CN101265621A - 胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶原蛋白－聚乙烯醇－壳聚糖共混医用纤维及其制备方法，其特点是胶原蛋白25～50重量份，用浓度为0.2～0.5mmol/L的醋酸水溶液溶解成溶液；聚乙烯醇20～40重量份，壳聚糖16～40重量份分别用85～95℃和40～60℃的蒸馏水溶解成不同浓度的溶液，将上述溶液按比例混合后搅拌均匀成纺丝原液；经湿法纺丝机喷丝凝固成型，再采用碳二亚胺或醛体系进行改性后处理，获得胶原蛋白－聚乙烯醇－壳聚糖共混医用纤维。

Description

胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以动物皮胶原蛋白与聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖为原料，制备共混医用纤维的方法。

背景技术

来自动物皮的胶原蛋白，不仅具有独特的理化性能，而且还具有良好的生物相容性、可生物降解性、低免疫性以及止血性能等优良性能，尤其是其在动物体内容易被吸收，亲水性强、无毒副作用、安全性好，因而被认为是最为理想的生物医学材料之一。将胶原蛋白与其它天然/合成高分子化合物复合制成适合各种用途的生物医学材料，已经受到人们的高度重视，特别是胶原蛋白与其它天然/合成化合物共混制备功能纤维，已经成为研究的热点。

关于蛋白纤维国内外已有很多报道，例如，国外将牛奶蛋白加入到粘胶中纺制纤维，所得纤维具有良好的柔软性、手感和染色性能，其最终用途是毯子、床单、毛巾、婴儿衣物、手套和非织造布等，据说此种纤维还在卫生护理和医疗领域中对抗甲氧苯青霉素的金黄色葡萄球菌的传播有防护作用(见TTM，The International Textile Magazine，2000：24～25)。国内所研制的蛋白纤维主要是丝蛋白、蛹蛋白、大豆蛋白和牛奶蛋白等。例如，四川宜宾化纤厂采用蚕蛹蛋白与粘胶共混纺丝，得到蛋白改性人造丝。上海纺织集团技术中心与东华大学合作，对蚕蛹蛋白进行改性，将丙烯腈接枝到蚕蛹蛋白上，研制出JC蚕蛹蛋白纤维。河南省濮阳华康化学生物工程联合集团公司利用大豆蛋白与聚乙烯醇共混纺丝，经缩醛化后处理制成大豆蛋白纤维。

近些年来，医用纤维的用途不断扩展，逐渐引起人们的关注。有关医用纤维研制的报道逐渐增多。1962年，美国Cyananid公司以聚乙交酯(PGA)为原料，成功地研制出世界上第一种人工合成的可吸收缝线Dexon(Devi K Syamala，et al.，JMS-Rev.Macromolecular Chemistry and Physics，1985，c25(3)：315-324.)。紧接着，美国Ethicon公司通过乙交酯(GA)与丙交酯(LA)共聚得到聚丙乙交酯(PGLA)并纺制成可吸收缝线Vicryl，其性能优于PGA(P K Kutkarni，et al.，Arch.Surg.1966，(93)：839～843.)。PGLA缝线具有较高的抗张强度和良好的操作性能，具有均一性、稳定性、惰性、无毒性、抗原性、抗癌性以及能抗胃酸、胃酶和感染等性能，组织反应极小，兼具可吸收与非吸收缝线的许多优点，因此，PGLA可吸收缝线自20世纪80年代问世以来就很快被医学界接受，广泛用作外科手术缝合线，大多用于下表皮、粘膜表层以及脉管缝合手术。随后，又出现了新型生物可降解医用纤维材料，聚对二氧杂环己烷酮(PDS)、聚乳酸(PLA)缝合线等，均具有较好性能，受到医生和患者的青睐(Ray JA，et al.，Surg.Gynacol&Obatet.，1981，(153)：497～507.Daniels AU，et al.，Appl.Biomater.，1990，(1)：57.)。

利用蛋白质为原料制备可降解吸收的医用纤维，是一种具有重大意义的创新思路。胶原蛋白纤维在医学领域的应用已十分广泛，主要有可降解手术缝合线、医用服饰、组织工程支架材料以及医用敷料等。日本已有胶原手术缝线的专利。国内，但卫华等人制备出胶原基复合医用纤维纺丝原液，并制备出可应用于医学领域的胶原蛋白-壳聚糖共混纤维(但卫华，周文常，曾睿，等.中国发明专利.ZL 200410022640.9)。曲健健等人还研究了胶原-聚乙烯醇共混溶液的可纺性，并制备出符合医学应用要求的胶原蛋白-PVA复合型医用纤维(曲健健，但卫华，曾睿，等.胶原-聚乙烯醇共混溶液的可纺性研究.皮革科学与工程.2005，16(2)：14-17)。

综上所述，现有技术存在以下不足：

1.合成纤维在人体内可能存在生物累积问题，甚至可能诱发癌变；

2.胶原基复合型医用纤维在用于制造全降解可吸收手术缝线时可能存在力学性能较差的问题。

发明内容

本发明的目的在于为医学领域提供一种应用范围更为宽广的胶原基复合型医用纤维及其制备方法，其特点是利用皮胶原为原料提取胶原蛋白，与聚乙烯醇，壳聚糖共混改性制备而成。

本发明的目的是由以下技术措施来实现的，其中所述原料份数除特别说明外，均为重量份数：

胶原蛋白(纯度≥90％)                          25～50份

聚乙烯醇(纯度≥90％，平均聚合度≥1799±50)    20～40份

壳聚糖(纯度≥85％，脱乙酰度≥85％)            20～50份

所述胶原蛋白粉剂是以动物皮肤、结缔组织等为主要原料制备或市售合格胶原蛋白粉剂产品。

所述聚乙烯醇和壳聚糖为市售分析纯试剂。

上述胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维的制备方法，其特征是：所述方法是按照以下工艺分6个步骤：

(1)胶原溶液的配制

取医用胶原蛋白粉剂25～50重量份，加入2000～4000重量份0.2～0.5mol/L的醋酸溶液，低温搅拌至完全溶解；

(2)聚乙烯醇溶液的配制

取聚乙烯醇固体20～40重量份，加入150～250重量份蒸馏水，于85～95℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用；

(3)壳聚糖溶液的配制

取壳聚糖固体16～40重量份，加入300～800重量份蒸馏水，于40～60℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用。

(4)共混纺丝液的配制

分别将上述溶液加入到反应釜，搅拌30～120min使共混液均匀一致，过滤后真空脱泡。

(5)共混纤维的制备

采用湿法纺丝机，以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，在30～50℃凝固浴温度及0.02～0.2MPa氮气压力条件下喷丝，适当的牵引力作用下凝固成型，获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维粗制品。采用的喷丝头可以但不局限于直径0.06mm、0.08mm，20孔、50孔或100孔。

(6)共混纤维的后处理与改性

方法一：共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥获得共混纤维；将共混纤维浸泡于20～70mmol/L 2-N-吗啉乙烷磺酸(2-N-morpholino ethanesulfonic acid，MES)的40～80v/v％乙醇溶液中30min，pH控制为5.0～6.5，再加入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide，EDC)和N-羟基丁二酰亚胺(N-hydroxysuccinimide，NHS)，使其浓度分别达到20～100mmol/L和20～50mmol/L，室温下振荡4h～24h；然后将共混纤维依次用pH7.2～7.4的PBS缓冲液、双蒸水反复清洗；一定负荷下室温干燥后，在100～200℃条件下进行热拉伸处理，使热拉伸率达到40～80％，得到白色或微黄而有光泽的目标纤维。

方法二：共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥获得共混纤维；共混纤维经过拉伸、缩醛化和烘干处理后，即可获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维。其中，缩醛化浴的温度为55～80℃，其组成为：硫酸30～60mmol/L，硫酸钠或硫酸铵1.2～2.0mol/L，甲醛20～100mmol/L或戊二醛10～80mmol/L。

本发明中所用的湿法纺丝机由中国科学院山西煤炭化学研究所生产。

鉴于胶原独特的结构与性能，胶原基生物医用材料的研究受到格外关注。胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维秉承了胶原蛋白的优良特性，不仅具有良好的生物相容性、可生物降解性，而且其外观纯白，易于着色等深加工。同时，聚乙烯醇和壳聚糖的引入使得该共混纤维克服了胶原蛋白的主要缺陷，如机械强度不够，不耐酶、化学作用等。通过共混纤维的改性与后处理可以达到该共混纤维的可控降解，从而大大扩展了胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维的应用范畴。与现有的工艺技术相比，本发明具有以下优点：

(1)以动物皮为主要原材料之一，来源丰富，价廉易得，属于农产品的高附加值转化利用；

(2)选用合成高分子材料和天然高分子材料与胶原蛋白进行共混改性，通过配方及工艺条件的优化，充分发挥三元组分的各自优势而弥补主要缺陷，使得纺丝原液的性能得到提高；

(3)采用碳二亚胺改性可以有效提高胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维的物理机械性能，同时达到对共混纤维降解性可控的目的；

本发明所制备的胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维，其性能能够满足以下应用要求：

(1)制备可控降解型医用手术缝线；

(2)制备功能型生物医用纤维材料，如除皱纤维，体内软组织重建与修复专用纤维等；

(3)进一步深加工，编织成各种形式的组织工程材料。

具体实施方式

下面通过实施对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

(1)胶原溶液的配制

取医用胶原蛋白粉剂50重量份，加入2500重量份0.5mol/L的醋酸溶液，低温搅拌至完全溶解；

(2)聚乙烯醇溶液的配制

取聚乙烯醇固体40重量份，加入250重量份蒸馏水，于95℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用；

(3)壳聚糖溶液的配制

取壳聚糖固体20重量份，加入800重量份蒸馏水，于40℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用。

(4)共混纺丝液的配制

分别将上述溶液加入到反应釜，搅拌120min使共混液均匀一致，过滤后真空脱泡。

(5)共混纤维的制备

采用湿法纺丝机，选用孔数为100，孔直径为0.08mm的喷丝头，以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，在50℃凝固浴温度及0.02MPa氮气压力条件下喷丝，适当的牵引力作用下喷丝凝固成型，获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维粗制品。

(6)共混纤维的后处理与改性

共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用体积分数分别为60％、75％、85％、95％的梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥；将共混纤维浸泡于pH为5.5含50mmol/L 2-N-吗啉乙烷磺酸(2-N-morpholino ethanesulfonic acid，MES)的60v/v％乙醇溶液中30min，再加入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide，EDC)和N-羟基丁二酰亚胺(N-hydroxysuccinimide，NHS)，使其浓度分别达到50mmol/L和30mmol/L，室温下振荡6h；然后将共混纤维依次用pH7.2的PBS缓冲液、双蒸水反复清洗；一定负荷下室温干燥后，在150℃条件下进行热拉伸处理，使热拉伸率达到60％，得到白色或微黄而有光泽的目标纤维。

实施例2

(1)胶原溶液的配制

取医用胶原蛋白粉剂25重量份，加入4000重量份0.2mol/L的醋酸溶液，低温搅拌至完全溶解；

(2)聚乙烯醇溶液的配制

取聚乙烯醇固体20重量份，加入150重量份蒸馏水，于95℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用；

(3)壳聚糖溶液的配制

取壳聚糖固体50重量份，加入800重量份蒸馏水，于40℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用。

(4)共混纺丝液的配制

分别将上述溶液加入到反应釜，搅拌30min使共混液均匀一致，过滤后真空脱泡。

(5)共混纤维的制备

采用湿法纺丝机，选用孔数为50，孔直径为0.06mm的喷丝头，以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，在40℃凝固浴温度及0.2MPa氮气压力条件下喷丝，适当的牵引力作用下喷丝凝固成型，获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维粗制品。

(6)共混纤维的后处理与改性

共混纤维室温晾干后，用柔软毛刷除盐并使纤维分丝，再采用体积分数分别为60％、75％、85％、95％的乙醇溶液分步浸泡除盐，一定负荷下室温干燥；共混纤维经过拉伸、缩醛化和烘干处理后，即可获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维。热拉伸处理在100℃条件下进行，使热拉伸率达到75％，得到白色或微黄而有光泽的目标纤维。其中，缩醛化浴的温度为70℃，其组成为：硫酸50mmol/L，硫酸钠或硫酸铵1.5mol/L，甲醛60mmol/L或戊二醛30mmol/L。

实施例3

(1)胶原溶液的配制

取医用胶原蛋白粉剂36重量份，加入3000重量份0.2mol/L的醋酸溶液，低温搅拌至完全溶解；

(2)聚乙烯醇溶液的配制

取聚乙烯醇固体34重量份，加入188重量份蒸馏水，于95℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用；

(3)壳聚糖溶液的配制

取壳聚糖固体16重量份，加入300重量份蒸馏水，于40℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用。

(4)共混纺丝液的配制

分别将上述溶液加入到反应釜，搅拌60min使共混液均匀一致，过滤后真空脱泡。

(5)共混纤维的制备

采用湿法纺丝机，选用孔数为20，孔直径为0.08mm的喷丝头，以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，在30℃凝固浴温度及0.05MPa氮气压力条件下喷丝，适当的牵引力作用下喷丝凝固成型，获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维粗制品。

(6)共混纤维的后处理与改性

共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用体积分数分别为60％、75％、85％、95％的梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥；将共混纤维浸泡于pH为5.5含70mmol/L 2-N-吗啉乙烷磺酸(2-N-morpholino ethanesulfonic acid，MES)的60v/v％乙醇溶液中30min，再加入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide，EDC)和N-羟基丁二酰亚胺(N-hydroxysuccinimide，NHS)，使其浓度分别达到70mmol/L和50mmol/L，室温下振荡12h；然后将共混纤维依次用pH7.4的PBS缓冲液、双蒸水反复清洗；一定负荷下室温干燥后，在125℃条件下进行热拉伸处理，使热拉伸率达到70％，得到白色或微黄而有光泽的目标纤维。

Claims (2)

1. 一种胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维，其特征是：以动物皮肤、结缔组织等为主要原料制备或市售合格的胶原蛋白粉剂产品，以及市售聚乙烯醇和壳聚糖分析纯试剂为主要原料，用相应浓度溶液或蒸馏水配制成溶液后均匀溶液后按照一定配比混合，再通过自制纺丝机纺制成丝并用碳二亚胺或者缩醛化反应进行后处理改性，即可获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维。其中各组分原料的重量百分比组成计为：

胶原蛋白(纯度≥90％)                        25～50份

聚乙烯醇(纯度≥90％，平均聚合度≥1799±50)  20～40份

壳聚糖(纯度≥85％，脱乙酰度≥85％)          16～40份。

2. 如权利要求1所述的胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)胶原溶液的配制

取医用胶原蛋白粉剂25～50重量份，加入2000～4000重量份0.2～0.5mol/L的醋酸溶液，低温搅拌至完全溶解；

(2)聚乙烯醇溶液的配制

取聚乙烯醇固体20～40重量份，加入150～250重量份蒸馏水，于85～95℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用；

(3)壳聚糖溶液的配制

取壳聚糖固体16～40重量份，加入300～800重量份蒸馏水，于40～60℃水浴中搅拌溶解成均匀溶液，冷却后备用。

(4)共混纺丝液的配制

分别将上述溶液加入到反应釜，搅拌30～120min使共混液均匀一致，过滤后真空脱泡。

(5)共混纤维的制备

采用湿法纺丝机，以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，在30～50℃凝固浴温度及0.02～0.2MPa氮气压力条件下喷丝，适当的牵引力作用下凝固成型，获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混纤维粗制品。采用的喷丝头可以但不局限于直径0.06mm、0.08mm，20孔、50孔或100孔。

(6)共混纤维的后处理与改性

方法一：共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥获得共混纤维；将共混纤维浸泡于20～70mmol/L 2-N-吗啉乙烷磺酸(2-N-morpholino ethanesulfonic acid，MES)的40～80v/v％乙醇溶液中30min，pH控制为5.0～6.5，再加入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide，EDC)和N-羟基丁二酰亚胺(N-hydroxysuccinimide，NHS)，使其浓度分别达到20～100mmol/L和20～50mmol/L，室温下振荡4h～24h；然后将共混纤维依次用pH 7.2～7.4的PBS缓冲液、双蒸水反复清洗；一定负荷下室温干燥后，在100～200℃条件下进行热拉伸处理，使热拉伸率达到40～80％，得到白色或微黄而有光泽的目标纤维。

方法二：共混纤维室温晾干后，物理除盐并使纤维分丝，再采用梯度乙醇溶液分步除盐，一定负荷下室温干燥获得共混纤维；共混纤维经过拉伸、缩醛化和烘干处理后，即可获得胶原蛋白-聚乙烯醇-壳聚糖共混医用纤维。其中，缩醛化浴的温度为55～80℃，其组成为：硫酸30～60mmol/L，硫酸钠或硫酸铵1.2～2.0mol/L，甲醛20～100mmol/L或戊二醛10～80mmol/L。