CN102358959B - 具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法及其制备装置。所述制备装置可以产生体形电场，应用该装置可以在静电纺丝的过程直接制备三维电纺纤维支架，所述制备方法工艺简单，成本较低，适于使用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维电纺纤维；所述三维电纺纤维支架可使种子细胞顺利地进入支架的内部，实现种子细胞的体外立体培养及组织工程修复，有利于细胞的黏附生长和营养物质输送及代谢废物的排泄，促进种子细胞在支架中的增殖、生长与分化，提高细胞的存活率及繁殖速度；为细胞生长和增殖提供了良好的代谢环境，有利于细胞的繁殖和组织的愈合，适用于细胞三维立体培养，在组织工程领域具有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于组织工程支架系统领域，具体涉及一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法及其制备装置。
背景技术
组织工程在人体损伤组织与器官的修复中发挥着越来越重要的作用。目前，在皮肤、骨、软骨等一些简单组织损伤的修复中已有大量临床应用的产品，组织工程是现代生物医学工程发展的主要方向之一。组织工程的方法在于将细胞与支架结合起来，在支架材料降解的同时促进种子细胞的增殖、分化等生长行为，促使种子细胞组织化，从而实现损伤组织和器官的修复。因此，支架材料是组织工程中最为关键的因素之一，其必须具有合适的降解速度和较好的组织相容性，此外支架还需具备相应的孔隙率及孔隙直径，以实现种子细胞的立体培养，同时促进细胞立体培养过程中的营养成分的无阻碍传输。
（ZhangRenji，LiuLi,XiongZhuo，etal.NovelRapidPrototypingMethodtoFabricatePoly（lactide-co-glycolide）ScaffoldwithHighPorosity.JournalofMechanicaEngineering.2010，46（5）：105-115.）纳米纤维支架是近年兴起的一种细胞培养基质，其具有巨大的比表面积（孔隙率﹥85%）以及10纳米至10微米的纤维直径。有资料表明，纳米纤维支架纺织状的形貌结构以及纳米级别的纤维直径与动物体内的天然蛋白纤维非常类似，该种结构可极大地促进种子细胞的黏附、生长以及繁殖。(SeemaAgarwal,JoachimH.Wendorff,AndreasGreiner,etal.ProgressintheFieldofElectrospinningforTissueEngineeringApplications.Adv.Mater.2009,21,3343-3351.)然而，利用传统的静电纺丝技术制备的纳米纤维支架仅是由纤维紧密排列得到的一种纤维膜，该种支架孔隙直径在数纳米到数微米之间，且孔隙之间并不贯通，该种结构从根本上限制了种子细胞向支架内部的迁移和生长，严重制约了电纺纤维支架在组织修复与再生领域中的应用。一直以来，大量研究尝试提高电纺纤维支架的孔隙率及孔隙直径，例如利用在电纺支架中掺杂微米微粒，盐类以及可溶性纤维材料等材料，通过后期的处理获得具有一定孔隙率和孔隙直径的电纺纤维支架。然而，这些方法也只能得到片状纳米纤维材料，并且获得的孔隙之间并不贯通。因而，严格意义上这些电纺支架并不适用于细胞的三维立体培养。(HonglinChen,JinHuang,JiahuiYua,etal.Electrospunchitosan-graft-poly(caprolactone)/poly(caprolactone)cationicnanofibrousmatsaspotentialscaffoldsforskintissueengineering.BiologicalMacromolecules2011,48:13-19.)。
有研究学者在(JournalofbiomedicalmaterialsresearchB:appliedbiomaterials2010,968(1):150～160.)上，公开一种用机械应力得到三维支架材料的方法，该方法主要是通过选用二氯甲烷:丙酮体积比为9:1的混合溶液为PLLA的溶剂，采用常规的静电纺丝收集器得到静电纤维毡后，再通过机械应力，使之得到三维结构。
目前，制备具有三维结构纤维组织工程支架的方法较为复杂，因此需要进一步的改进。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法。所述制备方法工艺简单，成本较低，使用不同的纺丝材料可直接制备得到不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维电纺纤维。
本发明的另一目的在于提供一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，所述装置可以产生体形电场，从而使制备的电纺纤维支架具有三维结构。
本发明的另一目的在于提供一种所述制备方法得到的具有三维结构的电纺纤维支架，所述电纺纤维支架具有优越的结构即内部贯通的孔隙、可控的孔隙直径，可促使种子细胞能够顺利地进入支架的内部，实现种子细胞的体外立体培养及组织工程修复，有利于细胞的黏附生长和营养物质输送及代谢废物的排泄，提高细胞的存活率及繁殖速度；同时还具有良好的生物相容性、机械性能和生物可降解性能，为细胞生长和增殖提供了良好的代谢环境，有利于细胞的繁殖和组织的愈合，在组织工程领域具有较大的应用价值。
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：
一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，由纺丝柜（1）、高压电源（2）、微量推进泵（3）、收集器（4）和旋转装置（5）组成；纺丝柜（1）的顶部设有微量推进泵（3），微量推进泵（3）连接有注射器（6）；纺丝柜的内部设有收集器（4）和旋转装置（5），所述收集器（4）为上方开口内壁绝缘的碗型容器，沿碗型容器的中心轴用钢针（16）将碗型容器分成3～20等份，任意相邻两份的连接处上的钢针等高分布，同一连接处上至少分布两根钢针，钢针贯穿碗型容器的内壁（18）、外壁（19）且与包覆在碗型容器外壁的导电层（15）接触；所述收集器的底部安装承托部（7），承托部（7）通过连接管（8）与旋转装置（5）的转子固定连接；所述注射器（6）位于收集器（4）的中心轴线上，且注射器（6）的金属针头（9）与收集器（4）开口平面的距离为-5cm～15cm；所述高压电源（2）的正极通过正极导线（11）与金属针头（9）相连，负极通过负极导线（12）与固定在旋转装置上的导体（13）连接，导体（13）与金属丝（14）相连接，金属丝（14）的一端接触包覆在收集器外壁的导电层（15）。
作为一种优选方案，同一连接处上的钢针优选为等距分布。这样的分布方式，有利于形成更均匀的体形电场。
作为一种优选方案，所述包覆在碗型容器外壁的导电材料优选为锡膜。
作为一种优选方案，所述钢针靠近收集器外壁的一端可以先以导电材料相连，再与锡膜接触，这样可以保证收集器的导电性良好。
作为一种优选方案，所述钢针将碗型容器优选分成5～8等份。通过对钢针密度的控制，可以得到不同原始形状的三维电纺纤维支架。
作为一种最优选方案，所述钢针将碗型容器最优选分成5份。
作为一种优选方案，所述同一连接处上的钢针的数量优选为3～10根。
作为一种最优选方案，所述同一连接处上的钢针的数量最优选为4根。
作为一种优选方案，所述钢针的长度为10～26mm，通过对钢针长度的控制，可以得到不同原始形状的三维电纺纤维支架。
作为一种优选方案，所述承托部优选为橡胶塞，所述连接管优选为玻璃管。将收集器通过承托部和连接管与旋转装置的转子相连，旋转装置转子匀速地旋转，使体形电场分布得更均匀，有利于得到分布均匀的三维电纺纤维支架。
注射器的金属针头与收集器开口平面的距离为-5cm～15cm，这里的“-5cm”是指金属针头位于收集器开口平面以下5cm，“15cm”是指金属针头位于收集器开口平面以上15cm。作为一种优选方案，所述注射器的金属针头与收集器开口平面的距离优选为-5cm～-1cm。当金属针头位于收集器开口平面以上时，有可能在收集器的开口处形成致密的结构，使纺丝效果降低，影响所得到的电纺纤维支架的立体结构。将金属针头伸入收集器开口平面以下，则可以减少这个情况的发生，使得到的电纺纤维支架具有均匀良好的三维结构。
作为一种优选方案，所述金属针头的2～5cm处，装有一个锡箔片（17）。安装这样一个锡箔片，有助于稳定体形电场。
所述的旋转装置（5），所述旋转装置带有转子，转子可按照预设的转速转动，使固定在其上的收集器按照一定的速度发生旋转。
收集器需要与高压电源的负极相连，然而若采用电线直接相连时，由于收集器在纺丝过程中需要旋转，容易使电线发生缠绕，因此，发明人采用高压电源的负极与导体（13）相连，再从导体（13）上引出金属丝（14）使收集器的外壁与高压电源的负极连通。由于金属丝具有韧性且与收集器外壁采用点接触的方式，避免了收集器在旋转过程中产生的电线缠绕。
作为一种优选的方案，导体（13）优选为锡膜，且锡膜与桌面平行，这样有助于稳定体形电场。
作为一种优选方案，所述高压电源的负极同时作接地处理，接地处理可以避免制备过程中产生静电，提高制备时候的安全性。
一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法，采用上述的装置制备电纺纤维支架，包括如下步骤：
（1）纺丝溶液的制备：将生物降解材料溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，密闭搅拌，得到纺丝溶液；
（2）纺丝过程：将步骤（1）所得纺丝溶液置于注射器中，调节微量推进泵的推进速度0.4～0.6毫升/小时，调节高压电源电压值在10～20千伏之间，同时打开旋转装置，开始纺丝；
（3）分离纺丝纤维：用玻璃棒沿着收集器碗壁方向将制备得到的纤维支架取下。
本发明所述的生物降解材料，为本领域常用的生物降解材料，根据选用不同种类的生物降解材料，可以得到不同力学强度、生物相容性和降解性能的三维电纺纤维支架。作为一种优选方案，所述生物降解材料为聚己内酯（PCL）或左旋聚乳酸(PLLA)。PCL是一种半结晶型聚合物，具有良好的柔韧性和可加工性，同时具有良好的生物相容性，与淀粉等物质混合可制得完全生物降解材料；PLLA是最早应用的生物降解型高分子材料，组织相容性好，但机械强度相对较低且其降解产物呈酸性，易引起体内的炎症反应，可通过复合透明质酸等物质改善不良反应。
作为一种最优选方案，步骤（1）中，所述纺丝溶液的浓度优选为生物降解材料溶质的重量最优选为6%；二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的体积比最优选为9:1。
步骤（3）中，取下纤维支架时，需要沿着收集器碗壁方向轻轻将制备得到的立体纤维取下，在此过程中用力要适中，以免纤维材料粘连破坏其三维结构。
一种由所述制备方法得到的具有三维结构的电纺纤维组织工程支架，所述电纺纤维支架具有内部贯通的孔隙，孔隙直径10μm～500μm，孔隙率大于90%，纤维直径为50nm～10μm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所述制备方法工艺简单，成本较低，适于用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维电纺纤维支架，并且可以通过静电纺丝的方法直接制备三维电纺纤维支架；
本发明所述装置，结构简单，能够形成体形电场，促使三维结构的电纺纤维支架在静电纺的过称中直接形成；
所述三维电纺纤维支架可促使种子细胞能够顺利地进入支架的内部，实现种子细胞的体外立体培养及组织工程修复，有利于细胞的黏附生长和营养物质输送及代谢废物的排泄，提高细胞的存活率及繁殖速度，促进种子细胞在支架中的增殖、生长与分化；为细胞生长和增殖提供了良好的代谢环境，有利于细胞的繁殖和组织的愈合，适用于细胞三维立体培养，在组织工程领域具有较大的应用价值。
附图说明
图1为实施例1所用具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置的示意图；
图2为实施例1装置的收集器的俯视示意图；
图3为实施例1装置的收集器的剖面示意图；
图4为本发明所得电纺纤维支架示意图；
图5为本发明所得电纺纤维支架的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步解释本发明，但实施例并不对本发明作任何形式的限定。
实施例1：一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置
本实施例提供一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，如图1所示，由纺丝柜（1）、高压电源（2）、微量推进泵（3）、收集器（4）和旋转装置（5）组成；纺丝柜（1）的顶部设有微量推进泵（3），微量推进泵（3）连接有注射器（6）；纺丝柜的内部设有收集器（4）和旋转装置（5），所述收集器（4）为上方开口内壁绝缘的碗型容器，沿碗型容器的中心轴用钢针（16）将碗型容器分成5等份（见图2），任意相邻两份的连接处上的钢针等高分布，同一连接处上等距分布3个钢针（见图3），钢针贯穿碗型容器的内壁（18）、外壁（19）且与包覆在所述碗型容器外壁的锡膜（15）接触；所述收集器的底部安装橡胶塞（7），橡胶塞（7）通过玻璃管（8）与旋转装置（5）的转子固定连接；所述注射器（6）位于收集器的中心轴线上，且注射器（6）的金属针头（9）与收集器（4）开口平面的距离为-5cm；高压电源（2）的正极通过正极导线（11）与金属针头（9）相连，旋转装置上固定有与桌面平行的锡膜（13），锡膜（13）与金属丝（14）相连，金属丝（14）的一端与包覆在收集器外壁的锡膜（15）接触。注射器（6）上，距金属针头（9）的2～5cm处，装有一个锡箔片（17）。高压电源的负极同时作接地处理。
实施例2：以PLLA作为原材料来制备三维纳米纤维组织工程支架
1.纺丝溶液的制备：称取60毫克PLLA（分子量=20万道尔顿），溶于1ml（9:1,CH2Cl2/DMF,v/v）溶剂中，制得6%PLLA溶液，用封口膜封口，磁力搅拌3小时，待用。
2.纺丝过程：调节微量推进泵参数，容量0.2毫升，推进速度0.5毫升/小时，运行。打开旋转装置，调节转速使转动稳定。打开高压电源，调节电压值为14千伏，开始纺丝。
3.分离纺丝纤维：用玻璃棒沿着收集器碗壁方向轻轻将制备得到的立体纤维取下，在此过程中用力要适中，以免纤维材料粘连破坏其三维结构，如此便得到生物相容性良好的均匀PLLA三维电纺纤维支架。
所得到的三维电纺纤维支架材料外观呈蓬松棉花状丝团，孔隙直径为10μm～500μm，纤维直径为1～5μm。
实施例3：以PCL作为原材料来制备三维纳米纤维组织工程支架
1.纺丝溶液的制备：称取60毫克PCL（分子量=8万道尔顿），溶于1毫升（9:1,CH2Cl2/DMF,v/v）溶剂中,制得6%PCL溶液，用封口膜封住菌种瓶瓶盖与瓶体之间的缺口，磁力搅拌3小时左右，待用。
2.纺丝过程：调节微量推进泵参数，容量0.2毫升，推进速度0.5毫升/小时，运行。打开旋转装置，调节转速使转动稳定。打开高压电源，调节电压值为14千伏，开始纺丝。
3.分离纺丝纤维：用玻璃棒沿着收集器碗壁方向轻轻将制备得到的立体纤维取下，在此过程中用力要适中，以免纤维材料粘连破坏其三维结构，如此便得到生物相容性良好，且具有良好柔韧性的均匀PCL三维电纺纤维支架。
所得到的三维电纺纤维支架材料外观呈蓬松棉花状丝团，孔隙直径为10μm～500μm，纤维直径为1～5μm。
Claims (9)
1.一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，由纺丝柜（1）、高压电源（2）、微量推进泵（3）、收集器（4）和旋转装置（5）组成；纺丝柜（1）的顶部设有微量推进泵（3），微量推进泵（3）连接有注射器（6）；纺丝柜的内部设有收集器（4）和旋转装置（5），所述收集器（4）为上方开口内壁绝缘的碗型容器，沿碗型容器的中心轴用钢针（16）将碗型容器分成3~20等份，任意相邻两份的连接处上的钢针等高分布，同一连接处上至少分布两根钢针，钢针贯穿碗型容器的内壁（18）、外壁（19）且与包覆在碗型容器外壁的导电层（15）接触；所述收集器的底部安装承托部（7），承托部（7）通过连接管（8）与旋转装置（5）的转子固定连接；所述注射器（6）位于收集器（4）的中心轴线上，且注射器（6）的金属针头（9）与收集器（4）开口平面的距离为-5cm~-1cm；所述高压电源（2）的正极通过正极导线（11）与金属针头（9）相连，负极通过负极导线（12）与固定在旋转装置上的导体（13）连接，导体（13）与金属丝（14）相连接，金属丝（14）的一端接触包覆在收集器外壁的导电层（15）。
2.如权利要求1所述具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，同一连接处上的钢针等距分布。
3.如权利要求1或2中所述具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，同一连接处上的钢针的数量为3~10根。
4.如权利要求1所述具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述包覆在碗型容器外壁的导电层为锡膜。
5.如权利要求1所述具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述承托部为橡胶塞，所述连接管为玻璃管。
6.如权利要求1所述具有三维结构的电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述金属针头的2~5cm处，装有一个锡箔片（17）。
7.一种具有三维结构的电纺纤维支架的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置制备电纺纤维支架，包括如下步骤：
（1）纺丝溶液的制备：将生物降解材料溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，密闭搅拌，得到纺丝溶液；
（2）纺丝过程：将步骤（1）所得纺丝溶液置于注射器中，调节微量推进泵的推进速度0.4~0.6毫升/小时，调节高压电源电压值在10~20千伏之间，同时打开旋转装置，开始纺丝；
（3）分离纺丝纤维：用玻璃棒沿着收集器碗壁方向将制备得到的纤维支架取下。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述生物降解材料为聚己内酯或左旋聚乳酸。
9.一种由权利要求7所述制备方法得到的具有三维结构的电纺纤维支架，其特征在于，所述电纺纤维支架具有内部贯通的孔隙，孔隙直径10μm~500μm，孔隙率大于90%，纤维直径为50nm~10μm。
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