CN103469347A - 一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，包括：将脂肪族聚酯类聚合物和碱性氨基酸分别溶解在溶剂中，混匀，得纺丝原液，然后进行电纺，即得脂肪族聚酯类复合纳米纤维，其中脂肪族聚酯类聚合物在纺丝液中的浓度为5wt%-25wt%，碱性氨基酸在纺丝液中的含量为0.5wt%-2wt%。本发明将仿生纤维材料中引入具生物活性的碱性氨基酸来实现对酸性降解产物的中和调控，发展一种具生物活性的“中性纤维”；可以减轻甚至消除脂肪族聚酯类材料降解后产物呈酸性引起的炎性反应，从而改善聚酯材料的生物相容性；可以通过一步法快速、方便、大量、有效地制备该降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维材料的制备领域，特别涉及一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法。
背景技术
纤维基生物材料是一类重要的组织工程支架构建材料。由于其对天然细胞外基质（ECM）的仿生特性和其他诸多优点，自组织工程学诞生以来就一直受到领域内众多研究者的青睐。如今，采用纳米技术如静电纺丝已经可以制备出纤维细度达纳米级的超细纤维，这类纳米纤维由于形态上与ECM组成的高度相似性已被广泛研究用于软骨、骨、皮肤、血管、神经等组织的构建研究。大量的研究结果表明，与传统的其他类型的组织工程支架相比，由仿生纳米纤维构建的生物材料支架能明显地促进细胞的粘附、增殖、分化及其他功能性显型的表达。在各类电纺材料中，脂肪族聚酯如聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、及乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)等由于具有优良的生物相容性、生物可降解和吸收性、较高的力学强度和可加工性等诸多优点，成为在组织工程支架构建和临床实践中获得最广泛应用的生物可降解合成高分子材料。但在实际应用中，这些聚酯材料的降解产物呈现酸性从而带来的不利影响也引起了人们广泛的关注。这些酸性产物若不能及时地通过正常的新陈代谢过程排除体外，将会导致植入体周围的组织微环境的pH值降低，影响黏附在其上的细胞的生长、分化和ECM合成，引起无菌炎性反应，严重影响组织修复效果(Cordewener,F.W.,et al.,Biomaterials,2000.21(23):p.2433-2442.)。
目前，国内外大多数研究人员通过向聚酯类材料中掺入合适的添加剂（如碱性调节剂），在其释放出来后即时中和酸性降解产物，达到减缓酸性降解产物对细胞功能影响的目的。比如杨小平课题组(赵敏丽等,中国生物医学工程学报,2006.25(4):p.476-480.)的工作表明，羟基磷灰石（HAp）的引入抑制了PLLA降解过程中的自催化作用，减缓了PLLA的降解速度，复合纤维体系降解液的pH值在40天内能维持在7.4-7.3之间。Jansen(Ji,W.,et al.,Biomaterials,2012.33(28):p.6604-6614.)研究了HAp对PLGA/PCL(3:1)混合纳米纤维降解行为的影响。他们的皮下植入实验证明，含羟基磷灰石的纳米纤维体内降解4周后在支架周围有较少的炎症细胞浸润和减轻的异物反应，生物相容性获得了较大的改善。这些结果都表明：选择合适的碱性调节剂对于调控基于聚酯类材料的植入体周围的组织微环境的pH维持在正常生理范围有其可行性。但是这些尝试中绝大多数研究都是用碱性无机盐来调控酸性降解产物的pH，而基于有机成分如碱性氨基酸进行调控的研究工作相对较少，且值得注意的是，关于如何调控电纺纳米纤维降解引起的pH变化的工作还十分有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，该发明将仿生纤维材料中引入具生物活性的碱性氨基酸来实现对酸性降解产物的中和调控；该发明可以减轻甚至消除脂肪族聚酯类材料降解后产物呈酸性引起的炎性反应，从而改善聚酯材料的生物相容性。
本发明的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，包括：
将脂肪族聚酯类聚合物和碱性氨基酸分别溶解在溶剂中，混匀，得纺丝原液，然后进行乳液电纺，即得脂肪族聚酯类复合纳米纤维，其中脂肪族聚酯类聚合物在纺丝液中的浓度为5wt%-25wt%，碱性氨基酸在纺丝液中的含量为0.5wt%-2wt%。
所述脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯中的一种或几种。
所述碱性氨基酸为精氨酸、赖氨酸、组氨酸中的一种或几种。
所述溶剂为水、乙酸、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酸、硫酸、乙醇、甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、乙醚、二甲亚砜、三氟乙酸、六氟异丙醇、三氟乙醇中的一种或几种。
所述乳液电纺工艺参数为：电压为1-100kV，电场或接收距离为0.02-2m，喷丝头直径为1μm-2mm，纺丝原液供给速率为0.1-10mL/h，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20%-80%。所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维的粒径为500nm-1200nm。
所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维降解后pH值为6.8-7.2。
所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维降解后pH值为6.961-7.048。
由于碱性氨基酸是宿主肌体的主要成分之一，同时又能自行参与机体的新陈代谢，具有安全无毒性，因此，本发明针对聚酯类材料（PLGA）的酸性降解产物所带来的不利生物学反应（如无菌性炎症反应）的问题，通过在电纺PLGA纤维中引入具生物活性的碱性氨基酸组分，欲发明制备出一种降解后可使材料周围环境的pH维持在中性（pH=6.8～7.2）的复合纤维（简称“中性纤维”）。
有益效果
（1）本发明将仿生纤维材料中引入具生物活性的碱性氨基酸来实现对酸性降解产物的中和调控，发展一种具生物活性的“中性纤维”；
（2）本发明可以减轻甚至消除脂肪族聚酯类材料降解后产物呈酸性引起的炎性反应，从而改善聚酯材料的生物相容性；
（3）本发明可以通过一步法快速、方便、大量、有效地制备该降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维。
附图说明
图1为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/0.5%赖氨酸的扫描电镜图片；
图2为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/1%赖氨酸的扫描电镜图片；
图3为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/1.5%赖氨酸的扫描电镜图片；
图4为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/2%赖氨酸的扫描电镜图片；
图5为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/赖氨酸及纯的PLGA纳米纤维在PBS中的降解曲线；
图6为为降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维PLGA/赖氨酸在PBS中降解60天后的扫描电镜图片；其中a为PLGA/0.5%赖氨酸，b为PLGA/1%赖氨酸，c为PLGA/1.5%赖氨酸，d为PLGA/2%赖氨酸。
具体实施方式
下面结合具体实施例，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。
实施例1
（1）PLGA溶于THF和DMF的混合溶剂，THF和DMF的体积比为3:1作为PLGA的纺丝溶剂，纺丝液浓度为25%（w/v）。向上述纺丝液中加入0.5wt%的赖氨酸。为了增加复合体系的可纺性和稳定性，向上述纺丝液中加入少量的Span-80乳化剂，常温下磁力搅拌12小时候，超声乳化，使得赖氨酸能够均一、稳定地分散在PLGA纺丝液中，纺丝液颜色由黄色向浅黄色过渡，用由此得到的乳化液进行电纺丝。
（2）选用10mL的注射器，1.2mL内径的针头，抽取上述纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，纺丝参数：电压为10～12KV，接收距离10～15cm，室温，环境湿度20%左右。采用铝箔为接收装置，纺丝2小时，将收集到的纤维膜放入真空干燥箱中干燥24小时，得到降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜，纤维膜的形貌如图1所示，纤维平均直径为1000nm。
（3）将上述降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜裁制成长×宽×高为10×10×0.1mm3的试样，用蒸馏水冲洗，干燥后，放入离心管内，加入10mL PBS(pH=7.4)缓冲液完全浸润样片，放入37℃恒温水浴锅内进行降解实验。降解过程中不予任何干预措施，使降解系统保持常态。每隔一周固定时间段测定浸泡液的pH值，每个样品3组平行试样，pH值取三组平行试样的平均值为最终结果，降解曲线见图5所示，降解42天后pH值为6.961，而纯的PLGA降解42天后的pH值为6.448，可以看出加入赖氨酸的样品降解后的pH值有了较大的提高，降解60天后的纤维膜的形貌如图6a所示。
实施例2
（1）PLGA溶于THF和DMF的混合溶剂，THF和DMF的体积比为3:1作为PLGA的纺丝溶剂，纺丝液浓度为20%（w/v）。向上述纺丝液中加入1wt%的赖氨酸。为了增加复合体系的可纺性和稳定性，向上述纺丝液中加入少量的Span-80乳化剂，常温下磁力搅拌12小时候，超声乳化，使得赖氨酸能够均一、稳定地分散在PLGA纺丝液中，纺丝液颜色由黄色向浅黄色过渡，用由此得到的乳化液进行电纺丝。
（2）选用10mL的注射器，1.2mL内径的针头，抽取上述纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，纺丝参数：电压为14～16KV，接收距离15～20cm，室温，环境湿度40%左右。采用铝箔为接收装置，纺丝2小时，将收集到的纤维膜放入真空干燥箱中干燥24小时，得到降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜，纤维膜的形貌如图2所示，纤维平均直径为700nm。
（3）将上述降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜裁制成长×宽×高为10×10×0.1mm3的试样，用蒸馏水冲洗，干燥后，放入离心管内，加入10mL PBS(pH=7.4)缓冲液完全浸润样片，放入37℃恒温水浴锅内进行降解实验。降解过程中不予任何干预措施，使降解系统保持常态。每隔一周固定时间段测定浸泡液的pH值，每个样品3组平行试样，pH值取三组平行试样的平均值为最终结果，降解曲线见图5所示，降解42天后pH值为7.037，降解60天后的纤维膜的形貌如图6b所示。
实施例3
（1）PLGA溶于THF和DMF的混合溶剂，THF和DMF的体积比为3:1作为PLGA的纺丝溶剂，纺丝液浓度为10%（w/v）。向上述纺丝液中加入1.5wt%的赖氨酸。为了增加复合体系的可纺性和稳定性，向上述纺丝液中加入少量的Span-80乳化剂，常温下磁力搅拌12小时候，超声乳化，使得赖氨酸能够均一、稳定地分散在PLGA纺丝液中，纺丝液颜色由黄色向浅黄色过渡，用由此得到的乳化液进行电纺丝。
（2）选用10mL的注射器，1.2mL内径的针头，抽取上述纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，纺丝参数：电压为14～16KV，接收距离15～20cm，室温，环境湿度40%左右。采用铝箔为接收装置，纺丝2小时，将收集到的纤维膜放入真空干燥箱中干燥24小时，得到降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜，纤维膜的形貌如图3所示，纤维平均直径为900nm。
（3）将上述降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜裁制成长×宽×高为10×10×0.1mm3的试样，用蒸馏水冲洗，干燥后，放入离心管内，加入10mL PBS(pH=7.4)缓冲液完全浸润样片，放入37℃恒温水浴锅内进行降解实验。降解过程中不予任何干预措施，使降解系统保持常态。每隔一周固定时间段测定浸泡液的pH值，每个样品3组平行试样，pH值取三组平行试样的平均值为最终结果，降解曲线见图5所示，降解42天后pH值为7.04，降解60天后的纤维膜的形貌如图6c所示。
实施例4
（1）PLGA溶于THF和DMF的混合溶剂，THF和DMF的体积比为3:1作为PLGA的纺丝溶剂，纺丝液浓度为5%（w/v）。向上述纺丝液中加入2wt%的赖氨酸。为了增加复合体系的可纺性和稳定性，向上述纺丝液中加入少量的Span-80乳化剂，常温下磁力搅拌12小时候，超声乳化，使得赖氨酸能够均一、稳定地分散在PLGA纺丝液中，纺丝液颜色由黄色向浅黄色过渡，用由此得到的乳化液进行电纺丝。
（2）选用10mL的注射器，1.2mL内径的针头，抽取上述纺丝液，固定在静电纺丝装置上进行电纺，纺丝参数：电压为14～16KV，接收距离15～20cm，室温，环境湿度60%左右。采用铝箔为接收装置，纺丝2小时，将收集到的纤维膜放入真空干燥箱中干燥24小时，得到降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜，纤维膜的形貌如图4所示，纤维平均直径为1200nm。
（3）将上述降解后pH呈中性的复合纳米纤维膜裁制成长×宽×高为10×10×0.1mm3的试样，用蒸馏水冲洗，干燥后，放入离心管内，加入10mL PBS(pH=7.4)缓冲液完全浸润样片，放入37℃恒温水浴锅内进行降解实验。降解过程中不予任何干预措施，使降解系统保持常态。每隔一周固定时间段测定浸泡液的pH值，每个样品3组平行试样，pH值取三组平行试样的平均值为最终结果，降解曲线见图5所示，降解42天后pH值为7.048，降解60天后的纤维膜的形貌如图6d所示。
Claims (8)
1.一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，包括：
将脂肪族聚酯类聚合物和碱性氨基酸分别溶解在溶剂中，混匀，得纺丝原液，然后进行乳液电纺，即得脂肪族聚酯类复合纳米纤维，其中脂肪族聚酯类聚合物在纺丝液中的浓度为5wt%-25wt%，碱性氨基酸在纺丝液中的含量为0.5wt%-2wt%。
2.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述碱性氨基酸为精氨酸、赖氨酸、组氨酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述溶剂为水、乙酸、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酸、硫酸、乙醇、甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、乙醚、二甲亚砜、三氟乙酸、六氟异丙醇、三氟乙醇中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述乳液电纺工艺参数为：电压为1-100kV，电场或接收距离为0.02-2m，喷丝头直径为1μm-2mm，纺丝原液供给速率为0.1-10mL/h，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20%-80%。
6.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维的粒径为500nm-1200nm。
7.根据权利要求1所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维降解后pH值为6.8-7.2。
8.根据权利要求7所述的一种降解后pH呈中性的脂肪族聚酯类纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述脂肪族聚酯类复合纳米纤维降解后pH值为6.961-7.048。
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