CN103088452A

CN103088452A - 一种三维电纺纤维支架的制备装置及制备方法

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Publication number: CN103088452A
Application number: CN2013100267605A
Authority: CN
Inventors: 冯章启; 任卓卓; 靳林; 蒋庆
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: CN103088452B

Abstract

本发明公开了一种三维电纺纤维支架的制备装置及制备方法，包括纺丝柜和高压电源，纺丝柜上方设有微量推进泵，纺丝柜上顶面留有开口，微量推进泵连接有注射器，注射器通过纺丝柜上顶面的开口伸入纺丝柜内部；纺丝柜内设有容杯，容杯位于注射器下方，容杯内装有接收溶液，纺丝柜内设有导电层，容杯压在导电层上方；注射器下方连接有金属针头，高压电源的正极通过正极导线与金属针头相连，高压电源的负极通过负极导线与导电层相连接。所述制备方法工艺简单，装置简易，有望实现量产化。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。

Description

一种三维电纺纤维支架的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料和组织工程支架系统领域，具体地说，涉及一种三维电纺纤维支架的制备装置及制备方法。

背景技术

组织工程的原理是诱导和促进种子细胞在体外或体内的生长、迁移以及增殖等一系列生理活动，最终形成具有三维结构的器官或组织。但是在传统电纺纤维平面膜上体外培养的细胞缺乏向有利于形成具有解剖学形状的组织三维方向生长的能力，它们会自由地生长、迁移，形成一个二维的细胞层，而这种二维的细胞层并不能满足组织工程的需求。对于组织工程所必需的三维组织，需要将细胞种植在具有三维多孔结构的支架上引导其生长，最终形成所需的三维组织结构。三维多孔结构的支架可以为细胞的附着、迁移和增殖提供理想的环境。组织工程的三大要素包括种子细胞、支架材料及生长因子。支架材料是具有三维结构的框架，它起到模拟细胞外基质的作用，使细胞能在这种三维结构上黏附、迁移、增殖，最终使组织得以重建。组织工程支架的形态和微观结构决定了重建的组织和器官的最终形状和结构。因此，支架是组织工程重要的组成部分。(HU Xudong, WANG Guanglin. Research Progress of Tissue Engineering Scaffold in Nerve Tissue Engineering. Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, September. 2010, 24(9):1133-1137)

在过去10年中，纳米科技的飞速发展已使越来越多的研究者把仿生纳米纤维应用于组织工程。在制备纳米纤维的各种方法(如自组装、相分离、静电纺丝等)中，静电纺丝方法具有简便快捷、成本低廉、结构可控等优点，被认为是最有可能实现连续纳米纤维工业化生产的一种技术，有望成为理想的组织工程仿生支架的制备方法。(ZHAO Shi-Fang, YUAN Hui-Hua, ZHANG Yan-Zhong, Progress in Electrospun 3D Macroporous Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering. Chinese Journal of Biomedical Engineering. 2012, 31 (1):129-140)

然而，由于传统的静电纺支架的纤维排列紧密、纤维之间的空隙过小，使细胞难以长入，无法构建出令人满意的三维组织。动物细胞的大小一般为10-100μm，而静电纺纤维直径通常在 500 nm 左右的无纺布的孔径是小于10μm。为应对这一难题，近年来研究者使用了各种方法提高静电纺纳米纤维支架的孔隙尺寸。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。(Honglin Chen, Jin Huang, Jiahui Yua, et al. Electrospun chitosan-graft-poly (caprolactone)/poly (caprolactone) cationic nanofibrous mats as potential scaffolds for skin tissue engineering. Biological Macromolecules 2011,48:13-19.)

有研究学者在（Nanotechnology and Precision Engineering2012,10(5)：390~394.）上，公开一种用机械应力得到三维支架材料的方法，该方法主要是通过以高度和位置可调的探针阵列为静电纺丝收集器，制备所需的三维纳米纤维结构。但其空间形貌与组织工程支架标准尚有一段距离，无法满足较高的组织工程要求，并非真正意义上的三维生物支架。

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 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维电纺纤维支架的制备装置及制备方法。所述制备方法工艺简单，装置简易，有望实现量产化。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。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种三维电纺纤维支架的制备装置，包括纺丝柜和高压电源，纺丝柜上方设有微量推进泵，纺丝柜上顶面留有开口，微量推进泵连接有注射器，注射器通过纺丝柜上顶面的开口伸入纺丝柜内部；纺丝柜内设有容杯，容杯位于注射器下方，容杯内装有接收溶液，纺丝柜内设有导电层，容杯压在导电层上方；注射器下方连接有金属针头，高压电源的正极通过正极导线与金属针头相连，高压电源的负极通过负极导线与导电层相连接。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述注射器的金属针头与接收溶液液面的距离为4cm~20cm。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述导电层的导电材料为锡膜。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述容杯的杯口直径大于15cm，以防止电纺纤维附着于容器口周围；所述容杯高度为5-15cm，可根据需要制备的纤维的量以及材料选择，使其更易形成高孔隙率的三维支架。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述接收溶液为乙醇、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或两种以上的混合。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述金属针头上2~5cm处设有一个绝缘薄片，安装此绝缘薄片，有助于稳定并集中电场，防止纤维飘散。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，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，提高纤维制备的安全性。

在上述三维电纺纤维支架的制备装置中，作为一种优选方案，所述容杯在接收电纺纤维时加以2-10Hz的小幅机械震动，可促进纤维迅速进入接收溶液，不会滞留于液面。

利用上述装置制备三维电纺纤维支架的方法，包括如下步骤：

（1）纺丝溶液的制备：将高聚物溶于溶剂中，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，调节高压电源电压值在10~20千伏之间，调节微量推进泵的推进速度0.5~1.5毫升/小时，开始三维纤维的制备；

（3）分离纺丝纤维：将容杯中的纤维团转移入装有超纯水的烧杯中，置换出纤维团接收溶液成分，重复若干次直到纤维团中的接收溶剂除尽；

（4）将含超纯水的纤维团放入-80℃冰箱冷冻；

（5）将步骤（4）所得冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到三维纤维支架材料。

在上述方法中，作为一种最优选方案，步骤（3）所述纤维团应用漏勺转移，最大程度保持所得纤维三维空间形貌。分离容杯中的纤维团时，用力要适中，以免纤维材料粘连破坏其三维结构。

在上述方法中，所述高聚物为壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、胶原、蛋白质、聚乳酸、聚极内酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或两种以上复合物。本发明所述的高聚物，为本领域常用的生物材料，根据选用不同种类的生物材料，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，所述高聚物优选为聚ε-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。

在上述方法中，作为一种最优选方案，所述容杯在接收电纺纤维时加以2-10Hz的小幅机械震动，可促进纤维迅速进入接收溶液，不会滞留于液面。

在上述方法中，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重量6%(wt%)。

在上述方法中，所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50μm~300μm，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：

本发明所述装置结构简单，促使三维结构的电纺纤维支架在静电纺的过程中直接形成。

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大量三维电纺纤维支架；

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。

所述电纺纤维支架具有优越的仿生结构即内部贯通的孔隙、极高的孔隙率、可控的孔隙直径，可促使种子细胞能够顺利地进入支架内部繁殖，实现种子细胞高度模拟体内环境培养及组织工程修复，有利于细胞的黏附、迁移、及生长因子与代谢物的输送，提高细胞的繁殖速度及存活率；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，为细胞外基质建立提供良好的环境，有利于细胞的繁殖和组织的愈合，有望推动组织工程领域在模拟体内环境发展。

附图说明

图1为实施例1三维电纺纤维支架的制备装置结构示意图；

图2为实施例1所得电纺丝纤维支架实物图。

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。

如图1所示，一种三维电纺纤维支架的制备装置，包括纺丝柜1和高压电源2，纺丝柜1上方设有微量推进泵3，纺丝柜1上顶面留有开口，微量推进泵3连接有注射器6，注射器6通过纺丝柜1上顶面的开口伸入纺丝柜1内部；纺丝柜1内设有容杯4，容杯4位于注射器6下方，容杯4内装有接收溶液5，纺丝柜1内设有导电层10，容杯4压在导电层10上方；注射器6下方连接有金属针头7，高压电源2的正极通过正极导线8与金属针头7相连，高压电源2的负极通过负极导线9与导电层10相连接。注射器6的金属针头7与接收溶液5液面的距离为4cm~20cm。导电层10的导电材料为锡膜。容杯4的杯口直径大于15cm，以防止电纺纤维附着于容器口周围；所述容杯4高度为5-15cm，可根据需要制备的纤维的量以及材料选择，使其更易形成高孔隙率的三维支架。金属针头7上2~5cm处设有一个绝缘薄片11，安装此绝缘薄片，有助于稳定并集中电场，防止纤维飘散。高压电源2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，提高纤维制备的安全性。

实施例1：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%（wt%，下同）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。容杯中盛入500ml乙醇，调节液面距离针头10cm。打开高压电源，调节电压值为15千伏，开始纺丝。

3.分离纺丝纤维：将乙醇中的PLLA纤维团转移到装有超纯水的烧杯中，将接收溶液各成分置换出三维电纺纤维，重复若干次除尽三维纤维中的乙醇等杂质。

4.将含超纯水的三维电纺纤维团放入-80℃冰箱冷冻直到完全结冰。

5.将所得冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到PLLA三维纤维支架材料。

所得三维电纺纤维支架材质轻盈蓬松，外观呈海绵状均一丝团，孔隙直径为50μm~300μm，纤维直径为0.5~2μm。所得电纺丝纤维支架实物图如图2所示。

实施例2：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15千伏，开始纺丝。

3.分离纺丝纤维：将乙醇中的PCL纤维团转移到装有超纯水的烧杯中，将接收溶液各成分置换出三维电纺纤维，重复若干次除尽三维纤维中的乙醇等杂质。此过程需要谨慎操作，用力过猛可能导致纤维形貌改变。

5.将所得冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到PCL三维纤维支架材料。

所得三维电纺纤维支架材质轻盈蓬松，外观呈海绵状均一丝团，孔隙直径为50μm~300μm，纤维直径为0.5~2μm。

Claims

1.一种三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于包括纺丝柜（1）和高压电源（2），纺丝柜（1）上方设有微量推进泵（3），纺丝柜（1）上顶面留有开口，微量推进泵（3）连接有注射器（6），注射器（6）通过纺丝柜（1）上顶面的开口伸入纺丝柜（1）内部；纺丝柜（1）内设有容杯（4），容杯（4）位于注射器（6）下方，容杯（4）内装有接收溶液（5），纺丝柜（1）内设有导电层（10），容杯（4）压在导电层（10）上方；注射器（6）下方连接有金属针头（7），高压电源（2）的正极通过正极导线（8）与金属针头（7）相连，高压电源（2）的负极通过负极导线（9）与导电层（10）相连接。

2.如权利要求1所述的三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述注射器（6）的金属针头（7）与接收溶液（5）液面的距离为4cm~20cm。

3.如权利要求1所述的三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述导电层（10）的导电材料为锡膜。

4.如权利要求1所述的三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述容杯（4）的杯口直径大于15cm；所述容杯（4）高度为5-15cm。

5.如权利要求1所述的三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述接收溶液（5）为乙醇、乙醚、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或两种及以上的混合。

6.如权利要求1所述的三维电纺纤维支架的制备装置，其特征在于，所述金属针头（7）上2~5cm处设有一个绝缘薄片（11）。

7.利用权利要求1所述装置制备三维电纺纤维支架的方法，其特征在于包括如下步骤：

（2）纺丝过程：将步骤（1）所得纺丝溶液置于注射器（6）中，调节高压电源电压值在10~20千伏之间，调节微量推进泵（3）的推进速度0.5~1.5毫升/小时，开始三维纤维的制备；

（3）分离纺丝纤维：将容杯（4）中的纤维团转移入装有超纯水的烧杯中，置换出纤维团接收溶液成分，重复若干次直到纤维团中的接收溶剂除尽；

（4）将含超纯水的纤维团放入-80℃冰箱冷冻；

（5）将步骤（4）所得冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到三维电纺纤维支架。

8.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高聚物为壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、胶原、蛋白质、聚乳酸、聚极内酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或两种及以上复合物。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述容杯（4）在接收电纺纤维时加以2-10Hz的机械震动。