CN104096261B - 明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料及其制备方法，将明胶溶液和介孔生物玻璃凝胶混合后，通过静电纺丝的方法制备明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜。本发明所制备的明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜，具有较高孔隙率和比表面积，以及良好的机械性能，可用于组织修复技术领域。

Description

明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可用于组织修复的材料及其制备方法，尤其涉及一种明胶和介孔生物玻璃复合纳米膜材料及其制备方法，所述复合纳米膜材料可用于创伤辅料，血管，神经，组织工程支架等。

背景技术

人体组织损伤、缺损会导致功能障碍。传统的修复方法是自体组织移植术，虽然可以取得满意疗效，但它以牺牲自体健康组织为代价，会导致很多并发症及附加损伤；人的器官功能衰竭，采用药物治疗、暂时性替代疗法可挽救部分病人生命，但供体器官来源极为有限，因免疫排斥反应需长期使用免疫抑制剂，由此而带来的并发症有时是致命的。自80年代科学家首次提出“组织工程学”概念以后，为众多的组织缺损、器官功能衰竭病人的治疗带来了曙光。

静电纺丝技术是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺，具有快速、高效、设备简单、易于操作，而且易于控制制品化学组分和物理性能等优点。由于静电纺纳米纤维的结构与天然细胞外基质相近，且具有独特的微观结构和适当的力学性能，使得静电纺丝越来越有望成为制备理想的组织工程支架的技术。

中国专利CN1569254A公开了一种壳聚糖纳米超细纤维膜材料的制备方法，将壳聚糖溶于乙酸水溶液中，然后按壳聚糖/第二组分质量比为10/90～90/10向溶液中加入聚乙烯醇（PVA）或聚氧化乙烯（PEO），配制成浓度为4～8%的纺丝溶液进行静电纺丝制备纳米纤维膜材料。该膜材料在体内可降解，细胞亲和性好，可用作人工皮肤或人工软骨材料，所述制备方法工艺简单，可操作性强，但局限性在于所制备的膜材料机械强度不高。

中国专利CN1765819A公开了一种生物活性陶瓷纳米颗粒，将正硅酸乙脂的乙醇溶液加入到硝酸钙水溶液中，以酸为催化剂进行水解反应，待反应液澄清之后缓慢滴加到剧烈搅拌下的碱性溶液中进行缩聚沉淀，再将反应液离心分离，冷冻干燥，再经过高温煅烧，最后得到白色生物活性陶瓷纳米颗粒。本发明提高了陶瓷颗粒的比表面积，当其与聚合物复合时能提供更大的界面和粘结强度，从而得到综合性能优良的骨组织工程支架材料。

本发明的目的在于获得一种具有优异生物活性和机械性能的复合生物材料。明胶是胶原水解后得到的水溶性蛋白质，无毒无味，它的生物相容性好，具有可生物降解性，能制成多种医用制品，包括膜、管等，且比胶原成本更低。医学上应用的明胶海绵具有良好的止血作用，能使创口渗血区血液很快凝结，被人体组织逐渐吸收，但其明胶来源大多是哺乳动物。介孔生物玻璃的机械强度高，生物相容性好，无毒副作用。迄今为止，制备鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米材料的方法尚未见有报道。

发明内容

本发明将介孔生物玻璃凝胶以一定比例加入鱼明胶溶液中，通过静电纺丝法制备纳米纤维膜。所形成的复合纳米纤维膜不仅力学性能增强，且生物活性好，具有生物可降解性，在生物医学领域有广阔的应用前景。

本发明第一个方面是提供一种制备明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，提供明胶溶液、介孔生物玻璃凝胶；

步骤2，将明胶溶液和介孔生物玻璃凝胶混合，得到明胶和介孔生物玻璃共混溶液；

步骤3，通过静电纺丝的方法制备明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜。

其中，所述明胶一般来源于动物骨或结缔组织，可以是来源于禽类、畜类、水生动物，如牛、猪、驴、羊、骡、马等。其中鱼明胶安全性好，粘度高，且由于氨基酸组成的缘故，鱼皮胶原分子比哺乳动物胶原交联程度低，所以鱼皮明胶远比猪皮、牛皮明胶易于提取。因此，本发明所述明胶优选为鱼明胶。

所述明胶溶液中，溶剂可以是任意能够溶解明胶的有机和/或无机溶剂，如水、羧酸、酯、醇、酮、醛等，具体例子选自：水、甘油、醋酸、卤代有机醇，更优选为选自：氟代有机醇、氟代酮、氟代酮，更优选为全氟代有机醇、全氟代酮、全氟代醛，最优选为六氟异丙醇。

所述明胶溶液中，明胶浓度优选为5-15g/100ml，更优选为6-13g/100ml，更优选为7-10g/100ml，最优选为8g/100ml。

其中，所述介孔生物玻璃凝胶采用溶胶-凝胶法制备，制备方法为：将聚合物和酸溶解于溶剂中，加入正硅酸酯、钙盐、磷酸酯，60-100°C陈化，得到介孔生物玻璃凝胶。

其中，所述聚合物可以是共聚物或均聚物，可以是天然高分子材料和/或人工合成高分子材料。

所述天然高分子材料如甲壳素、壳聚糖、卡拉胶、黄原胶、透明质酸、海藻酸钠、纤维素、改性纤维素（如羟烷基纤维素、烷基纤维素、芳基纤维素、芳烷基纤维素、羧基烷基纤维素、纤维素无机酸酯、纤维素有机酸酯等）、淀粉、改性淀粉（如氧化淀粉、接枝淀粉、醚化淀粉、酯化淀粉）、动物毛发、蚕丝。

所述人工合成高分子材料可以是聚烯烃、环氧树脂、聚醚、聚酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯等，并优选为聚醚，如聚氧化乙烯、聚氧化丙烯，氧化乙烯/氧化丙烯共聚物。

所述共聚物可以是无规共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物，所述聚合物最优选为氧化乙烯与氧化丙烯共聚物嵌段共聚物，如氧化乙烯-氧化丙烯-氧化乙烯三嵌段共聚物。

所述介孔生物玻璃凝胶中，介孔生物玻璃材料的浓度优选为1-10g/100ml，更优选为1-8g/100ml，更优选为1.5-7g/100ml，更优选为2-6g/100ml，更优选为3-5g/100ml，更优选为3-4g/100ml，更优选为3-3.5g/100ml。

介孔生物玻璃凝胶的制备方法中，所述酸可以是有机酸和/或无机酸。

所述有机酸可以是一元羧酸或多元羧酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、苯甲酸、柠檬酸等。

所述无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、亚硫酸、氢溴酸。

所述酸更优选为无机酸，并且最优选为盐酸。

介孔生物玻璃凝胶的制备方法中，所述钙盐可以是任意能够溶解的钙盐，具体例子选自：氯化钙、硝酸钙、醋酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙、碳酸钙、碳酸氢钙、溴化钙、亚硫酸钙、亚硫酸氢钙；并且最优选为硝酸钙。

所述磷酸酯可以是单酯、二酯或三酯，如甲酯、乙酯、丙酯、丁酯，最优选为磷酸三乙酯。

所述正硅酸酯为正硅酸烷基酯（四烷氧基硅烷），如正硅酸甲酯（四甲氧基硅烷）、正硅酸乙酯（四乙氧基硅烷）等，并最优选为正硅酸乙酯。

介孔生物玻璃凝胶的制备方法中，所述陈化过程中，温度优选为70-90°C，更优选为80°C；陈化时间优选为36-100h，优选为40-100h，优选为48-96h，更优选为60-84h，如72h。

介孔生物玻璃凝胶的制备方法更具体地优选为：将氧化乙烯-氧化丙烯-氧化乙烯三嵌段共聚物和氯化氢溶解于乙醇中，室温下搅拌12-36h（优选为15-30h，更优选为20-28h，如24h）后加入正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯，继续搅拌12-36h（优选为15-30h，更优选为20-28h，如24h），然后在60-100°C（优选为70-90°C，更优选为80°C）陈化36-100h（优选为40-100h，优选为48-96h，更优选为60-84h，如72h），得到介孔生物玻璃凝胶。

介孔生物玻璃凝胶的制备方法中，所述溶剂指的是能够用于所述溶胶-凝胶法的任意溶剂，如卤代烃、芳烃、醇、酯、羧酸、酮、醛类溶剂，并优选为醇，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇、甘油，更优选为乙醇。

本发明上述的方法中，介孔生物玻璃凝胶中，明胶和介孔生物玻璃的重量比优选为30∶1-5∶1；更优选为20∶1-10∶1。

本发明上述的方法中，所述的静电纺丝工艺参数优选为：电压为10-20kV，溶液流速为0.8-2mL/h，接收距离为10cm-20cm。进一步优选为，电压为16-18kV，溶液流速为0.8-1.2mL/h，接收距离为12-15cm。

本发明的第二个方面是提供一种明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料，其中，所述明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料包括明胶和介孔生物玻璃材料。

所述明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料优选为由本发明第一个方面所述方法制备。

本发明第一个方面中所述的明胶和/或介孔生物玻璃材料均优选地应用于本发明第二个方面所述的明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料中。

本发明第二个方面的一个优选实施例中，所述膜材料由平均直径为300-600nm的纤维组成。

所述纤维的平均直径更优选为300-550nm，更优选为300-500nm，更优选为350-500nm。

本发明的优点在于：

（1）鱼明胶是鱼胶原水解后得到的水溶性蛋白质，比鱼胶原成本低，安全性好，具有可生物降解性。

（2）介孔生物玻璃的生物相容性和力学强度高，有抗菌性，易于降解。

（3）本发明使用静电纺丝法在一定的比例下将介孔生物玻璃凝胶加入明胶溶液中共混纺丝，可以得到具有较高的比表面积和孔隙率的复合纳米纤维膜材料，且增强了材料的生物相容性和机械性能。

（4）本发明介孔生物玻璃中，所含硅粒子具有抗菌性。

因此，本发明明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料能广泛应用于生物医学领域，尤其是组织工程领域。

附图说明

图1是实例1制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的扫描电镜图；

图2是实例1制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的直径分布；

图3是实例2制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的扫描电镜图；

图4是实例2制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的直径分布；

图5是实例3制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的扫描电镜图；

图6是实例3制得的鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜的直径分布；

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐述本发明，需理解这些实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。

实例一：

将氧化乙烯-氧化丙烯-氧化乙烯三嵌段共聚物和氯化氢溶解于乙醇中，室温下搅拌24h后加入正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯，继续搅拌24h，然后在80°C陈化72h，得到3.4g/100ml浓度的介孔生物玻璃凝胶。

用电子分析天平0.16克鱼明胶溶于2毫升六氟异丙醇中得到8克/100毫升浓度的鱼明胶溶液；常温下磁力搅拌待完全溶解后，取0.235毫升介孔生物玻璃凝胶混合并搅拌得到质量比为20/1的鱼明胶/介孔生物玻璃共混溶液，静置十分钟后静电纺共混溶液,电压为18kv，注射泵推进速度为1ml/h,接收距离为13cm，选用9号针头，铝箔接收或粗棉基布接收，得到静电纺鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维平的无纺布基质。

从图1和图2可以看出，纤维均直径为455nm，并且纤维直径主要分布于200-500nm，纤维直径较为均一，没有明显差异。

实例二：

将氧化乙烯-氧化丙烯-氧化乙烯三嵌段共聚物和氯化氢溶解于乙醇中，室温下搅拌24h后加入正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯，继续搅拌24h，然后在80°C陈化72h，得到3.4g/100ml浓度的介孔生物玻璃凝胶。

用电子分析天平0.16克鱼明胶溶于2毫升六氟异丙醇中得到8克/100毫升浓度的鱼明胶溶液；常温下磁力搅拌待完全溶解后，取0.314毫升介孔生物玻璃凝胶混合并搅拌得到质量比为15/1的鱼明胶/介孔生物玻璃共混溶液，静置十分钟后静电纺共混溶液,电压为18kv，注射泵推进速度为1ml/h,,接收距离为13cm，选用9号针头，铝箔接收或粗棉基布接收，得到静电纺鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维的无纺布基质。

从图3和图4可以看出，纤维均直径为486nm，并且纤维直径主要分布于400-500nm，纤维直径较为均一，没有明显差异。

实例三：

将氧化乙烯-氧化丙烯-氧化乙烯三嵌段共聚物和氯化氢溶解于乙醇中，室温下搅拌24h后加入正硅酸乙酯、硝酸钙、磷酸三乙酯，继续搅拌24h，然后在80°C陈化72h，得到3.4g/100ml浓度的介孔生物玻璃凝胶。

用电子分析天平0.16克与鱼明胶溶于2毫升六氟异丙醇中得到8克/100毫升浓度的鱼明胶溶液；常温下磁力搅拌待完全溶解后，取0.471毫升介孔生物玻璃凝胶混合并搅拌得到质量比为10/1的鱼明胶/介孔生物玻璃共混溶液，静置十分钟后静电纺共混溶液,电压为18kv，注射泵推进速度为1ml/h,,接收距离为13cm，选用9号针头，铝箔接收或粗棉基布接收，得到静电纺鱼明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维的无纺布基质。

从图5和图6可以看出，纤维均直径为376nm，并且纤维直径主要分布于200-500nm，纤维直径较为均一，没有明显差异。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种制备明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料的方法，其特征在于，所述方法为：

步骤1，提供明胶溶液、介孔生物玻璃凝胶；所述介孔生物玻璃凝胶采用溶胶-凝胶法制备，制备方法为：将聚合物和酸溶解于溶剂中，加入正硅酸酯、钙盐、磷酸酯，60-100℃陈化，得到介孔生物玻璃凝胶；明胶和介孔生物玻璃的重量比为30∶1-5∶1；

步骤2，将明胶溶液和介孔生物玻璃凝胶混合，得到明胶和介孔生物玻璃共混溶液；

步骤3，通过静电纺丝的方法制备明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述明胶溶液中，明胶浓度为5-15g/100ml。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述明胶溶液中，溶剂为六氟异丙醇。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介孔生物玻璃材料为氧化乙烯与氧化丙烯嵌段共聚物。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，介孔生物玻璃凝胶中，介孔生物玻璃材料的浓度为1-10g/100ml。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的静电纺丝工艺参数为：电压为10-20kV，溶液流速为0.8-2mL/h，接收距离为10cm-20cm。

7.一种明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料，其特征在于，组成为明胶和介孔生物玻璃材料，所述复合纳米纤维膜材料由权利要求1所述方法制备。

8.根据权利要求7所述的复合纳米纤维膜材料，其特征在于，所述膜材料由平均直径为300-600nm的纤维组成。