CN103046161A - 丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法 - Google Patents

丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及组织生物工程材料领域，提供了一种丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，本发明采用混合溶剂配制内层纺丝溶液，优化了内、外层的挥发速度，达到内外层同步挥发的作用，提高了丝素—聚己内酯双组分超细纤维的包覆率，提高了其在仿生应用中的稳定性。

Description

丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝工艺，具体涉及一种同轴静电纺丝方法。
背景技术
采用组织工程学在体外构建有生物活性的种植体，并植入体内来替代和修复人体病变、缺损的组织和器官是当下材料学、工程学以及生命科学共同的前沿研究热点之一。其中组织工程支架是组织工程化组织的基本构架，应具备天然细胞外基质的结构和生物学功能，以支持细胞粘附、生长和增殖，并且降解速率要和组织再生相匹配。从生物学的观点来看，人体的组织和器官几乎都具有纳米纤维的形式和结构。因此，仿生组织工程支架应由纳米纤维来构建与设计，从而最大限度的模仿细胞外基质ECM结构，使支架具备生物功能，与肌体组织实现完全整合。在众多的纳米纤维制备方法当中，静电纺丝技术是最为简捷有效的方法之一。采用静电纺丝法制备的三维支架具有很高的比表面积和孔隙率，与天然细胞外基质相似的微观结构。支架较高的比表面积有利于细胞粘附、增殖和分化，有效释放活性因子；合适的孔径和高的孔隙率有利于细胞种植和细胞外基质的形成，氧气和营养物质的传输，代谢物的排放等。
传统的静电纺丝只适用于单一组分或共混材料的纺丝。单一组分的纳米纤维很少同时具有组织工程支架所需的各种性能，而简单的物理共混又不能将各材料的优势充分发挥出来。因此，采用芯-壳结构复合的纳米纤维要比单组分和共混结构的纳米纤维更具有材料上的优势。通过芯-壳结构复合，使纤维同时具有芯层的机械性能和壳层的生物相容性性能，更适合于支架材料性能调控。同轴静电纺丝法是制备芯壳结构微纳米纤维较为简单有效的一种方法。
同轴静电纺丝技术是在传统静电纺丝的基础上发展演变而来，与传统静电单纺的原理基本相同，同轴电纺具有两套供液系统和内外同轴的喷丝头设计。根据成丝的需要，同轴电纺可以选用两种不同的纺丝溶液同时由喷嘴挤出，形成外层溶液包裹内层溶液的复合液滴，然后在高压静电场中受到拉伸作用，形成复合泰勒锥，进而形成极细的皮-芯结构射流，射流外层与内层溶液的溶剂先后挥发，最后在收集装置上就可以得到具有芯-壳结构的复合纳米纤维。由于在两种溶液在被挤压到喷嘴之前是完全分开的，所以同轴电纺可以通过两套不同的供液装置设计不同的内外层溶液，制备出具有某种结构和特殊功能的复合微纳米纤维。它可以将生物活性因子负载在芯-壳纤维的芯部，通过壳层控制其扩散，从而获得相对稳定的释放性能；也可以通过芯壳层选材的设计，整合芯壳层各材料的优势性能，使纤维更好的应用于组织工程支架，比如芯层的机械性能，壳层的生物相容性。
通过对同轴静电纺丝的过程分析可知造成芯壳结构破坏的主要原因为：同轴静电纺丝两套供液系统将两种高聚物溶液以不同的供液量同时挤压至内外同轴的喷丝头，形成外层溶液包裹内层溶液的复合液滴。在由高压静电形成的静电场中，复合液滴表面迅速积聚大量电荷，受到电场力的拉伸作用，克服液滴的表面张力与内粘滞力而形成内外同轴的复合泰勒锥，进而形成皮芯结构的同轴射流。射流在电场中不断细化，且溶剂挥发，并最终在收集装置上得到芯壳结构的纤维。在纺丝的过程中，同轴射流由泰勒锥喷出，先经过一段直线运动，即喷射流的初始运动阶段，然后循螺旋线运动，即为喷射流的摆动非稳定阶段，运动方式非常复杂。同轴静电纺丝溶液是由于溶剂的存在才在射流表面积聚电荷。而由于溶剂的挥发使得溶液的浓度减小，表面积聚的电荷也相应减少，并且射流的粘滞力和表面张力都会发生变化。当溶剂挥发到一定程度后，射流表面的库伦排斥力不大于射流的粘滞力和表面张力，此时射流不再牵伸细化。由于同轴射流有内外两层溶液，外层溶液的溶剂先挥发，而内层溶液由于外层溶液的包覆后挥发。这就使得射流的外层先停止牵伸，而射流内层继续牵伸，从而使得外层在内层的牵伸下而发生断裂，造成纤维芯壳结构破坏。
现有工艺下的丝素—聚己内酯双组分超细纤维包覆率比较低，增加了人体器官的排异概率，大大影响了复合纳米纤维在组织工程学中应用的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，解决现有问题中的一个或多个。
本发明公开了一种丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，包括以下步骤：
S1、将丝素纤维溶解在六氟异丙醇中，配制成丝素纺丝溶液；
S2、将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中配制成聚己内酯纺丝溶液；
S3、以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝。
本发明创造性地采用混合溶剂配制内层纺丝溶液，优化了内、外层的挥发速度，达到内外层同步挥发的作用，提高了丝素—聚己内酯双组分超细纤维的包覆率，提高了其在仿生应用中的稳定性。
在一些实施方式中，S2中混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为2～6:1。作为优化，混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为4:1。
在一些实施方式中，S1中丝素纺丝溶液质量分数为6～10%。作为优化，S1中丝素纺丝溶液质量分数为9%。
在一些实施方式中，S3同轴静电纺丝的工艺参数为室温，外毛细管外径为0.9～1.8毫米，内径为0.6～1.4毫米，内毛细管外径为0.4～1.2毫米，内径为0.24～0.56毫米，外管推进速度为0.9～2.7毫升每小时，内管的推进速度为0.4～0.8毫升每小时，接收距离为9～25厘米，电压为12～30kv。作为优化，S3所述同轴静电纺丝的工艺参数为室温，外毛细管外径为1.2毫米，内径为0.8毫米，内毛细管外径为0.7毫米，内径为0.37毫米；外管推进速度为1.8毫升每小时，内管的推进速度为0.6毫升每小时，接受距离为12厘米，电压为20kv。
在一些实施方式中，S2中聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.46～0.67倍。作为优化，S2中聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.56倍。优化内、外层溶液浓度参数，采用经验值倍数相对应的浓度参数调节。
在一些实施方式中，S1中丝素纤维选自家蚕生丝经过脱胶和透析提纯后制备的二次丝素纤维，其制备过程包括以下步骤：
S1a、家蚕生丝在浓度为0.06～1%的碳酸钠溶液中于97～100℃下脱胶30分钟，再用去离子水洗净，经拉松后在45～60℃下烘干得到一次丝素纤维；
S1b、将11～19g一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，溶解在溴化锂溶液中，配制成一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液，再用去离子水透析混合溶液，制得二次丝素纤维溶液，将二次丝素纤维溶液置于聚乙烯盘中室温下干燥制得二次丝素纤维。
原料的纯度的提高，是进行丝素—聚己内酯双组分超细纤维同轴静电纺丝的保证。
丝素—聚己内酯双组分超细纤维的包覆率检测可采用电子能谱进行定量检测，由于外层丝素蛋白中含有C、H、O、N元素，而内层聚己内酯只有C、H、O元素。因此可以通过电子激发能谱测定同轴电纺网中N元素和纯丝素中N元素含量的百分含量，来间接估算芯壳纤维表面的成分，确定纤维表面的碳元素有多少是来自丝素蛋白，从而间接估算芯壳纤维所占的比例。
即芯壳纤维包覆率：
Figure BDA00002591198300041
其中Nsurface表示芯壳纤维表面氮元素含量；Nsf表示丝素表面氮元素所占含量；Csf表示丝素表面碳元素含量,Csurface表示芯壳纤维表面碳元素含量。
上述工艺条件下制得的产品包覆率可达75.98%，相比现有产品只有20～30%。本发明对工艺的优化取得了意想不到的技术效果。
具体实施方式
实施例1：
根据本发明的一个方面，本发明公开了一种丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝工艺，包括以下步骤：
将家蚕生丝在浓度为0.06%的碳酸钠溶液中于97℃脱胶30分钟，然后用去离子水洗净，经拉松后在55℃的烘箱中烘干后得到一次丝素纤维。
按照每15g一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，将一次丝素纤维溶解在溴化锂溶液中，形成一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液。
然后用去离子水透析混合溶液，得到二次丝素纤维溶液，然后放置在聚乙烯盘中室温下干燥制成二次丝素纤维。
将二次丝素纤维溶解在六氟异丙醇中形成质量分数为9%的丝素纺丝溶液。
将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中，配制成质量分数5%聚己内酯纺丝溶液（聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.56倍），混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为4:1。
以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液室温下进行同轴静电纺丝，外毛细管外径为1.2毫米，内径为0.8毫米，内毛细管外径为0.7毫米，内径为0.37毫米；外管推进速度为1.8毫升每小时，内管的推进速度为0.6毫升每小时，接受距离为12厘米，电压为20kv，得到丝素—聚己内酯双组分超细纤维。
本发明中所说的“室温”是一般常用科技语，是指18～25℃的常温。本发明中“一次丝素纤维”是指家蚕生丝经过碳酸钠脱胶后初步制成的纯度较低的丝素纤维，其纯度一般只有实验纯。“二次丝素纤维”是指将纯度较低的丝素纤维经过透析提纯得到的高纯度丝素纤维，其纯度一般可达优级纯。
电子能谱定量检测，本实施例制备的丝素—聚己内酯双组分超细纤维包覆率可达75.98%。
实施例2：
将家蚕生丝在浓度为0.010%的碳酸钠溶液中于98℃脱胶30分钟，然后用去离子水洗净，经拉松后在45℃的烘箱中烘干后得到一次丝素纤维。
按照每13g一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，将一次丝素纤维溶解在溴化锂溶液中，形成一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液。
然后用去离子水透析混合溶液，得到二次丝素纤维溶液，然后放置在聚乙烯盘中室温下干燥制成二次丝素纤维。
将二次丝素纤维溶解在六氟异丙醇中形成质量分数为6%的丝素纺丝溶液。
将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中，配制成质量分数3.53%聚己内酯纺丝溶液（聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.58倍），混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为2:1。
以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝，外毛细管外径为1.0毫米，内径为0.7毫米，内毛细管外径为0.6毫米，内径为0.32毫米；外管推进速度为1.6毫升每小时，内管的推进速度为0.7毫升每小时，接受距离为10厘米，电压为15kv，室温下纺丝，得到丝素—聚己内酯双组分超细纤维。
经电子能谱的定量检测，所得丝素—聚己内酯双组分超细纤维网的包覆率为71.73%。
实施例3：
将家蚕生丝在浓度为0.08%的碳酸钠溶液中于99℃脱胶30分钟，然后用去离子水洗净，经拉松后在60℃的烘箱中烘干后得到一次丝素纤维。
按照每19g一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，将一次丝素纤维溶解在溴化锂溶液中，形成一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液。
然后用去离子水透析混合溶液，得到二次丝素纤维溶液，然后放置在聚乙烯盘中室温下干燥制成二次丝素纤维。
将二次丝素纤维溶解在六氟异丙醇中形成质量分数为10%的丝素纺丝溶液。
将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中，配制成质量分数6.7%聚己内酯纺丝溶液（聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.67倍），混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为6:1。
以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝，外毛细管外径为1.8毫米，内径为1.4毫米，内毛细管外径为1.2毫米，内径为0.56毫米；外管推进速度为1.8毫升每小时，内管的推进速度为0.6毫升每小时，接受距离为25厘米，电压为30kv，室温下纺丝，得到丝素—聚己内酯双组分超细纤维。
经电子能谱的定量检测，所得丝素—聚己内酯双组分超细纤维网的包覆率为66.89%。
实施例4：
将家蚕生丝在浓度为0.12%的碳酸钠溶液中于100℃脱胶30分钟，然后用去离子水洗净，经拉松后在56℃的烘箱中烘干后得到一次丝素纤维。
按照每11g一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，将一次丝素纤维溶解在溴化锂溶液中，形成一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液。
然后用去离子水透析混合溶液，得到二次丝素纤维溶液，然后放置在聚乙烯盘中室温下干燥制成二次丝素纤维。
将二次丝素纤维溶解在六氟异丙醇中形成质量分数为6%的丝素纺丝溶液。
将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中，配制成质量分数2.76%聚己内酯纺丝溶液（聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.46倍），混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为4:1。
以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝，外毛细管外径为0.9毫米，内径为0.6毫米，内毛细管外径为0.4毫米，内径为0.24毫米；外管推进速度为0.9毫升每小时，内管的推进速度为0.4毫升每小时，接受距离为9厘米，电压为12kv，室温下纺丝，得到丝素—聚己内酯双组分超细纤维。
经电子能谱的定量检测，所得丝素—聚己内酯双组分超细纤维网的包覆率为69.43%。
实施例5：
将家蚕生丝在浓度为1%的碳酸钠溶液中于98℃脱胶30分钟，然后用去离子水洗净，经拉松后在55℃的烘箱中烘干后得到一次丝素纤维。
按照每17g丝素配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，将一次丝素纤维溶解在溴化锂溶液中，形成丝素和溴化锂的混合溶液。
然后用去离子水透析混合溶液，得到二次丝素纤维溶液，然后放置在聚乙烯盘中室温下干燥制成二次丝素纤维。
将二次丝素纤维溶解在六氟异丙醇中形成质量分数为9%的丝素纺丝溶液。
将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中，配制成质量分数4.68%聚己内酯纺丝溶液（聚己内酯纺丝溶液质量分数为丝素纺丝溶液质量分数的0.52倍），混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为5:1。
以丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝，外毛细管外径为1.0毫米，内径为0.7毫米，内毛细管外径为0.55毫米，内径为0.40毫米；外管推进速度为2.1毫升每小时，内管的推进速度为0.6毫升每小时，接受距离为15厘米，电压为25kv，室温下纺丝，得到丝素—聚己内酯双组分超细纤维。
经电子能谱的定量检测，所得丝素—聚己内酯双组分超细纤维网的包覆率为74.55%。

Claims (10)

1.丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将丝素纤维溶解在六氟异丙醇中，配制成丝素纺丝溶液；
S2、将聚己内酯溶解在六氟异丙醇和二氯甲烷的混合溶剂中配制成聚己内酯纺丝溶液；
S3、以所述丝素纺丝溶液为外管纺丝溶液，所述聚己内酯纺丝溶液为内管纺丝溶液进行同轴静电纺丝。
2.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S2中所述混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为2～6:1。
3.根据权利要求1或2所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S2中所述混合溶剂中六氟异丙醇与二氯甲烷的体积比为4:1。
4.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S1中所述丝素纺丝溶液质量分数为6～10%。
5.根据权利要求1或4所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S1中所述丝素纺丝溶液质量分数为9%。
6.根据权利要求1或2所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S3所述同轴静电纺丝的工艺参数为室温，外毛细管外径为0.9～1.8毫米，内径为0.6～1.4毫米，内毛细管外径为0.4～1.2毫米，内径为0.24～0.56毫米，外管推进速度为0.9～2.7毫升每小时，内管的推进速度为0.4～0.8毫升每小时，接收距离为9～25厘米，电压为12～30kv。
7.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S3所述同轴静电纺丝的工艺参数为室温，外毛细管外径为1.2毫米，内径为0.8毫米，内毛细管外径为0.7毫米，内径为0.37毫米；外管推进速度为1.8毫升每小时，内管的推进速度为0.6毫升每小时，接受距离为12厘米，电压为20kv。
8.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S2中所述聚己内酯纺丝溶液质量分数为所述丝素纺丝溶液质量分数的0.46～0.67倍。
9.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S2中所述聚己内酯纺丝溶液质量分数为所述丝素纺丝溶液质量分数的0.56倍。
10.根据权利要求1所述的丝素—聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝方法，其特征在于，S1中所述丝素纤维选自家蚕生丝经过脱胶和透析提纯后制备的二次丝素纤维，其制备过程包括以下步骤：
S1a、家蚕生丝在浓度为0.06～1%的碳酸钠溶液中于97～100℃下脱胶30分钟，再用去离子水洗净，经拉松后在45～60℃下烘干得到一次丝素纤维；
S1b、按11～19g所述一次丝素纤维配100ml9.3mol/L的溴化锂溶液，配制一次丝素纤维和溴化锂的混合溶液，再用去离子水透析上述混合溶液，制得二次丝素纤维溶液，将所述二次丝素纤维溶液置于聚乙烯盘中室温下干燥制得二次丝素纤维。
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