CN114681687B - 一种具有抗凝血性的纳米纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及抗凝血材料领域，尤其涉及一种具有抗凝血性的纳米纤维，通过不同层复合组成的纳米纤维膜，能够实现结构性能的相互补充，弥补单层材料所带来的力学缺陷，并且通过采用同轴静电纺丝技术以及限定不同层结构的注射速度，显著提高了纳米纤维膜的透气性。因此，本发明提供的抗凝血性纳米纤维不仅抗凝血性强、透气性好，而且具备优良的力学性能、生物相容性和抗菌能力，能够满足对膜式氧合器中膜材料的要求。

Description

一种具有抗凝血性的纳米纤维
技术领域
本发明涉及抗凝血材料领域，尤其涉及一种具有抗凝血性的纳米纤维。
背景技术
近年来，体外人工膜肺氧合(ECMO)的需求量急剧增加，对膜式氧合器而言，最核心的组成是膜材料，膜材料性能的好坏直接决定着氧合器性能的优劣，选择适宜的膜材料已成为人工肺技术开展的关键。
聚氨酯是由氨基甲酸酯基为主链的高分子聚合物，它是由多异氰酸酯、多元醇与小分子扩链剂通过加聚反应逐步聚合生成的多嵌段聚合物，由于聚氨酯具有良好的机械性能、成膜性和生物相容性，因此在医疗卫生领域应用广泛。
目前临床上最广泛使用的膜材料为聚氨酯微孔膜，然而现有的聚氨酯微孔膜材料存在抗凝血性能差、易感染以及透气性差等问题，往往不能满足医用需求，因此，研究一种新的膜材料具有重要意义。
发明内容
本申请的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种具有抗凝血性的纳米纤维，该抗凝血性的纳米纤维具有优异的抗凝血性能、透气性和抗菌能力，可以很好地在血液和气体的分界面实现气体交换，且不引起血栓的形成、溶血、血小板功能降低、蛋白质黏附等现象的发生，能够满足对膜式氧合器中膜材料的要求。
本发明提供一种具有抗凝血性的纳米纤维，包括从内至外依次紧密贴合的第一层和第二层；
所述第一层的成分包括肝素化丝素蛋白和木质素；
所述第二层的成分包括肝素、聚乳酸和聚乙二醇单甲醚；
所述具有抗凝血性的纳米纤维采用同轴静电纺丝技术制备所得；
所述同轴静电纺丝技术的条件包括：所述第一层的注射流速为1～1.5mL/h，所述第二层比所述第一层的注射流速大0.5～1.5mL/h，高压电源的电压为15～20V。
相比于现有方法，本发明提供的具有抗凝血性的纳米纤维，具有以下优势：
第一层中的肝素化丝素蛋白为纳米纤维提供了优异的抗凝血性和透气性，同时还能中和第二层中的聚乳酸降解后产生的乳酸，显著降低了因乳酸引起的无菌性炎症的发生；木质素可以为纳米纤维膜提供良好的生物相容性、可降解性和抗氧化性能，同时还能提高拉伸强度等力学性能；
第二层中的肝素为纳米纤维提供了抗凝血性能，聚乳酸能够为纳米纤维提供良好的热稳定性和高冲击强度，聚乙二醇单甲醚的加入实现了对聚乳酸表面的亲水性修饰，提高了聚乳酸的生物相容性，弥补了聚乳酸自身疏水的缺陷；
本发明采用同轴静电纺丝技术，通过调节第一层和第二层的注射速度，使注射速度逐层增大，实现了在相同的电压下，两层结构之间的直径差不断增大，导致第一层受到的挤压力不断增大，利于第一层形成更紧密的结构，进而提高第一层的力学强度，同时注射速度不同会导致纳米纤维从第二层到第一层的纺丝由疏到密，使得纳米纤维的透气率得到提升。
通过第一层和第二层复合组成的纳米纤维，能够实现结构性能的相互补充，弥补单层材料所带来的力学缺陷，并且通过限定不同层结构的注射速度显著提高了纳米纤维的透气性。因此，本发明提供的抗凝血性纳米纤维不仅抗凝血性强、透气性好，而且具备优良的力学性能、生物相容性和抗菌能力，能够满足对膜式氧合器中膜材料的要求。
优选地，所述纳米纤维还包括贴合在所述第二层外侧的第三层，所述第三层的成分包括聚氨酯、聚己内酯和肝素钠，所述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的质量比为(10～25)：(8～12)：(2～7)。
第三层中的聚氨酯一方面为纳米纤维提供抗凝血性能，另一方面还能提供良好的韧性和机械强度；聚己内酯的加入能够为纳米纤维提供支撑作用，还能够协同聚氨酯提高纳米纤维的机械强度；加入肝素钠可以改善聚己内酯的生物相容性，而且还能够使聚氨酯和聚己内酯的相容性得到提升，进一步提高纳米纤维的机械性能，同时肝素钠还可以协同聚氨酯提高纳米纤维的抗凝血性能，降低纤维膜材料表面和血液之间的界面张力，利于提高纤维膜的血液相容性。
优选地，制备所述纳米纤维时，所述第三层比所述第二层的注射流速大0.5～1.5mL/h。
通过设置第三层和第二层的注射流速差，可以实现第三层比第二层的结构更加疏松，保证纳米纤维的透气性能。
优选地，所述第一层的厚度为0.04～0.06mm，所述第二层的厚度为0.03～0.05mm，所述第三层的厚度为0.03～0.05mm，所述纳米纤维膜的总厚度为0.1～0.16mm。
通过合理设计各层的厚度比例关系，使纳米纤维不仅具备良好的抗凝血性能和力学性能，同时保证同轴静电纺丝过程中的加工性和加工稳定性。
优选地，所述第三层的制备方法为：将所述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠混合，在2～8℃下反应2～5h后溶于有机溶剂中，在25～35℃下反应10～16h后即得。
优选地，所述第一层还包括抗菌剂。
优选地，所述抗菌剂为TiO2、ZrO2、Cu(NO3)2中的至少一种。
抗菌剂的加入能提高纳米纤维的抗菌性能，能够协同肝素化丝素蛋白进一步地降低无菌性炎症的发生。
优选地，所述第二层还包括热塑性淀粉和增塑剂。
优选地，所述增塑剂为甘油、甲酰胺或碳酸二甲酯中的至少一种。
加入热塑性淀粉一方面能实现肝素在体内的缓慢释放，赋予纳米纤维具备缓释性能，另一方面还能协同其他组分增强复合材料的断裂伸长率等力学性能；增塑剂能够协同提高纳米纤维的柔韧性能。
优选地，所述第一层中的所述肝素化丝素蛋白、木质素和抗菌剂的质量比为(15～45)：(1.8～2.2)：2；所述第二层中的所述聚乳酸、聚乙二醇单甲醚、增塑剂、热塑性淀粉和肝素的质量比为(20～35)：(10～25)：(0.8～1.2)：(0.9～1.3)：1。
优选地，所述第一层的制备方法为：将所述第一层的成分溶于有机溶剂中，在50～70℃下反应1～3h后即得。
优选地，所述第二层的制备方法为：将所述聚乙二醇单甲醚和所述聚乳酸在催化剂的作用下于25～35℃下反应3～5h，加入其余成分，在25～35℃下反应3～5h后溶于有机溶剂中，再在25～35℃下反应3～5h后即得，其中，所述催化剂为辛酸亚锡、氯化亚锡、异辛酸亚锡中的至少一种。
优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、四氢呋喃或醋酸中的一种。
优选地，所述同轴静电纺丝技术的条件还包括：注射器针头与接受装置之间的距离为14～20cm，所述接受装置的温度为50～70℃。
附图说明
图1为实施例制备的具有抗凝血性的纳米纤维膜的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中膜式氧合器常采用的膜材料为具有抗凝血性的聚氨酯单一材料，鉴于膜材料与血液直接接触，因此需要膜材料具备优异的血液相容性(抗凝血性)，从而不引发血栓的形成、溶血、血小板功能降低以及蛋白质黏附等问题，同时为了更好地保障膜式人工肺氧合功能的实现，需要膜材料具备良好的气体渗透功能(透气性)，现有的聚氨酯微孔膜抗凝血性能较差、透气性较弱以及易感染，往往不能满足医用需求。对于此，发明人进行了大量的试验研究，以克服现有技术存在的不足，下面通过以下实施例进行说明。
本发明实施例提供的具有抗凝血性的纳米纤维，包括从内至外依次紧密贴合的第一层和第二层；第一层的成分包括肝素化丝素蛋白和木质素；第二层的成分包括肝素、聚乳酸和聚乙二醇单甲醚；
以及，具有抗凝血性的纳米纤维采用同轴静电纺丝技术制备所得；
同轴静电纺丝技术的条件包括：第一层的注射流速为1～1.5mL/h，第二层比所述第一层的注射流速大0.5～1.5mL/h，高压电源的电压为15～20V。
上述纳米纤维还包括贴合在第二层外侧的第三层，第三层的成分包括聚氨酯、聚己内酯和肝素钠，聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的质量比为(10～25)：(8～12)：(2～7)。
制备所述纳米纤维时，第三层比所述第二层的注射流速大0.5～1.5mL/h。
上述纳米纤维的结构示意图请参阅图1所示。
对于第一层中的成分，经过肝素化的丝素蛋白抗凝血性能强，透气性好，同时发明人发现肝素化的丝素蛋白能够中和聚乳酸降解产生的乳酸，显著降低了因乳酸引起的无菌性炎症的发生；抗菌剂为纳米纤维提供良好的抗菌能力；木质素能够进一步提高纳米纤维的生物相容性，同时还能提高抗氧化性能和力学性能。
对于第二层的成分，聚乳酸可以为纳米纤维提供热稳定性能和高冲击强度，但聚乳酸本身具有疏水性能，发明人通过加入聚乙二醇单甲醚能够实现对聚乳酸的表面进行亲水性修饰，进而提高聚乳酸的生物相容性，同时聚乙二醇单甲醚本身具备良好的生物相容性，两者配合大幅度提高了纳米纤维的生物相容性，发明人在第二层中加入热塑性淀粉，能够弥补聚乳酸韧性低、耐热性差的缺陷，提高纳米纤维的韧性和耐热性能，而且还发现热塑性淀粉能够使肝素在体内的释放达到一种缓释的效果。
对于第三层中的成分，聚氨酯不仅提高纳米纤维的抗凝血性能，还能为纳米纤维提供韧性和机械性能，加入聚己内酯起到支撑纳米纤维的作用，同时还能一定程度上提高纳米纤维的机械强度，但实际研究中发现同时聚氨酯和聚己内酯的相容性较差，发明人研究发现加入肝素钠能够提高两者的相容性，显著性提高纳米纤维的机械性能和稳定性能，更重要的是，肝素钠与聚氨酯对于纳米纤维米的抗凝血性能能够起到协同增效的作用。
发明人通过上述层叠设置的三层结构以及每层组分的配合，使该纳米纤维具备优异的抗凝血能力、透气性和抗菌能力，而且第二层中的聚乳酸能够弥补第一层和第三层机械强度不足的缺陷，实现了三层结构力学性能相互补充，能够满足对膜式氧合器中膜材料的要求。
在制备方法方面，发明人为了进一步提高纳米纤维的透气性能和力学性能，通过试验研究发现利用同轴静电纺丝技术，调整上述第一层、第二层和第三层的纺丝液的注射速度，使从第三层到第一层的注射速度逐层缩小，实现了在相同的电压下，第一层的直径相比于第三层的直径不断减小，第一层受到的挤压不断增大，使第一层形成更紧密的结构，显著提高了第一层的力学强度，同时通过上述制备过程得到的纳米纤维从第三层到第一层的纺丝由疏到密，进一步地提高纳米纤维膜的透气性能。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供的具有抗凝血性的纳米纤维，包括从外至内依次紧密贴合的第一层、第二层和第三层；
其中，第一层的成分为质量比为15：2：2的肝素化丝素蛋白、木质素和抗菌剂的混合物，以及第一层的制备方法为：将肝素化丝素蛋白，木质素和抗菌剂溶于N,N-二甲基乙酰中，在60℃下水浴搅拌2h，得到第一层的纺丝液。
第二层的成分为质量比为20：15：1：1：1的聚乳酸、聚乙二醇单甲醚、甘油、热塑性淀粉和肝素的混合物，以及第二层的制备方法为：将聚乙二醇甲醚和聚乳酸在辛酸亚锡的作用下于30℃下反应4h，加入热塑性淀粉、甘油和肝素，在30℃下反应4h后溶于N,N-二甲基乙酰胺中，再在30℃下反应4h后，得到第二层的纺丝液。
第三层的成分为质量比为10：8：3的聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的混合物，以及第三层的制备方法为：将上述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠混合，在4℃下反应3h后溶于N,N-二甲基乙酰胺中，在30℃下反应12h后，得到第三层的纺丝液。
上述第一层、第二层和第三层的厚度比为0.04:0.03:0.05，纳米纤维膜的总厚度为0.12mm。
上述纳米纤维制备方法为：将上述第一层的纺丝液、第二层的纺丝液和第三层的纺丝液分别注入第一注射器、第二注射器和第三注射器中，然后将上述三个注射器分别安装在三台微量注射泵上，用四氟套管分别接在三个注射器的出口处，调节注射器针头到滚筒接收器的距离为15cm，高压电源的电压为15V，接收装置温度为50℃，调整第一注射器的流速为1mL/h，第二注射器的流速为1.5mL/h，第三注射器的流速为2mL/h，静电纺丝，在滚筒接收器上接收纤维，即得具有抗凝血性的纳米纤维。
实施例2：
本实施例提供的具有抗凝血性的纳米纤维，包括从外至内依次紧密贴合的第三层、第二层和第一层；
其中，第一层的成分为质量比为17：2：2的肝素化丝素蛋白、木质素和抗菌剂的混合物，以及第一层的制备方法为：将肝素化丝素蛋白，木质素和抗菌剂溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在60℃下水浴搅拌2h，得到第一层的纺丝液。
第二层的成分为质量比为20：16：1：1：1的聚乳酸、聚乙二醇单甲醚、甲酰胺、热塑性淀粉和肝素的混合物，以及第二层的制备方法为：将聚乙二醇甲醚和聚乳酸在辛酸亚锡的作用下于30℃下反应4h，加入热塑性淀粉、甲酰胺和肝素，在30℃下反应4h后溶于N,N-二甲基甲酰胺中，再在25℃下反应5h后，得到第二层的纺丝液。
第三层的成分为质量比为10：8：3的聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的混合物，以及第三层的制备方法为：将上述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠混合，在4℃下反应3h后溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在25℃下反应12h后，得到第三层的纺丝液。
上述第一层、第二层和第三层的厚度比为0.03:0.04:0.05，纳米纤维膜的总厚度为0.1mm。
上述纳米纤维制备方法为：将上述第一层的纺丝液、第二层的纺丝液和第三层的纺丝液分别注入第一注射器、第二注射器和第三注射器中，然后将上述三个注射器分别安装在三台微量注射泵上，用四氟套管分别接在三个注射器的出口处，调节注射器针头到滚筒接收器的距离为15cm，高压电源的电压为15V，接收装置温度为50℃，调整第一注射器的流速为1mL/h，第二注射器的流速为1.5mL/h，第三注射器的流速为2mL/h，静电纺丝，在滚筒接收器上接收纤维，即得具有抗凝血性的纳米纤维。
实施例3：
本实施例提供的具有抗凝血性的纳米纤维，包括从外至内依次紧密贴合的第一层、第二层和第三层；
其中，第一层的成分为质量比为19：2：2的肝素化丝素蛋白、木质素和抗菌剂的混合物，以及第一层的制备方法为：将肝素化丝素蛋白，木质素和抗菌剂溶于N-甲基吡咯烷酮中，在60℃下水浴搅拌2h，得到第一层的纺丝液。
第二层的成分为质量比为25：20：1：1：1的聚乳酸、聚乙二醇单甲醚、增塑剂、热塑性淀粉和肝素的混合物，以及第二层的制备方法为：将聚乙二醇甲醚和聚乳酸在辛酸亚锡的作用下于30℃下反应4h，加入热塑性淀粉、增塑剂和肝素，在30℃下反应4h后溶于N-甲基吡咯烷酮中，再在30℃下反应4h后，得到第二层的纺丝液。
第三层的成分为质量比为10：8：5的聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的混合物，以及第三层的制备方法为：将上述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠混合，在4℃下反应3h后溶于N-甲基吡咯烷酮中，在30℃下反应12h后，得到第三层的纺丝液。
上述第一层、第二层和第三层的厚度比为0.04:0.03:0.05，纳米纤维膜的总厚度为0.15mm。
上述纳米纤维制备方法为：将上述第一层的纺丝液、第二层的纺丝液和第三层的纺丝液分别注入第一注射器、第二注射器和第三注射器中，然后将上述三个注射器分别安装在三台微量注射泵上，用四氟套管分别接在三个注射器的出口处，调节注射器针头到滚筒接收器的距离为15cm，高压电源的电压为15V，接收装置温度为50℃，调整第一注射器的流速为1.5mL/h，第二注射器的流速为2.0mL/h，第三注射器的流速为3.0mL/h，静电纺丝，在滚筒接收器上接收纤维，即得具有抗凝血性的纳米纤维。
对比例1：
在实施例1的基础上将第一层的的肝素化丝素蛋白替换为大豆蛋白，其他成分及制备方法均不变。
对比例2：
在实施例1的基础上将第二层的聚乳酸替换为聚丙烯酸，其他成分及制备方法均不变。
对比例3：
在实施例1的基础上将第二层的热塑性淀粉替换为普通淀粉，其他成分及制备方法均不变。
对比例4：
在实施例1的基础上将第三层的肝素钠替换为枸橼酸盐，其他成分及制备方法均不变。
对比例5：
在实施例1的基础上将三个注射器的流速均设置为1mL/h，其他不变。
对比例6：
在实施例1的基础上将第一注射器的流速设置为1mL/h，第二注射器的流速设置为1.3mL/h，第三注射器的流速设置为1.6mL/h，其他不变。
对比例7：
在实施例1的基础上将第一注射器的流速设置为1mL/h，第二注射器的流速设置为2.8mL/h，第三注射器的流速设置为4.6mL/h，其他不变。
试验例：
对本申请实施例1～3和对比例1～7制备的具有抗凝血性的纳米纤维进行如下性能测试，以进一步对本申请的技术效果做详细描述，测试结果详见表1。
表1测试结果
Figure GDA0003829949680000101
Figure GDA0003829949680000111
从表1的测试结果来看，本发明实施例所提供的具有抗凝血性的纳米纤维，具备优异的高阻湿阻气性能，具有优异的抗凝血性能、透气性和抗菌能力，可以很好地在血液和气体的分界面实现气体交换，且不引起血栓的形成、溶血、血小板功能降低、蛋白质黏附等现象的发生，能够满足对膜式氧合器中膜材料的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，包括从内至外依次紧密贴合的第一层和第二层；
所述第一层的成分包括肝素化丝素蛋白和木质素；
所述第二层的成分包括肝素、聚乳酸和聚乙二醇单甲醚；
所述具有抗凝血性的纳米纤维采用同轴静电纺丝技术制备所得；
所述同轴静电纺丝技术的条件包括：所述第一层的注射流速为1～1.5mL/h，所述第二层比所述第一层的注射流速大0.5～1.5mL/h，高压电源的电压为15～20V。
2.如权利要求1所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述纳米纤维还包括贴合在所述第二层外侧的第三层，所述第三层的成分包括聚氨酯、聚己内酯和肝素钠，所述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠的质量比为(10～25)：(8～12)：(2～7)。
3.如权利要求2所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，制备所述纳米纤维时，所述第三层比所述第二层的注射流速大0.5～1.5mL/h。
4.如权利要求2所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述第三层的制备方法为：将所述聚氨酯、聚己内酯和肝素钠混合，在2～8℃下反应2～5h后溶于有机溶剂中，在25～35℃下反应10～16h后即得。
5.如权利要求1所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述第一层还包括抗菌剂；和/或
所述第二层还包括热塑性淀粉和增塑剂。
6.如权利要求5所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述第一层中的所述肝素化丝素蛋白、木质素和抗菌剂的质量比为(15～45)：(1.8～2.2)：2；所述第二层中的所述聚乳酸、聚乙二醇单甲醚、增塑剂、热塑性淀粉和肝素的质量比为(20～35)：(10～25)：(0.8～1.2)：(0.9～1.3)：1。
7.如权利要求1所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述第一层的制备方法为：将所述第一层的成分溶于有机溶剂中，在50～70℃下反应1～3h后即得。
8.如权利要求1所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述第二层的制备方法为：将所述聚乙二醇单甲醚和所述聚乳酸在催化剂的作用下于25～35℃下反应3～5h，加入其余成分，在25～35℃下反应3～5h后溶于有机溶剂中，再在25～35℃下反应3～5h后即得，其中，所述催化剂为辛酸亚锡、氯化亚锡、异辛酸亚锡中的至少一种。
9.如权利要求1～8任一项所述的具有抗凝血性的纳米纤维，其特征在于，所述同轴静电纺丝技术的条件还包括：注射器针头与接受装置之间的距离为14～20cm，所述接受装置的温度为50～70℃。
10.一种具有抗凝血性的纳米纤维膜，其特征在于，由权利要求1所述的纳米纤维制备而成。
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