CN102242463B - 一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，包括：(1)将明胶和聚己内酯混合后加入到三氟乙醇或六氟异丙醇中，搅拌后再加入乙酸搅拌至溶液透明，得明胶/聚己内酯纺丝液；(2)抽取上述明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，收集纤维膜真空干燥，即得明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。本发明的方法快速，简便，廉价，可纺性好，所制得的复合纳米纤维具有较小的直径及很好的力学性能，适合明胶/聚己内酯复合纳米膜的批量制备及规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于复合纳米纤维膜的制备领域，特别涉及一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法。
背景技术
近年来，采用静电纺丝技术制备一维结构的纳米纤维已成为纳米材料研究的热点，尤其是在仿生构建组织工程支架方面有着十分广阔的发展和应用前景。能够电纺成组织工程支架的材料分为天然材料、合成高分子材料以及它们的复合物，天然材料包括胶原、明胶、蚕丝、蜘蛛丝、海藻酸纳、几丁质及其衍生物；合成高分子材料主要是一些可降解材料包括聚己内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等。天然材料含有许多细胞结合位点以及生物分子信号，有利于细胞的粘附、增长及分化；但是生物降解太快，机械性能及可电纺性较差。合成高分子材料机械性能好，容易电纺成丝，但细胞亲和性不好。为了实现二者的优势互补，将天然材料和合成高分子材料混合电纺成复合纳米纤维已广泛应用于制备各种仿生和具有较好生物相容性的组织工程支架。
明胶是一种天然的生物大分子材料，是胶原部分降解的产物，具有良好的生物可降解性和生物相容性及生物活性；但因其存在膜质脆、不耐水、潮湿环境中易受细菌侵蚀而变质、力学性能差等不足，难以单独使用满足组织构建的一些要求。利用明胶与具有一定力学强度的无毒、可降解的合成高分子材料(如聚己内酯)进行优化组合而制备成生物复合材料，有望得到较理想的组织工程支架。聚己内酯是一种由己内酯开环聚合而得到的热塑性半结晶线性脂肪族聚酯类合成高分子材料，具有良好的生物相容性，无毒性及免疫原性，是一种良好的生物医用可降解材料。
目前，将明胶和聚己内酯混合在一起电纺成纳米纤维已被广泛用于组织工程化不同的组织，如皮肤、神经、骨、血管等。Zhang等人[Zhang YZ，et al.，Journal of Biomedical MaterialsResearch，Part B：Applied Biomaterials 2005，72B(1)：156-165]最早提出和采用天然-合成材料的复合，并电纺制备出明胶/聚己内酯复合材料纳米纤维支架用于骨髓基质干细胞(BMSC)的培养。Chong等人[Chong EJ，et al.Acta Biomaterialia 2007，3(3)：321-330]将明胶/聚己内酯混纺纳米纤维膜用于皮肤伤口愈合的研究，结果显示所制备的明胶/聚己内酯纤维膜明显有利于成纤细胞的粘附、增值和分化。Laleh Ghasemi-Mobarakeh等人[LalehGhasemi-Mobarakeh，et al.Biomaterials 2008，29(34)：4532-4539]将明胶/聚己内酯电纺成平行度很高的纳米纤维膜用于神经组织的修复，神经干细胞的培养结果显示，明胶/聚己内酯纳米纤维膜是一种很好的组织工程支架材料，所纺的平行纳米纤维有利于神经细胞的增殖和分化，并有利于神经突触的伸长。Sepideh Heydarkhan-Hagvall等人[SepidehHeydarkhan-Hagvall，et al.Biomaterials 2008，29(19)：2907-2914]将明胶和聚己内酯电纺成三维组织工程支架并成功用于心血管组织工程，结果显示混纺的纳米纤维膜展现出合成材料所拥有的优越的力学性能及天然材料所独有的细胞亲和性。最近，Olga Hartman等人[Olga Hartman，et al.Biomaterials 2010，31(21)：5700-5718]将明胶和聚己内酯混纺成纳米纤维膜，并在电纺过程中添加一种生物活性肽，细胞结果显示此组织工程支架能明显地促进转移性前列腺癌细胞的粘附、增殖和分化，成功提供了一个三维癌症的药代动力学模型。Sook Hee Ku等人[Sook Hee Ku，Chan Beum Park.Biomaterials 2010，31(36)：9431-9437]将明胶/聚己内酯纤维在电纺过程中添加一种生物活性物质-多巴胺用于血管组织工程，细胞培养结果显示，所制备的复合纤维膜有利于人脐静脉内皮细胞的生长以及血管内皮细胞相关基因的表达。
上述的这些研究结果表明明胶/聚己内酯复合纳米纤维在组织修复和再生中的巨大应用潜力。然而，明胶是一种天然生物材料，有着良好的亲水性和细胞亲和性，而聚己内酯则是一种合成的高分子材料，是疏水材料，当把它们在共溶剂中搅拌均匀后静置几个小时，就会出现相分离现象[Zhang YZ，et al.Nanotechnology 2006，17(3)：901-908]，由于电纺丝制备一定厚度的纳米纤维膜耗时较长(几小时或更长的时间)，意味着在较长时间的制备过程中所得到的纳米纤维组分的含量发生变化，对复合纳米纤维的形态及其他性能也产生不利影响，这将导致不能达到均匀混纺的目的，也就不能够实现它们的优势互补。目前很少有人观察到它们在纺丝过程中会出现相分离这一细微但又非常重要的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，该方法操作简单，通过向溶液中加入少量廉价的乙酸就能快速、高效地解决相分离问题；本发明制得的纳米纤维膜，作为一种多功能生物医用材料，可望实现连续的纳米纤维工业化生产。
本发明的一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，包括：
(1)将明胶和聚己内酯按任意比例混合后加入到三氟乙醇或六氟异丙醇中，搅拌至混合均匀，使明胶和聚己内酯均匀溶解在溶剂中成乳浊状，然后再加入微量乙酸搅拌至溶液透明，得明胶/聚己内酯纺丝液；
(2)抽取上述明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，收集纤维膜真空干燥，即得明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。
上述步骤(1)中所述的明胶与聚己内酯的质量之和与三氟乙醇或六氟异丙醇的体积的比值为3％～30％g/ml。
上述步骤(1)中所述的明胶与聚己内酯的优选质量比为1∶2-2∶1。
上述步骤(1)中所述的乙酸在纺丝液中的含量优选为0.1％-20％(v/v)。
上述步骤(2)中所述电纺的条件为：纺丝液的注射速率为0.1-10ml/h，电压为1-100kv，接受距离为0.02-2m，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20-80％。
上述步骤(2)中所得的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的纤维直径范围为10nm-10μm。
本发明以明胶和聚己内酯为主要原料，包括将微量的酸添加到溶液中得到透明的纺丝溶液，然后将纺丝液进行电纺，得到超细复合纳米纤维。
本发明以乙酸作为相分离改进剂。
有益效果：
(1)本发明方法操作简单，成本低，时间短，通过向溶液中加入少量廉价的乙酸就能快速、高效地解决相分离问题，并且所加入的乙酸在纺丝过程中能快速挥发，不影响纤维膜组成材料的化学结构和性能。
(2)本发明方法制得明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的纤维直径小，具有良好的力学性能。
(3)本发明制得的纳米纤维膜，作为一种多功能生物医用材料，可望实现连续的纳米纤维工业化生产。
附图说明
图1为不加乙酸和加乙酸的明胶/聚己内酯纺丝液静置12h的黑白照片；
图2为添加10ul乙酸(乙酸与三氟乙醇的体积比为l/1000)后纺丝制备的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片；
图3为不加乙酸纺丝制备的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片；
图4为添加20ul(乙酸与三氟乙醇的体积比为2/1000)乙酸后纺丝制备的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片；
图5为添加30ul(乙酸与三氟乙醇的体积比为3/1000)乙酸后纺丝制备的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片；
图6为加乙酸和不加乙酸的纺丝液电纺制备的纤维膜中明胶含量随时间变化关系图。
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
(1)用电子分析天平称取0.5g明胶和0.5g聚己内酯溶于10ml的三氟乙醇中，搅拌至完全溶解，得到浓度为10％(克/毫升)的明胶/聚己内酯纺丝液，向溶液中加入10ul乙酸，搅拌10-20min使溶液由浑浊变澄清，得明胶/聚己内酯纺丝液。
图1为不加乙酸和加乙酸的明胶/聚己内酯纺丝液静置12h的黑白照片，照片中明显可以看出不加乙酸的纺丝液静置后出现了大量沉淀。
(2)选用10ml的注射器，1.2mm内径的针头，抽取明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，参数为：电压9kv，接受距离12cm，注射速率2ml/h，温度20℃，相对湿度80％。采用铝箔为接受装置，纺丝5小时，得到明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。将收集到的复合纤维膜放入真空干燥箱中干燥24h。
该明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片如图2所示，纤维的平均直径约为760nm。采用万能材料试验机对纳米纤维膜进行拉伸力学性能测试，复合纳米纤维膜的平均断裂强度在2.33MPa左右，应变约为263％，而文献中报道的静电纺丝方法(即不加乙酸)所制备纺出纤维膜的直径较粗(大于1000nm)，纤维膜的平均断裂强度在1.29MPa左右，应变约为138％。
实施例2
(1)用电子分析天平称取0.5g明胶和0.5g聚己内酯溶于10ml的三氟乙醇中，搅拌至完全溶解，得到浓度为10％(克/毫升)的明胶/聚己内酯纺丝液，向溶液中加入20ul乙酸，搅拌10-20min至溶液由浑浊变澄清，得明胶/聚己内酯纺丝液。
(2)选用10ml的注射器，1.2mm内径的针头，抽取明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，电纺参数为：电压13kv，接受距离15cm，注射速率2ml/h，温度30℃，相对湿度50％。采用铝箔为接受装置，纺丝5小时，得到明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。将收集到的复合纤维膜放入真空干燥箱中干燥24h。图4为明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片，纤维膜的平均直径约为700nm。
采用万能材料试验机对纳米纤维膜进行拉伸力学性能测试，复合纳米纤维膜的平均断裂强度在2.64MPa左右，应变约为297％。
实施例3
(1)用电子分析天平称取0.5g明胶和0.5g聚己内酯溶于10ml的三氟乙醇中，搅拌至完全溶解，得到浓度为10％(克/毫升)的明胶/聚己内酯纺丝液，向溶液中加入30ul乙酸，搅拌10-20min至溶液由浑浊变澄清，得明胶/聚己内酯纺丝液。
(2)选用10ml的注射器，1.2mm内径的针头，抽取明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，电纺参数为：电压12kv，接受距离12cm，注射速率2ml/h，温度25℃，相对湿度40％。采用铝箔为接受装置，纺丝5小时，得到明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。将收集到的复合纤维膜放入真空干燥箱中干燥24h。
图5为明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的扫描电镜照片，纤维膜的平均直径约为650nm。采用万能材料试验机对纳米纤维膜进行拉伸力学性能测试，复合纳米纤维膜的平均断裂强度在2.77MPa左右，应变约为308％。
实施例4
(1)用电子分析天平称取0.5g明胶和0.5g聚己内酯溶于10ml的六氟异丙醇中，搅拌至完全溶解，得到浓度为10％(克/毫升)的明胶/聚己内酯纺丝液，向溶液中加入10ul乙酸，搅拌10-20min至溶液由浑浊变澄清，得明胶/聚己内酯纺丝液，静置一周。
(2)选用10ml的注射器，1.2mm内径的针头，抽取明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，电纺参数为：电压15kv，接受距离18cm，注射速率2ml/h，温度30℃，相对湿度20％。采用铝箔为接受装置，纺丝5小时，每隔半小时接一次样，得到10片明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。将收集到的复合纤维膜放入真空干燥箱中干燥一个星期。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)技术对每片膜中明胶的含量进行定量分析。图6为加乙酸和不加乙酸的纺丝液所纺出的纤维膜中明胶含量随时间变化的关系图。结果显示，由加有微量乙酸的溶液制备的复合纤维中的明胶的含量保持稳定(与理论值一致在50％左右)，而将不加乙酸的纺丝液搅拌24h后进行同样的纺丝操作，明胶的含量在纺丝中随时间发生变化。
实施例5
(1)用电子分析天平称取0.5g明胶和1g聚己内酯溶于10ml的三氟乙醇中，搅拌至完全溶解，得到浓度为15％(克/毫升)的明胶/聚己内酯纺丝液，向溶液中加入20ul乙酸，搅拌15min至溶液由浑浊变澄清，得明胶/聚己内酯纺丝液。
(2)选用10ml的注射器，1.2mm内径的针头，抽取明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，电纺参数为：电压13kv，接受距离15cm，注射速率2ml/h，温度30℃，相对湿度50％。采用铝箔为接受装置，纺丝5小时，得到明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。将收集到的复合纤维膜放入真空干燥箱中干燥24h，该纤维膜的平均直径约为720nm。
采用万能材料试验机对纳米纤维膜进行拉伸力学性能测试，复合纳米纤维膜的平均断裂强度在2.62MPa左右，应变约为290％。
Claims (4)
1.一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，包括：
(1)将明胶和聚己内酯按任意比例混合后加入到三氟乙醇或六氟异丙醇中，搅拌至混合均匀，然后再加入乙酸搅拌至溶液变透明，得明胶/聚己内酯纺丝液；其中，乙酸在纺丝液中的含量为0.1%(v/v)；
(2)抽取上述明胶/聚己内酯纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，收集纤维膜真空干燥，即得明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的明胶与聚己内酯的质量之和与三氟乙醇或六氟异丙醇的体积的比值为3%～30%g/ml。
3.根据权利要求1所述的一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤(2)中所述电纺的条件为：纺丝液的注射速率为0.1-10ml/h，电压为1-100kv，接受距离为0.02-2m，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20-80%。
4.根据权利要求1所述的一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤(2)中所得的明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜的纤维直径范围为10nm-10μm。
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