CN103572408A - 核-壳结构的电活性复合纤维及组织工程支架制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以可降解聚合物为壳，导电聚合物为核的具有核-壳结构的复合纤维交织而成的电活性微/纳米纤维支架的制备方法。该方法包括如下步骤：核喷射液的制备；壳纺丝液的制备；用同轴共纺装置，将纺丝技术和喷射技术结合起来制备具有电活性的核-壳结构的导电高聚物/可降解聚合物复合纤维及其复合纤维双重孔结构支架；经过清洗干燥即得。本发明制备的电活性微/纳米纤维支架具有对细胞实施电刺激所需的稳定的电导率和良好的生物相容性，同时很好地避免了导电高聚物和细胞培养液或肌体的直接接触，从而解决了因脱掺杂而引起的电导率不稳的问题，在神经组织工程方面具有很好实用价值。

Description

核-壳结构的电活性复合纤维及组织工程支架制备方法

技术领域

本发明涉及生物工程领域，尤其涉及一种具有电活性的以可降解聚合物为壳，导电聚合物为核的具有核-壳结构的复合纤维及由其交织而成的电活性复合微/纳米纤维支架的制备方法。

背景技术

体、内外的试验表明具有电活性的生物材料能够刺激骨细胞和神经细胞的再生(Biomaterials 2001；22：1055)。到目前为止，聚吡咯、聚苯胺等导电高聚物是被广泛研究的可以作为衬底的具有电活性的生物材料。尤其是聚吡咯已经显示出在生物医疗上应用的潜能，它所特有的电活性、导电性和对哺乳动物细胞的生物相容性，使它成为用于神经修补和引导神经再生的理想的导向通道材料(J.Biomed.Mater.Res.A2000，50：574-583)。然而，由于聚吡咯的脆性、刚性和不可生物降解性，使它很难单独作为神经导管使用。因此，必须将聚吡咯与柔性的可降解生物材料复合制备复合神经导管。如，张泽和他的合作者们用等离子激活聚合法制备了聚吡咯涂覆的聚酯纤维(J.Biomed.Mater.Res.2001；57：63)。张泽等用盐渗出法制备了聚吡咯涂覆的PDLLA/CL复合纤维支架和神经导管(Artif Organs2007；31：13)。王等用相分离法制备了聚乳酸/聚吡咯复合孔结构支架(WanY，Wen DJ.2005；246：193)。

静电纺丝技术已经成为制备用于软体组织移植和硬体组织再生的支架材料的方法之一。这种方法制备的纤维构成的互相连接的多孔网络是药物、基因和细胞传递的理想通道，是使组织再生的理想生物医疗支撑物，是酶和催化剂的良好固定场所。静电纺丝方法可以通过改变聚合物的性能和工艺参数，如：电场力、喷丝口和接收器的距离，喷丝口的形状和纺丝液的流速等来调节支架的机械、生物和力学性能。大多数生物细胞外基质是由随机定向的纳米级胶原组成的，电纺纤维的形态结构与其很相似，具有的高孔隙率特性为细胞生长提供了良好的生长空间，有利于支架和环境之间的营养交换及新陈代谢，成为理想的组织工程支架材料。但由于聚苯胺由于分子量和可溶性方面的限制，静电纺丝法用于聚苯胺的纺丝，还是一个很大的挑战(Synth.Met.2000；114：109)。目前常用的方法是先用静电纺丝技术制备可降解高分子材料纤维支架，再在该支架上通过原位聚合法涂上导电高聚物。如，李和他的合作者用静电纺丝技术和原位聚合法制备了用于神经组织工程的聚吡咯涂覆的电纺聚乳酸共聚乙醇酸纳米纤维(Biomaterials 2009；30：4325)。但这种方法制备的导电高聚物与可降解的聚合物材料，在保证较高电导率的情况下，导电组分和高分子材料间很容易出现严重的相分离现象。同时还存在支架在体外培养和植入体内修复受损神经的过程中，因脱掺杂引起支架电阻增加而使通过细胞培养支架中的电流强度下降，并且在起始阶段下降得尤为严重，给稳定电流带来很大困难。因此，很有必要发明一种方法，制备以导电高聚物为核，可降解高分子材料为壳的具有核-壳结构的复合纤维支架材料。目前尚未见到用同轴共纺装置把静电纺丝技术和静电喷射技术结合起来制备以导电高聚物为核，可降解高分子材料为壳的具有核-壳结构的复合纤维支架材料的相关报道。

发明内容

本发明提供一种以可降解聚合物为壳，导电聚合物为核的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法。

一种以可降解聚合物为壳，导电聚合物为核的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

(1)核喷射液的配制

把导电聚合物溶解到第一溶剂中配成核喷射液，浓度为10wt％。

所述的导电高聚物为聚吡咯、聚苯胺等，第一溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲酸等有机溶剂或浓硫酸、水等无机溶剂。

(2)壳纺丝液的配制

把可降解聚合物溶解到第二溶剂中配成壳纺丝液，浓度为12wt％。

所述的可降解聚合物为聚乳酸、蜘蛛丝蛋白、脱丝胶的蚕丝蛋白等，第二溶剂为六氟异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、甲酸等有机溶剂或浓硫酸、水等无机溶剂。

(3)以可降解聚合物纺丝液为壳，导电聚合物喷射液为核，用同轴共纺装置把静电纺丝技术和静电喷射技术结合起来制备具有核-壳结构的电活性导电高聚物/可降解聚合物复合纤维及其复合纤维支架。

把核喷射液和壳纺丝液分别装入各自的注射器中，连接同轴共纺装置进行静电纺丝和静电喷射。注射器针尖下方放置一片铝泊或凝固浴用来接收纺出的复合纤维和由其形成的支架。然后把支架从铝箔中剥离下来或从凝固浴中捞出来，用去离子冲洗至少3遍后，置于真空干燥箱干燥。

所述的凝固浴为不同浓度的稀硫酸、稀盐酸、甲醇、乙醇和丙酮等。同轴共纺中的核的纺丝过程既包括纺的形式，也包括喷射的形式。静电纺丝所加的电压为12-15kV，核喷射液的流速为0.2-0.7mL/h，壳纺丝液的流速0.5-1.2mL/h，环境温度为5-20℃，相对湿度为20-80％，纤维接收距离为10-25cm。接收到的复合纤维和由其形成的支架在铝箔中的停留时间至少为24h，在凝固浴中的浸泡时间至少为30min。真空干燥箱的温度为50℃，干燥的时间至少为24h。复合纤维和由其形成的支架用去离子水清洗后，必须再将其浸没于去离子水中24h后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明为止。

所述的导电高聚物/可降解聚合物复合纤维支架，既包括具有由微/纳米纤维上的孔和由纤维交织而成的空隙组成的双重孔结构支架，也包括仅由纤维交织而成的空隙的支架，其中的复合纤维还具有核-壳结构。

由具有核-壳结构的复合纤维交织而成的导电高聚物/可降解聚合物复合纤维支架的性能测试。

用四探针电导率测试仪测量导电高聚物/可降解聚合物复合纤维支架的电阻率，并由此计算其电导率。

将PC-12细胞种植到导电高聚物/可降解聚合物复合纤维支架上，进行细胞培养，检测复合纤维支架的生物相容性。

所述的复合纤维支架电导率的测试方法是先由四探针电导率测试仪测出电阻率，再由此计算其电导率。复合纤维支架生物相容性的测试，既包括对细胞毒性的评价和促进细胞轴突伸展情况的评价。

本发明采用同轴共纺装置，将静电喷射技术和静电纺丝技术结合起来，以易纺的壳材料-可降解高分子材料，带动难纺的核材料-导电高聚物进行纺丝，得到以导电高聚物为核，可降解高分子材料为壳的具有核-壳结构的电活性的复合纤维和由其形成的支架。

本发明方法可广泛应用于由不同导电高聚物和可降解聚合物纤维支架的制备。其步骤简单、产品质量稳定，所制备的复合支架既具有对细胞实施电刺激所需的电导率，又具有良好的生物相容性，更可贵的是它避免了导电高聚物和细胞培养液或肌体的直接接触，从而解决了因脱掺杂而引起的电导率不稳的问题，在组织工程方面具有很好的实用价值。其制备方法简单可行，将静电纺丝技术和静电喷射技术结合起来，通过合理选择工艺参数，解决了纯导电高聚物(特别是聚吡咯)的纺丝难题。

附图说明

图1是本发明制得的聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架扫描电镜图；

图2是本发明制得的聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架透射电镜图；图中“1”指向复合纤维中的“核”，图中“2”指向复合纤维中“壳”。

图3是本发明制得的生长在聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架上的PC-12细胞及其轴突；图中“1”指向“细胞核”，图中“2”指向“轴突”。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以蜘蛛丝蛋白为壳，聚吡咯为核的具有核-壳结构的电活性复合微/纳米纤维及其支架制备方法，包括如下步骤：

(1)核喷射液的配制

把十二烷基苯磺酸掺杂聚吡咯溶解到二氯甲烷中配成浓度为10wt％的核喷射液。

(2)壳纺丝液的配制

把天然蜘蛛丝(室外采集得到)溶解到六氟异丙醇中配成浓度为12wt％的壳纺丝液。

(3)以蜘蛛丝蛋白纺丝液为壳，聚吡咯纺丝液为核，用同轴共纺装置(NEU-COAXIAL，日本加多公司)把静电纺丝技术和静电喷射技术结合起来制备具有电活性的核-壳结构的导电高聚物/可降解聚合物复合纤维及其复合纤维双重孔结构支架。

把核-壳纺丝液分别装入各自的注射器中，连接同轴共纺装置进行静电纺丝。注射器针尖下方放置一片铝泊来接收纺出的复合纤维。让复合纤维支架在铝箔中停留一周后，把聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架从铝箔中剥离下来，用去离子水冲洗至少3遍后，置于真空干燥箱干燥。

静电纺丝所加的电压为12-15kV，核喷射液的流速为0.2-0.7mL/h，壳纺丝液的流速0.5-1.2mL/h，环境温度为5-20℃，相对湿度为20-80％，纤维接收距离为10-25cm。接收到的复合纤维支架在铝箔中的停留时间至少为24h，在凝固浴中的浸泡时间至少为30min。真空干燥的温度为50℃，干燥的时间至少为24h。复合纤维支架用去离子水清洗后，必须再将其浸没于去离子水中24h后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明为止。

将所得的聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架分别进行扫描电镜、透射电镜的观察，电导率和生物相容性的测试。聚吡咯/蜘蛛丝蛋白复合纤维支架的电导率为9.21×10^-2s cm^-1，扫描电镜、透射电镜和共聚焦显微镜测试结果分别见图1、图2和图3所示。从图1可以看出，复合纤维支架由较有序排列的微米级和纳米级的纤维交织而成，具有多孔结构。从图2可以明显地看出，复合纤维具有核-壳结构。从图3可以发现，细胞在支架上充分铺展，生长良好，有明显的轴突，具有良好的生物相容性。

Claims (8)

1.一种具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其步骤如下：

步骤一，核喷射液的配制：

把导电聚合物溶解到第一溶剂中配成核喷射液，浓度为10wt％；所述的导电高聚物为聚吡咯或聚苯胺；

步骤二，壳纺丝液的配制：

把可降解聚合物溶解到第二溶剂中配成壳纺丝液，浓度为12wt％；所述的可降解聚合物为聚乳酸、蜘蛛丝或脱丝胶的蚕丝；

步骤三，支架的制备：

把所述的核喷射液和所述的壳纺丝液分别装入各自的注射器中，连接同轴共纺装置进行静电纺丝和静电喷射；所述的注射器针尖下方放置一片铝泊或凝固浴用来接收纺出的复合纤维和由其形成的支架，然后把所述的支架从所述的铝箔中剥离下来或从所述的凝固浴中捞出来，用去离子水冲洗至少3遍后，置于真空干燥箱干燥；

所述的静电纺丝所加的电压为12-15kV，所述的核喷射液的流速为0.2-0.7mL/h，所述的壳纺丝液的流速0.5-1.2mL/h，环境温度5-20℃，相对湿度20-80％，纤维接收距离10-25cm。

2.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于所述的第一溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲酸、浓硫酸或水。

3.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于所述的第二溶剂为六氟异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、甲酸、浓硫酸或水。

4.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于接收到的所述的复合纤维和由其形成的支架在铝箔中的停留时间至少为24h。

5.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于接收到的所述的复合纤维和由其形成的支架在凝固浴中的浸泡时间至少为30min。

6.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于所述的真空干燥箱的温度为50℃。

7.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于所述的干燥时间至少为24h。

8.根据权利要求1所述的具有核-壳结构的电活性复合纤维及其组织工程支架的制备方法，其特征在于所述的复合纤维和由其形成的支架用去离子水清洗后，必须再将其浸没于去离子水中24h后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明为止。

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