CN103276470A

CN103276470A - 一种PLGA/MNPs纳米复合纤维材料及其制备与应用

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Publication number: CN103276470A
Application number: CN2013101849980A
Authority: CN
Inventors: 吴尧; 顾忠伟; 胡灏; 蓝芳
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103276470B

Abstract

本发明公开了一种超顺磁性复合纤维材料及其制备方法，所述材料由复合纤维编织而成，所述复合纤维中以聚合物为基体，磁性纳米颗粒均匀分布于其中并与基体牢固结合，聚合物与磁性纳米颗粒的复合量可精确调控，且所述复合材料既具有有序结构又拥有优良的生物相容性，有利于细胞和组织的定向生长。所述制备方法，设备简单、操作方便，便于推广应用。

Description

一种PLGA/MNPs纳米复合纤维材料及其制备与应用

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种具有超顺磁性的纳米复合纤维材料及其制备与应用。

背景技术

人体内的大部分组织，比如神经，肌肉，骨，血管，都是通过其高度有序的结构来实现其功能的表达。例如，神经组织通过其遍布全身的有序的轴突来实现信号的迅速传递。在日常生活中的种种原因如创伤、肿瘤、感染等造成这一类组织的缺损不愈合一直是治疗领域的难题。近年来，组织工程学的发展为解决这一难题提供了一种途径：通过组织工程方法诱导新组织的形成，从而修复受损组织。其中，作为载体的组织工程支架在修复过程中扮演着核心的作用。它能连接细胞的组织和框架，引导组织生长成特定的形态。所以具有有序结构的组织工程支架在这类组织的修复中尤为重要，因为支架的有序结构能成功诱导细胞的有序增长。因此，开发具有有序结构和优良的生物相容性的支架材料是目前组织工程领域亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种既具有有序结构又拥有优良的生物相容性的超顺磁性复合纤维材料及其制备与应用。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种超顺磁性复合纤维材料，由复合纤维编织而成，所述复合纤维中包含聚合物和磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒与聚合物的质量比范围为1:100～1:5，所述纤维材料中的纤维是有序排列的。

作为优选方式，所述纤维材料为薄膜或块体，所述聚合物为聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯（PEO）、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯腈（PAN）中的至少一种。

作为优选方式，所述复合纤维材料具有多层结构，同一层中的纤维沿相同方向排列，相邻两层间的纤维排列方向不同。

作为优选方式，复合纤维的直径为100～500nm，所述磁性纳米颗粒均匀分布于聚合物纤维中，其平均粒径为4nm～20nm。所述磁性纳米颗粒表面可以是疏水性的，也可以是亲水性的。

本发明的另一目的在于提供一种用于制备上述复合纤维材料的静电纺丝装置，包括注射器1，注射器推进泵2,不锈钢针头3,高压发生仪4,铝箔接收板5,地线10，所述注射器1置于推进泵2上用于容纳和注射纺丝液，所述注射器1通过导管5与不锈钢针头3连通，使注射器中的纺丝液能够通过不锈钢针头3排出，所述不锈钢针头3与高压发生仪4输出端通过导线6连接，当开启高压发生仪时能够使不锈钢针头及通过其中的纺丝液带上电荷，所述不锈钢针头3位于铝箔接收板5上方并垂直于铝箔接收板5，所述铝箔接收板5置于升降台上并与地线10连接，且所述铝箔接收板5处于具有均匀磁感线的强力磁场中。通过升降台可调整接收板与不锈钢针头3的距离，通过接地设置使不锈钢针头与接收板之间产生电压差，所述磁场可以采用强磁铁提供的静磁场，也可以采用交变电磁场。

作为优选方式，在所述铝箔接收板可在磁场中旋转方向。

作为优选方式，所述不锈钢针头3为6#平口针头，所述不锈钢针头3到铝箔接收板5距离为20cm。

作为优选方式，还可以在所述装置中设置保温装置，用于调节环境温度，尽量使静电纺丝过程处于比较恒定的温度，所述保温装置可以是红外灯。

本发明还提供了一种制备上述复合纤维材料的方法，包括以下步骤：

(1)纺丝液的配置：将磁性纳米颗粒通过超声分散于CH₂Cl₂中，再加入聚乳酸-羟基乙酸震荡混匀，然后将N,N-二甲基甲酰胺缓慢滴加到上述混合液中，混合均匀得到纺丝液；

(2)将上述纺丝液加入到权利要求4所述的静电纺丝装置中的所述的注射器中，开启高压发生仪和注射器推进泵，进行静电纺丝，最后从铝箔接收板上收集产品，干燥后得到复合纤维材料。

作为优选方式，所述纺丝液中磁性纳米颗粒与聚乳酸-羟基乙酸的质量比为1:100～1:5，其中所述质量比为1:10时，所得材料的有序性最高，聚乳酸-羟基乙酸终浓度为5%（w/v），所用溶剂CH₂Cl₂/DMF最终体积比8/2，所述高压发生仪的输出电压为20kV，注射器推进泵的推进速度为0.5～1mL/h，纺丝过程中环境温度控制在20～30℃。

作为优选方式，还可以在铝箔接收板上放置玻片，用于承载复合纤维材料，便于产品的收集，避免产品在干燥过程中发生较大的收缩和卷曲。

作为优选方式，在电纺丝过程中还可以通过改变接收板的方向，对纤维的方向进行控制，使所得的复合纤维材料中纤维分层定向排列。

本发明还提供了一种上述复合纤维材料的应用方法：将其用作组织工程支架材料。还可以将所述复合纤维与外加磁场配合用于细胞培养或组织修复。

本发明的有益效果：

1、本发明所述复合纤维材料中的纳米纤维以聚合物为基体，磁性纳米颗粒均匀分布于其中并与基体牢固结合，聚合物与磁性纳米颗粒的复合量可精确调控，所述聚合物选材丰富、原料易得，所得的复合纤维材料可以根据应用要求制作成薄膜或块体，并可制作成特定的形状。

2、通过选择具有良好生物相容性的聚合物作为基体可以使所得复合纤维材料也具有良好的生物相容性，通过加入磁性纳米颗粒使所得复合纤维材料中具有微区电磁场，可赋予其一定的电磁性能，能促进细胞在材料表面的增殖，并且能够与外加磁场响应进一步强化这种促进作用，因此，可通过所述材料与外加磁场配合用于组织修复；所述复合纤维为纳米尺寸的且排列方向可控，组织细胞沿着纤维方向生长，有利于得到高度有序的人造组织，便于在组织工程中的应用；所述材料具有不同取向的多层结构，一方面可以提高材料的力学性能，另一方面，有利于模拟血管、皮肤等具有多层结构的组织。

3、本发明所述复合纤维材料的制备装置中推进泵可以控制纺丝液的流出速度，并使之保持恒定，使得到的纤维直径均匀，并与高压发生仪输出电压、不锈钢针头开口大小、针头到接收板的距离、纺丝液特性等参数配合控制纤维的直径大小；通过将铝箔接收板置于磁场中，可以使具有磁性的纤维沿着磁感线方向排列，从而得到有序的复合纤维材料，通过保温装置使静电纺丝过程处于比较恒定的温度有利于提高产品质量，保证纤维均匀性，避免纺丝过程中产生结珠现象。

4、本发明采用静电纺丝技术生产复合纤维材料，通过磁性纳米颗粒与外加磁场的配合得到有序排列的静电纺丝材料，其操作简单，生产效率高，适于批量生产。对原料配比、溶剂选择、电压、推进速度、保温温度等工艺参数进行了优化，提高了产品质量。

附图说明

图1为本发明所述静电纺丝装置的示意图。其中1为注射器，2为注射器推进泵，3为不锈钢针头，4为高压发生仪，5为铝箔接收板，6为导管，7为导线，8为红外灯，9为强磁铁，10为地线。

图2为本发明所述实施例中部分样品的扫描电镜照片。

图3为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养1天的扫描电镜照片。

图4为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养2天的扫描电镜照片。

图5为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养3天的扫描电镜照片。

图6为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养1天的激光共聚焦照片。

图7为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养2天的激光共聚焦照片。

图8为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养3天的激光共聚焦照片。

图9为本发明所述纤维材料与C2C12细胞共培养1-3天的CCK-8检测结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。下述各实施例中所述的磁性纳米粒子可以采用高温法（见JACS 2004,126,273-279）或共沉淀法(见Chem.Mater.1996,8,2209-2211)制备，也可采用市售的具有超顺磁特性的纳米粒子（如Fe₃O₄、Fe₂O₃等），所述PLGA可采用开环聚合法（Polym.Degrad.Stab.,2001,71,243 　251）制备。

实施例1

一种静电纺丝装置，包括注射器1，注射器推进泵2（购于Parmer公司，型号为78-9100c）,不锈钢针头3,高压发生仪4（购于Meech，型号为992v3）,铝箔接收板5,整个装置通过一根地线10接地。所述注射器1置于推进泵2上用于容纳和注射纺丝液，所述注射器1通过导管6与不锈钢针头3连通，使注射器中的纺丝液能够通过不锈钢针头3排出，所述不锈钢针头3与高压发生仪4输出端通过导线7连接，当开启高压发生仪时能够使不锈钢针头及通过其中的纺丝液带上电荷，所述不锈钢针头3位于铝箔接收板5上方并垂直于铝箔接收板5，所述铝箔接收板5置于升降台上并与地线10连接，且所述铝箔接收板5处于具有均匀磁感线的强力磁场中，通过升降台可调整接收板与不锈钢针头3的距离，通过接地设置使不锈钢针头与接收板之间产生电压差，所述不锈钢针头3为6#平口针头，所述不锈钢针头3到铝箔接收板5距离为20cm，所述铝箔接收板可在磁场中旋转方向，在所述装置中设置红外灯8作为保温装置，所述磁场可以采用强磁铁9提供的静磁场，也可以采用交变电磁场。

实施例2制备复合纤维材料

(1)纺丝液的配置:准确称取50mg磁性纳米粒子，在CH₂Cl₂中均匀分散10min后，超声5分钟。按照表1所示的质量比加入相应的聚合物，震荡过夜。然后将一定体积的DMF缓慢滴加至混合均匀的含有Fe₃O₄的聚合物溶液中，使PLGA终浓度为5%（w/v），所用溶剂CH₂Cl₂/DMF最终体积比8/2，得到8种纺丝液。

表1复合纤维原料配比

样品编号	聚合物种类	MNPs与聚合物的质量比
			1	PLGA	0
2	PLGA	1:100
			3	PLGA	2:100
4	PLGA	5:100
			5	PLGA	1:10
6	PLGA	1:5
			7	PVA	1:10
8	PS	1:10

(2)静电纺丝：采用实施例1所述的装置，分别将步骤(1)中制备的8种纺丝液加入到注射器中，开启高压发生仪调节输出电压至20kV，开启注射器推进泵，推进速度设置为1mL/h，进行静电纺丝，纺丝过程中通过红外灯将环境温度控制在20～30℃，最后从铝箔接收板上收集产品，干燥后得到8种复合纤维材料，分别记为1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a。

实施例3多层复合材料的制备

采用实施例1所述的装置，将步骤(1)中制备的5#样品的纺丝液加入到注射器中，开启高压发生仪调节输出电压至20kV，开启注射器推进泵，推进速度设置为1mL/h，进行静电纺丝，纺丝过程中每隔20分钟将接收板旋转90°，通过红外灯将环境温度控制在20～30℃，最后从铝箔接收板上收集产品，干燥后得到多层复合纤维材料。

实施例4制备无序电纺丝

采用实施例1所述的装置，移走磁铁，用实施例2步骤1中所制备的8种纺丝液进行静电纺丝，分别将纺丝液加入注射器，再将注射器安装到推进泵，设置推进速度为0.6ml/h，开启高压发生仪调节输出电压至20kv,通过红外灯将环境温度控制在20～30℃,2h后从铝箔接收板上收集产品，干燥后得到无序电纺丝，分别记为1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b。

采用扫描电镜对实施例2和实施了4中制备的样品的形貌进行了表征，由图2可知，对于不加磁场的无序纺丝方法，磁性纳米颗粒的加入对样品的形貌和纤维取向无明显改变，仅对纤维的直径略有影响；对于不加磁性纳米颗粒的1号样品，采用加磁场的有序纺丝法得到的样品1a与采用不加磁场的无序纺丝方法的到的样品1b之间的形貌和纤维取向都没有显著差别，都是杂乱无序的结构；而对于添加磁场的有序纺丝方法，随着磁性纳米颗粒含量的增加纤维的有序程度逐渐提高，当MNPs与聚合物的质量比为1:10时，所得的样品5a的纤维有序程度最高，基本沿同一方向排列，当磁性纳米颗粒含量的继续增加到质量比为1:5时所得的样品6a的纤维有序程度较样品5a有所降低，这可能是由于随着磁性纳米颗粒含量的增加，复合纤维对磁场的响应能力逐渐增加，但当磁性纳米颗粒含量增加到一定程度时，磁性纳米颗粒形成的磁畴之间的相互作用会越来越大，从而阻碍纤维的定向排列。

采用统计分析软件结合扫描电镜照片对样品的纤维直径分布进行了统计分析，结果显示在纺丝时是否添加磁场对产品的纤维直径分布无明显影响，随着磁性纳米颗粒含量的增加样品的纤维直径也呈增大的趋势，部分样品的纤维直径统计见表2。

表2复合纤维直径统计表

样品编号	1	2	4	5	6
						直径主要分布区间/um	0.15-0.3	0.15-0.3	0.2-0.3	0.2-0.3	0.2-0.45

实施例5生物学效应试验

（1）材料的灭菌与预处理：取上述实施例中的样品1a、5a、5b，用紫外灯照射3小时，再用依次用酒精浸泡两小时、无菌1×磷酸缓冲液（1×PBS）浸泡1天。

（2）细胞贴附检测：将步骤1中所有材料置于24孔板中，将小鼠成肌细胞C2C12细胞按照2×10⁴/mL细胞密度接种到每个孔的材料上，每孔0.5mL细胞悬液，置于37℃、5% CO₂细胞培养箱中培养。在细胞接种后第1、2、3天取出材料，用二乙酸荧光素FDA对细胞进行荧光染色后，用激光共聚焦（CLSM）观察支架表面细胞贴附情况。然后再通过扫描电镜（SEM）观察支架表面细胞形貌。

（3）细胞增殖检测：在细胞培养第1、2、3天，使用CCK-8试剂盒检测细胞增殖。

实施例6与外加磁场协的协同作用

重复实施例5步骤，进行到步骤2时，增设一实验组，在24孔板旁加静磁场或者交变磁场，对照组不加磁场，1,2,3天后分别取出两组材料染色观察贴附情况，并使用CCK-8试剂盒检测对比两组细胞增殖速度。

扫描电镜（SEM）观察如图3-5所示，激光共聚焦（CLSM）观察如图6-8所示，由图中可知，细胞在样品5a、5b上黏附生长的情况要好于样品1a，且有外加磁场的情况又略好于无外加磁场的情况，说明磁性纳米颗粒的加入对细胞黏附、增殖有一定的促进作用，而且能够与外加磁场产生协同作用；细胞在样品5b和1a的取向都是随机的，而在样品5a上则呈现出定向排列的趋势，而且在有外加磁场的情况下这种趋势更加明显，说明纤维的有序结构有助于细胞的定向排列，且在有加磁场下进行细胞培养时这种作用更加明显；随着培养时间的增加上述作用更加显著。

CCK-8检测结果如图9所示：

如图所示，不管是否有外加磁场的作用，细胞在5a、5b上的增殖量较1a有明显提高，说明磁纳米粒的加入能有效促进C2C12细胞增殖。没有外加磁场作用的时候，对比细胞在5a和5b上的增殖情况，发现细胞在5b上的增殖量大于5a，这种现象在培养后期（第2、3天）较为明显；外加磁场作用下，也有类似现象，说明纤维的方向性与磁纳米粒能产生一定协同作用，共同促进细胞的增殖。对比细胞在加磁场和不加磁场的条件下，在各样品上的增殖情况可发现，磁场对于样品在1a上的增殖无明显影响，但是，对细胞在5a和5b上的增殖，影响较为显著，说明了磁场能与磁性支架中的磁纳米粒响应，有效加快C2C12细胞的增殖。因此，对于样品5a来说，其所含磁纳米粒既能与外加磁场响应，又能与样品所具有的有序结构相结合，使三者能叠加到一起，产生协同作用，共同促进细胞增殖。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种超顺磁性复合纤维材料，由复合纤维编织而成，其特征在于，所述复合纤维中包含高分子聚合物和磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒与聚合物的质量比为1:100～1:5，所述复合纤维是有序排列的。

2.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述高分子聚合物为聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯（PEO）、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯腈（PAN）中的至少一种，所述纤维材料为薄膜或块体。

3.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述材料具有多层结构，同一层中的纤维沿相同方向排列，相邻两层间的纤维排列方向不同。

4.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述复合纤维的直径为100～500nm，所述磁性纳米颗粒均匀分布于聚合物纤维中，其平均粒径为4nm～20nm。

5.一种用于制备如权利要求1所述的复合纤维材料的静电纺丝装置，其特征在于，包括注射器(1)，注射器推进泵(2),不锈钢针头(3),高压发生仪(4),铝箔接收板(5)，所述注射器(1)置于推进泵(2)上用于容纳和注射纺丝液，所述注射器(1)通过导管(5)与不锈钢针头(3)连接，所述不锈钢针头(3)与高压发生仪(4)输出端通过导线（6）连接，所述不锈钢针头(3)位于铝箔接收板(5)上方并垂直于铝箔接收板(5)，所述铝箔接收板(5)置于升降台上并与地线(10)连接，且所述铝箔接收板(5)处于具有均匀磁感线的强力磁场中。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述不锈钢针头(3)为6#平口针头，所述不锈钢针头(3)到铝箔接收板(5)距离为20cm。

7.一种制备如权利要求1所述的复合纤维材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将上述纺丝液加入到权利要求4所述的静电纺丝装置中的所述的注射器中，开启高压发生仪和注射器推进泵，进行静电纺丝，最后从接收板上收集产品，干燥后得到复合纤维材料。

8.权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中磁性纳米颗粒与聚乳酸-羟基乙酸的质量比为1:100～1:5，聚乳酸-羟基乙酸终浓度为5%（w/v），所用溶剂CH₂Cl₂/DMF最终体积比8/2，所述高压发生仪的输出电压为20kV，注射器推进泵的推进速度为0.5～1mL/h，纺丝过程中环境温度控制在20～30℃。

9.一种如权利要求1所述的复合纤维材料的应用，其特征在于：将其用作组织工程支架材料。

10.根据权利要求9所述的复合纤维材料的应用，其特征在于：将所述复合纤维与外加磁场配合用于细胞培养或组织修复。