CN103285424A - 一种三维纤维基气凝胶组织工程支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法及其制品，所述制备方法为：首先将纤维分散在溶剂中形成悬浊液；随后将所述悬浊液进行凝固化处理，使形成凝固块；再脱除凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶；然后进行交联稳定化处理，再经灭菌处理即获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述制品为纤维相互贯穿交错形成的三维网络状体型材料，纤维交错点呈现有效的非氢键键合作用的粘结互连，其体积密度为0.1～500mg/cm3，平均孔径为0.01～2000μm，比表面积为0.2～2000m2/g。本发明制备工艺简单、原料限制少，气凝胶组织工程支架制品具有良好的柔韧性、连通性及组织生长环境，在组织工程领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维纤维基气凝胶组织工程支架及其制备方法，特别是涉及一种由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶组织工程支架及其制备方法。
背景技术
组织工程是一个综合性的学科领域，它的研究目的是突破传统的器官移植和生物材料移植的一些限制，开发人造器官和组织的替代品来替代或修复受损的器官或组织，并且不需辅助治疗，这不仅可以提高治愈率，而且可以大大降低治疗成本。组织工程的基本原理是使相关细胞在体外或体内进行生长、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，相反，它们自由地生长、迁移，会形成一个二维的细胞层，因此，传统的多孔生物膜组织工程支架材料如多孔生物陶瓷膜、静电纺纳米纤维膜等已不能满足组织工程的需求。对于组织工程必需的三维组织，需要将细胞种植在具有多孔结构的三维组织工程支架上引导其生长，最终形成所需的三维组织结构。
另一方面，含有纤维结构的三维气凝胶材料作为一种新型的轻质功能纤维材料，在具备传统无机粒子型气凝胶特性的同时兼具了纤维结构的独特优势，如力学柔韧性好、孔隙连通性高、结构可控及介质传输效率高等；并且其三维纤维网络结构可较好的模拟生物组织的生长环境，从而可望作为一种高性能生物支架材料应用于组织工程领域。国内专利CN101444641公开了一种三维纤维组织工程支架的制备方法，其主要是通过热熔粘合的方法将二维纤维膜粘结成三维纤维结构材料。但该方法制备的支架材料在使用过程中易发生层间剥离现象，且热熔粘合工艺易导致膜材料层间孔隙堵塞，本质上仍然是一种二维的支架材料，不利于生物细胞的附着与物质传递。国内专利CN101693124、CN101411900、CN102488928分别公开了壳聚糖纤维、聚乳酸纤维、碳纤维与聚合物溶液复合制备三维纤维支架材料的方法。但上述制备工艺中都需要使用大量聚合物溶液作为粘合组分，所制备的材料本质上是一种纤维增强的聚合物多孔材料，从而使材料难以体现出纤维结构支架的优点及功能特性；并且大量聚合物溶液的使用易导致孔隙堵塞，且孔径难以控制，不利于细胞的生长。日本专利P2006-75235A公开了一种醋酸纤维素纤维/聚乳酸复合三维纤维支架材料的制备方法，其中聚乳酸粘合材料以喷涂形式与纤维构成复合型纳米气凝胶，但该材料结构是一种以聚乳酸微小粒子聚集构成的气凝胶材料，材料的纤维结构特性难以体现；且喷涂方法难以实现聚乳酸粒子与纤维的均匀复合，材料的孔隙结构难以控制。国内专利CN1895684公开了一种天然生物材料解离纤维与聚合物溶液复合制备三维纤维支架材料的方法，该材料仍然存在上述结构的缺陷，且天然生物材料解离得到的纤维直径及长径比偏差较大，导致最终支架孔隙结构难以控制。因此上述专利公开的方法均难以实现三维纤维基气凝胶组织工程支架的可控制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法及其制品，特别是提供一种由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶组织工程支架及其制备方法。
本发明的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中，形成悬浊液；为保证组织工程支架获得均匀的结构，所述悬浊液为均相。
第二步：将所述悬浊液进行凝固化处理，使悬浊液形成凝固块；凝固化处理使悬浊液中溶剂凝固形成凝固体，固化后的溶剂填充于纤维网络间将分散于其中的纤维的空间位置固定住，形成所需的体型结构。
第三步：脱除所述凝固块中凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶；空气替代原来溶剂所占的空间并保持纤维原有的空间结构不变。
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行交联稳定化处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶组织工程支架；纤维交错点间依靠非氢键键合作用实现有效的粘结互连，构筑了稳定的三维纤维网络结构，同时赋予三维纤维基气凝胶组织工程支架良好的力学性能和压缩回弹性能。
第五步：将所述三维纤维基气凝胶材料进行灭菌处理，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。灭菌处理可保证支架使用的安全性。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01～50%。
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的纤维为具有生物相容性的天然纤维和/或合成纤维和/或无机纤维，所述纤维的平均直径为2nm～50μm，纤维的平均长径比为5～50000，根据所需材料的结构性质，可在较大的范围内调整纤维类型；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和二甲基亚砜的一种或多种的组合；
其中天然纤维为：棉纤维、木棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹浆纤维、毛纤维、蚕丝纤维、蛛丝纤维、木质素纤维和细菌纤维素纤维的一种或多种的组合；
合成纤维为：醋酸纤维素纤维、铜铵纤维、皂化醋酯纤维、粘胶纤维、乙基纤维素纤维、羟丙基纤维素纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、聚乳酸-己内酯纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、右旋糖苷纤维、海藻酸钠纤维、聚氧化乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩丁醛纤维、酚醛树脂纤维、再生蛋白质纤维、聚丙烯酸纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚乙烯吡咯烷酮纤维、聚乳酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚砜纤维、聚苯乙烯共聚马来酸酐纤维、甲基三乙氧基硅烷纤维、聚谷氨酸纤维、聚己内酯纤维、聚乙丙交酯纤维、聚氨酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚醋酸乙烯酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙二醇纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚二氧环己酮纤维、聚三羟基丁酸酯纤维、聚羟基丁酸酯纤维、聚碳酸酯纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯纤维、聚甲基丙烯酸甲酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚环氧乙烷纤维、聚乙烯咔唑纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚苯胺纤维、聚硅氧烷纤维、聚对苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯纤维、聚丁二酸丁二醇酯纤维中的一种或多种的组合。
无机纤维为：玻璃纤维、二氧化硅纤维、石棉纤维、氧化镍纤维、氧化铜纤维、氧化锌纤维、二氧化锆纤维、二氧化锗纤维、五氧化二钒纤维、三氧化二铟纤维、三氧化二铝纤维、三氧化二锰纤维、四氧化三锰纤维、二氧化钛纤维、氧化钯纤维、氧化铌纤维、氧化钼纤维、氧化铈纤维、氧化钴纤维、氧化锡纤维、氧化镍铁纤维、氧化锰锂纤维、氧化钛镁纤维、铜纤维、钴纤维、铁纤维、铝纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化锆纤维、氮化镓纤维、氮化锆纤维中的一种或多种的组合。
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中是指：单一纤维分散于单一溶剂中、多种纤维分散于单一溶剂中、单一纤维分散于混合溶剂中或者多种纤维分散于混合溶剂中；或者是纤维a分散于溶剂A中，纤维b分散于溶剂B中，然后将两者混合，其中溶剂A与溶剂B互溶。
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的凝固化处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶化处理中的一种或多种的组合。
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的脱除所述凝固块中凝固的溶剂采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种或多种的组合。
如上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的交联稳定化处理为热交联、超声交联、微波辐照交联、红外线辐照交联、紫外线辐照交联、电子束辐照交联、等离子体辐照交联、伽马射线辐照交联和X射线辐照交联中的一种或多种的组合。
上所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，所述的灭菌处理方法包括：环氧乙烷浸渍灭菌法、伽马射线灭菌法、紫外线灭菌法、酒精浸渍灭菌法、干热灭菌法、湿热灭菌法、渗透压灭菌法、间歇加热灭菌法、石炭酸浸渍灭菌法、乙二醇浸渍灭菌法中的一种或多种的组合。
本发明还提供了一种三维纤维基气凝胶组织工程支架，是由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶组织工程支架，为纤维相互贯穿交错形成的三维网络状体型材料，纤维交错点呈现有效的非氢键键合作用的粘结互连。
所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为0.1～500mg/cm3，所制备的材料是一种超轻质材料，具有优良的孔隙结构；所述三维纤维基气凝胶组织工程支架中纤维相互贯穿交错形成连通的孔隙结构，平均孔径为0.01～2000μm，材料的比表面积为0.2～2000m2/g，具有较宽的孔隙结构可调范围，从而有利于优化使用性能，拓宽可应用范围。
所述非氢键键合作用是指纤维交叉点间通过化学键作用进行有效的粘结互连；所述的三维纤维网络是指纤维在三维空间结构中是交错连接。
有益效果：
现有技术相比本发明的优点如下：
（1）不同于传统的纤维复合型组织工程支架，本发明制备的三维纤维基气凝胶组织工程支架是全纤维结构的体型材料，纤维相互贯穿交错形成了具有各向同性的三维网络结构，可有效体现出纤维材料的力学柔韧性好、孔隙连通性高、结构可控及介质传输效率高等特点。
（2）本发明提供的制备方法不需要复杂复合凝胶化过程，制备工艺简单且所用原料限制较少，可适用于一系列广泛的纤维基气凝胶组织工程支架的制备。此外，本制备方法具有良好的结构可控性，可通过调节纤维悬浊液的特性实现对组织工程支架体积密度、纤维直径、孔结构的精确调控。
（3）本发明制备的气凝胶组织工程支架控的孔隙结构与细胞增殖空间具有良好的适配性，结合其独特的三维纤维网络结构可真实模拟生物组织的生长环境，有利于三维结构细胞组织的生长。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架，是由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶组织工程支架，为纤维相互贯穿交错形成的三维网络状体型材料，纤维交错点呈现有效的非氢键键合作用的粘结互连。
所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为0.1～500mg/cm3，所制备的材料是一种超轻质材料，具有优良的孔隙结构；所述三维纤维基气凝胶组织工程支架中纤维相互贯穿交错形成连通的孔隙结构，平均孔径为0.01～2000μm，材料的比表面积为0.2～2000m2/g，具有较宽的孔隙结构可调范围，从而有利于优化使用性能，拓宽可应用范围。
所述非氢键键合作用是指纤维交叉点间通过化学键作用进行有效的粘结互连；所述的三维纤维网络是指纤维在三维空间结构中是交错连接。
实施例1
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为15μm，长径比为500的棉纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为1%；
第二步：将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理6h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥、红外干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行2h热交联获得初步交联，随后再用超声交联处理0.5h，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行环氧乙烷浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为10mg/cm3，平均孔径为200μm，比表面积为30m2/g。
实施例2
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为15μm，长径比为50的蚕丝纤维、平均直径为10μm，长径比为100的聚乳酸-己内酯纤维、平均直径为6μm，长径比为500的羟丙基纤维素纤维、平均直径为12μm，长径比为90的右旋糖苷纤维、平均直径为10μm，长径比为100的聚酰胺纤维分散在叔丁醇中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为12%；
第二步：将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理6h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥、红外干燥方法脱除所述凝固块中凝固的叔丁醇，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行1.5h热交联获得初步交联，随后再用超声交联处理0.5h，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行环氧乙烷浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为120mg/cm3，平均孔径为520μm，比表面积为89m2/g。
实施例3
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为20μm，长径比为5的麻纤维、平均直径为600nm，长径比为2000的醋酸纤维素纤维、平均直径为2μm，长径比为600的铜铵纤维、平均直径为3μm，长径比为600的聚三羟基丁酸酯纤维、平均直径为300nm，长径比为5000的二氧化锆纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为5%；
第二步：将所述悬浊液在-30℃下进行冷冻处理8h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥、真空干燥、红外干燥的方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行15min电子束辐照交联，随后采用等离子体辐照交联处理1h，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行紫外线灭菌法、干热灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为50mg/cm3，平均孔径为30μm，比表面积为1000m2/g。
实施例4
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为23μm，长径比为5的木质素纤维、平均直径为720nm，长径比为1000的聚乳酸纤维、平均直径为600nm，长径比为800的聚乳酸乙醇酸纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为20%；将平均直径为6μm，长径比为200的聚对苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯纤维分散在乙醇和二甲基亚砜的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为3%；将平均直径为500nm，长径比为1600的氧化钛镁纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为5%；将上述三种悬浊液混合后得到混合的均相悬浊液；
第二步：将所述悬浊液进行溶胶化处理，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥、喷雾干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水、乙醇和二甲基亚砜，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行10min紫外线辐照交联，随后再用X射线辐照交联处理5min，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行间歇加热灭菌法、石炭酸浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为300mg/cm3，平均孔径为100μm，比表面积为670m2/g。
实施例5
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为700nm，长径比为5000的胶原纤维、平均直径为1μm，长径比为2000的再生蛋白质纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为30%；将平均直径为10μm，长径比为300的聚丙烯酸纤维分散在叔丁醇和丙酮的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.5%；将平均直径为5μm，长径比为500的聚甲基丙烯酸甲酯纤维、平均直径为8μm，长径比为800的聚硅氧烷纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.5%；将上述三种悬浊液混合后得到混合的均相悬浊液；
第二步：将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理13h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水、叔丁醇和丙酮，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行8min X射线辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行乙二醇浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为320mg/cm3，平均孔径为150μm，比表面积为350m2/g。
实施例6
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为5μm，长径比为5000的硝化纤维素纤维、平均直径为300nm，长径比为20000的氧化钼纤维、平均直径为500nm，长径比为12000的氧化铌纤维、平均直径为100nm，长径比为30000的碳化锆、平均直径为50nm，长径比为50000的碳化硅纤维分散在甲醇、乙醇、异丙醇的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为18%；
第二步：将所述悬浊液在20℃下进行陈化处理20h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的甲醇、乙醇和异丙醇，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行20min电子束辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行湿热灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为180mg/cm3，平均孔径为5μm，比表面积为2000m2/g。
实施例7
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为10μm，长径比为30的植物蛋白纤维、平均直径为12μm，长径比为50的聚谷氨酸纤维、平均直径为20μm，长径比为30的聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩丁醛纤维、平均直径为18μm，长径比为32的棉纤维、平均直径为13μm，长径比为52的聚丁二酸丁二醇酯纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为42%；
第二步：将所述悬浊液在-196℃下进行冷冻处理0.5h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行0.5h微波辐照交联，随后采用紫外线辐照交联处理20min，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行酒精浸渍灭菌法、石炭酸浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为500mg/cm3，平均孔径为2000μm，比表面积为0.2m2/g。
实施例8
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为30μm，长径比为5的棉纤维、平均直径为26μm，长径比为12的木棉纤维、平均直径为15μm，长径比为100的聚丙烯酰胺纤维、平均直径为18μm，长径比为800的聚氨酯纤维、平均直径为5μm，长径比为500的聚醋酸乙烯酯纤维、平均直径为10μm，长径比为300的聚乙二醇纤维、平均直径为12μm，长径比为260的聚羟基丁酸酯纤维、平均直径为10μm，长径比为320的聚醚酰亚胺纤维、平均直径为10μm，长径比为5000的聚乙烯咔唑纤维分散在水、叔丁醇、二甲基亚砜的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为25%；
第二步：将所述悬浊液在-80℃下进行冷冻处理5h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水、叔丁醇和二甲基亚砜，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行20min等离子体辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行间歇加热灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为300mg/cm3，平均孔径为560μm，比表面积为35m2/g。
实施例9
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为600nm，长径比为5000的甲壳素纤维、平均直径为500nm，长径比为7000的壳聚糖纤维、平均直径为1μm，长径比为1000的聚乙烯吡咯烷酮纤维、平均直径为900nm，长径比为1500的甲基三乙氧基硅烷纤维、平均直径为2μm，长径比为1500的聚对苯二甲酸乙二酯纤维、平均直径为300nm，长径比为10000的二氧化锗纤维、平均直径为400nm，长径比为10000的三氧化二锰纤维、平均直径为300nm，长径比为12000的氧化钴纤维、平均直径为500nm，长径比为6800的钴纤维、平均直径为200nm，长径比为8000的氮化锆纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为8%；
第二步：将所述悬浊液进行溶胶化处理，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行1h热交联获得初步交联，随后进行15min电子束辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行乙二醇浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为12mg/cm3，平均孔径为30μm，比表面积为1800m2/g。
实施例10
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为800nm，长径比为600的乙基纤维素纤维、平均直径为600nm，长径比为1200的海藻酸钠纤维、平均直径为500nm，长径比为2000的四氧化三锰纤维、平均直径为500nm，长径比为2200的氧化锰锂纤维、平均直径为600nm，长径比为1500的氧化镍纤维、平均直径为500nm，长径比为2000的三氧化二铟纤维、平均直径为400nm，长径比为2300的氧化锡纤维、平均直径为200nm，长径比为5000的铁纤维分散在乙醇中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为30%；将平均直径为5μm，长径比为100的聚氧化乙烯纤维、平均直径为10μm，长径比为60的聚偏氟乙烯纤维分散在水和二甲基亚砜的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为1%；将上述两种悬浊液混合后得到混合的均相悬浊液；
第二步：将所述悬浊液在-196℃下进行冷冻处理1h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水、乙醇和二甲基亚砜，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行10min紫外线辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行环氧乙烷浸渍灭菌法、伽马射线灭菌法、紫外线灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为400mg/cm3，平均孔径为200μm，比表面积为800m2/g。
实施例11
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为25μm，长径比为5的毛纤维、平均直径为900nm，长径比为7000的明胶纤维、平均直径为1μm，长径比为7000的丝素蛋白纤维、平均直径为10μm，长径比为3000的聚己内酯纤维、平均直径为12μm，长径比为3000的聚砜纤维、平均直径为15μm，长径比为2500的聚醚醚酮纤维、平均直径为500nm，长径比为16000的二氧化钛纤维、平均直径为600nm，长径比为15000的氧化钯纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为35%；将上述两种悬浊液混合后得到混合的均相悬浊液；
第二步：将所述悬浊液在20℃下进行陈化处理13h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行2.5h热交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行渗透压灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为380mg/cm3，平均孔径为1000μm，比表面积为13m2/g。
实施例12
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为22μm，长径比为100的竹浆纤维、平均直径为10μm，长径比为600的聚乙丙交酯纤维、平均直径为10μm，长径比为560的聚苯胺纤维、平均直径为18μm，长径比为270的聚丙烯腈纤维、平均直径为13μm，长径比为530的聚二氧环己酮纤维、平均直径为10μm，长径比为530的聚酰亚胺纤维平均直径为500nm，长径比为5300的二氧化硅纤维、平均直径为30μm，长径比为87的玻璃纤维、平均直径为5μm，长径比为2100的石墨纤维、平均直径为200nm，长径比为8000的铜纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为15%；
第二步：将所述悬浊液进行溶胶化处理，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用真空干燥、红外干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行5min X射线辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行环氧乙烷浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为180mg/cm3，平均孔径为160μm，比表面积为1000m2/g。
实施例13
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为10μm，长径比为500的聚对苯二甲酸丙二酯纤维、平均直径为600nm，长径比为5000的三氧化二铝纤维、平均直径为500nm，长径比为6000的氧化铈纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为25%；
第二步：将所述悬浊液在30℃下进行陈化处理18h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥的方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行20min等离子体辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行紫外线灭菌法、干热灭菌法灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为280mg/cm3，平均孔径为300μm，比表面积为260m2/g。
实施例14
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为20μm，长径比为5的聚环氧乙烷纤维、平均直径为20μm，长径比为20的石棉、平均直径为2μm，长径比为600的氮化镓纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为15%；
第二步：将所述悬浊液在-30℃下进行冷冻处理8h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用真空干燥、红外干燥的方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行0.5h电子束辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行紫外线灭菌法、干热灭菌法灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为200mg/cm3，平均孔径为260μm，比表面积为120m2/g。
实施例15
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为300nm，长径比为10000的氧化镍铁纤维、平均直径为600nm，长径比为6000的铝纤维、平均直径为1μm，长径比为3000的碳纤维、平均直径为700nm，长径比为6000的五氧化二钒纤维分散在水和叔丁醇的混合溶剂中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为28%；
第二步：将所述悬浊液在-30℃下进行冷冻处理8h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥、真空干燥、红外干燥的方法脱除所述凝固块中凝固的水和叔丁醇，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶先进行0.5h电子束辐照交联获得初步交联，随后采用等离子体辐照交联处理1h，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行紫外线灭菌法、干热灭菌法灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为230mg/cm3，平均孔径为50μm，比表面积为660m2/g。
实施例16
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为50μm，长径比为500的木浆纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.1%；
第二步：将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理15h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行2h微波交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行环氧乙烷浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为1mg/cm3，平均孔径为2000μm，比表面积为0.2m2/g。
实施例17
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为0.5μm，长径比为6000的蛛丝纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01%；
第二步：将所述悬浊液在20℃下进行陈化处理13h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行3h热交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行伽马射线灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为0.1mg/cm3，平均孔径为0.01μm，比表面积为200m2/g。
实施例18
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为50nm，长径比为500的细菌纤维素纤维分散在水中，将平均直径为200nm，长径比为1000的皂化醋酯纤维分散在乙醇中；然后将两者混合，所述悬浊液中，纤维的质量分数为2%；
第二步：将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理5h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水和乙醇，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行1h微波辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行紫外线灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为20mg/cm3，平均孔径为2μm，比表面积为400m2/g。
实施例19
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为50μm，长径比为600的粘胶纤维分散在丙酮中，将平均直径为50nm，长径比为500的透明质酸纤维纤维分散在水中，形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为10%；
第二步：将所述悬浊液在-50℃下进行冷冻处理8h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥、真空干燥方法脱除所述凝固块中凝固的丙酮和水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行20min红外线辐照交联理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行酒精浸渍灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-10，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为100mg/cm3，平均孔径为3μm，比表面积为20m2/g。
实施例20
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为50μm，长径比为600的弹性蛋白纤维，平均直径为5μm，长径比为400的酚醛树脂纤维分散在水中形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为20%；
第二步：将所述悬浊液进行溶胶化处理，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用喷雾干燥、超临界干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行15min紫外线辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行酒精浸渍灭菌法、干热灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-11，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为200mg/cm3，平均孔径为200μm，比表面积为10m2/g。
实施例21
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为30μm，长径比为400的聚偏氟乙酸纤维，平均直径为10μm，长径比为600的聚苯乙烯共聚马来酸酐纤维，平均直径为50μm，长径比为500的聚偏氟乙酸纤维分散在水和叔丁醇组成的混合溶剂中形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.5%；
第二步：将所述悬浊液在-30℃下进行冷冻处理14h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用冷冻干燥、红外干燥方法脱除所述凝固块中凝固的水和叔丁醇，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行0.5h电子束辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料，
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行伽马射线灭菌法、紫外线灭菌法、湿热灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为5mg/cm3，平均孔径为200μm，比表面积为30m2/g。
实施例22
一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，具体步骤为：
第一步：将平均直径为300nm，长径比为3000的聚丙烯纤维，平均直径为500nm，长径比为1000的聚乙烯纤维，平均直径为600nm，长径比为500的聚氯乙烯纤维分散在丙酮中形成均相悬浊液；所述悬浊液中，纤维的质量分数为10%；
第二步：将所述悬浊液在-50℃下进行冷冻处理10h，使悬浊液形成凝固块；
第三步：采用微波干燥方法脱除所述凝固块中凝固的丙酮，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行1h等离子体辐照交联处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料，
第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行渗透压灭菌法处理，处理后细菌芽胞存活率小于10-12，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为100mg/cm3，平均孔径为4μm，比表面积为20m2/g。
Claims (10)
1.一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征是具体步骤为：
第一步：将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中，形成悬浊液；
第二步：将所述悬浊液进行凝固化处理，使其形成凝固块；
第三步：脱除所述凝固块中凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶；
第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行交联稳定化处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；
第五步：将所述三维纤维基气凝胶材料进行灭菌处理，获得三维纤维基气凝胶组织工程支架。
2.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01～50%。
3.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述的纤维为天然纤维和/或合成纤维和/或无机纤维，所述纤维的平均直径为2nm～50μm，纤维的平均长径比为5～50000；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和二甲基亚砜的一种或多种的组合；
其中天然纤维为：棉纤维、木棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹浆纤维、毛纤维、蚕丝纤维、蛛丝纤维、木质素纤维和细菌纤维素纤维的一种或多种的组合；
合成纤维为：醋酸纤维素纤维、铜铵纤维、皂化醋酯纤维、粘胶纤维、乙基纤维素纤维、羟丙基纤维素纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、聚乳酸-己内酯纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、右旋糖苷纤维、海藻酸钠纤维、聚氧化乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩丁醛纤维、酚醛树脂纤维、再生蛋白质纤维、聚丙烯酸纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚乙烯吡咯烷酮纤维、聚乳酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚砜纤维、聚苯乙烯共聚马来酸酐纤维、甲基三乙氧基硅烷纤维、聚谷氨酸纤维、聚己内酯纤维、聚乙丙交酯纤维、聚氨酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚醋酸乙烯酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙二醇纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚二氧环己酮纤维、聚三羟基丁酸酯纤维、聚羟基丁酸酯纤维、聚碳酸酯纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯纤维、聚甲基丙烯酸甲酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚环氧乙烷纤维、聚乙烯咔唑纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚苯胺纤维、聚硅氧烷纤维、聚对苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯纤维、聚丁二酸丁二醇酯纤维中的一种或多种的组合；
无机纤维为：玻璃纤维、二氧化硅纤维、石棉纤维、氧化镍纤维、氧化铜纤维、氧化 锌纤维、二氧化锆纤维、二氧化锗纤维、五氧化二钒纤维、三氧化二铟纤维、三氧化二铝纤维、三氧化二锰纤维、四氧化三锰纤维、二氧化钛纤维、氧化钯纤维、氧化铌纤维、氧化钼纤维、氧化铈纤维、氧化钴纤维、氧化锡纤维、氧化镍铁纤维、氧化锰锂纤维、氧化钛镁纤维、铜纤维、钴纤维、铁纤维、铝纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化锆纤维、氮化镓纤维、氮化锆纤维中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述的将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中是指：单一纤维分散于单一溶剂中、多种纤维分散于单一溶剂中、单一纤维分散于混合溶剂中或者多种纤维分散于混合溶剂中；或者是纤维a分散于溶剂A中，纤维b分散于溶剂B中，然后将两者混合，其中溶剂A与溶剂B互溶。
5.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述的凝固化处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶化处理中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述的脱除所述凝固块中凝固的溶剂采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述的交联稳定化处理为热交联、超声交联、微波辐照交联、红外线辐照交联、紫外线辐照交联、电子束辐照交联、等离子体辐照交联、伽马射线辐照交联和X射线辐照交联中的一种或多种的组合；所述的灭菌处理方法包括：环氧乙烷浸渍灭菌法、伽马射线灭菌法、紫外线灭菌法、酒精浸渍灭菌法、干热灭菌法、湿热灭菌法、渗透压灭菌法、间歇加热灭菌法、石炭酸浸渍灭菌法、乙二醇浸渍灭菌法中的一种或多种的组合。
8.如权利要求1～7中任一项所述的一种三维纤维基气凝胶组织工程支架的制备方法所得的制品，其特征是：所述制品是由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶组织工程支架，为纤维相互贯穿交错形成的三维网络状体型材料，纤维交错点呈现有效的非氢键键合作用的粘结互连。
9.根据权利要求8所述的制品，其特征在于，所述三维纤维基气凝胶组织工程支架的体积密度为0.1～500mg/cm3；所述三维纤维基气凝胶组织工程支架中纤维相互贯穿交错形成连通的孔隙结构，三维纤维基气凝胶组织工程支架平均孔径为0.01～2000μm，三维纤维基气凝胶组织工程支架的比表面积为0.2～2000m2/g。
10.根据权利要求8所述的制品，其特征在于，所述非氢键键合作用是指纤维间通过化学键合进行有效的粘结互连。
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