CN101927033B - Phbv纳米纤维支架材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PHBV纳米纤维支架材料及其制备方法和应用，该方法包括如下步骤：(1)将分子量为3×105的PHBV粉末溶于有机溶剂中，配成浓度为7.5％的溶液，50℃水浴磁力搅拌3～5小时；(2)待PHBV完全溶解后，将溶液密封放置；(3)待溶液完全形成水凝胶之后，取出，加入丙酮置换有机溶剂；然后用去离子水置换丙酮；(4)将PHBV水凝胶冷冻干燥，得到PHBV纳米纤维支架。本发明的PHBV纳米纤维支架价格低廉，制备工艺简单，生物相容性好，孔隙率高，支架结构及纤维形态可控，其形态结构类似人体软骨组织细胞外基质，能够更好的促进软骨细胞的粘附、增殖和分化，非常适合于软骨组织的修复和重建。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维制备技术领域，具体涉及高分子溶液的热致相分离技术。
背景技术
软骨组织其自身不含血管、淋巴，缺乏自发再生能力。目前存在的针对软骨损伤的治疗方法都存在一定的局限性，因此，1987年，组织工程作为一门崭新的学科被正式提出。软骨组织工程的基本技术路线是在体外培养种子细胞，并以较高浓度将其种植于具有良好的生物相容性和降解性的合适支架上，从而形成细胞-支架复合物，将此复合物植入生物体内组织缺损部位，最终完成组织的修复和再造。
可降解生物材料在组织工程研究中有着重要的地位，它作为临时的3D支架在组织的修复和再生的过程中起了引导的作用。理想的组织工程支架必须在结构和成分上都类似天然的细胞外基质，能够促进细胞活性和组织生长。研究表明，由于具有高的比表面积，纳米纤维对细胞的粘附、增殖和分化具有积极作用。
目前为止，基本都是采用热压-粒滤、静电纺丝、自组装的方法来制备PHBV仿生材料的。热压粒滤的方法制备的多孔材料虽然具有3D结构，但是并没有形成类似软骨组织中的胶原纤维的结构。采用静电纺丝制备仿生材料，因为它是利用高压电场将溶液喷射出去，溶剂挥发形成细丝来达到制备纳米纤维材料的，所以一般只能制备膜状的材料，不适合制备软骨等需要3D结构的材料。自主装得到的一般为水凝胶，缺乏几何复杂性以及3D结构缺乏力学性能，所以在构建3D复杂的可再生支架上很少有成功的例子。热致相分离的原理是基于温度降低时，诱发均一高分子溶液相分离。相分离系统一旦稳定，富溶剂相可以用真空蒸发掉，留下聚合物泡沫支架。泡沫的形态受冷却时相转变的控制。聚(羟基丁酸酯-羟基戊酸酯)(PHBV)是原核微生物在碳、氧营养失衡的情况下，作为碳源和能源储存而合成的一类聚羟基链烷酸，具有良好的生物相容性和机械强度，且其由生物合成，不含有化工原料合成过程中可能产生的对人体有害的一些副产品。目前尚未有通过热致相分离的方法制备PHBV纳米纤维的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的缺陷，提供一种更简便且可控性更强的PHBV纳米纤维支架材料及其制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将分子量为3×105的PHBV粉末即聚(羟基丁酸酯-羟基戊酸酯)溶于有机溶剂中，配成质量浓度为7.5％的溶液，50℃水浴磁力搅拌3～5小时；
(2)待PHBV完全溶解后，将溶液密封放置；
(3)待溶液完全形成水凝胶之后，取出，加入丙酮置换有机溶剂；然后用去离子水置换丙酮；
(4)将PHBV水凝胶冷冻干燥，得到PHBV纳米纤维支架。
优选地，步骤(1)所述有机溶剂为氯仿和二氧六环的混合溶剂。
优选地，所述氯仿与二氧六环的体积比为1∶1～9。
优选地，所述氯仿与二氧六环的体积比为3∶7。
优选地，所述步骤(2)所述放置条件为室温25±10℃或4～-80摄氏度冰箱或液氮中冷冻。
优选地，所述步骤(2)所述放置条件为冷冻温度-24～-80℃。
优选地，所述步骤(3)所述丙酮置换有机溶剂是置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；所述用去离子水置换丙酮是每天换两次水，置换三天。
优选地，所述步骤(3)所述冷冻干燥的条件是在-80℃下冷冻干燥24小时。
优选地，所述步骤(2)所述密封是指用封口胶将存放溶液的容器密封。
由热致相分离法制备的PHBV纳米纤维支架空隙率高，纤维直径小，可控性高。随着混合溶剂配比的改变，支架可形成孔-壁结构和纤维多孔结构；而纤维的直径和长度也会随着冷冻温度的变化而改变。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的PHBV纳米纤维支架价格低廉，制备工艺简单，生物相容性好，孔隙率高，支架结构及纤维形态可控。纳米纤维支架形态结构类似人体软骨组织细胞外基质，能够更好的促进软骨细胞的粘附、增殖和分化，因此该支架材料非常适合于软骨组织的修复和重建。
(2)相比较其他的制备方法，热致相分离具有操作简单、可控性强的特点，制备得到的PHBV纳米纤维直径为40-500nm，孔隙率可高达98％。
附图说明
图1为实施例1～5制备所得不同配比混合溶剂制备的PHBV支架的扫面电镜图片；
图2为实施例6～10制备所得不同冷冻温度下制备的PHBV纳米纤维支架的扫面电镜图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
氯仿∶二氧六环(9∶1)溶液下制备PHBV孔-壁结构支架(图1a)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.7ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.3ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图1a)显示其为孔-壁结构，孔壁厚度为150～300nm，孔径为1.0～6.5μm。
实施例2
氯仿∶二氧六环(8∶2)溶液下制备PHBV片层结构支架(图1b)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.4ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.6ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图1b)显示其为片层结构，片层厚度为60～120nm，孔径大小为0.5～1.5μm。
实施例3
氯仿∶二氧六环(7∶3)溶液下制备PHBV纳米纤维支架(图1c)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图1c)显示其为纳米纤维结构，纳米纤维直径为40～100nm，孔径大小为0.3～1.0μm。
实施例4
氯仿∶二氧六环(6∶4)溶液下制备PHBV片层结构支架(图1d)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于1.8ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入1.2ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图1d)显示其为片层结构，片层厚度约为80nm，孔径大小为0.8～2.0μm。
实施例5
氯仿∶二氧六环(5∶5)溶液下制备PHBV孔-壁结构支架(图1e)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于1.5ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入1.5ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图1e)显示其为孔-壁结构，孔壁厚度为100～240nm，孔径大小为1.5～6.0μm。
以上实例说明通过改变氯仿和二氧六环的混合比例可以调节控制PHBV支架的形态结构，而在混合比例为7∶3时，制得的支架形态为纳米纤维结构。
实施例6
室温下制备PHBV纳米片层支架(图2a)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于室温下12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图2a)显示其为片层结构，片层厚度为60～90nm，孔径大小为300～700nm。
实施例7
冷冻温度为4℃下制备PHBV纳米片层支架(图2b)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于4℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图2b)显示其为纳米片层结构，片层厚度为60～120nm，孔径大小约为500nm。
实施例8
冷冻温度为-24℃下制备PHBV纳米纤维支架(图2c)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-24℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
SEM图(图2c)显示制备得到的PHBV纳米纤维直径为40～100nm，孔径大小约为0.3～1.0μm。
实施例9
冷冻温度为-80℃下制备PHBV纳米纤维支架(图2d)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于-80℃冰箱中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图2d)显示其为纳米纤维结构，纤维直径为60～100nm，孔径大小约为1.0μm。
实施例10
于液氮(-196℃)中冷冻下制备PHBV纳米纤维支架(图2e)
取分子量为3×105的PHBV粉末0.225g溶于2.1ml氯仿溶液中，50℃磁力搅拌3小时，加入0.9ml二氧六环溶液，继续搅拌2小时，转移到5ml烧杯中，封上封口胶，置于液氮中冷冻12小时。加入丙酮溶液置换有机溶剂，置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；使用去离子水置换丙酮溶液，置于4℃冰箱中，每天换两次水，置换3天。将样品于-80℃下冷冻干燥24小时。
PHBV支架的SEM图(图2e)显示其为纳米纤维结构，纤维直径为80～120nm，孔径大小为0.2～1.1μm，但纤维之间有大量粘结。
由上述实施例说明，通过改变支架的冷冻温度，可以调节控制纳米纤维的直径和分布，在冷冻温度为-24～-80℃时，可以制得形态结构最好的纳米纤维支架。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将分子量为3×105的PHBV粉末溶于氯仿和二氧六环的混合溶剂中，配成质量浓度为7.5%的溶液，50℃水浴磁力搅拌3~5小时；所述氯仿与二氧六环的体积比为1：1~9；
（2）待PHBV完全溶解后，将溶液密封放置；
（3）待溶液完全形成水凝胶之后，取出，加入丙酮置换有机溶剂；然后用去离子水置换丙酮；
（4）将PHBV水凝胶冷冻干燥，得到PHBV纳米纤维支架。
2.根据权利要求1所述一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，所述氯仿与二氧六环的体积比为3：7。
3.根据权利要求1或2所述一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）所述放置条件为室温25±10℃、4~-80℃冰箱或液氮中冷冻。
4.根据权利要求3所述一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）所述放置条件为冷冻温度-24~-80℃。
5.根据权利要求3所述一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）所述丙酮置换有机溶剂是置于4℃冰箱中，每天换两次丙酮，置换3天；所述用去离子水置换丙酮是每天换两次水，置换三天。
6.根据权利要求3所述一种PHBV纳米纤维支架材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）所述冷冻干燥的条件是在-80℃下冷冻干燥24小时。
7.一种PHBV纳米纤维支架材料，其特征在于，它是由权利要求1~6任意一项方法制备得到的。
8.权利要求7所述的一种PHBV纳米纤维支架材料的应用，其特征在于，该支架材料应用于制备修复和重建软骨组织的材料。
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