成与处理后,形成的线型聚合物[1]。因此,合成纤维除具有一般化学纤维本质特性外(包括高强度、高弹性、轻质量、可长期保存等),不同类型的合成纤维也具有一定的独特性,如聚丙烯腈纤维的机械抗张性较强;聚丙烯(PP)纤维的化学稳定性较强;聚乙烯(PE)纤维热稳定性、可塑性较强;聚酞胺(PA)纤维水泥融合性较强;芳香族聚酞胺纤维具有高强高模性等等。

2.合成纤维在国内混泥土建材中的应用

由于混凝土具有廉价性、可塑性以高抗压性,因此在我国建筑领域中具有重要的应用价值,是我国建筑工程项目建设常用的施工材料之一。但是由于混凝土具有一定的脆弱性,加之在水泥混凝土施工应用过程中,受自身本质因素的影响,易出现裂缝、下渗、腐蚀、冻裂等问题。而通过适当的添加合成纤维,则可有效改善上述问题,促进混凝土质量与性能的优化与提升,保证混凝土作用的最大化发挥,具体分析如下。

2.1用于提升混凝土建材抗裂性

在建筑工程混凝土施工工程中,由于混凝土材料存在一定的水分,因此在进行水泥搅拌过程中,会产生一定的“水化热反映”,从而在一定程度上使混凝土建材塑性收缩,出行干裂、硬化裂缝等问题,进而影响导致混凝土构件的性能(包括使用耐久性、稳定性、抗震可渗性等)。而据试验与实践证明,在混凝土中适当的添加合成纤维(如,0.045%~1.12%体积比例的聚丙烯纤维),可有效提升混凝土的抗裂性(62%~78%)[2]。与此同时,合成纤维的粘结力加强了混凝土的塑性,使混凝土构件在受力作用下,张力得到提升,从而避免了混凝土使用过程中早裂现象的从产生,有效加大了其使用耐久性。

2.2用于增强混凝土建材的强韧性

由于混凝土材料本质具有“脆弱性”,因此在建筑构成施工过程中,当混凝土受到一定的拉力时,很容易穿现裂缝问题。相关资料与实践证明,合成纤维所具有的延伸性、粘结性使其在混凝土建材应用过程中,形成“三维网状”结构,从而提升混凝土整体的粘结性。当纤维混凝土受力作用时,实现了“力”在纤维网中的有效传递,并在传递过程中,将力进行分散与削弱,这在一定程度上有效提升了混凝土建材的受力强度。与此同时,当混凝土受力出行开裂时(既定氛围内)合成纤维所具有的延伸性,促使混凝土出现变现,从而改善了混凝土自身的脆弱性,提升了其整体韧性。例如,在《聚酯牵伸丝纤维对水泥抗折强度的影响》(周锡武,吴本英,2002)实验分析中,得出在混凝土中加入聚酯纤维(体积比为0.5%),在既定时间内,混黏土抗折强度教原有状态提升了34.5%~37.3%。

2.3用于增强混凝土建材的抗渗性

据相关资料分析与实践经验整合发现,既定条件下(通常为1.29Mpa水压下)在混凝土中融入体积比“0.045%~0.13%”的聚丙烯合成纤维,混黏土的抗渗性相对与原本状态而言,提升了40%~48%(王依民,倪建华,2002)/(彭苗2012)[3]。其原因在于,由于混凝土是一种密度非均匀性复合型材料,在细微处存在诸多缝隙,加之混凝土在干燥环境下易出现开裂为题,因此在混凝土工程中,其抗渗性相对较低。而加入一定量的合成纤维后,合成纤维有效提升了混凝土内部沟通性与约束力,从而增强了混凝土密度,降低了混凝土内部孔隙直径,进而增强混凝土建材的抗渗性。

2.4用于增强混凝土建材的抗冻融性、抗化学腐蚀性

从阎利、王绍东《聚丙烯纤维增强混凝土概述》;史小兴《合成纤维在混凝土中的效果和机理综述》以及王浩宇《聚乙烯醇纤维水泥基复合材料的力学性能及抗冻性能试验研究》等文献资料中,均可探知合成纤维在混凝土建材中的科学应用,在提升混凝土抗裂性、抗渗性、抗压性等同时,合成纤维三维网状应用结构的布设,也在一定程度上提升了混凝土建材的抗冻融性以及抗化学腐蚀性[4]。

2.5用于增强混凝土建材的抗冲击性

通过对合成纤维的不同处理,如机械处理、表面活性剂处理、氧氟处理等,可有效提升合成纤维整体质量,而将处理后的合成纤维应用与混凝土施工工程中,可有效提升混凝土构件的抗压性与抗震性,当混凝土构件受到外力冲击时,纤维混凝土经负荷力进行转移、分散与削弱,从而提升了混凝土的抗冲击性。例如,经验整合发现在混凝土中掺入体积比为0.45%~1.55%的聚丙烯时,纤维混凝土整体的抗冲击性能提升了75%~146%[4]。由此可见,将合成纤维应用与混凝土建材中,可有效促进建筑工程项目的稳定性、固定性与安全性的提升,对建筑工程建设具有重要意义。

结论:综上所述,合成纤维在混凝土建材中的合理应用,不仅可有效提升混凝土本质性能,促进混凝土向高强度、高韧性、强抗震抗裂性等优化趋势发展,也可有效改善合成纤维行业废气材料对环境的污染,提升产品利用率,降低建筑成本,提升经济与社会效益。

参考文献:

[1]罗力中,刘露,刘舒阳,等.塑钢纤维混凝土的抗冲击性能初步试验研究[J].江西建材,2016,10:1-3.

[2]卜良桃,周云鹏.纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究[J].河海大学学报(自然科学版),2016,04:291-296.

合成纤维范文4

关键字:陶瓷基;复合材料;连续纤维;制备技术;发展趋势

1 引言

科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,因此在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域有广阔的应用前景。

陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧,又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。陶瓷基复合材料是自20世纪80年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料,包括纤维(或晶须)增强陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用,成为理想的高温结构材料[1]。

连续纤维增强复合材料是以金属、陶瓷等为基体材料,连续长纤维为增强材料制备而成。金属基复合材料是以金属、轻合金等为基体材料、陶瓷等为增强材料制备而成的。从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料展开了大量研究,因其高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点,被广泛应用于航天航空及汽车工业。但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差,导致了其在使用过程中可靠性差,制约了它的应用范围。纤维增强陶瓷基复合材料,克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点,提高了材料的抗热震冲击能力[2~5]。

2 陶瓷基纤维复合材料

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可以是氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,其弱点是具有脆性,处于应力状态时,会产生裂纹,甚至断裂,导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品,最高使用温度取决于其基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于高速列车的制动件的制造上,使用效果令人满意。

2.1 陶瓷基体选择

用于连续纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料有很多种,与纤维之间的界面相容性是衡量其好坏的重要指标之一,此外还应考虑其弹性模量、挥发性、抗蠕变和抗氧化等性能。基体材料主要有以下三类:

(1) 玻璃及玻璃陶瓷基体。此类基体的优点是可以在较低温度下制备,增强纤维不会受到热损伤,具有较高的强度保留率;同时,在制备过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化,增韧效果好。但其缺点是由于玻璃相的存在容易产生高温蠕变,玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使用温度受到限制。目前,此类基体主要有:钙铝硅酸盐玻璃、锂铝硅酸盐玻璃、镁铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃及石英玻璃。

(2) 氧化物基体。它是20世纪60年代以前应用最多的一类陶瓷材料,主要有Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等;近年来,又相继开发了钇铝石榴石、ZrO2-TiO2、ZrO2-A12O3等。制备氧化物陶瓷基复合材料的最大问题是,在高温氧化环境下,纤维容易发生热退化和化学退化,且易与氧化物基体发生反应。因此,这些材料均不宜用于高应力和高温环境中。

(3) 非氧化物基体。主要指SiC陶瓷和Si3N4陶瓷,因具有较高的强度、耐磨性和抗热震性及优异的高温性能,与金属材料相比还具有密度较低等优点,此类基体受到人们的广泛关注,其中SiC基复合材料是研究得最早,也是较成功的一种。比如,以化学气相渗透法制备的Nica-lon纤维增韧碳化硅基复合材料,其抗弯强度达600 MPa,断裂韧性达27.7 MPa・m-2 [2]。其它研究较成功的非氧化物陶瓷基体有Si3N4、BN等。

2.2纤维的选择

虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多,但迄今为止,能够真正实用的纤维种类并不多。高温力学性能是其决定因素,同时,纤维还应具有密度低、直径小、比强度和比模量高等特点,在氧化性气氛或其它有害气氛中有较高的强度保持率,能满足加工性能和使用性能的要求。以下是对增强纤维进行的简要介绍:

(1) 氧化铝系列(包括莫来石)纤维。这类纤维的高温抗氧化性能优良,可用于1400℃以上的高温环境。但作为陶瓷基复合材料的增强材料使用时主要存在两个问题:

1)高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降;2)在高温成型和使用过程中,氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其是氧化物陶瓷)形成强结合的界面,导致纤维增强陶瓷基复合材料的脆性破坏,丧失了纤维的补强增韧作用。

(2) 碳化硅系列纤维。目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种:1)化学气相沉积法(CVD),用这种方法制备的碳化硅纤维高温性能好,但直径太大(大于100 um),不利于制备形状复杂的构件,且价格昂贵,因此应用受到很大限制;2)有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维中,最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon和Tyranno纤维。它们的的共同特点是,纤维中不同程度的含有氧和游离碳杂质,影响纤维的高温性能。最近,日本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi-Nicalon)具有较好的高温稳定性,其强度在1500~1600℃温度下变化不大[6]。

(3) 氮化硅系列纤维。它实际是由Si、N、C和O等组成的复相陶瓷纤维,现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的,目前也存在着与先驱体碳化硅纤维同样的问题,其性能与先驱体碳化硅纤维相近。

(4) 碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史,它是目前开发得最成熟,性能最好的纤维之一,已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好,在惰性气氛中,2000℃温度范围内强度基本不下降,是目前增强纤维中高温性能最佳的一类纤维。然而,缺点是高温抗氧化性能差,在空气中,温度高于360℃后即出现明显的氧化失重和强度下降,如能解决这个问题(如采用纤维表面涂层等方法),碳纤维仍不失为制备纤维增强陶瓷基复合材料的最佳侯选材料[7]。

3 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法

3.1料浆浸渍和热压烧结法

料浆浸渍和热压烧结法的基本原理是:将具有可烧结性的基体原料粉末与连续纤维用浸渍工艺制成坯件,然后在高温下加压烧结,使基体材料与纤维结合成复合材料 。工艺流程图如图1所示。

料浆浸渍是指让纤维通过盛有料浆的容器浸挂料浆后缠绕在卷简上,烘干,沿卷简母线切断,取下后得到无纬布,将无纬布剪裁成一定规格的条带或片,在模具中叠排成预成型坯件。经高温去胶和烧结得到复合材料制件。热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。热压过程中,最初阶段是高温去胶,随粘结剂挥发、逸出,将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程,最终获得致密化的复合材料。此种工艺现己用于制备以玻璃相为基体的复合材料[8]。

3.2 直接氧化沉积法

直接氧化沉积法(LANXIDE)最早被用于制备A12O3/A1复合材料,后推广用于制备连续纤维增强氧化物陶瓷基复合材料。LANXIDE法工艺原理为:将连续纤维预成型坯件置于熔融金属上面,因毛细管作用,熔融金属向预成型体中渗透。由于熔融金属中含有少量添加剂,并处于空气或氧化气氛中,浸渍到纤维预成型体中的熔融金属与气相氧化剂反应,形成氧化物基体,产生的氧化物沉积在纤维周围,形成含有少量残余金属的、致密的连续纤维增强陶瓷基复合材料。这种方法适用于制备以氧化铝为基体的陶瓷基复合材料,如SiC/A12O3,在1200℃的抗弯强度为350 MPa,断裂韧性为18 MPa・m1/2,室温时的抗弯强度为450 MPa,断裂韧性为21 MPa・m1/2 [9] 。

直接氧化沉积法工艺优点是:对增强体几乎无损伤,所制得的陶瓷基复合材料中纤维分布均匀;在制备过程中不存在收缩,因而复合材料制件的尺寸精确;工艺简单,生产效率较高,成本低,所制备的复合材料具有高比强度,良好韧性及耐高温等特性。

3.3溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法(Sol-ge1)是用有机先驱体制成的溶胶浸渍纤维预制体,然后水解、缩聚,形成凝胶,凝胶经干燥和热解后形成复合材料。此工艺组分纯度高,分散性好,而且热解温度不高(低于1400℃),溶胶易于润湿纤维,因此更利于制备连续纤维增强陶瓷基复合材料。该工艺缺点是:由于是用醇盐水解来制得基体,所以复合材料的致密性差,不经过多次浸渍很难达到致密化,且此工艺不适于部分非氧化物陶瓷基复合材料的制备[10]。

3.4化学气相法

化学气相法主要包括化学气相沉积法(CVD)、化学气相渗透法(CVI)等。最常用的复合材料制备方法是CVI法,它是在CVD法的基础上发展起来的。该制备方法是将纤维预制体置于密闭的反应室内,采用气相渗透的方法,使气相物质在加热的纤维表面或附近产生化学反应,并在纤维预制体中沉积,从而形成致密的复合材料[11,12]。

该技术的主要优点是:(1) 由于是在低于基体熔点的温度下制备合成陶瓷基体材料,避免了纤维与基体材料的高温化学反应,所以制备过程中对纤维损伤小,材料内部的残余应力小;(2) 通过改变工艺条件,能制备多种陶瓷材料,有利于材料的优化设计和多功能化;(3) 能制备形状复杂、近净尺寸和纤维体积分数大的复合材料。主要缺点是:生产周期长,设备复杂,制备成本高;制成品孔隙率大,材料致密度低,从而影响复合材料的性能;不适于制备厚壁部件。

3.5 先驱体转化法

先驱体转化法(PIP法)又称聚合法浸渍裂解法或先驱体裂解法,是近年来发展迅速的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺。与溶胶-凝胶法一样,先驱体转化法也是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的一种方法。溶胶-凝胶法主要是用于氧化物陶瓷基复合材料,而先驱体转化法主要用于非氧化物陶瓷,目前主要以碳化物和氮化物为主。

PIP法的主要特点是:(1) 在单一聚合物和多相聚合物中浸渍,能得到组成均匀的单向或多相陶瓷基体,具有比CVI法更高的陶瓷转化率;(2) 预制件中没有基体粉末,因而纤维不会受到机械损伤;(3) 裂解温度较低(小于1300℃),无压烧成,因而可减轻纤维的损伤和纤维与基体间的化学反应;(4) 可以对先驱体进行分子设计,制备所期的单相或多相陶瓷基体,杂质元素容易控制;(5) 充分利用聚合物基和C/C复合材料的成型技术,可制造出形状复杂的异型件。该法的主要缺点在于:致密周期较长,制品的孔隙率较高;基体密度在裂解前后相差很大,致使基体的体积收缩很大(可达50~70%)。由于增强材料的骨架牵制着基体的体积收缩,因而在基体内部容易产生裂纹和气孔,破坏了复合材料的整体性,并最终影响复合材料的性能。

4 陶瓷基复合材料的应用前景

陶瓷材料是一种本质脆性材料,在制备、机械加工以及使用过程中,容易产生一些内在和外在缺陷,从而导致陶瓷材料灾难性破坏,严重限制了其应用的广度和深度,因此提高陶瓷材料的韧性成为影响陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。

近年来,受自然界高性能生物材料的启发,材料界提出了模仿生物材料结构制备高韧性陶瓷材料的思路。1990年,Clegg等创造性制备了SiC薄片与石墨片层交替叠层结构复合材料与常规SiC陶瓷材料相比,其断裂韧性和断裂功提高了几倍甚至几十倍,成功地实现了仿贝壳珍珠层的宏观结构增韧。随后,国内外科研人员在陶瓷基层状复合材料力学性能方面进行了大量的试验研究,取得了很大进展。

陶瓷基层状复合材料力学性能的优劣关键在于界面层材料,能够应用在高温环境下,抗氧化的界面层材料还有待进一步开发。此外,在使用C、B、N等弱力学性能的材料作为界面层时,虽然能够得到综合性能优异的层状复合材料,但是基体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决。

陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的优点,可以应用于制备较大或形状复杂的陶瓷部件。这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合,形成不同尺度多级增韧机制协同作用,实现简单成分多重结构复合,从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破,将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。

5 结 语

连续纤维增强复合材料因其优异的性能得到广泛的关注,但是纤维增强复合材料的研究还处于起步阶段,已经开发应用的制备技术都存在着各自的问题,普遍存在的问题有以下几点:(1) 制备工艺复杂,很难应用于连续生产;(2) 基体与增强体润湿问题也给复合材料的制备带来很大的难题;(3) 复合材料的制备需要在较高温度下进行,所以基体与增强体之问不可避免地会发生不同程度的界面反应。界面反应促进了增强体与基体的润湿,是对制备有利的因素,但是反应生成的脆性相反而会影响复合材料的性能。

综上所述,陶瓷基复合材料的制备存在着很多问题。在高温、高压下制备出的复合材料虽然可以保证材料的致密性,但同时也对纤维造成一定的损伤;降低制备温度,低压下制备复合材料,使得基体孔隙率高,严重影响复合材料的性能[13]。因此,发展新的连续纤维增强复合材料的制备工艺是实现大规模生产的当务之急,也是今后连续纤维增强复合材料研究的主要方向,随着研究的不断深入,高性能复合材料的不断创新,连续纤维增强复合材料的应用将会更加广阔。

参考文献

[1] 陆有军,王燕民,吴澜尔.碳/碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展[J].材料导报,2010,21(6):14~19.

[2] NASLAIN R.Design, preparation and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors:an overview[J].Composites Sci Technology,2004,64(2):155~170.

[3] 张立同,成来飞,徐永东.新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J].航空制造技术,2003,44(1):24~32.

[4] IMUTA M,GOTOH J.Development of high temperature materials including CMCs for space application[J].Key Engineering Mater,1999,(164):439~444.

[5] 冯倩,王文强,王震,等.C纤维和SiC纤维增强SiC基复合材料微观结构分析[J].实验室研究与探索,2010,19(3):24~26.

[6] ICHIKAWA H,OKAMURA K,SEGUCHI T.Oxygen-free ceramic;fibers from organosilicon precursors and Ebeam curing[J].Manufacturing and Materials Development,1995,58(2):65~69.

[7] 何新波,杨辉,张长瑞,等.连续纤维增强陶瓷基复合材料概述[J].材料科学与工程,2002,20(7):273~278,262.

[8] Prewo K M,Brennan J J,La Yden G K.Fiber reinforced glasses and glasses-ceramics for high performance applications[J]. Amer Ceram Soc Bull,1986,65(2):305~308.

[9] 刘雄亚,谢怀勤.复合材料工艺及设备[M].武汉:武汉工业大学出版社,1994.

[10] 周曦亚.复合材料[M].北京:化学工业出版社,2005.

[11] Naslain R.Processing of ceramic matrix composites[J].Key Eng Mater,1999,164(1):3~8.

合成纤维范文5

【关键词】 结缔组织生长因子 转化生长因子-β2 纤维连接蛋白 Tenon囊成纤维细胞 青光眼滤过术

0引言

青光眼滤过术后滤过泡的瘢痕化是手术失败的关键原因,滤过泡瘢痕形成机制涉及很多生长因子,有研究表明与滤过手术联系最密切的则为转化生长因子TGF-β2[1]。结缔组织生长因子(CTGF)是继TGF-β之后发现的又一个重要的促纤维化因子,被认为是TGF-β的下游作用元件以及纤维化进程的启动因子[2],其作用主要表现为促进细胞有丝分裂和增生、趋化细胞、诱导细胞粘附、促进细胞外基质(ECM)的合成[3],针对CTGF的治疗有可能开辟一条仅特异作用于TGF-β引起的纤维化而不影响其他免疫活性作用发挥的新途径。有研究证实,TGF-β2能够刺激HTF产生CTGF[4],但TGF-β2是否也具有相同的作用,这点在人体滤过泡的瘢痕化中仍未得到证实,因此,我们设计不同浓度的TGF-β2刺激的HTF细胞,看其是否能促进细胞的增殖,表达CTGF以及合成Fn,初步探讨CTGF在滤过泡瘢痕化中可能的作用。

1材料和方法

1.1材料 人重组TGF-β2蛋白(Peprotech,USA),鼠抗人Fn抗体(Santa cruz,USA),SP试剂盒(北京中杉),DAB试剂盒(武汉博士德),羊抗人多克隆CTGF抗体(R&D,USA),羊抗兔二抗(武汉博士德),二甲基四氮唑盐(MTT)(Sigma,USA),二甲基亚砜(DMSO)(Sigma,USA),Trizol Reagent (Invitrogen, USA),逆转录及PCR试剂盒(Progrema,USA)。以青光眼滤过术中取下的人Tenon囊筋膜组织,采用组织块贴壁培养法[5]培养人Tenon囊成纤维细胞。取3~6代对数生长期HTF进行实验。

1.2方法 消化80%融合的细胞后,用含150g/L新生牛血清的DMEM培养液调成5×107/L细胞悬液,按100μL/孔接种于96孔板,24h后吸除培养液,分为空白对照组(无血清DMEM培养液)和6个处理组:分别为不同浓度的TGF-β2(0.5,1,2,4,5,10μg/L),诱导培养24h,每组设8个复孔。24h后加入MTT 20μL/孔,继续在CO2培养箱中培养4h后,弃去培养液,加入DMSO 150μL/孔,静置30min,在酶联免疫测定仪上测其在570/630nm处的吸光度值(A)。实验重复3次。另将细胞悬液1×108/L密度接种于放有盖玻片的6孔板中,贴壁24h后选用3个TGF-β2浓度组(T1 2μg/L,T2 4μg/L ,T3 5μg/L)及正常对照组(N组)(每组4片)分别加入各自不同的培养液共3mL,诱导24h后终止培养,用4℃ PBS漂洗3次,再放入4℃固定液(冷丙酮:无水乙醇=1∶1的混合液)中固定15min,晾干后再按S-P法即用型试剂盒和DAB试剂盒说明书操作,鼠抗人Fn多克隆抗体稀释度1∶100,DAB显色2min,苏木素复染。PBS代替一抗作阴性对照。将每张片图像摄入计算机,通过HMIAS-2000高清晰度彩色医学图像分析系统,得出代表每张爬片阳性表达强弱的平均灰密度值(A),然后再进行统计学处理。实验重复3次。另收集各组(实验分组同上:T1,T2,T3,N共4组)培养瓶中的HTF,用Trizol Reagent裂解细胞,提取总RNA,于波长260,280nm处测定吸光度(A)值。逆转录反应条件为42℃ 1h,99℃ 5min,5℃ 5min,同时设无RNA的阴性对照。PCR反应引物设计应用Primer Premier 5.0软件,其内参照为β-actin。预期CTGF的扩增片断长度为292bp,上游引物为5′-TCTTCGGTGGTACGGTGTA -3′,下游引物为5′-ACCAGGCAGTTGGCTCTAA-3′;β-actin扩增片段长度为283bp,上游引物为5′-CTGTGGCATCCACGAAACT -3′,下游引物为5′- GGACTCGTCATACTCCTGCTT -3′。反应条件为: 95℃预变性3min,95℃变性30s,59℃退火40s,72℃延伸40s,共循环35次,72℃最后延伸7min。RT-PCR产物经琼脂糖凝胶电泳鉴定。电泳产物进行灰密度扫描,计算mRNA指数(mRNAindex, RI)。RI=CTGFmRNART-PCR产物扫描值β÷-actinmRNA RT-PCR产物扫描值,用以代表细胞中CTGF mRNA的相对含量。重复3次独立的RT - PCR全过程。

统计学处理:检测结果数据均以均数±标准差(

)表示,统计采用SPSS12.0统计软件包,进行单因素方差分析,多重比较采用LSD检验法,P

2结果

人Tenon囊组织块贴壁法培养6d后即可见细胞自组织块边缘爬出,形态呈梭形或分枝状长多边形,胞体透明,逐渐融合并呈旋涡或放射状生长,生长旺盛,12d即融合并可传代,随着传代增加,分枝状形态细胞较多,甚至不加血清亦可见缓慢生长。TGF-β20.5μg/L,1μg/L浓度组的A值分别为0.212±0.018,0.233±0.021与正常对照组0.202±0.026无显著性差异,2μg/L,4μg/L,5μg/L组的A值分别为0.263±0.020,0.301±0.018,0.331±0.016,与对照组及相互之间差异有统计学意义,10μg/L组的A值为0.325±0.020与5μg/L组之间无显著性差异。Fn的阳性表达呈棕黄或棕褐色,位于细胞质内,胞核染为淡蓝色;正常对照组呈极弱阳性甚或阴性(图1A),随TGF-β2浓度的增加Fn的阳性表达呈增强趋势,图1B、1C分别为2μg/L、5μg/L的刺激组。3个处理组的A值分别为154.2±0.62,144.55±0.87,133.43±1.40与对照组162.38±3.14及各处理组间均有显著性差异。计算核酸纯度A260/280为1.8~2.0,说明RNA纯度较好;管家基因β-actin在4组细胞中的转录水平恒定,可以作为PCR产物相对定量标准;β-actin和CTGF分别在283bp及292bp位置上各出现一特异性条带,与预期扩增片断长度相符(图2,3);CTGF-RI值依次为:1.062±0.013,0.988±0.011,0.938±0.010,0.878±0.008;各处理组均与正常对照组具有显著性差异,而且各处理组之间均具有显著性差异。

图1 A:正常对照组细胞;B:2μg/L TGF-β2刺激后细胞分泌Fn明显增多,位于胞质内,染棕黄或棕褐色;C:5μg/L TGF-β2刺激组

图2 各组的内参水平

图3 TGF-β2对HTF CTGFmRNA的影响

3讨论

青光眼滤过术后滤过泡的瘢痕化是手术失败的最主要原因。目前临床上常用的有:5-氟脲嘧啶(5-fluorouracil, 5-FU)、丝裂霉素C(mitomycin C, MMC)、环孢霉素A(cyclosporinA, CsA)等,主要是通过拮抗成纤维细胞的增殖而发挥作用,它们的应用明显地提高了滤过术的成功率[6,7],但都是非特异性的,并且有可能伴随着严重的潜在并发症,如低压性黄斑病变,滤过泡渗漏,滤过泡感染,眼内炎以及对角膜的毒性反应等,所以寻求更加特异地抑制瘢痕形成的药物特别是滤过区可能出现的各种生长因子是近几年来人们研究的主要方向。

有研究表明,在机体创伤修复进程中起到最关键调控作用的细胞因子莫过于TGF-β[1],与滤过手术联系最密切的则为TGF-β2。Esson等[8]发现,兔滤过术后5d在滤过泡组织内TGF-β2和CTGF均高表达,外源性的TGF-β2和CTGF的加入使有效滤过面积分别在术后3d和6d减少到50%。激活的TGF-β2可以与细胞表面的特异受体结合从而活化成纤维细胞的功能,增加其Ⅰ型胶原和Ⅲ型胶原mRNA表达并促进胶原合成和成熟,并影响细胞外基质内其它成分如纤维连接蛋白、弹性蛋白、蛋白多糖和基质金属蛋白酶及其抑制物等的mRNA转录[9]。本实验设计不同浓度TGF-β2[10]刺激HTF,结果显示,其在2μg/L到5μg/L之间有剂量依赖性地促进HTF的增殖和合成纤维连接蛋白的趋势,与以往的研究结果[7]相符合。其中5μg/L与10μg/L之间无统计学差异,表明5μg/L已经使相应的受体达到饱和。

CTGF是继TGF-β2之后发现的又一个重要的促纤维化因子,被认为是TGF-β的下游作用元件以及纤维化进程的启动因子,是TGF-β激活成纤维细胞后由其分泌并作为TGF-β的下游效应介质作用于结缔组织细胞后刺激细胞的增殖和ECM的合成[2]。根据CTGF作用的部位不同,它可显示出不同的生物学效应,但主要表现为促进细胞有丝分裂和增生、趋化细胞、诱导细胞粘附、促进细胞外基质(ECM)的合成[3]。本实验显示,生理状态下CTGF的表达水平很低,而在TGF-β2的刺激下其mRNA的表达明显升高,推测CTGF生物学效应相对较小,仅介导了TGF-β的促纤维化效应。Duncan等[11]在体外细胞培养实验中,应用特异性抗CTGF抗体或CTGF反义寡核苷酸探针,可有效抑制TGF-β诱导肾小管成纤维细胞增生和胶原的合成。尽管在体外和体内实验中已经证实TGF-β2的单克隆抗体能够提高高危患者功能滤过泡形成率和维持存活[12],但是由于其具有高效的抑制免疫、抑制炎症、抑制上皮细胞增殖等负面效应,长期抑制TGF-β2的作用可能给机体带来不利影响,严重的如免疫调节失控引起机体的自身免疫性疾病[13]。所以作为纤维化性疾病发生过程中的关键介质,CTGF有可能为防治滤过泡瘢痕形成提供一个更理想的特异性治疗靶点。

【参考文献】

1 Cordeiro MF, Reichel MB, Gay JA, D’Esposita F, Alexander RA, Khaw PT. TGF-β1,-β2,and-β3 in vivo : Effect on normal and mitomycin C-modulated conjunctival scarring. Invest Ophthalmol Vis Sci, 1999;40(9):1975-1982

2 Blom IE , Goldschmeding R , Leask A. Gene regulation of connective tissue growth factor: new targets for antifibrotic therapy?Matrix Biol ,2002;21(6):473-482

3 Yokoi H, Sugawara A, Mukoyama M, Mori K, Makino H, Suganami T, Nagae T, Yahata K, Fujinaga Y, Tanaka I, Nakao K. Role of connective tissue growth factor in profibrotic action of transforming growth factor-β:a potential target for preventing renal fibrosis. Am J Kidney Dis , 2001;38:S134-S138

4黄明海,郭海科,吴静,陈建苏,赵松滨.TGF-β1对Tenon’s囊成纤维细胞增殖和结缔组织生长因子表达的影响.眼科研究,2005;23(3):272-275

5纪彩霓,胡义珍,丁正平,李贵刚.曲尼司特对青光眼患者体外培养的眼部Tenon囊成纤维细胞增殖和移行的影响.中华眼科杂志,2004;40(3):165-169

6张欣,梁春玲,徐彦,郭素平.非穿透性小梁手术中应用丝裂霉素C 32例.国际眼科杂志,2005;5(1):107-111

7张德秀,史传衣,刘思伟.小梁切除联合丝裂霉素术后晚期滤泡相关并发症的临床分析.国际眼科杂志,2005;5(6):1186-1189

8 Esson DW, Neelakantan A, Iyer SA , Blalock TD, Balasubramanian L, Grotendorst GR, Schultz GS, Sherwood MB. Expression of connective tissue growth factor after glaucoma filtration surgery in a rabbit model . Invest Ophthalmol Vis Sci,2004;45:485-491

9 Corderio MF. Beyond mitomycin : TGF-βand wound healing. Prog Retin Eye Res ,2002;21(1):75-89

10 Ozcaa AA, Ozdemir N, Canataroglu A. The aqueous levels of TGF-β2 in patients with glaucoma. Int Ophthalmol,2004;25(1):19-22

11 Duncan MR, Frazier KS, Abramson S, Willams S, Klapper H, Huang X, Grotendorst GR. Connective tissue growth factor mediates transforming growth factor beta induced collagen synthesis : down regulation by cAMP. FASEB J ,1999;13(13) :1774-1786

12 Cordeiro MF, Gay JA, Khaw PT. Human anti-transforming growth factor-beta2 antibody: a new glaucoma anti-scarring agent. Invest Ophthalmol Vis Sci,1999;40:2225-2234

合成纤维范文6

[关键词]成纤维细胞;平滑肌细胞;联合培养;组织工程;胶原

[中图分类号]Q813.1[文献标识码]A[文章编号]1008-6455(2007)11-1535-03

Effect of fibroblasts in co-culture model on smooth muscle cell proliferation and morphology

FENG Ya-qin 1,2,3,HUANG Sha2,YU Chun-yan1,WANG Hai-lun1,2,FENG Feng1,2,ZOU Yun-dong2,NIU Jie3,JIN Yan2

(1.Department of Dermatology,Tangdu Hospital,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710038,Shaanxi,China; 2.Center for Tissue Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,Shaanxi,China; 3.Weinan Convalescent Hospital of Shaanxi Military Area Command of PLA,Weinan 714000,Shaanxi,China)

Abstract: ObjectiveTo observe the effects of fibroblasts (Fb) in vitro co-culture on morphology and proliferation of smooth muscle cells (SMC), and bio-characteristics as well as interrelation between them. To provide theoretical and practical foundation for constructing tissue engineering skin contained Fb and SMC.MethodsFb and SMC were cu1tured in vitro by dissociation and explanation of tissue individually,then implanted according different ratios(SMC : Fb=1:1,1:2,1:3)in collagen to establish co-culture model, mimicking the structure of tissue engineering skin and interaction between Fb and SMC. Morphology and metabolism of SMC was evaluated in terms of fluorescence-labeling, histological observation and MTT. ResultsCo-culture model is an effective method to establish the interaction between Fb and SMC; Fb exhibits the proliferating effects on SMC in 1:1 model of co-culture, while the effects weaken in 1:3 model. ConclusionFb plays the positive role in co-culture model (1:1) on morphology and proliferation of SMC, and the study on interaction between Fb and SMC is very important for constructing tissue engineering skin contained Fb and SMC.

Key words: fibroblasts; smooth muscle cells; co-culture; tissue engineering; collagen

真皮为皮肤提供机械保护和必要的营养并决定它的外观特征,因此真皮替代物的研制是皮肤组织工程研究中的重点所在。近年来,用成纤维细胞与胶原等细胞外基质成分混合进行的三维培养,已成为制备组织工程皮肤的真皮替代物的主要方法[1]。在这样的三维培养中,成纤维细胞可产生胶原蛋白等细胞外基质成分形成真皮替代物,再和表皮细胞联合培养后形成组织工程皮肤,植入机体后经过数月甚至更长时间后才逐渐产生弹性纤维,因此,植入的组织工程皮肤在很长时间内会缺乏弹性[2]。本研究试图在模拟组织工程皮肤结构的基础上,利用平滑肌细胞更利于弹性纤维产生的优势,按照不同比例建立以胶原凝胶为基质的成纤维细胞与平滑肌细胞的联合培养模型,研究成纤维细胞和平滑肌细胞间的相互关系和生物学行为,为这两种细胞的组合作为真皮替代物种子细胞的可行性提供实验依据。

1材料和方法

1.1 主要试剂:磷酸缓冲盐溶液(PBS),胰蛋白酶,乙二胺四乙酸钠(EDTA),胎牛血清(FBS),M199培养基,DMEM培养基,谷氨酰胺,成纤维细胞生长因子(bFGF)等均为美国Gibco公司产品;胶原为Sigma公司生产;二甲基亚砜(MSOF),四甲基噻唑二苯基四溴盐 (MTT),四季青公司生产;CX40普通光学显微镜和CK40倒置相差显微镜和荧光显微镜(日本Olympus公司)。

1.2 平滑肌细胞的原代培养和体外扩增:取健康雄性小鼠(第四军医大学动物实验中心提供),在无菌条件下迅速开胸取出心肺,分离肺动脉,将中膜剪成0.1~0.3mm2大小组织块,贴壁于培养瓶中置于37℃恒温培养箱内培养。当细胞密度接近融合时,用0.25%胰蛋白酶及0.02%EDTA消化传代,取第5代或6代的细胞用于以下实验。

1.3成纤维细胞的原代培养和体外扩增:取小鼠剩余皮片,尽可能彻底地修除表皮和皮下脂肪,将真皮剪成0.5~1.0mm2的组织块,接种于培养瓶内,消化下来的细胞置37℃恒温培养箱中培养4h后,再加入含150ml/L胎牛血清的DMEM培养液继续培养,每3天换液1次。原代培养细胞基本长满瓶壁后,进行传代培养。取第5代或6代的细胞用于以下实验。

1.4 细胞形态学观察:取第5代细胞在相差显微镜下观察细胞形态、生长状态及贴壁时间,并摄片记录。

1.5 MTT法测定细胞活性:取第5代平滑肌细胞和成纤维细胞分别以1:1、1:2、1:3(细胞数量为4000/孔)的比例接种于96孔培养板中,每孔加入200μl培养液于37℃,体积分数为0.05的CO2条件下培养。每天同一时间点随机抽取5孔细胞,加入5%MTT 20μl/孔,培养4~6h,吸出液体,每孔加150μl二甲基亚砜振荡10min,酶联免疫测定仪测定波长490nm处的吸光度。取5孔吸光度的均值,以时间(天)为横坐标,吸光度值为纵坐标绘图。

1.6 以胶原凝胶为基质的联合培养模型的构建:①1:1组:取生长状态良好的平滑肌细胞用Hoechst 33342标记,将其与真皮成纤维细胞按1:1比例各以1.5×106/ml的密度与3mlI型胶原(胶原浓度8mg/ml,混合前加入10%的10×DMEM 和胎牛血清,充分混匀,调节pH到7.4)混合,37℃孵育凝固后加入培养液培养5天获得组织工程真皮即平滑肌细胞与成纤维细胞的联合培养模型;用HE染色和荧光显微镜观察构建的模型中平滑肌细胞的形态和分布;②1:2组和1:3组以不同数量的成纤维细胞代替,其余处理及检测同1:1组。

2结果

2.1 细胞形态观察:光镜下观察,第5代培养的平滑肌细胞呈细长梭形(图1),成纤维细胞呈细长形、扁平星状结构(图2),均处于功能活跃状态。

2.2 MTT法测定细胞代谢活性:MTT检测结果显示(图3),平滑肌细胞和成纤维细胞在1:1的比例时,平滑肌细胞的增殖较快,代谢较为活跃(P<0.05);在成纤维细胞比例增加时(SMC : Fb=1:2、1:3),平滑肌细胞的活性一般,增殖作用不明显(P>0.05)。

2.3共培养模型的大体观察:大体观察含两种细胞的共培养模型(图4),所见结果与常规培养的组织工程真皮在色泽、质地等方面未见明显差别[3],然而由于所用平滑肌细胞和成纤维细胞比例不同,含较高比例的平滑肌细胞的皮肤模型(1:1)的外观明显好于含平滑肌细胞比例较低 (1:2、1:3) 的皮肤模型,尤其是1:3组模型的边缘收缩较为明显。

2.4共培养模型的组织学观察:HE染色结果显示,1:1组的细胞明显较其它组多,细胞密度较大。梭形细胞体积较大,核大、淡染,核仁明显,表明此时细胞的合成功能很活跃。而1:3组的细胞体积较小,核深染、核仁不明显,胞质少,各组合成的共培养模型都具有真皮替代物的结构(图5)。

本实验采用Hoechst 33342标记平滑肌细胞的方法对共培养模型中成纤维细胞对平滑肌细胞的影响进行了分析。荧光显微镜下各组模型所形成的真皮层均能观察到标记为蓝色荧光的平滑肌细胞分布(图6)。

3讨论

随着细胞培养技术的发展和组织工程学的兴起,皮肤组织的体外重建正由设想变为现实。近年来,国内外已有不少学者将体外培养的皮肤替代物移植应用于临床修复创伤皮肤缺损创面[4-5]。由成纤维细胞作为种子细胞构建的真皮替代物具有较强的生物活性,不引起免疫排斥反应,而且可促进表皮细胞生长及表皮真皮连接形成,改善移植物的物理性能和美观效果。然而这样构建的真皮替代物植入机体后,往往需要在数月至2年后才逐渐产生弹性纤维。已有文献证实平滑肌细胞与胶原等多糖基质混合培养后可产生弹性纤维[6]。因此,我们考虑将平滑肌细胞也作为种子细胞引入真皮替代物的构建,进一步改善皮肤替代物的功能性。在本实验中,笔者将重点放在观察体外联合培养的成纤维细胞对平滑肌细胞形态和增殖的影响上,以此证实这两种细胞的相互关系和共同作为种子细胞体外构建组织工程皮肤的可行性和潜能。

实验结果显示,以胶原凝胶为基质建立的联合培养模型法,可有效评估成纤维细胞对平滑肌细胞的影响。1:1组的成纤维细胞对联合培养的平滑肌细胞有明显促增殖作用,1:3组的成纤维细胞比例过高,促增殖作用反而不明显。显微镜观察可见,平滑肌细胞在1:1联合培养组所构建的真皮替代物中分布均匀,细胞体积与胞核均较大,提示该细胞的合成功能活跃,这可能与成纤维细胞分泌的各种生长因子的作用有关。但成纤维细胞比例的增加,对平滑肌细胞的增殖作用反而会减弱,因此探讨合适的培养比例对它们联合培养和扩增以及相互关系的研究具有重要的意义。综上所述,通过观察联合培养的成纤维细胞对平滑肌细胞增殖和形态的影响,笔者认为用1:1联合培养的成纤维细胞对平滑肌细胞增殖有促进作用,这两种细胞的组合有望共同作为种子细胞构建一种新的真皮替代物。

[参考文献]

[1]杨颖藕, 于淑贤, 贾继章, 等.利用胶原构建皮肤组织工程支架的研究 [J]. 中国修复重建外科杂志,2003,17(4):339-342.

[2]Shakes P. Bum wound healing and skin substitutes[J]. Burns, 2001, 27 (4):517-522.

[3]胡葵葵, 戴育成, 袁敬东. 组织工程活性真皮的构建研究[J]. 西安交通大学学报:医学版,2006,27(2):117-119.

[4]Heimbach DM, Warden GD, Luterman A, et a1. Multicenter postapproval clinical trial of Integra(r)dermal regeneration template for burn treatment[J].J Burn Care Rehabil,2003,24(1):42-48.

[5]Hu M, Sabelman EE, CaoY, et a1. Three-dimensional hyalurc acid grafts promote healing and reduce scar formation in skin incision wounds[J]. J Biomed Mater Res, 2003,15: 586-592.

上一篇案发现场

下一篇复合维生素b片