CN106267339B

CN106267339B - 一种高模量超亲水生物支架制备方法

Info

Publication number: CN106267339B
Application number: CN201610569380.XA
Authority: CN
Inventors: 崔志香; 杨章强; 郑孜峰; 康佳清; 曾森; 叶健桦; 刘琼; 司军辉
Original assignee: Fujian University of Technology
Current assignee: Fujian University of Technology
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: CN106267339A

Abstract

本发明公开了一种高模量超亲水生物支架制备方法,本发明通过静电纺丝技术制备合成/天然高分子复合纤维生物支架,并通过聚多巴胺表面涂层的方法修饰复合纤维表面性质。该方法制备的复合纤维支架具有高模量、超亲水性和良好的生物相容性，有利于细胞的黏附、增殖和分化。通过天然高分子的引入，使纤维支架在具有良好力学性能的同时，具有良好的亲水性能和生物相容性，且有效提高聚多巴胺在复合纤维支架的涂层效果。通过多巴胺在复合纤维表面自聚合，进一步提高支架的亲水性能、力学性能和生物相容性。基于静电纺丝设备简单、可利用材料种类繁多、方便制备多组分复合材料、以及其制备获得的纳米纤维比表面积大、孔隙率高、内部连通性好等优点。

Description

一种高模量超亲水生物支架制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料加工领域，特别是涉及一种高模量超亲水生物支架制备方法。

背景技术：

生物支架作为种植细胞的场所和组织再生的模板，在组织工程领域引起了越来越多的关注。但是，目前所制备的生物支架多数无法同时具备良好的力学性能、亲水性能和生物相容性。因此如何制备拥有良好综合性能的理想生物支架仍是目前具有挑战性的问题。基于静电纺丝设备简单、操作方便、可利用材料种类繁多、方便制备多组分复合材料、以及获得的纤维比表面积大、均一性高等优点，其作为理想高效制备复合纤维生物支架的技术已经被广泛的关注和应用。

2003年，Yoshimoto,H.等通过静电纺丝法制备了聚己内酯(PCL)支架。首先将一定量的PCL溶于氯仿，室温下震荡获得浓度为10％(w/v)的均一溶液，在13kV的纺丝电压下，聚合物溶液被静电场力拉伸成丝，得到无纺布PCL纤维。然后，将支架浸泡在70％的酒精中杀毒，并将其浸泡于胶原蛋白溶液进行表面涂层改性，最后采用充质干细胞种植在支架上。结果表明，胶原蛋白涂层改性后的支架具有良好的生物相容性。但此方法制备获得的支架在提高生物相容性的同时，力学性能并没有得到提高。

2005年，Vaz,C.M.等通过静电纺丝法制备了双层纤维支架。他们在室温将PCL和PLA分别溶于氯仿和氯仿/二甲基甲酰胺(15:3) 混合溶液，获得了浓度为12.5％(w/v)和14.0％(w/v)的均一聚合物溶液。首先选取PCL溶液在电压为13kV，接受距离为20cm，溶液的推进速率为10μL/min的条件下进行静电纺丝，采用滚筒收集方法(转速为60Hz)，180min后获得内层的PCL支架。然后将PLA溶液在电压为13kV，接受距离为20cm，溶液流速为25μL/min，滚筒转速为180Hz的条件下进行静电纺丝，PLA纤维收集在PCL纤维之上，60min后制备得到了双层PLA/PCL纤维支架。此方法制备获得的PLA/PCL双层支架可以有效地提高其力学性能，但无法提高其亲水性能和生物相容性。

2009年，Zoppe,J.O.等通过静电纺丝法成功制备了PCL/纳米纤维素晶粒复合纤维支架。首先他们采用一系列的化学处理方法提取出纳米纤维素晶粒，随后，采用2,4-甲苯二异氰酸酯对其进行改性。最后将一定量改性后的纳米纤维素晶粒通过超声处理分散于二甲基甲酰胺溶液，同时称取15g PCL室温震荡溶解于二氯甲烷溶液，最后将两种溶液混合获得纺丝液，其中纺丝液中纳米纤维素晶粒占PCL的质量比分别为2.5％和5％。在电场为0.5～1.0kV/cm，推进速率0.8～1.0mL/h，接受距离为10～20cm的条件下进行静电纺丝，制备得到PCL/纳米纤维素晶粒复合支架。结果表明，制备获得的支架具有较好的力学性能和亲水性能。

2014年，Jing,X.等通过静电纺丝法制备了具有串晶结构的PCL三维支架。首先将一定量PCL溶于氯仿/二甲基甲酰胺(6:4)的混合溶液，室温震荡得到浓度为12％(w/v)的均一纺丝液。在电压为18kV，收集距离为20cm，推进速率为0.5mL/h的条件下进行静电纺丝，得到PCL纤维支架。然后，将一定量的PCL溶解于去离子水/乙酸(23:77)的混合溶液，60℃磁力搅拌1h，获得0.8％(w/v)的PCL稀溶液，取30μL的PCL稀溶液，缓慢滴在PCL纤维支架上，室温去离子水冲洗两次，真空干燥后得到具有串晶结构的PCL支架。最后，采用基质胶对PCL支架表面进一步进行改性。实验结果表明：细胞在改性后的支架上具有良好的粘附和增殖。

2014年，Mandal,A.等制备了聚乙烯醇(PVA)/纳米纤维素复合纤维膜。首先将纤维素加入50℃的60％硫酸中，搅拌5h使其水解。随后用去离子水洗涤、离心分离直至溶液pH值为7。并将悬浮液在冰水浴中超声5min，制备获得纳米纤维素悬浮液。其次，将一定量PVA溶于去离子水，振荡得到5％(w/v)的均一PVA溶液，并将一定量的纳米纤维素悬浮液加入到PVA溶液中，机械搅拌2h后超声2min得到PVA/纳米纤维素混合溶液。最后，将混合溶液倒入培养皿中，室温干燥2d，随后在60℃的真空干燥箱中干燥，得到PVA/纳米纤维素复合膜。结果表明：纳米纤维素的加入有效的提高了复合纤维膜的力学性能。

2015年，Mo,Y.等通过静电纺丝法制备了聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)/纳米纤维素晶粒复合纤维支架。首先，取10g纤维素加入到95mL的65％的硫酸溶液，在55℃搅拌5h进行水解反应，得到悬浮液。随后将悬浮液离心10min，并超声15min，用去离子水清洗直至溶液pH值为7，再通过透析膜透析处理1周去除多余的硫酸。其次，将纳米纤维素晶粒分散在15％(w/v)的PLGA溶液(六氟异丙醇为溶剂)中，得到均匀的PLGA/纳米纤维素晶粒混合溶液。最后，在电压为15kV，收集距离为10cm，推进速率为1.0～2.0mL/h的条件下进行静电纺丝，制备得到PLGA纳米纤维素晶粒复合纤维支架。实验结果表明，纳米纤维素的引入明显的提高了复合纤维支架的力学性能和亲水性能。

2010年，Jiang,J.H.等成功利用聚多巴胺对聚乙烯(PE)多孔膜进行表面改性。首先，取一定量的多巴胺溶于Tris-HCl缓冲液(pH＝8.5)和乙醇混合溶液(9:1)中，得到浓度为2g/L多巴胺溶液。其次，将PE膜浸泡于上述溶液中，在20℃持续搅拌24h。最后，取出PE薄膜用乙醇溶液和去离子水交换清洗数次，成功制备获得具有聚多巴胺涂层的PE多孔膜。

2012年，Rim,N.G.等利用聚多巴胺对左旋聚乳酸(PLLA)静电纺丝纤维膜进行表面改性。首先，取一定质量的PLLA溶于二氯甲烷和四氟乙烯(8:2)混合溶液中，振荡获得3％(w/v)的PLLA均匀溶液。其次，在电压为13-15kV，收集距离为25cm，推进速率为2mL/h的条件下进行静电纺丝，得到PLLA纤维膜。最后，将8cm×8cmPLLA纤维膜浸泡在多巴胺溶液(2g/L,pH＝8.5)中，持续搅拌1h后取出并用去离子水清洗多次，得到聚多巴胺涂层的PLLA纤维膜。结果表明：聚多巴胺涂层的PLLA纤维膜具有较好的亲水性和细胞相容性。

发明内容

针对现有技术和材料存在的上述不足，本发明的目的是提供一种生物支架材料。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高模量超亲水生物支架制备方法，包括以下步骤：

步骤一)纳米纤维素悬浮液的制备：将氯仿和二甲基甲酰胺以3:1的质量比混合，再加入纳米纤维素，混匀后获得纳米纤维素悬浮液；

步骤二)合成高分子/纳米纤维素混合纺丝液配制：将生物可降解合成高分子材料溶于纳米纤维素悬浮液，常温下震荡溶解，获得合成高分子/纳米纤维素混合纺丝液；

步骤三)静电纺丝制备合成高分子纳米纤维素复合纤维：将合成高分子/纳米纤维素混合纺丝液装入静电纺丝装置，将连接注射器的针头与高压发生装置相连，以接地的铝箔纸为接收装置，制备得到复合纤维膜，置于干燥器中储存；

步骤四)预润湿处理：将复合纤维膜裁减成固定在金属支架上，保持平铺状态，然后将金属支架放入预湿润液中，振荡1h；

步骤五)配置Tris-HCl缓冲液：将三羟甲基氨基甲烷溶于去离子水，再逐滴加入稀盐酸调节pH值至8.5，用去离子水标定，即得Tris-HCl缓冲液；

步骤六)聚多巴胺涂层：将多巴胺加入到Tris-HCl缓冲液中，制备浓度为2g/L的多巴胺溶液，将金属支架浸泡在多巴胺溶液中，磁力搅拌8h取出，用去离子水清洗，在真空干燥箱内干燥，即得成品。

进一步的改进，所述步骤二)中，生物可降解合成高分子为聚乳酸或聚氨酯。

进一步的改进，静电纺丝的电压为15-16kV，接收距离为15cm，空气湿度为40％。

进一步的改进，针头的内径0.8mm。

进一步的改进，预湿润液为质量分数为50％的乙醇水溶液。

与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)本方法制备合成高分子/纳米纤维素复合纤维，综合了两种材料的优点，使其具有良好力学性能的同时，具有良好的亲水性能和生物相容性。

(2)纳米纤维素的引入，增强聚多巴胺在复合纤维支架表面改性效果，获得涂层均一的改性复合纤维。

(3)采用聚多巴胺对复合纤维涂层改性，进一步提高生物支架的亲水性能、力学性能和生物相容性，有利于细胞的粘附、增殖和分化。

附图说明

图1实施例1中的PLA/CNF复合纤维支架涂层前后的SEM图；

图2实施例2中的TPU/CNF复合纤维支架涂层前后的SEM图。

具体实施方式：

以下通过实施例详细说明或描述本发明，而不是对本发明进行限制。

实施例1：

一种基于聚乳酸(PLA)/纳米纤维素(CNF)复合纤维支架的制备方法，包括如下制备步骤：

步骤一)将氯仿和二甲基甲酰胺以3:1的质量比混合，称取0.066g纳米纤维素(CNF)溶于20mL的氯仿-二甲基甲酰胺混合溶液，磁力搅拌3h，超声处理30min，获得均一的CNF悬浮液。

步骤二)称取2.2g PLA溶于上述步骤一)制备获得的CNF悬浮液，室温振荡6h，获得PLA/CNF混合纺丝溶液，其中PLA浓度为10％(w/v)，CNF占PLA的质量比为3％(w/w)。

步骤三)将上述步骤二)制备的PLA/CNF混合纺丝液装入带有纺丝针头的5mL聚四氟乙烯注射器，将注射器安装于SN-50微量注射泵并设置推进速率为0.9mL/h，将连接注射器的针头(内径0.8mm)与高压发生装置相连，并以接地的铝箔纸为接收装置，纺丝电压为16kV、接收距离为15cm、纺丝温度为室温、湿度为40％、纺丝时间3h，制备得到PLA/CNF复合纤维膜，并在干燥器中储存待用。

步骤四)将步骤三)制备得到的PLA/CNF复合纤维膜裁减成8cm×8cm，固定在金属支架上，使其在支架上保持良好的平铺状态，然后将其与支架放入乙醇和水(5:5)的混合溶液中，磁力振荡1h。

步骤五)称取0.3028g三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶于250mL去离子水，搅拌使其完全溶解，随后逐滴往Tris溶液中加入1mol/L稀盐酸调节溶液pH值至8.5，最后用去离子水标定，获得1L的Tris-HCl缓冲液。

步骤六)首先将0.5g的多巴胺加入到250mL Tris-HCl缓冲液中，制备浓度为2g/L的多巴胺溶液。其次将步骤5中得到的预润湿PLA/CNF复合纤维支架取出并浸泡在多巴胺溶液中，磁力搅拌8h后取出样品，用去离子水清洗3次，在真空干燥箱内干燥待用。

为了更好的说明本发明，结合附图，介绍本发明实施例1所得聚多巴胺涂层的PLA/CNF复合纤维支架。

图1为聚多巴胺涂层前后的PLA/CNF复合纤维支架的SEM图【涂层前(a)；涂层后(b)】。从图中可以看出，与涂层前复合纤维相比，涂层后复合纤维表面粗糙度增加，且直径明显增加，另外，在聚多巴胺的裂纹处(箭头所指)可以看出，聚多巴胺完全包覆了复合纤维，从而形成了核-壳结构。结果表明：PLA/CNF复合纤维表面成功涂覆了聚多巴胺。

表1给出了PLA、PLA/CNF和聚多巴胺涂层PLA/CNF纤维膜的水接触角，从图中可以看出，PLA纤维水接触角为137.8°±1.5，而PLA/CNF复合纤维膜水接触角降低至130.6°±1.5，另外，由于聚多巴胺涂层后的复合纤维完全亲水导致其水接触角无法测量。结果表明：CNF的引入提高了PLA纤维亲水性能，而聚多巴胺涂层改性进一步提高了复合纤维亲水性能，使其成为超亲水生物支架。

表1 PLA、PLA/CNF和聚多巴胺涂层PLA/CNF纤维膜水接触角

实施例2：

一种基于聚氨酯(TPU)/纳米纤维素(CNF)复合纤维支架的制备方法，包括如下步骤：

步骤一)将氯仿和二甲基甲酰胺以3:1的质量比混合，称取0.008g纳米纤维素(CNF)溶于20mL的氯仿二甲基甲酰胺混合溶液，磁力搅拌3h，超声处理30min，获得均一的CNF悬浮液。

步骤二)称取1.6g TPU溶于上述步骤一)制备获得的CNF悬浮液，室温振荡6h，获得TPU/CNF混合纺丝溶液，其中TPU浓度为8％(w/v)，CNF占TPU的质量比为0.5％(w/w)。

步骤三)将上述步骤二)制备的TPU/CNF混合纺丝液装入带有纺丝针头的5mL聚四氟乙烯注射器，将注射器安装于SN-50微量注射泵并设置推进速率为0.5mL/h，将连接注射器的针头(内径0.8mm)与高压发生装置相连，并以接地的铝箔纸为接收装置，纺丝电压为15kV、接收距离为15cm、纺丝温度为室温、湿度为40％、纺丝时间3h，制备得到TPU/CNF复合纤维膜，并在干燥器中储存待用。

步骤四)将步骤三)制备得到的TPU/CNF复合纤维膜裁减成8cm×8cm，固定在金属支架上，使其在支架上保持良好的平铺状态，然后将其与支架放入乙醇和水(5:5)的混合溶液中，磁力振荡1h。

步骤六)首先将0.5g的多巴胺加入到250mL Tris-HCl缓冲液中，制备浓度为2g/L的多巴胺溶液。其次将步骤5中得到的预润湿TPU/CNF复合纤维支架取出并浸泡在多巴胺溶液中，磁力搅拌8h后取出样品，用去离子水清洗3次，在真空干燥箱内干燥待用。

为了更好的说明本发明，结合附图，介绍本发明实施例2所得聚多巴胺涂层的TPU/CNF复合纤维支架。

图2为聚多巴胺涂层前后TPU/CNF复合纤维支架的SEM图【涂层前(a)；涂层后(b)；涂层放大(c)；涂层拉伸(d)】。从图2(a,b)中可以看出，与涂层前复合纤维相比，涂层后复合纤维表面粗糙度增加，且直径明显增加。从图2(c,d)可以看出，特别是样品进行拉伸后(图2d)，复合纤维表面出现了较多裂纹(箭头所指)，这是由于在力的拉伸作用下聚多巴胺涂层断裂所产生的。因此，结果表明：聚多巴胺成功且完全的包覆了TPU/CNF复合纤维，从而形成了核-壳结构。

Claims

1.一种高模量超亲水生物支架制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三)静电纺丝制备合成高分子/纳米纤维素复合纤维：将合成高分子/纳米纤维素混合纺丝液装入静电纺丝装置，将连接注射器的针头与高压发生装置相连，以接地的铝箔纸为接收装置，制备得到复合纤维膜，置于干燥器中储存；

步骤四)预润湿处理：将复合纤维膜裁减固定在金属支架上，保持平铺状态，然后将金属支架放入预湿润液中，振荡1h；

2.如权利要求1所述的高模量超亲水生物支架制备方法，其特征在于，所述步骤二)中，生物可降解合成高分子材料为聚乳酸或聚氨酯。

3.如权利要求1所述的高模量超亲水生物支架制备方法，其特征在于，所述步骤三)中，静电纺丝的电压为15-16kV，接收距离为15cm，空气湿度为40％。

4.如权利要求1所述的高模量超亲水生物支架制备方法，其特征在于，所述步骤三)中，针头的内径0.8mm。

5.如权利要求1所述的高模量超亲水生物支架制备方法，其特征在于，所述步骤四)中，预湿润液为质量分数为50％的乙醇水溶液。