CN101942709A

CN101942709A - 一种含多壁碳纳米管的cs/pva 复合纳米纤维及其制备方法

Info

Publication number: CN101942709A
Application number: CN 201010291840
Authority: CN
Inventors: 史向阳; 廖辉辉; 齐瑞岭; 沈明武; 曹雪雁; 郭睿
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2010-09-26
Filing date: 2010-09-26
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-26
Also published as: CN101942709B

Abstract

本发明涉及一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维及其制备方法，其组分包括：壳聚糖CS/聚乙烯醇PVA的质量比为1∶2～1∶4，多壁碳纳米管MWCNTs占溶质总质量的1％。制备方法包括：(1)分别配制CS以及PVA溶液，加入多壁碳纳米管MWCNTs，用静电纺丝工艺制备纳米纤维；(2)制备的纳米纤维进行戊二醛交联处理，得到不溶于水的纳米纤维；(3)交联好的纤维真空干燥得所需复合纳米纤维。制备的纳米纤维机械性能强，孔隙率高，生物相容性好；该制备过程简单，易于操作，在组织工程方面应用广阔。

Description

一种含多壁碳纳米管的CS/PVA 复合纳米纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于CS/PVA复合纳米纤维及其制备领域，特别涉及一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维及其制备方法。

背景技术

组织工程是应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。其基本原理是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可被机体降解吸收的生物材料上形成复合物，然后将细胞-生物材料复合物植入人体组织、器官的病损部位，在作为细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致的组织，从而达到修复创伤和重建功能的目的。

组织工程的生物材料-组织工程支架材料是组织工程的基础，为细胞提供一个黏附、增殖、分化及生长的三维支架式外环境，因此找到一种合适的支架材料是最关键的一步。支架必须具有以下特点：(1)生物相容性：要让细胞附着在支架上成长，支架的材料必须是无毒的，具有生物相容性，而且支架的表面需适合细胞附着，因此支架需要有大的比表面积，同时支架要能在细胞繁殖的期间，分解成对人体无害的物质。(2)强度：因为支架将移植入体内，所以必须具备一定的强度。

由于纳米纤维的高长径比、高空隙率和高比表面积等优点，其应用范围越来越广泛，作为制造纳米纤维的有效方法之一，静电纺技术倍受世人的关注。Doshi，J等人[Doshi，J.；Reneker，D.H.，Electrospinning process and applications of electrospun fibers.Journal of Electrostatics 1995，35，(2-3)，151-160.]对静电纺丝过程、条件、及纤维形貌方面都有比较成熟的研究。实验证明静电纺受电压、溶液的电导率、粘度、表明张力等因素的影响。静电纺丝纳米纤维已经应用于组织工程的各个方面。静电纺纳米纤维独特的结构特点可以满足细胞生长的需求，该方法制备的纳米纤维具有较好的蛋白吸附功能，表面暴露的活性基团，有利于进行化学修饰，其多孔结构有助于细胞的黏附和伸长等，同时可以通过对纤维的表面或是在溶液中加入一些特定的物质以改善纤维的物理机械性能，满足组织过程与临床需要。静电纺丝工艺流程简单，普遍适用于现有的天然或合成性聚合物。

壳聚糖(Chitosan，CS)是甲壳素的脱乙酰衍生物，是天然多糖中惟一的碱性多糖，可以从虾壳、蟹壳还有一些细菌的细胞壁中大量提取。CS表面存在大量游离的氨基和羟基，因此可以参加很多化学反应。作为无毒、来源丰富、具有良好生物相容性及生物可降解性且具有抗菌止血性能的天然大分子，CS已经成为应用广泛的生物材料之一。聚乙烯醇(PVA)分子具有规整的线性结构，分子内含有大量的游离羟基，形成大量的分子内和分子间氢键，具有很好的可纺性。通过静电纺丝方法，可以得到形态很好的纤维。另外，PVA具有良好的生物相容性和化学稳定性，在药学、医学和食品工程等领域都有广泛的应用。Chuang，W.Y等人[Chuang，W.Y.；Young，T.H.；Yao，C.H.；Chiu，W.Y.，Properties of the poly(vinyl alcohol)/chitosan blend and its effect on the culture of fibroblast in vitro.Biomaterials 1999，20，(16)，1479-1487.]通过静电纺丝方法制备了PVA及PVA/CS纳米纤维，实验证明当在溶液中混入了CS后，纳米纤维更有利于细胞的培养，细胞在PVA/CS混合膜上能够更好地迁移、黏附和增殖。

应用于组织工程的生物材料需要特定的机械性能以及物理和电化学性能，因而对所制备的纳米纤维基质材料也提出了较高的要求，碳纳米管的加入不但可以增强纤维的机械性能，而且有利于诱导细胞的生长及吸附蛋白给细胞提供较多的营养，因此被潜在应用于生物材料的很多方面。Liu，F.J等人[Liu，F.J.；Guo，R.；Shen，M.W.；Wang，S.Y.；Shi，X.Y.，Effect of Processing Variables on the Morphology of Electrospun Poly[(lactic acid)-co-(glycolic acid)]Nanofibers.Macromolecular Materials and Engineering 2009，294，(10)，666-672.]将多壁碳纳米管加入到PLGA溶液中静电纺丝，发现加入多壁碳纳米管后的纤维机械性能得到了很大的提高。Lovat，V等[Lovat，V.；Pantarotto，D.；Lagostena，L.；Cacciari，B.；Grandolfo，M.；Righi，M.；Spalluto，G.；Prato，M.；Ballerini，L.，Carbon nanotube substrates boost neuronal electrical signaling.Nano Letters 2005，5，(6)，1107-1110.]证明多壁碳纳米管可以增强神经信号的传递，因此可以支持神经树突细胞的延长和细胞的粘附。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维及其制备方法，制备的纳米纤维机械性能强，孔隙率高，生物相容性好；该制备过程简单，易于操作，在组织工程方面应用广阔。

本发明的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维，其组分包括：壳聚糖CS/聚乙烯醇PVA的质量比为1∶2～1∶4，多壁碳纳米管MWCNTs占CS与PVA总质量的1％。

所述壳聚糖CS/聚乙烯醇PVA的质量比为1∶2。

本发明的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的制备方法，包括：(1)以CS和PVA为原料，醋酸溶液为溶剂，分别配制7wt％的CS溶液和10wt％的PVA溶液，再以溶液中溶质质量比CS∶PVA＝1∶2～1∶4配制成混合溶液，加入占溶质总质量1wt％的MWCNTs，用静电纺丝方法制备得复合纳米纤维，接收距离为20cm，纺丝电压为20kV，流速为0.1～0.3mL/h；

(2)将上述得到的纳米纤维置于戊二醛蒸汽中交联处理18～24h，得到不溶于水的纳米纤维；

(3)将步骤(2)得到的不溶于水的纳米纤维置于通风橱中，蒸发去除表面的戊二醛蒸汽；

(4)于100℃～120℃热处理1小时，使交联更彻底；

(5)放入到真空干燥箱中3～5天，取出置于干燥器中放置储存。

所述步骤(1)中的醋酸溶液浓度为70wt％。

所述步骤(1)中的混合溶液聚合物总浓度为2wt％～4wt％。

本发明的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维应用于细胞的接种增殖。

所述增殖接种方法为将复合纳米纤维放入到24孔板中，酒精处理消毒过夜，用于细胞接种的种入细胞数为1.0×10⁴/孔，用于细胞增殖的种入细胞数为1.5×10⁴/孔。

所述细胞为小鼠成纤维细胞。

以静电纺技术制备的具有高比表面积、高孔隙率的生物相容性纳米纤维方法，本发明涉及了两个基本原理：

(1)用静电纺丝的原理使聚电解质溶液在高压的作用下带电并形成锥形射流，带电的射流在电场力的作用下，受到牵伸细化形成纳米纤维，最终以纤维毡的形式沉积在接收板上；

(2)利用化合物间共价健的相互作用，对纤维进行交联，从而形成水不溶性的纳米纤维。

使用SEM(扫描电镜)、机械性能测试、红外光谱法、MTT Assay等方法表征本发明获得的含有多壁碳纳米管的纳米纤维，结果如下：

(1)SEM的测试结果

SEM的测试结果表明：利用静电纺丝制备的CS/PVA纳米纤维形貌均匀，具有较高的孔隙率，纤维的平均直径为143nm，参见说明书附图1。经交联处理过的纤维具有良好的水稳定性，纤维在蒸汽环境中存在一定程度的溶涨，纤维直径有一定程度的增加，但还是保持良好的纤维形态。交联后纤维直径为158nm，见图2，从SEM细胞图中可以看出含多壁碳纳米管的纤维更有助于细胞的增值和黏附，见图6。

(2)机械性能测试结果

从机械性能测试的结果中可以看出，交联后纤维的机械强度有了一定的提高，且加入多壁碳纳米管后纤维的机械强度增加较明显。见图3。

(3)红外光谱测试结果

红外光谱测试结果表明，相对于未交联的纳米纤维，交联后红外光谱图在波数为1020cm^-1处的吸收峰变得更宽更高，说明PVA和GA交联形成了C-O键。同时在1650cm^-1处的吸收峰变化，说明CS和GA之间形成了一个C＝N键。见图4。

(4)MTT Assay测试结果

MTT Assay测试结果表明细胞培养5天后，壳聚糖纳米纤维及加入多壁碳纳米管后的纤维吸光值与玻片上有明显差异，7天后含有多壁碳纳米管的纤维对细胞的增殖效果更加显著，说明加入多壁碳纳米管后，可以促进基质对细胞的粘附、分化和增值。见图5。

有益效果

(1)制备的纳米纤维机械性能强，孔隙率高，生物相容性好，加入多壁碳纳米管后不但可以增加纤维的机械强度，维持纤维的形貌，还可以促进细胞的增值及对蛋白的吸附；

(2)该制备过程简单，易于操作，在组织工程方面应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维交联前SEM图；

图2为本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维交联后SEM图；

图3为本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的机械性能图；(a：CS/PVA纳米纤维，b：CS/PVA/MWCNTs纳米纤维，c：交联CS/PVA纳米纤维，d：交联CS/PVA/MWCNTs纳米纤维)

图4为本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的红外光谱图；(a：CS/PVA纳米纤维，b：交联CS/PVA纳米纤维，c：CS/PVA/MWCNTs纳米纤维，d：交联CS/PVA/MWCNTs纳米纤维)

图5为MTT比色法测定本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维对细胞增殖的活力图。

图6为本发明制备的含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维细胞在第7天生长的SEM形貌图(a：玻片，b：CS/PVA纳米纤维，c：CS/PVA/MWCNTs纳米纤维)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

配制浓度为70wt％的醋酸溶液，取0.35g的壳聚糖溶解在70wt％的醋酸溶液中，配成质量百分比浓度为7wt％的壳聚糖溶液，玻璃棒搅拌数分钟后，超声30分钟，然后用封口膜封好后放入到磁力搅拌机上搅拌，得到溶解均匀的壳聚糖溶液。

实施例2

取10克聚乙烯醇(PVA)于烧杯中，以70wt％的醋酸为溶剂，置于磁力搅拌器上在80℃的温度下搅拌3小时，配成浓度为10wt％的PVA溶液，后置于磁力搅拌机上搅拌均匀，冷却后待用。分别称取已配置好的CS溶液和PVA溶液配成聚合物总浓度为3wt％的混合溶液。其中CS/PVA的质量比为1∶2。设置纺丝工艺条件为：接收距离为20cm，电压为20kV，流速为0.3mL/h。制备的纳米纤维收集到铝箔上。先将纳米纤维于空气中自然干燥后，再放入真空干燥器中干燥。

SEM的测试结果表明：有较连续的纳米纤维形成，纤维上存在少量的串珠结构，纤维形貌较好。

实施例3

取10克聚乙烯醇(PVA)于烧杯中，以70wt％的醋酸为溶剂，置于磁力搅拌器上在80℃的温度下搅拌3小时，配成浓度为10wt％的PVA溶液，后置于磁力搅拌机上搅拌均匀，冷却后待用。分别称取已配置好的CS溶液和PVA溶液配成聚合物总浓度为3wt％的混合溶液。其中CS/PVA的质量比为1∶2。设置纺丝工艺条件为：接收距离为20cm，电压为20kV，流速为0.1mL/h。制备的纳米纤维收集到铝箔上。先将纳米纤维于空气中自然干燥后，再放入真空干燥器中干燥。将干燥3天的纤维膜放入到戊二醛蒸汽中交联18小时，取出后放入通风橱中一定时间后，转移到真空干燥箱中，干燥3～5天。种入细胞前先将膜放入到24孔板中用钢环压好，酒精处理消毒过夜，用于细胞增殖的种入细胞数为1.5×10⁴/孔。7天后取出24孔板，移去培养基后加入360μl的培养基和40μl的MTT溶液，放入培养箱中4小时后，取出上面的液体，加入400μl的DMSO溶解晶体，最后取其中的100μl紫色溶液于96孔板中，用酶标仪测吸光值。另一块种入细胞的24孔板7天后拿出来先用戊二醛固定，然后用梯度酒精脱水，冷冻干燥后送样，拍SEM。

SEM的测试结果表明：利用静电纺丝制备的CS/PVA生物相容性纳米纤维形貌较均匀，具有较高的孔隙率，纤维的平均直径为143nm。经交联处理过的纤维具有良好的水稳定性，纤维在戊二醛蒸汽的环境中，存在一定程度的溶涨，纤维直径有一定程度的增加，但还是保持良好的纤维形态。交联后纤维直径为158nm。从SEM图中同样可以看出加入多壁碳纳米管可以促进细胞的增值和黏附。从机械性能测试的结果中可以看出，交联后纤维的机械强度有了一定的提高，且加入多壁碳纳米管后纤维的机械强度增加较明显。红外光谱测试结果表明，相对于未交联的纳米纤维，交联后红外光谱图在波数为1020cm^-1处的吸收峰变得更宽更高，说明PVA和GA交联形成了C-O键。同时在1650cm^-1处的吸收峰变化，说明CS和GA之间形成了C＝N键。MTTAssay测试结果表明细胞培养5天后，壳聚糖纳米纤维及加入多壁碳纳米管后的纤维吸光值与玻片上有明显差异，7天后含有多壁碳纳米管的纤维效果更加显著，说明加入多壁碳纳米管后可以促进细胞的粘附、分化与增值。

Claims

1.一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维，其组分包括：壳聚糖CS/聚乙烯醇PVA的质量比为1∶2～1∶4，多壁碳纳米管MWCNTs占CS与PVA总质量的1％。

2.根据权利要求1所述的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖CS/聚乙烯醇PVA的质量比为1∶2。

3.一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的制备方法，包括：

(1)以CS和PVA为原料，醋酸溶液为溶剂，分别配制7wt％的CS溶液和10wt％的PVA溶液，再以溶液中溶质质量比CS∶PVA＝1∶2～1∶4配制成混合溶液，加入占溶质总质量的1wt％的MWCNTs，用静电纺丝方法制备得复合纳米纤维，接收距离为20cm，纺丝电压为20kV，流速为0.1～0.3mL/h；

(4)于100℃～120℃热处理1小时，使交联更彻底；

4.根据权利要求3所述的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的醋酸溶液浓度为70wt％。

5.根据权利要求3所述的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的混合溶液聚合物总浓度为2wt％～4wt％。

6.一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维应用于细胞的接种增殖。

7.根据权利要求6所述的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维应用于细胞的接种增殖，其特征在于：所述接种增殖方法为将复合纳米纤维放入到24孔板中，酒精处理消毒过夜，用于细胞接种的种入细胞数为1.0×10⁴/孔，用于细胞增殖的种入细胞数为1.5×10⁴/孔。

8.根据权利要求6所述的一种含多壁碳纳米管的CS/PVA复合纳米纤维应用于细胞的接种增殖，其特征在于：所述细胞为小鼠成纤维细胞。