CN103173931B - 生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用，所述生物相容的纤维复合无纺网毡，由包括弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的复合材料制成，可以高度模拟原生血管组织力学性能，应用于人造血管、进行替代移植术或旁路移植术。本发明采用静电纺丝工艺进行的纤维复合无纺网毡的制备方法，操作简单，可方便地通过在纤维复合无纺网毡的制备过程中改变弹性纤维和非弹性纤维的比率、或调节弹性纳米纤维的拉伸程度，来制备所需力学性能的纤维复合无纺网毡，使其高度模拟不同原生组织的力学特性。通过本发明多样化收集区域的设置，可满足不同厚度、不同力学性能和不同形状纤维复合无纺网毡制备的需求。

Description

生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用，尤其涉及一种适用于植入生物体内的生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法，可将其用作人造血管而进行替代移植术或旁路移植术。

背景技术

生物体内的环境对植入材料的要求十分苛刻，除要求植入材料不引发体内免疫反应、无生理毒性外，还需要尽可能长期地保持与体内系统相匹配的力学性能。最常见的植入材料之一便是人造血管，其用于治疗心血管方面的疾病，如动脉硬化。动脉硬化是一种由于粥样斑块在血管壁处堆积而引发动脉变硬以及血流量减少，导致的动脉管壁慢性炎症反应。通常，体内病变的血管需要进行外科手术修复，或通过支架植入术，或通过人造血管或原生血管的替代移植术或旁路移植术。

然而,上述各解决方案仍存在着不足：外科手术修复病变血管虽然治疗比较彻底，但创伤大、风险大；进行支架植入术的患者有一定几率在六个月后发生支架术后再狭窄，粗血管的几率约为20%，细血管的几率可达33%；原生血管的替代移植术或旁路移植术，随着使用时间的推移，血管的通畅率大为降低，如十年间移植的血管通畅率仅为50%；而采用现有材料制成的人造血管进行替代移植术或旁路移植术，其血管移植通畅率比原生血管的移植通畅率更为降低。

现有的植入生物体的移植材料，尤其是血管移植材料的主要问题之一便是植入材料和生物体内原生组织之间的力学性能不匹配。生物体内原生组织、如原生血管的本质上是弹性的，其在血流压力下会发生膨胀，由于血液流速和压力的变化，以及几何学上的不一致，植入的血管片段与原生血管弹性上的不匹配会造成血流紊乱。如图1A所示，血管包含有一个较软的人造血管植入片段，该人造血管植入片段在血流压力下发生比原生血管更大程度的膨胀，导致流过该人造血管植入片段的血液紊乱，易引发血管瘤。相反地，如图1B所示，血管包含有一个较硬的人造血管植入片段，较硬的人造血管植入片段在血流压力下发生的膨胀较原生血管小，也会导致流过该人造血管植入片段的血液紊乱，从而可能导致再生狭窄等问题。此外，植入血管和原生血管组织间力学性能上的不匹配而导致的血流紊乱，在一定程度上影响血管移植术后的血管通畅率，使血管通畅率降低。因此，一种不仅与机体内生物相容的、不引发体免疫反应和无生理毒性的，且能高度模仿原生组织力学性能的植入材料成为必须。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用，尤其涉及一种适用于植入生物体内的生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法，以将其用作人造血管，从而进行替代移植术或旁路移植术。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种生物相容的纤维复合无纺网毡，由纤维复合材料制成，所述纤维复合材料包括弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维；所述弹性纳米纤维是由弹性聚合物制成的纳米纤维，所述弹性聚合物包括下述的一种或多种组合：聚氨酯、有机硅化合物、异丁橡胶、乙丙橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚异丁烯、聚环氧氯丙烷、聚异戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡胶、聚亚安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、氟丙烯酰酯；所述非弹性纳米纤维是由非弹性聚合物制成的纳米纤维，所述非弹性聚合物包括下述的一种或多种组合：海藻酸盐、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酰胺、聚己内酯、聚乙交酯-丙交酯。

优选地，本发明生物相容的纤维复合无纺网毡当中，所述聚乳酸包括左旋聚乳酸或外消旋聚乳酸；在所述纤维复合材料中，所述弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的含量比在1︰10～10︰1之间。更优选地，本发明生物相容的纤维复合无纺网毡当中，所述纤维复合材料还包括生物活性材料。

本发明还提供了上述生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，包括如下步骤：

⑴静电纺丝液的配制，分别将所述弹性聚合物和非弹性聚合物溶解在溶剂中形成弹性聚合物溶液和非弹性聚合物溶液、或是加热制成熔融弹性聚合物和熔融非弹性聚合物、或是通过溶胶凝胶法制成溶胶-凝胶弹性聚合物和溶胶-凝胶非弹性聚合物；

⑵弹性纳米纤维的静电纺丝，先将步骤⑴中制得的弹性聚合物溶液、熔融弹性聚合物或溶胶-凝胶弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min的条件下进行静电纺丝，将得到的弹性纳米纤维成型在静电纺丝装置上的收集区域内，形成弹性纳米纤维层；

⑶弹性纳米纤维的拉伸，将步骤⑵制得的弹性纳米纤维层拉伸，使所述弹性纳米纤维处于拉伸状态；

⑷非弹性纳米纤维的静电纺丝，将步骤⑴中制得的非弹性聚合物溶液、熔融非弹性聚合物或溶胶-凝胶非弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min的条件下进行静电纺丝，将得到的非弹性纳米纤维成型在所述步骤⑶制得拉伸状态的弹性纳米纤维层表面、形成非弹性纳米纤维层，或是将所述非弹性纳米纤维成型于所述弹性纳米纤维层中的弹性纳米纤维之间、形成弹性纳米纤维-非弹性纳米纤维混合层；

⑸弹性纳米纤维的复位，将步骤⑶拉伸状态的弹性纳米纤维层复位至步骤⑵的原始状态，使经过步骤⑷覆在其表面的非弹性纳米纤维层、或位于弹性纳米纤维层弹性纳米纤维之间的非弹性纳米纤维形成收缩的波状起伏状态，制得生物相容的纤维复合无纺网毡。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，步骤⑴中所述溶剂包括下述的一种或多种混合：乙酸、乙腈、甲酚、四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基甲酰胺或六氟异丙醇。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，步骤⑵制得的弹性纳米纤维层上的弹性纳米纤维与步骤⑷制得的非弹性纳米纤维相互对齐排列。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，步骤⑵成型的所述弹性纳米纤维层为一层或多层,步骤⑶成型的所述非弹性纳米纤维层为一层或多层。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块导电挡板之间或两块收集面板之间形成的空气间隙。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块可移动式的导电挡板之间或两块可移动式的收集面板之间形成的空气间隙。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，进一步地，所述静电纺丝装置上的收集区域是筒内直径可调节的旋转卷筒的筒外周表面区域。

本发明还包括一种人造血管，其通过上述的任意一种生物相容的纤维复合无纺网毡制得。

本发明应用实施之后，其显著的技术效果主要体现在：

一、本发明生物相容的纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生血管组织力学性能，可应用于人造血管来进行替代移植术或旁路移植术。

二、本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，操作简单，可方便的通过在纤维复合无纺网毡的制备过程中改变弹性纤维和非弹性纤维的比率、或调节弹性纳米纤维的拉伸程度，来制备所需力学性能的纤维复合无纺网毡，使其高度模拟不同原生组织的力学特性。

三、通过本发明多样化收集区域的设置，可满足不同厚度、不同力学性能和不同形状纤维复合无纺网毡制备的需求。

附图说明

图1A是现有技术中植入组织移植材料过软的血液流向示意图；

图1B是现有技术中植入组织移植材料过硬的血液流向示意图；

图2表示的是原生血管组织、弹性蛋白-胰蛋白酶消化和胶原蛋白甲酸消化的应力-应变曲线示意图；

图3是本发明用于制备生物相容的纤维复合无纺网毡的静电纺丝系统示意图；

图4A是本发明实施例弹性纳米纤维成型示意图；

图4B是本发明实施例弹性纳米纤维成型后拉伸状态示意图；

图4C是本发明实施例非弹性纳米纤维成型示意图；

图4D是本发明实施例弹性纳米纤维拉伸后回复状态示意图；

图5A是本发明实施例弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维都被完全伸展状态示意图；

图5B是本发明实施例非弹性纳米纤维随着弹性纳米纤维压缩过程某一状态示意图；

图5C是本发明实施例非弹性纳米纤维随着弹性纳米纤维压缩过程另一状态示意图；

图6是本发明用于制备生物相容的纤维复合无纺网毡的静电纺丝系统中收集区域结构剖视图；

图7是本发明用于制备生物相容的纤维复合无纺网毡的静电纺丝系统中收集区域结构示意图；

图8A是本发明实施例弹性纳米纤维在旋转卷筒上的成型示意图；

图8B是本发明实施例弹性纳米纤维在旋转卷筒上成型后拉伸状态示意图；

图8C是本发明实施例非弹性纳米纤维在旋转卷筒上的成型示意图；

图8D本发明实施例弹性纳米纤维在旋转卷筒上拉伸后回复状态示意图；

图9A是本发明实施例纤维复合无纺网毡扫描电镜图；

图9B是本发明实施例纤维复合无纺网毡荧光显微镜图；

图10是本发明实施例直线型PU纤维和直线型PCL纤维、原生主动脉组织、直线型PU纤维和波状起伏型PCL纤维的应力-应变曲线图；

图11是本发明实施例直线型PU纤维和直线型PCL纤维、直线型PU纤维和波状起伏型PCL纤维的应力-应变曲线图；

图12是本发明实施例包含不同比例弹性纳米纤维与非弹性纳米纤维的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线图；

图13是本发明实施例包含不同非弹性纳米纤维压缩率纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线图；

图14是本发明实施例纤维复合无纺网毡不同拉伸状态的扫描电镜图；

图15是根据图14不同状态纤维复合无纺网毡的数据所作的点线图；

图16是本发明实施例生物相容的纤维复合无纺网毡进行重复拉伸的负载-时间关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进行说明，所举的实施例仅是对本发明产品或方法作概括性例示，有助于更好地理解本发明，但并不会限制本发明范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

本发明所揭示的生物相容的纤维复合无纺网毡及其制备方法和应用，主要是一种适用于植入生物体内的生物相容的纤维复合无纺网毡，该生物相容的纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生血管组织力学性能，可应用于人造血管来进行替代移植术或旁路移植术，本发明同时还提供由静电纺丝技术制备该生物体内的生物相容的纤维复合无纺网毡的方法。

本发明生物相容的纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生血管组织力学性能。原生血管包含大量的结缔组织，其细胞外基质蛋白主要包括弹性蛋白和胶原蛋白，原生血管组织的强度、弹性以及结构完整性主要是由胶原蛋白与弹性蛋白一起支撑的。胶原蛋白是由三个伸展的蛋白质分子链相互缠绕形成的三股螺旋结构，这些胶原蛋白分子于细胞外空间发生交联并形成胶原蛋白原纤，该胶原蛋白原纤有着优异的抗张强度，但弹性很低。而弹性蛋白多肽链交联在一起时形成橡胶状的弹性纤维。与胶原蛋白不同，当该弹性纤维发生拉伸时可伸展成一个较长的构象，而一旦外作用力消失，该弹性纤维自发的卷曲恢复原状。请参阅图2，它不仅体现了原生血管组织的应力-应变曲线，同时也显示了弹性蛋白和胶原蛋白各自对该原生组织整条应力-应变曲线的贡献。通过与原生血管组织对照组曲线比较可知，当弹性蛋白被胰蛋白酶消化后，血管组织抵抗变形的能力增大，但是弹性减小，而当胶原蛋白被甲酸消化后，血管组织抵抗变形的能力减小，但是弹性变得更好。由此可以看出，两种蛋白各自支配了血管组织整条应力-应变曲线的两个不同区域，如要得到正常情况下的该组织的力学特性，弹性蛋白和胶原蛋白所体现的性能缺一不可。

本发明所揭示的生物相容的纤维复合无纺网毡，由纤维复合材料制成，所述纤维复合材料主要是由弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维组成，两种纳米纤维分别良好的模拟了原生血管中弹性蛋白和胶原蛋白所形成纤维的力学性能，从而使本发明纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生血管组织的显微结构，并有着较好的顺应性。在此，纳米纤维的弹性界定是相对的，当某种纳米纤维是本发明所述弹性纳米纤维硬度的10～100倍时，即可将其称之为非弹性纳米纤维。

具体地，本发明所使用的弹性纳米纤维是由弹性聚合物制成的纳米纤维，所述弹性聚合物包括但不限于下述的一种或多种组合：聚氨酯、有机硅化合物、异丁橡胶、乙丙橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚异丁烯、聚环氧氯丙烷、聚异戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡胶、聚亚安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、聚氟丙烯酰酯。

本发明具体地，所使用的非弹性纳米纤维是由非弹性聚合物制成的纳米纤维，所述非弹性聚合物包括任意适合于生物应用的非弹性的均聚物、嵌段共聚物、无规共聚物、聚合物混合物等，具体包括但不限于下述的一种或多种组合：海藻酸盐、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酰胺、聚己内酯、聚乙交酯-丙交酯。所述聚乳酸包括左旋聚乳酸或外消旋聚乳酸。

本发明具体实施地，所述弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的含量比在1︰10～10︰1之间。

制成本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的纤维复合材料除了包括弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维，还包括生物活性材料。如本领域技术人员公知的，所述生物活性材料可包括但不限于一种或多种下述物质：药类、生长因子、营养素、细胞、蛋白质等。当然，除了上述生物活性材料，还可包括其它的添加材料。将上述生物活性材料或添加材料加入纤维复合材料中制成本发明纤维复合无纺网毡，可以获得不同性能的纤维复合无纺网毡。例如，添加材料改善增加纤维复合无纺网毡在韧性、模量、颜色等物理特性上的性能。当添加材料是本发明所述的生物活性材料时，该生物活性材料可被释放至纤维复合无纺网毡植入的周围区域，并随着体内血液流动输送到目标病灶位点。生物活性材料的输送是沿着浓度梯度方向对纤维复合无纺网毡的淋洗，或者是通过选择性地使纤维复合无纺网毡内的纤维降解来促进生物活性材料的输送。

本发明同时还提供由静电纺丝技术制备该生物体内的生物相容的纤维复合无纺网毡的方法。静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，该聚合物微小射流可以运行相当长的距离，留下带电的聚合物并固化成纤维沉积至收集区域。基于上述原理，下面具体阐述本发明所揭示的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法：

⑴电纺丝液的配置

分别将所述弹性聚合物和非弹性聚合物溶解在溶剂中形成弹性聚合物溶液和非弹性聚合物溶液、或是加热制成熔融弹性聚合物和熔融非弹性聚合物、或是通过溶胶凝胶法制成溶胶-凝胶弹性聚合物和溶胶-凝胶非弹性聚合物。所述弹性聚合物溶液的弹性聚合物的质量百分比，是在该弹性聚合物的可静电纺浓度范围之内的优选值，具体数值取决于该弹性聚合物的成分、溶剂种类、环境湿度、静电纺丝电压、泵供流量等因素。比如：该弹性聚合物溶液的弹性聚合物的质量百分比可能是10wt%。同理，所述非弹性聚合物溶液的非弹性聚合物的质量百分比也是这样决定的，如：该非弹性聚合物溶液的非弹性聚合物的质量百分比可能是21wt%。所述溶剂包括但不限于下述的一种或多种混合：乙酸、乙腈、甲酚、四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基甲酰胺或六氟异丙醇。

⑵弹性纳米纤维的静电纺丝

先将步骤⑴中制得的弹性聚合物溶液、熔融弹性聚合物或溶胶-凝胶弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min，优选为0.015ml/min～0.020ml/min的条件下进行静电纺丝，将得到的弹性纳米纤维成型在静电纺丝装置上的收集区域内，形成弹性纳米纤维层，所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块导电挡板之间或两块收集面板之间形成的空气间隙、或所述静电纺丝装置上的收集区域是筒内直径可调节的旋转卷筒的筒外周表面区域。所述静电纺丝装置上的收集区域还可是由两块可移动式的导电挡板之间或两块可移动式的收集面板之间形成的空气间隙。

如图3所示的实施过程中，收集区域是由两块导电挡板3之间形成的空气间隙。该导电挡板产生的电场可使沉积的纤维横穿收集区域的空气间隙形成定向对齐排列。具体实施过程中，将步骤⑴中制得的弹性聚合物溶液、熔融弹性聚合物或溶胶-凝胶装入静电纺丝的毛细管或针头中，通过常规的静电纺丝方法，将上述弹性聚合物溶液、熔融弹性聚合物或溶胶-凝胶拉伸形成“泰勒锥”结构，当其经过空气到达接收的收集区域时，部分溶剂挥发或熔融聚合物冷凝，留下带电的聚合物纤维。图3中收集区域是由两块导电挡板3之间形成的空气间隙，因此带电的聚合物纤维可以大致定向对齐排列在收集区域上，即位于两块导电挡板3之间，纤维的两端都和各自的导电挡板粘结在一起。如本领域所周知的，上述所述导电挡板3可是任意导电材料制成，两块导电挡板可以相同也可以不同，包括但不限于铝、铜、带有表面导电材料的薄片结构等，所述导电挡板3也可由收集面板等替换。两块平行的导电挡板间距大致为2mm～10cm，也可以增大到20cm、50cm或更宽，其最大间距一般与纤维直径，以及其他成型参数有关，如聚合物分子量、针尖电压大小等有关。

⑶弹性纳米纤维的拉伸

将步骤⑵制得的弹性纳米纤维层拉伸，使所述弹性纳米纤维处于拉伸状态。当所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块导电挡板之间或两块收集面板之间形成的空气间隙、或所述静电纺丝装置上的收集区域还可是由两块可移动式的导电挡板之间或两块可移动式的收集面板之间形成的空气间隙时，只需通过调整导电板或收集面板之间的间距即可将弹性纳米纤维层拉伸；当所述静电纺丝装置上的收集区域是筒内直径可调节的旋转卷筒的筒外周表面区域时，通过扩大筒内直径来使弹性纳米纤维层拉伸。

⑷非弹性纳米纤维的静电纺丝

将步骤⑴中制得的非弹性聚合物溶液、熔融非弹性聚合物或溶胶-凝胶非弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min，优选为0.015ml/min～0.020ml/min的条件下进行静电纺丝，

将得到的非弹性纳米纤维成型在所述步骤⑶制得拉伸状态的弹性纳米纤维层表面、形成非弹性纳米纤维层，或是将所述非弹性纳米纤维成型于所述弹性纳米纤维层中的弹性纳米纤维之间、形成弹性纳米纤维-非弹性纳米纤维混合层。

所述步骤⑶和所述步骤⑷的具体实施过程请参阅4A、4B和4C。如图4A所示，已经在两块导电挡板3之间成型好的纳米纤维对齐排列的弹性纳米纤维层，此时导电挡板3之间的距离为W，如图4B所示，增加两块导电挡板3之间的距离至W+D，使弹性纤维在拉伸应力下保持W+D的长度，然后通过步骤⑷所述方法将非弹性纤维覆盖到弹性纳米纤维层的上方单独形成非弹性纳米纤维层、或是将非弹性纳米纤维与弹性纳米纤维互混排列形成弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的混合层，如图4C所示此时非弹性纤维长度为W+D。

或是参阅图8A、图8B、图8C和图8D，本发明所述静电纺丝装置上的收集区域是筒内直径可调节的旋转卷筒的筒外周表面区域。具体地，该旋转卷筒是由马达驱动的旋转卷筒。当卷筒保持初始直径时，如图8A所示，弹性纤维在卷筒表面形成弹性纤维层。之后如图8B所示，卷筒的直径增大，弹性纤维层的纤维被拉伸，再如图8C所示，再在已拉伸的弹性纤维之上形成一层非弹性纤维，最后如图8D所示，使旋转卷筒回复到初始直径状态，弹性纤维层就松弛回到原始长度，其上方的非弹性纤维呈现波状起伏的形貌。当然，如前所述，可根据需要在旋转卷筒表面形成多层弹性纤维层或非弹性纤维层。与平面收集区域形成纤维层的工艺相比，旋转卷筒成型工艺可以提供具有各向同性力学特性的一层或多层纤维复合材料。

⑸弹性纳米纤维的复位

将步骤⑶拉伸状态的弹性纳米纤维层复位至步骤⑵的原始状态，使经过步骤⑷覆在其表面的非弹性纳米纤维层、或位于弹性纳米纤维层弹性纳米纤维之间的非弹性纳米纤维变成收缩的波状起伏状态，制得生物相容的纤维复合无纺网毡。如图4D所示通过两块导电挡板重新归位回到原来的宽度W，两种纤维都得到放松，弹性纤维在张力松弛后就会回到最初的长度，而非弹性纤维则会被压缩得到的波状起伏的状态。请参阅图5A、5B和5C，在非弹性纤维成型到弹性纤维毡上之前，弹性纤维被拉伸的距离会影响纤维复合材料的总伸展能力。如图5A，弹性纤维和非弹性纤维都被完全伸展，该复合纤维网实质上已不可能再得到额外的伸展。图5B中，纤维毡上的非弹性纤维沿轴向长度方向只展示了较少的波状起伏状态，纤维复合材料最终的伸展能力仅仅取决于非弹性纤维完全伸展开的长度。图5C中的纤维复合材料就展示了更多的波状起伏，纤维沿着自身长度方向上的曲率更大。因此，图5C中的纤维复合材料将比图5B中展现出更强的伸展能力。

本发明具体地，步骤⑵制得的弹性纳米纤维层上的弹性纳米纤维与步骤⑷制得的非弹性纳米纤维相互对齐排列。但这种相互排列不是精确的相互平行排列，即相邻纳米纤维之方向线在±20°的范围内保持大致相互平行。当然，所述弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的排列不仅仅限于上述形式。根据需要，步骤⑵成型的所述弹性纳米纤维层可为一层或多层，步骤⑶成型的所述非弹性纳米纤维层为一层或多层。如在多数的弹性纤维成型后，当已成型的弹性纤维绷在收集隔间内部时，收集面板的间距W有一个增量D，使得已成型的弹性纤维得到拉伸。当弹性纤维以这个拉伸取向固定时，非弹性纤维开始成型并同上述弹性纤维一样移动到收集隔间内。所述弹性纳米纤维层和所述非弹性纳米纤维层可以形成多层来达到任意想要的厚度。

本发明所述弹性聚合物或非弹性聚合物可制成不同类型的纳米纤维，以满足高度模拟不同弹性组织特性的合成材料的需要。如可通过调整纤维复合材料成分的化学性质、弹性成分与非弹性成分的相对用量、纤维复合材料成分的总体取向度等来满足符合某个特定目标原生组织所需力学性能上的要求，该力学性能主要参考下述项：抗张强度、弹性模量、各向异性特质等。

本发明方法在实施过程中，在弹性纳米纤维层基础上成型的非弹性纳米纤维层成型时，可能会产生两种类型的纤维互相纠缠，或互相粘连排列的现象。若在非弹性纤维成型之前弹性纤维已经完全干燥，那么在非弹性纤维成型之后两种不同类型的纤维间就不会发生物理粘连。由于本发明采用由两块可移动式的导电挡板之间或两块可移动式的收集面板之间形成的空气间隙作为收集区域来完成纤维的成型，避免了上述弹性纤维和非弹性纤维相互纠缠或粘连现象的出现。请参阅图6，作为收集区域来完成纤维成型的静电纺丝可移动式的收集面板4包括设置在其上的连续轨道，并沿着箭头指示的方向运动，将纤维逐渐从沉积区域移到收集隔间内，所述收集面板4也可由导电挡板替换。因此，在第二根单纤维将要沉积到之前一根单纤维上面之前，之前这根单纤维就已经从沉积区域向下运动进入收集隔间，因而两根纤维间会留有一定的空隙，使纤维能够凝固或者干燥，最终成型的纤维复合材料上单根纤维不会相互粘结。另外，由于纤维成型时在收集区域不断移动，可以避免收集区域上的电荷积聚。所收集得到的弹性纳米纤维层和非弹性纳米纤维层、或其弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维混合层根据需要沉积不同厚度。且纤维复合无纺网毡内部相对较大的开放空间和孔隙率，单根纤维间几乎没有粘结作用。本发明所述收集区域可是一个或多个，以达到从多个方向移动单纤维的目的，如第一个收集区域使纤维沿着垂直方向移动，第二个收集区域可使纤维沿着竖直方向移动。

当然，如本领域技术人员公知的，纳米纤维在收集区域上的成型方式是多样的。如图6所示的Z轴走向，或如图7所示，当纳米纤维沉积至收集面板4之间的沉积区域之后，已成型的纤维可以从沉积区域移走，但仍可以停留在纤维成型时的平面，其运动可以沿着如图7的箭头所示的垂直于静电纺丝针头5所定义的方向。在该箭头所示方向上成型所需数量的弹性纤维后，两块收集面板的间距可以如上文所提到的那样被增大，然后多数的非弹性纤维可以在加宽的间距上成型。如需形成多层的纤维复合材料，只需重复工艺即可。当然，纳米纤维从收集区域的移动也不局限于在单个平面，收集区域可旋转，以达到调节纤维网在整个深幅和/或宽幅范围内的相对齐整度的目的。例如，可以形成第一层的弹性纤维层和第二层的非弹性纤维层，纤维沿着轴向方向大致整齐排列，而在形成第一个两层之后，收集区域开始旋转，使后续纤维层与已收集得到的纤维层有着不一样的轴向取向。

制成本发明生物相容的纤维复合无纺网毡的纤维复合材料还包括生物活性材料或添加材料。该类生物活性材料或添加材料可以通过本领域所熟知的成型技术包含到纳米纤维当中。如：生物活性材料或添加材料可以在纳米纤维层成型之后再被包含到纤维与纤维之间的微孔中，也可以在纳米纤维层成型之前添加至制备纤维的聚合物材料当中，还可以在已成型的纤维复合无纺网毡上形成一个独立的层，或是在纤维复合无纺网毡成型之后再通过扩散的方式添加到其中。

本发明还揭示了生物相容的纤维复合无纺网毡的应用，可将本发明生物相容的纤维复合无纺网毡制作成想要的形状和尺寸，通过缝合或者生物粘附等方式植入体内或局部移植如体内，如缝合到已存在的血管组织上、用于移植到皮肤或任何其它对弹性特性要求较高的组织上等等，如一种人造血管，其通过本发明任意一种生物相容的纤维复合无纺网毡制得。

【实施例1】

将聚氨酯（PU）按12wt%的比例溶解在六氟异丙醇中，将聚己内酯（PCL）按25wt%的比例溶解在3:1的二氯甲烷/二甲基甲酰胺混合溶剂中。为了直观地区分两种不同材料的纤维，将荧光羰花青染料加入到所述聚氨酯溶液，将绿色荧光染料加入到聚己内酯溶液，上述两种染料浓度都是0.03mg/ml。首先将含有荧光羰花青染料的聚氨酯溶液加入到23号计量针头的注射器中，在0.015ml/min～0.020ml/min的速率下泵供，对针尖施加8kV的电压来开始静电纺丝，用图6所示的收集区域上收集PU纳米纤维层，然后将该PU纳米纤维层拉伸，再将含有绿色荧光染料的聚己内酯溶液加入到23号计量针头的注射器中，在0.015ml/min～0.020ml/min的速率下泵供，同样对针尖施加8kV的电压来开始静电纺丝，收集PCL纳米纤维层收集在被拉伸的PU纤维层的上方，最后将含有PU纳米纤维层和PCL纳米纤维层的纤维复合无纺网毡松弛回到PU纳米纤维层未被拉伸前的状态，使PCL纳米纤维层形成与原生血管中胶原蛋白排列相类的波状起伏，从而使本发明纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生血管组织的显微结构，并有着较好的顺应性。

在一次的成型过程中，通过机架收集了4层整齐排列的PU纳米纤维层和3层整齐排列的PCL纳米纤维层，即弹性纳米纤维与非弹性纳米纤维的比率为4︰3。其中，PU纳米纤维层纤维的收集长度为L₀，并且被拉伸至1.55×L₀的长度。PCL纳米纤维层的纤维以1.55×L₀的长度收集在拉伸过的PU纳米纤维层上方，在松弛回到原长度L₀后，PU纳米纤维层的回复力将PCL纤维拉成一种波状起伏的状态。如图9A所示，根据扫描电镜的分析可以确认有一部分纤维是直线形的且整齐排列，而其它纤维则是波状起伏状态。进一步地，如图9B所示，在荧光显微镜下可以确认PU纤维是直线形，而PCL纤维则是波状起伏形。

通过对制得的本实施例纤维复合无纺网毡进行拉伸强度测试，得到应力-应变曲线。如图10所示，说明了包含直线型PU纤维和波状起伏型PCL纤维的本发明纤维复合无纺网毡，与在PCL纤维成型之前对PU纤维没有进行拉伸处理所形成包含直线型PU纤维和直线PCL纤维的纤维复合无纺网毡的应力-应变对比。进一步如图11所示，在图10所示的基础上，增加了原生主动脉组织的标准应力-应变曲线，可明显看出，包含直线型PU纤维和波状起伏型PCL纤维的本发明纤维复合无纺网毡可以高度模拟原生主动脉组织的应力-应变曲线，是一种生物相容的纤维复合无纺网毡。

【实施例2】

通过在纤维复合无纺网毡的制备过程中改变弹性纤维和非弹性纤维的比率，来比较上述比率的不用对纤维复合无纺网毡力学特性的影响。

弹性纳米纤维成型的弹性聚合物、与非弹性纳米材料成型的非弹性聚合物、及弹性纳米纤维层和非弹性纳米纤维层的制备方法与实施例1相同，即所用的弹性聚合物是实施例1所述的PU、非弹性聚合物是实施例1所述的PCL。

如图12所示，三种不同弹性纤维和非弹性纤维比率的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线不相同，从而可知弹性纤维和非弹性纤维的含量比是纤维复合无纺网毡力学性能的影响因素之一。其中：

曲线A表示弹性纤维和非弹性纤维比率为1∶3；

曲线B表示弹性纤维和非弹性纤维比率为1∶1；

曲线C表示弹性纤维和非弹性纤维比率为3∶1。

【实施例3】

本发明纤维复合无纺网毡在成型过程中由于弹性纳米纤维的拉伸程度不一，造成非弹性纳米纤维的压缩率不同。通过在纤维复合无纺网毡的制备过程中制成不同压缩率的非弹性纳米纤维层，来比较非弹性纳米纤维层的压缩率对纤维复合无纺网毡力学特性的影响。

弹性纳米纤维成型的弹性聚合物、非弹性纳米材料成型的非弹性聚合物、及弹性纳米纤维层和非弹性纳米纤维层的制备方法与实施例1相同，即所用的弹性聚合物是实施例1所述的PU、非弹性聚合物是实施例1所述的PCL。

设定PU纳米纤维的原始长度和拉伸长度分别为L₀和L₁，PCL纤维的压缩率根据公式(L₁-L₀)/L₁计算。如图13所示，

曲线A是只包含了PU纳米纤维的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线；

曲线B是压缩率为零的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线；

曲线C是压缩率为26℅的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线；

曲线D是压缩率为36℅的纤维复合无纺网毡的应力-应变曲线.

由图可知，通过在纤维复合无纺网毡的制备过程中制成不同压缩率的非弹性纳米纤维层，即通过在非弹性纳米纤维成型过程之前调节弹性纳米纤维的拉伸量，可以对所需要的纤维复合无纺网毡的力学特性进行特定地设计，以达到目标应力-应变特性。

【实施例4】

通过实施例1制得的包含有PU纳米纤维和PCL纳米纤维的纤维复合无纺网毡，用逐渐增加的载荷对其进行拉伸。图14所示，A、B、C、D、E、F、G、H、I分别表示该纤维复合无纺网毡在不同应变状态时的显微状态图。同样设定PU纳米纤维的原始长度和拉伸长度分别为L₀和L₁，应变值即为(L₁-L₀)/L₀，图15描述的是纤维复合无纺网毡处于A、B、C、D、E、F、G、H、I不同应变状态下的应力-应变曲线。其中A、B、C、D、E、F、G、H、I各状态的应变值分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.3、0.1、0。

图16所示，该纤维复合无纺网毡施以0.05mm/s的加载速率将其反复从应变量为0时拉伸至60%的最大应变量所对应的载荷-时间曲线。由上可知本发明纤维复合无纺网毡具有良好的力学性能。

应当注意的是，上述实施例只为解释说明所用，而不应被看作是对本发明所包含内容范围的限制。碍于篇幅限制，仅仅详细描述了较为典型的实施方法，对本领域技术人员来说应当充分认识到本发明可以针对未脱离其内容主旨的创新点及优点作相关修改，且所有这类修改都应包含在本发明所定义的和等同意义的内容范围之内。另外必须公认的是，包含在本发明内容范围中的一些实施方法，可能会被认定不具有其它一些实施方法的某种优点，但这种特定优点的缺乏不应理解成该实施方法必然在本发明所包含内容范围之外。

Claims (12)

1.一种生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

⑴静电纺丝液的配制

分别将弹性聚合物和非弹性聚合物溶解在溶剂中形成弹性聚合物溶液和非弹性聚合物溶液、或是加热制成熔融弹性聚合物和熔融非弹性聚合物、或是通过溶胶凝胶法制成溶胶-凝胶弹性聚合物和溶胶-凝胶非弹性聚合物；

⑵弹性纳米纤维的静电纺丝

先将步骤⑴中制得的弹性聚合物溶液、熔融弹性聚合物或溶胶-凝胶弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min的条件下进行静电纺丝，将得到的弹性纳米纤维成型在静电纺丝装置上的收集区域内，形成弹性纳米纤维层；

⑶弹性纳米纤维的拉伸

将步骤⑵制得的弹性纳米纤维层拉伸，使所述弹性纳米纤维处于拉伸状态；

⑷非弹性纳米纤维的静电纺丝

将步骤⑴中制得的非弹性聚合物溶液、熔融非弹性聚合物或溶胶-凝胶非弹性聚合物加入注射器中，在所述注射器的针尖电压为5kV～30kV和泵供速率为0.001ml/min～0.050ml/min的条件下进行静电纺丝，将得到的非弹性纳米纤维成型在所述步骤⑶制得拉伸状态的弹性纳米纤维层表面、形成非弹性纳米纤维层，或是将所述非弹性纳米纤维成型于所述弹性纳米纤维层中的弹性纳米纤维之间、形成弹性纳米纤维-非弹性纳米纤维混合层；

⑸弹性纳米纤维的复位

将步骤⑶拉伸状态的弹性纳米纤维层复位至步骤⑵的原始状态，使经过步骤⑷覆在其表面的非弹性纳米纤维层、或位于弹性纳米纤维层弹性纳米纤维之间的非弹性纳米纤维形成收缩的波状起伏状态，制得生物相容的纤维复合无纺网毡。

2.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：步骤⑵制得的弹性纳米纤维层上的弹性纳米纤维与步骤⑷制得的非弹性纳米纤维相互对齐排列。

3.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：步骤⑵成型的所述弹性纳米纤维层为一层或多层。

4.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：步骤⑷成型的所述非弹性纳米纤维层为一层或多层。

5.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块导电挡板之间或两块收集面板之间形成的空气间隙。

6.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝装置上的收集区域是由两块可移动式的导电挡板之间或两块可移动式的收集面板之间形成的空气间隙。

7.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝装置上的收集区域是筒内直径可调节的旋转卷筒的筒外周表面区域。

8.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述非弹性纳米纤维的硬度是所述弹性纳米纤维硬度的10～100倍；所述弹性聚合物包括下述的一种或多种组合：聚氨酯、有机硅化合物、异丁橡胶、乙丙橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚异丁烯、聚环氧氯丙烷、聚异戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡胶、聚亚安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、氟丙烯酰酯；

所述非弹性聚合物包括下述的一种或多种组合：海藻酸盐、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酰胺、聚己内酯、聚乙交酯-丙交酯。

9.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述的生物相容的纤维复合无纺网毡当中，弹性纳米纤维和非弹性纳米纤维的含量比在(1︰10)～(10︰1)之间。

10.根据权利要求1所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：在制备过程中还添加有生物活性材料，所述生物活性材料是在所述步骤(1)中弹性聚合物溶液和/或非弹性聚合物中添加生物活性材料；或是在所述步骤(4)中纳米纤维层成型后，在纤维与纤维之间的微孔中添加生物活性材料；或是在所述步骤(5)中已成型的纤维复合无纺网毡上再用生物活性材料形成一个独立的生物活性材料层；或是在所述步骤(5)中的纤维复合无纺网毡成型之后再通过扩散的方式添加生物活性材料。

11.根据权利要求10所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述生物活性材料为药类、生长因子、营养素、细胞当中的一种或几种组合。

12.根据权利要求11所述的生物相容的纤维复合无纺网毡的制备方法，其特征在于：所述营养素为蛋白质。