一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜及其制

本发明属于生物压电材料领域，特别涉及一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜及其制备方法与应用。背景技术：1、压电材料是一类能将机械能与电能相互转换的材料，由于其独特的机电耦合效应使得其应用十分广泛。近年来，压电材料逐渐在生理监测、组织工程、瞬态植入式医疗器件等领域表现出极大的应用价值。然而，常见的压电材料如压电聚合物(聚偏二氟乙烯)或压电陶瓷(锆钛酸铅)等具有不可降解、含铅等缺点，限制了其在生物医用领域的应用。2、甘氨酸是最简单的氨基酸分子，具有良好的生物相容性与可降解性，它具有α，β，γ三种晶型，其中只有β和γ晶型表现出压电特性。据报道，β-甘氨酸晶体的剪切压电系数高达178pm/v。但是β-甘氨酸压电材料的发展存在三大难题：首先，β-甘氨酸在热力学上是极不稳定的，在环境条件下会迅速转变为α-甘氨酸或γ-甘氨酸晶体；其次，β-甘氨酸晶体是脆性的，且杨氏模量高达30gpa，障碍了其在柔性系统的应用；再次，由于甘氨酸晶体的矫顽电场很高，很难通过外加电场使其宏观极化方向取向，甘氨酸晶体的实际应用受到缺乏有效且方便的方法实现宏观极化方向取向的限制。3、尽管有报道通过纳米限域效应制备稳定的β-甘氨酸晶体，但是由于模板或基底的存在，甘氨酸的产率较低且不易与模板或基底分离，缺乏柔韧性。因此，开发简单的工艺制备具有宏观极化方向取向的稳定β-甘氨酸柔性薄膜，仍然是一个重大挑战。技术实现思路1、为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法。2、本发明另一目的在于提供上述方法制备的自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜。3、本发明针对β-甘氨酸压电材料的不稳定，缺乏柔韧性，难实现宏观极化方向取向的问题，提供一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜，该自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有柔韧性、优异的时间和温度稳定性、宏观极化方向取向等优点，且压电性能优异。4、本发明再一目的在于提供上述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜在生物压电材料中的应用。5、本发明的目的通过下述方案实现：6、一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯醇溶液和甘氨酸溶液混合，将混合溶液静电纺丝，得到自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜，其中纺丝电压为12-16kv。7、所述聚乙烯醇的分子量为8.0～21万。8、所述混合溶液中甘氨酸与聚乙烯醇的质量比为0-1:1。9、所述混合溶液中甘氨酸与溶剂的质量体积比为2-10g：100ml。10、所述混合溶液中聚乙烯醇与溶剂的质量体积比为8-14g：100ml。11、所述静电纺丝中溶液推注速度为0.2-0.6ml/h，滚筒转速为2000-3000rpm。12、所述静电纺丝中接收距离为12-20cm。13、所述静电纺丝中环境温度为25-30℃，相对湿度为60％-75％。14、上述方法制备的自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜。15、上述自取向甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜在生物压电材料中的应用。16、本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：17、(1)本发明自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜中甘氨酸均为β晶型。静电纺丝过程中，溶剂的快速挥发导致了聚乙烯醇的率先析出以及甘氨酸的快速成核，然而溶剂的快速蒸发和聚乙烯醇的存在限制了甘氨酸晶体的生长，类似于纳米限域效应，从而只形成β晶型。18、(2)本发明制备的β-甘氨酸具有优异的时间稳定性和温度稳定性。本发明所得β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜中β-甘氨酸周围的聚乙烯醇对β-甘氨酸起到了保护的作用，使得甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有优异的稳定性。19、(3)本发明所得β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有宏观极化方向取向。本发明甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜中β-甘氨酸的x射线衍射(020)晶面衍射峰的强度是(001)晶面衍射峰强度的5倍以上。由于β-甘氨酸的分子偶极子的自发极化方向沿着b轴，因此占主导地位的(020)晶面衍射表明甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜沿厚度方向具有宏观极化方向取向。20、(4)本发明所得β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有优异的柔韧性。本发明中聚乙烯醇的封装大大增强了β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的柔韧性。21、(5)本发明制备的β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有优异的压电性能，其压电系数高达13.9pc/n。技术特征：1.一种自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将聚乙烯醇溶液和甘氨酸溶液混合，将混合溶液静电纺丝，得到自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜，其中纺丝电压为12-16kv。2.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的分子量为8.0～21万。3.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中甘氨酸与聚乙烯醇的质量比为0-1:1。4.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中甘氨酸与溶剂的质量体积比为2-10g：100ml。5.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中聚乙烯醇与溶剂的质量体积比为8-14g：100ml。6.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝中溶液推注速度为0.2-0.6ml/h，滚筒转速为2000-3000rpm。7.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝中接收距离为12-20cm。8.根据权利要求1所述自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝中环境温度为25-30℃，相对湿度为60％-75％。9.权利要求1-8任一项所述方法制备的自取向β-甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜。10.权利要求9所述自取向甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜在生物压电材料中的应用。技术总结本发明属于生物压电材料领域，公开一种自取向β‑甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜及其制备方法与应用。本发明将聚乙烯醇溶液和甘氨酸溶液混合，将混合溶液静电纺丝，得到自取向β‑甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜，其中纺丝电压为12‑16kV。本发明所得自取向β‑甘氨酸/聚乙烯醇纳米纤维膜具有柔韧性、优异的时间和温度稳定性、宏观极化方向取向，且压电性能优异。技术研发人员：朱治文,邱涵,何和智受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/21