CN101956318B

CN101956318B - 在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法

Info

Publication number: CN101956318B
Application number: CN2010102921737A
Authority: CN
Inventors: 韩一生; 黄兆松; 毕龙; 王树森; 曹瑞军; 杨旻; 张东宪; 孙鹏霄; 张振宇
Original assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Current assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Priority date: 2010-09-26
Filing date: 2010-09-26
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-09-26
Also published as: CN101956318A

Abstract

本发明公开了一种在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，该方法首先将聚酯纤维材料放入氢氧化钠溶液中反应，然后浸于异氰酸酯溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应并形成氨基甲酸酯，再浸于含有生物大分子的N，N-二甲基甲酰胺溶液中反应，最后浸于生物大分子溶液中，冷冻，冻干，得到干燥的聚酯纤维和生物大分子的杂化材料。通过本发明的方法，可以方便地在永久性人工韧带纤维材料表面引入各种生物大分子，从而大大提高了材料的生物相容性，尤其是细胞相容性，促进了细胞在材料表面的粘附和增殖，能加快人工韧带植入体内时的骨道愈合。并且本发明操作简便，可重复性好。

Description

在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法

技术领域

本发明属于聚酯纤维的表面改性技术领域，具体涉及一种利用化学接枝和表面涂层技术在聚酯纤维表面接枝和并稳定涂层生物大分子的方法。

背景技术

膝关节交叉韧带是易受损又难自愈的韧带，大多需要手术治疗。骨-髌腱-骨(BPTB)和半腱肌/股薄肌腱自体移植(STG)和异体移植在交叉韧带重建中应用普遍，BPTB自体移植曾经是膝交叉韧带断裂治疗的“金标准”。随着材料学的飞速发展，人工韧带的发展也日新月异，人工韧带在运动损伤医学中的应用越来越广泛，曾经的“金标准”也受到了极大的挑战，与自体韧带组织移植相比，人工韧带具有使用方便，手术简单，无供区并发症，术后恢复快等特点，对于运动医学中运动员要求迅速恢复运动功能和高力学强度显得尤为适合。

聚酯纤维是人工韧带研究的热点方向之一。新型聚酯纤维韧带采用聚对苯二甲酸乙二醇酯等作为韧带支架材料，具有优异的力学性质，良好的弹性和抗蠕变性及抗疲劳性，同时在植入体内后因编织方式上采用了三维经编的方法，更增强了其力学特性。但由于聚酯的分子结构对称，结晶度较高，结构中仅有少量羟基等亲水基团，缺少高极性基团，亲水性和细胞相容性较差。其生物相容性较差是制约其发展，包括在体内应用时易引发滑膜炎等并发症的重要因素。因此，我们采用改性技术来提高聚酯纤维的生物相容性，尤其是细胞相容性。

目前表面改性的方法主要有化学接枝和物理涂层。化学接枝和物理涂层生物大分子均各有其优缺点。前者有结合稳定，亲水性好，反应过程易控制等优点，但存在化学反应引入基团不多，材料本身的细胞结合位点少，细胞粘附性不好等不足。物理涂层的原料主要是生物大分子，多来自于动物体内的细胞外基质，具有非常好的生物相容性。例如胶原是细胞外基质的重要组成部分，其分子链上具有细胞膜表面受体可以识别的结合位点，因而能够促进细胞的黏附和基质的分泌。但物理涂层有容易脱落，植入体内后效果持续时间不长等缺点。

以往的研究往往采用单一的改性方法来提高纤维表面的亲水性或者生物相容性。胶原等生物大分子材料是强亲水性材料，而聚酯纤维本身亲水性较差，如果直接将生物大分子涂层在疏水性强的聚酯纤维表面，所得的涂层无法分布均匀，且容易脱落，稳定性较差。在本发明中，我们结合化学接枝和物理涂层的优点，先水解纤维表面的部分酯键，暴露更多的结合位点，再通过异氰酸根反应在纤维表面引入生物大分子，同时通过真空冻干方法也保留物理涂层上的生物大分子。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，该方法利用“水解-化学接枝-物理涂层”技术在聚酯纤维表面形成稳定的生物大分子，利用该方法制备的生物化纤维能够增加表面亲水基团，使生物相容性更好的用于人工韧带的纤维结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，包括以下步骤：

1)首先将聚酯纤维材料放入质量分数为3％～10％的氢氧化钠溶液中反应，其中反应温度40～60℃，反应时间1～6小时，然后将聚酯纤维材料用去离子水超声机洗10～30分钟，除去游离的氢氧化钠；

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为5％～50％的异氰酸酯溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应并形成氨基甲酸酯，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.01～0.1％，反应温度40～65℃，反应时间2～8个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入氨基甲酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入氨基甲酸酯的聚酯纤维材料浸于含有浓度为1～100mg/mL的生物大分子的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度10～50℃，反应时间1～6小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从生物大分子溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为1～100mg/mL的生物大分子溶液中，于-80～-180℃冷冻8～24小时，在真空冻干机中冻干8～24小时，得到干燥的聚酯纤维和生物大分子的杂化材料。

进一步，在上述步骤4)中，所述的生物大分子为明胶、胶原、壳聚糖、海藻酸钠、硫酸软骨素、透明质酸或多糖类大分子。

进一步，在上述步骤4)中，当所述生物大分子溶液是明胶或胶原时，需先将步骤3)的纤维浸入戊二醛溶液进行交联反应，以增强稳定性；所述戊二醛浓度为0.5～20v％，反应温度0～10℃，时间1～10小时，反应后用去离子水清洗，除去未反应的戊二醛。

以上所述聚酯纤维材料选自聚对苯二甲酸与多元醇反应形成的纤维。所述聚酯纤维材料优选聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。

上述步骤2)中所述的异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯或多亚甲基多苯基多异氰酸酯。

本发明具有以下有益效果：

本发明将化学接枝和物理涂层技术相结合，既在材料表面接枝了一层生物大分子，同时又在材料表面涂层了生物大分子，使得纤维材料表面的细胞结合位点大大增多，又具有较强的稳定性。通过本发明的方法，可以方便地在永久性人工韧带纤维材料表面引入各种生物大分子，从而大大提高了材料的生物相容性，尤其是细胞相容性，促进了细胞在材料表面的粘附和增殖，能加快人工韧带植入体内时的骨道愈合。并且本发明操作简便，可重复性好。

附图说明

图1为本发明的生物化纤维结构轴截面示意图；

图2为本发明的生物化纤维结构横截面示意图；

图3为本发明在细胞培养12h后的电镜扫描图；

图4为本发明在材料复合细胞12h后的电镜扫描图；

图5为本发明在细胞培养14d后的电镜扫描图。

图6为利用本发明的方法最后得到的用于人工韧带的生物化纤维结构的电镜扫描图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的方法是将化学接枝和物理涂层技术相结合，在材料表面接枝了一层生物大分子，同时又在材料表面涂层了生物大分子，使整个结构成为如图所示的具有内芯1、夹层2和外层3的三层结构，这种结构使得纤维材料表面的细胞结合位点大大增多，又具有较强的稳定性。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

本实施例具体包括以下步骤：

1)首先将聚酯纤维材料放入质量分数为3％的氢氧化钠溶液中反应，其中反应温度60℃，反应时间6小时，然后将聚酯纤维材料用去离子水超声机洗10分钟，除去游离的氢氧化钠；所述聚酯纤维材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维；

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为5％的甲苯二异氰酸酯溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发甲苯二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.1％，反应温度65℃，反应时间2个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入甲苯二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为1mg/mL的壳聚糖的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度50℃，反应时间6小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从壳聚糖溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为1mg/mL的壳聚糖溶液中，于-180℃冷冻8小时，在真空冻干机中冻干8小时，得到干燥的聚酯纤维和壳聚糖的杂化材料。

本实施例中使用的甲苯二异氰酸酯是一种异氰酸酯，在本发明中，可以用到的异氰酸酯包括芳香酯和脂肪酯以及芳酯类，如甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)或多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)等异氰酸酯化合物。

实施例2

本实施例具体包括以下步骤：

1)首先将聚酯纤维材料放入质量分数为10％的氢氧化钠溶液中反应，其中反应温度40℃，反应时间1小时，然后将聚酯纤维材料用去离子水超声机洗30分钟，除去游离的氢氧化钠；所述聚酯纤维材料选择聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维；

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为50％的六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发六亚甲基二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.01％，反应温度40℃，反应时间8个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入六亚甲基二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为100mg/mL的海藻酸钠的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度10℃，反应时间1小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从海藻酸钠溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为100mg/mL的海藻酸钠溶液中，于-80℃冷冻24小时，在真空冻干机中冻干24小时，得到干燥的聚酯纤维和海藻酸钠的杂化材料。

实施例3

本实施例具体包括以下步骤：

1)首先将聚酯纤维材料放入质量分数为5％的氢氧化钠溶液中反应，其中反应温度50℃，反应时间3小时，然后将聚酯纤维材料用去离子水超声机洗20分钟，除去游离的氢氧化钠；

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为25％的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发二苯基甲烷二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.08％，反应温度50℃，反应时间5个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入二苯基甲烷二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为50mg/mL的硫酸软骨素的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度30℃，反应时间3小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从硫酸软骨素溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为50mg/mL的硫酸软骨素溶液中，于-100℃冷冻20小时，在真空冻干机中冻干20小时，得到干燥的聚酯纤维和硫酸软骨素的杂化材料。

实施例4

本实施例具体包括以下步骤：

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为25％的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发异佛尔酮二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.08％，反应温度50℃，反应时间5个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入异佛尔酮二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为50mg/mL的透明质酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度30℃，反应时间3小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从透明质酸溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为50mg/mL的透明质酸溶液中，于-100℃冷冻20小时，在真空冻干机中冻干20小时，得到干燥的聚酯纤维和透明质酸的杂化材料。

实施例5

本实施例具体包括以下步骤：

1)首先将聚酯纤维材料放入质量分数为5％的氢氧化钠溶液中反应，其中反应温度50℃，反应时间3小时，然后将聚酯纤维材料用去离子水超声机洗20分钟，除去游离的氢氧化钠；所述聚酯纤维材料选自聚对苯二甲酸与多元醇反应形成的纤维；

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为25％的苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发苯二亚甲基二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.08％，反应温度50℃，反应时间5个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入苯二亚甲基二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

3)将表面引入异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为50mg/mL的明胶的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，反应温度30℃，反应时间3小时；

4)反应后将聚酯纤维材料从明胶溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为50mg/mL的明胶溶液中，于-100℃冷冻20小时；

5)再浸入戊二醛溶液进行交联反应，以增强稳定性；所述戊二醛浓度为0.5～20v％，反应温度0～10℃，时间1～10小时，反应后用去离子水清洗，除去未反应的戊二醛。然后在真空冻干机中冻干20小时，得到干燥的聚酯纤维和生物大分子的杂化材料。

实施例6

本实施例具体包括以下步骤：

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为25％的六亚甲基二异氰酸酯溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发六亚甲基二异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.08％，反应温度50℃，反应时间5个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入六亚甲基二异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

实施例7

本实施例具体包括以下步骤：

2)将水解后的聚酯纤维材料浸于以丙酮为溶剂、浓度为25％的多亚甲基多苯基多异氰酸酯溶液中，在二月桂酸二丁基锡存在的条件下，引发多亚甲基多苯基多异氰酸酯在聚酯纤维材料表面的异氰酸根反应，溶液中二月桂酸二丁基锡的浓度为0.08％，反应温度50℃，反应时间5个小时；反应后聚酯纤维材料表面引入多亚甲基多苯基多异氰酸酯，去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子；

实施例8

本实施例的具体方法如下：

将聚酯纤维材料放入质量分数5％的氢氧化钠溶液中，反应温度50℃，反应时间3小时，水解纤维材料表面部分酯键，暴露更多活性反应基团。去离子水超声机洗15分钟，除去游离的氢氧化钠。将水解后的聚酯纤维浸于以丙酮为溶剂的甲苯二异氰酸酯溶液中(含有0.5％二月桂酸二丁基锡)，以三口烧瓶为反应容器，其中甲苯二异氰酸酯浓度为30％，在50℃下引发甲苯二异氰酸酯在纤维材料表面的异氰酸根反应，反应时间4个小时。反应后纤维材料表面引入甲苯二异氰酸酯。去离子水超声洗涤，除去纤维材料表面未反应的有机分子。将经接枝聚合反应后表面引入二异氰酸根的聚酯纤维材料浸于含有浓度为5mg/mL的生物大分子的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，从而将明胶化学接枝在聚酯纤维表面，反应温度4℃，反应时间4小时。

反应后将聚酯纤维从明胶溶液中取出，先后用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为5mg/mL的生物大分子溶液中，将此混合物于-80℃冷冻12小时，在真空冻干机中冻干12小时，得到干燥的聚酯纤维和明胶的杂化材料。再浸入5v％的戊二醛，4℃下反应4小时，反应后用去离子水清洗，除去未反应的戊二醛。

本利用发明的方法在细胞培养12h后的电镜扫描图如图3所示，等材料复合细胞12h后，如图4所示，图4中细胞已黏附在纤维材料表面，有些细胞已伸开伪足。当细胞培养14天后，如图5所示，在材料表面已铺成一片，细胞形态良好，生长旺盛。本发明最后得到的用于人工韧带的生物化纤维结构的电镜扫描图如图6所示。

Claims

1.一种在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4)反应后将聚酯纤维材料从生物大分子溶液中取出，依次用乙醇和去离子水超声机清洗，除去未反应的N，N-二甲基甲酰胺，而后浸于浓度为1～100mg/mL的生物大分子溶液中，于-80～-180℃冷冻8～24小时，在真空冻干机中冻干8～24小时，得到干燥的聚酯纤维和生物大分子的杂化材料；

以上所述的生物大分子为明胶、胶原、壳聚糖、海藻酸钠、硫酸软骨素或透明质酸。

2.根据权利要求1所述的在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，其特征在于，当所述生物大分子溶液是明胶或胶原时，先将步骤3)的纤维浸入戊二醛溶液进行交联反应，以增强稳定性；所述戊二醛浓度为0.5～20v％，反应温度0～10℃，时间1～10小时，反应后用去离子水清洗，除去未反应的戊二醛。

3.根据权利要求1所述的在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，其特征在于，所述聚酯纤维材料选自聚对苯二甲酸与多元醇反应形成的纤维。

4.根据权利要求3所述的在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，其特征在于，所述聚酯纤维材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。

5.根据权利要求1所述的在聚酯纤维表面化学接枝并稳定涂层生物大分子的方法，其特征在于，所述的异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯或多亚甲基多苯基多异氰酸酯。