CN103590133B - 一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，首先，对疏水性均聚肽聚进行亲水改性，制备成聚( -苄基 L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)或聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物；其次，利用不同挥发性能的溶剂配制成复配溶剂，再配制成纺丝原液；再次，通过高压静电纺丝法进行纺丝；最后，将纺丝置于真空干燥箱室温下干燥3小时以上，获得多孔高比表面积纳米纤维。细胞毒性实验表明，本发明所制备的多孔高比表面积纳米纤维无细胞毒性，生物相容性好，可作为细胞生长的多孔支架，促进细胞的迁移和增殖，在组织工程支架材料制备方面具有较好的应用价值；此外，在医用敷料、药物缓释、人工器官、污水处理等领域也有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及功能性纤维制备的技术领域，具体地说，是一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法。
背景技术
20世纪90年代以后，随着纳米技术的不断发展，静电纺丝法成为制备纳米纤维的主要方法之一。静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射、拉伸而获得纳米或微米级纤维的一种方法。可用于静电纺丝的材料十分广泛，既包括大部分合成高聚物，也包括一些天然高分子材料，如壳聚糖、明胶等。合成聚肽是一类优良的生物可降解材料，对生物体无毒副作用，具有与天然蛋白相同的主链结构，有良好的生物相容性，被广泛应用于药物缓释、医用胶黏剂等生物医用材料领域。
与蛋白质类似，聚肽分子中大量的-NH-和-COO-之间能形成分子内与分子间的氢键。当氢键受到破坏时，溶液中的聚肽分子链呈柔性的无规则线团构象，溶液呈现各向同性。当溶液浓度、酸度、温度等环境条件改变使得分子内或分子间氢键相互作用得到加强时，分子链二级结构会由无规则线团转变为刚性 -螺旋或-折叠片的链构象。这种环境变化导致的分子链构象转变与生物成丝过程中丝素蛋白二级结构的转变非常相似。同时，由于聚肽分子累积偶极矩较大，外加电场会促进无规则线团构象向有序的-螺旋构象或-折叠片构象转变，使分子在外电场作用下发生取向排列。这种外电场下高取向的特点使得聚肽非常适合于制备电纺纤维。但是，由于大多数合成聚肽为疏水性物质，其细胞的粘附性能不佳，使其在组织工程领域的应用受到制约。
发明内容
本发明的目的在于克服上述合成聚肽的不足，提供一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，它利用亲水改性的聚肽共聚物制备多孔高比表面积纳米纤维，获得的纳米纤维的亲水基团及多孔高比表面积有利于细胞的粘附生长，使所述多孔高比表面积纳米纤维在组织工程支架材料、医用敷料、药物缓释、人工器官等领域具有良好的应用前景；此外，高比表面积的多孔特性还可使所述纳米纤维应用于过滤膜、污水处理、药物吸附和个体防护等领域。
为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
首先，对疏水性均肽——聚(-苄基 L-谷氨酸酯)(PBLG)进行亲水改性，以乙醇胺(ETA)及聚氧乙烯单甲醚(Me-PEG-OH)取代PBLG侧链苯甲基团，获得聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)无规共聚物[P(BLG-HEG)]以及聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)；其次，以不同挥发性有机溶剂复配后作为溶剂，溶解聚肽共聚物，获得均匀可纺的电纺丝原液；然后，进行高压静电纺丝，制备多孔高比表面积纳米纤维。
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征是，其制备步骤如下：
（1）对均聚肽进行亲水改性
对疏水性的聚肽——聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)进行亲水改性，将其部分侧链苯甲基团(-CH2-C6H5)改为亲水性的-NH-CH2-CH2-OH基团，制得聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺[P(BLG-HEG)]无规共聚物；或者将其部分侧链苯甲基团(-CH2-C6H5)改为聚乙二醇(PEG)，制得聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)；其结构通式为：
；
（2）纺丝原液的配制
将步骤（1）制得的聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]或者聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)溶于不同挥发性有机溶剂四氢呋喃(THF)、二氯甲烷(DCM)、三氯甲烷(TCM)和三氟乙酸(TFA)的复配溶剂中，将配置的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液；
（3）高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在挤出速度为0.1～3mL/h、电压为5～15kV、喷丝头至接收器的距离为7～22cm的条件下进行高压静电纺丝；
（4）真空干燥
将步骤（3）的纺丝置于真空干燥箱内室温下干燥3小时以上，获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
进一步，步骤（1）所述聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)的分子量为150000～230000g/mol。
进一步，步骤（1）所述聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]中乙醇胺(ETA)的取代度为5%～11%。
进一步，步骤（1）所述聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)中聚氧乙烯单甲醚(Me-PEG-OH)的分子量为150～2000g/mol，聚乙二醇（PEG）的取代度为0.8%～7%。
进一步，步骤（2）所述的复配溶剂是体积比为10:90～95:5（v:v）的四氢呋喃/二氯甲烷(THF/DCM)或二氯甲烷/三氟乙酸(DCM/TFA)或三氯甲烷/三氟乙酸(TCM/TFA)复配溶剂。
进一步，步骤（2）所述静电纺丝原液的浓度为5%～13%(w/v)。
本发明一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法的积极效果是：
（1）对疏水性物质合成聚肽进行亲水改性，以发挥合成聚肽的长处，使之成为一种均匀可纺的电纺丝原液。
（2）通过静电纺丝法制备的多孔高比表面积纳米纤维具有良好的生物相容性，可促进细胞粘附生长，可用于组织工程支架、医用敷料、药物缓释等领域。
（3）本发明所制备的多孔高比表面积纳米纤维还可用于过滤膜、污水处理、药物吸附和个体防护等领域。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的多孔纳米纤维的扫描电镜图。
图2为本发明实施例5制备的多孔纳米纤维的扫描电镜图。
图3为本发明实施例2和实施例5制备的多孔纳米纤维膜的MTT吸光度检测结果。
具体实施方式
以下结合附图解释本发明一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法的具体实施方式，提供5个实施例。但是应该指出，本发明的实施不限于以下介绍的实施方式。
实施例1
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其制备步骤为：
（1）对均聚肽进行亲水改性
对疏水性的聚肽——聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)进行亲水改性：
在250mL反应瓶中加入2g分子量为150000g/mol的聚（-苄基 L-谷氨酸酯）(PBLG)、100mL精制的二氧六环和3mL乙醇胺(ETA)，60℃下电磁搅拌反应11小时，然后沉淀、过滤、真空干燥，得白色的聚(-苄基 L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]固体1.8g；乙醇胺(ETA)的取代度为5%。
（2）纺丝原液的配制
将0.16g步骤（1）制备的聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]无规共聚物溶于2mL体积比为80︰20(v︰v)的挥发性有机溶剂四氢呋喃/二氯甲烷(THF/DCM)的复配溶剂中，配成浓度8% (w/v)的溶液，密封后在室温下搅拌3h，制得均匀的静电纺丝原液。
（3）进行高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在纺丝电压5kV、喷丝头到铝箔的接收距离为7cm、挤出流速为0.1mL/h的条件下进行高压静电纺丝。
（4）真空干燥
将步骤（3）的纺丝置于真空干燥箱室温下干燥至少3小时，获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
实施例1产物的性能测试：
（1）采用扫描电镜观察共聚肽微纳米纤维的形貌。
（2）采用MTT法测试细胞相容性。
实施例2
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其制备步骤为：
（1）对均聚肽进行亲水改性
基本内容同实施例1，所不同的是：
聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)的分子量为230000g/mol，乙醇胺(ETA)为6mL，60℃下电磁搅拌的反应时间为20小时，乙醇胺(ETA)的取代度为11%。
（2）纺丝原液的配制
将0.14g步骤（1）制备的聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]无规共聚物溶于体积比为95︰5(v︰v)的挥发性有机溶剂三氯甲烷/三氟乙酸(TCM/TFA)的复配溶剂中，搅拌均匀，配成浓度为5%(w/v)的静电纺丝原液。
（3）进行高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在纺丝电压9kV、喷丝头到铝箔的接收距离为10cm、挤出流速为0.5mL/h的条件下进行高压静电纺丝。
（4）真空干燥
（同实施例1），获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
采用扫描电镜观察实施例2的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的形貌（参见图1）。
采用MTT法测试实施例2的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的细胞相容性（参见图3）。图3表明，亲水改性后的聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维无细胞毒性，可显著促进细胞增长。
实施例3
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其制备步骤为：
（1）对均聚肽进行亲水改性（同实施例2）。
（2）纺丝原液的配制
将0.26g步骤（1）制备的聚(-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺)[P(BLG-HEG)]无规共聚物溶于体积比为10︰90(v︰v)的挥发性有机溶剂三氯甲烷/三氟乙酸(TCM/TFA)的复配溶剂中，搅拌均匀，配成浓度为13%(w/v)的静电纺丝原液。
（3）进行高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在纺丝电压13kV、喷丝头到铝箔的接收距离为13cm、挤出流速为1mL/h的条件下进行高压静电纺丝。
（4）真空干燥
（同实施例1），获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
采用扫描电镜观察实施例3的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的形貌。
采用MTT法测试实施例3的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的细胞相容性。
实施例4
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其制备步骤为：
（1）对均聚肽进行亲水改性
对疏水性的聚肽——聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)进行亲水改性：
将2g分子量为230000g/mol的聚(-苄基 L-谷氨酸酯(PBLG)溶于350mL的二氯甲烷（DCM）中，加入分子量为150g/mol的聚氧乙烯单甲醚(Me-PEG-OH)和催化剂对甲苯磺酸(TSA)，55℃下反应3h，然后经沉淀、过滤、干燥后，得到聚(-苄基 L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)；聚乙二醇（PEG）的取代度为0.8%。
（2）纺丝原液的配制
将0.14g步骤（1）制备的聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)溶于体积比为20︰80 (v︰v)的挥发性有机溶剂四氢呋喃/二氯甲烷(THF/DCM)的复配溶剂中，搅拌均匀，配成浓度为7%(w/v)的纺丝原液。
（3）进行高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在纺丝电压15kV、喷丝头到铝箔的接收距离为22cm、挤出流速为3mL/h的条件下进行高压静电纺丝。
（4）真空干燥
（同实施例1），获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
采用扫描电镜观察实施例4的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的形貌。
采用MTT法测试实施例4的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的细胞相容性。
实施例5
一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其制备步骤为：
（1）将均聚肽进行亲水改性
基本内容同实施例4。但是，与实施例4所不同的是：
聚(-苄基L-谷氨酸酯)(PBLG)的分子量为150000g/mol，聚氧乙烯单甲醚(Me-PEG-OH)的分子量为2000g/mol，55℃下反应12h，聚乙二醇（PEG）的取代度为7%。
（2）纺丝原液的配制
将0.16g步骤（1）制备的聚(-苄基L-谷氨酸酯)-g-聚乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)溶于体积比为50︰50(v︰v)的挥发性有机溶剂二氯甲烷/三氟乙酸(DCM/TFA)的复配溶剂中，搅拌均匀，配成浓度为8%(w/v)的纺丝原液。
（3）进行高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在纺丝电压9kV、喷丝头到铝箔的接收距离为10cm、挤出流速为2mL/h的条件下进行高压静电纺丝。
（4）真空干燥
（同实施例1），获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
采用扫描电镜观察实施例5的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的形貌（参见图2）。
采用MTT法测试实施例5的产物——聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维的细胞相容性（参见图3）。图3表明，亲水改性后的聚肽共聚物多孔高比表面积纳米纤维无细胞毒性，可显著促进细胞增长。
Claims (6)
1.一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，其制备步骤如下：
（1）对均聚肽进行亲水改性
对疏水性的聚肽——聚（ -苄基L-谷氨酸酯）（PBLG）进行亲水改性，将其部分侧链苯甲氧基团（-O-CH2-C6H5）改为亲水性的乙醇胺（ETA）基团（-NH-CH2-CH2-OH），制得聚（-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺）[P(BLG-HEG)]无规共聚物；或者与聚乙二醇单甲醚（Me-PEG-OH）通过酯交换反应将其部分侧链苯甲氧基团（-O-CH2-C6H5）改为聚乙二醇单甲醚（PEG-Me），制得聚（-苄基L-谷氨酸酯）-g-聚乙二醇单甲醚接枝共聚物（PBLG-g-PEG-Me）；其结构通式为：
；
（2）纺丝原液的配制
将步骤（1）制得的聚（-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺）[P（BLG-HEG）]或者聚（-苄基L-谷氨酸酯）-g-聚乙二醇单甲醚接枝共聚物（PBLG-g-PEG-Me）溶于不同挥发性有机溶剂四氢呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM）、三氯甲烷（TCM）和三氟乙酸（TFA）的复配溶剂中，将配置的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液；
（3）高压静电纺丝
将步骤（2）的静电纺丝原液在挤出速度为0.1～3mL/h、电压为5～15kV、喷丝头至接收器的距离为7～22cm的条件下进行高压静电纺丝；
（4）真空干燥
将步骤（3）的纺丝置于真空干燥箱内室温下干燥3小时以上，获得目标产物——多孔高比表面积纳米纤维。
2. 根据权利要求1所述的一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，步骤（1）所述聚（-苄基L-谷氨酸酯）（PBLG）的分子量为150000～230000g/mol。
3. 根据权利要求1所述的一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，步骤（1）所述聚（-苄基L-谷氨酸酯-羟乙谷酰胺）[P（BLG-HEG）]中乙醇胺（ETA）基团的取代度为5%～11%。
4. 根据权利要求1所述的一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，步骤（1）所述聚（-苄基L-谷氨酸酯）-g-聚乙二醇单甲醚接枝共聚物 （PBLG-g-PEG-Me）中聚乙二醇单甲醚（Me-PEG-OH）的分子量为150～2000g/mol，聚乙二醇单甲醚（PEG-Me）的取代度为0.8%～7%。
5. 根据权利要求1所述的一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，步骤（2）所述的复配溶剂是体积比为10:90～95:5的四氢呋喃/二氯甲烷 （THF/DCM）或二氯甲烷/三氟乙酸（DCM/TFA）或三氯甲烷/三氟乙酸（TCM/TFA）复配溶剂。
6. 根据权利要求1所述的一种利用静电纺丝制备聚肽共聚物多孔纳米纤维的方法，其特征在于，步骤（2）所述静电纺丝原液浓度的质量体积百分比为5%～13%。
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