CN104452107A - 一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维膜及其制备方法,特征包括:(1)将聚羟基脂肪酸酯(P3HB4HB,10-18mol%4HB)在搅拌条件下加入到氯仿和丙酮的混合溶剂中,搅拌得到混合液;(2)将上述混合液在搅拌的条件下升温至50-80℃,充分搅拌5-8分钟,得到溶解均匀的P3HB4HB静电纺丝原液,其中聚合物浓度为6wt%-12wt%;(3)将上述P3HB4HB纺丝原液转移至玻璃注射器中,固定在静电纺丝装置上进行静电纺丝,收集得到的纤维膜在40-60℃真空干燥6-12h,制备得到具备高弹性性能的P3HB4HB多孔纤维膜,其断裂拉伸率可达500%以上。本发明的制备过程简单、可控、高效,生物降解性和生物相容性好,且纤维的直径及拉伸力学性能在一定范围内可调节,具有非常好的弹性及高的断裂拉伸率。

Description

一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料及其制备方法,属于功能纤维材料及其制备技术领域。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是一类由微生物在碳源过剩和某种营养物质如氮或者磷等元素缺乏的条件下合成的作为能量和碳源储存性物质的总称。由于PHAs具有不同的单体结构,因此种类较多,包括聚-3-羟基丁酸酯(PHB)、聚3-羟基丁酸和3-羟基戊酸共聚物(PHBV)、聚3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共聚物(P3HB4HB)、聚3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)等。因为其多样性和良好的可降解性及生物相容性,PHAs作为医用材料在缝线、绷带、心血管补丁、骨科针、防粘连膜、支架、引导组织修复/再生设备、关节软骨修复支架、脊髓支架及伤口敷料等方面的应用已被广泛研究。在众多的PHAs中,P3HB4HB可以通过调整单体3HB(高结晶相表现为脆性)和4HB(无定型相表现为韧性)在聚合物中的摩尔比来调节最后聚合物的力学性能。由于这种可控的力学性能,P3HB4HB显示了比PHB更好的作为生物医用移植材料的潜力。
静电纺丝技术是一种在高压电场作用下,纺丝液流克服表面张力而产生带电喷射流,最终在接收装置上收集到超细纤维的纺丝技术。静电纺丝的最大优点是纤维的直径可以达到纳米级。当聚合物纤维的直径由微米级降至纳米级时,就会出现许多优异的性能,如较大的比表面积、较强的韧性等。目前,生物组织工程领域一个热点是制备和细胞外基质具有相似结构和功能的仿生材料。相比于其他支架制备技术,静电纺丝具有以下三个特点:(1)可以很方便地制备直径在数十微米到几纳米的纤维;(2)除了绝大多数有机物之外,很多无机物或者有机/无机杂化物也可以通过静电纺丝技术制备;(3)制备的支架具有内部贯通性,有利于细胞代谢及血管的生成。通过文献检索发现,很多PHAs材料已经成功地通过静电纺丝技术制备,例如:N.Nagiah et al.通过静电纺丝技术采用1,1,1,3,3,3hexafluoro-2-propanaol溶剂制备了P3HB纤维膜,其拉伸强度和在断裂处的拉伸率分别为7.5MPa和28.47%(N.Nagiah et al./Materials Science and Engineering C 33(2013)4444–4452);T.H.Yang等通过静电纺丝技术制备了P(3HB-co-7mol%-4HB)and P(3HB-co-97mol%-4HB)纤维膜,其拉伸强度和拉伸模量分别8/184MPa和13/9MPa,该结果并没有说明其在断裂时的拉伸率(T.H.Ying et al./Biomaterials 29(2008)1307-1317)等。但是这些研究结果表明其拉伸强度及拉伸率都比较低,并且没有研究系统调查溶剂对所制备材料的拉伸力学性能的影响。低的拉伸力学性能极大的限制了材料作为生物支架的广泛的使用,因此改善制备的电纺支架的力学性能有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学性能优异尤其是纤维膜拉伸率可达500%以上,具有高比表面积和多孔结构的高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料及其制备方法。P3HB4HB的多孔纤维材料及其制备方法。
为了实现上述发明的目的,本发明的技术方案如下:
一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料的制备方法,包括:
1)将聚合物聚羟基脂肪酸酯在搅拌条件下加入不同质量比的氯仿和丙酮的混合溶剂中,磁力搅拌得到混合液;所述的聚羟基脂肪酸酯为聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸脂)P3HB4HB,其中4HB的摩尔含量为10~18%,简写为P3HB4HB;
2)将上述混合液在搅拌的条件下升温至50-80℃,充分搅拌5-8min,得到溶解均匀的P3HB4HB静电纺丝原液,聚合物浓度为6wt%-12wt%;
3)采用静电纺丝工艺对得到的静电纺丝原液进行纺丝,静电纺丝的工艺条件为:电压8~12kV,挤出速率为1-10ml/h,喷丝头到接受装置的距离10~14cm,得到一种P3HB4HB多孔纤维支架。
4)将制备的支架真空干燥,得到高弹性及高断裂拉伸率的纤维膜。
由于丙酮是P3HB4HB的非良溶剂,所以P3HB4HB在氯仿和丙酮溶液中的溶解需要磁力搅拌~4小时之后在50-80℃加热5-8min。
所述混合液中氯仿和丙酮的比例来控制,氯仿和丙酮的质量比范围可从99:1到50:50。制备的多孔膜的纤维直径和力学性能可通过调整。
步骤4)中,所述干燥温度为50℃,干燥时间为12-24h,以保证所残留的溶剂完全挥发。
步骤4)中,制备的膜纤维直径控制在1-10μm范围内,而断裂处拉伸率控制在250到550%范围内。
本发明的技术方案的优点如下:
(1)采用一种简单的静电纺丝的技术制备了纤维直径可控,断裂拉伸率可调节的P3HB4HB三维多孔支架。
(2)不同于传统的单独用氯仿作为聚羟基脂肪酸酯的溶剂,本发明采用了氯仿和丙酮的混合液作为溶剂。和单纯的氯仿溶剂相比,使用混合溶剂有效地提高了电纺产率(单位时间内获得的纤维质量),降低了纤维直径并且极大的提高了纤维膜的弹性和拉伸断裂率。
(3)溶剂系统中丙酮的引入极大地增加了最后纺丝液的电导率,(25℃时丙酮和氯仿的介电常数分别为20.7和4.8μs/cm),溶液电导率的增加使得纺丝射流携带的电荷增加,因此,高压静电场对纺丝射流有更大的牵伸力,表现为获得更细的纤维直径及更高的电纺产率。
(4)纤维直径越小,纤维膜的孔隙率越小,表观密度就越大,纤维的断裂拉伸率也就越大。另外,纤维的直径越小,单位体积内纤维之间的搭接点越多,在相同作用力和频率下,纤维之间的滑移越困难,也有利提高纤维膜的拉伸率。因此,可以通过简单地调整溶剂的方法有效地控制调节纤维形态和直径及其力学性能,以适应不同生物组织的应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的聚合物浓度为8wt%的条件下,丙酮对P3HB4HB制备的纤维形态和直径的影响(SEM);图1(a-e)中丙酮的质量百分比分别为1;25;35;50;100;
图2是本发明实施例提供的在丙酮和氯仿在不同质量比下静电纺丝制备得到的纤维膜的力学拉伸的结果;
图3是本发明实施例提供的在不同溶剂下纺丝过程的模型图。其中,图3(a)是单溶剂氯仿条件下电纺的模型图,图3(b)是在混合溶剂下电纺的模型图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
称取4g的P3HB4HB,缓慢地将称取好的P3HB4HB加入到46g氯仿和氯仿的混合溶剂中,丙酮质量分数是1%,在磁力搅拌的条件下大约4个小时,可以得到聚合物浓度为8wt%的溶液。然后将聚合物溶液转移到10ml的玻璃注射器中,放置在静电纺丝的装置中,通过调整电压为10kV,挤出速率3ml/h,针头到接受装置的距离14cm,在这个条件下可获得纤维直径分布均一,形貌良好的纤维膜。
参见附图1(a),本实施例技术方案制备样品的电子扫描电镜图(SEM)结果显示,所制备的纤维支架形貌良好,直径分布均一(5.4±0.5μm)。
实施例2
称取4g的P3HB4HB,缓慢地将称取好的P3HB4HB加入到事先准备好的混合溶剂中,丙酮质量分数分别为25%,35%和50%。在磁力搅拌的条件下大约4个小时,可以得到聚合物浓度为8wt%的溶液。然后将聚合物溶液转移到10ml的玻璃注射器中,放置在静电纺丝的装置中,通过调整电压为10kV,挤出速率3ml/h,针头到接受装置的距离14cm,在这个条件下可获得纤维直径分布均一,形貌良好的纤维膜。
参见附图1(b-d),本实施例技术方案制备样品的电子扫描电镜图(SEM)结果显示,所制备的纤维支架形貌良好,直径分布均一,并且纤维直径随着丙酮质量分数的增加而减少。丙酮质量分数为25%,35%和50%时对应的纤维直径分别为2.6±0.3μm,1.9±0.5μm,1.3±0.5μm。
参见附图2,本实施例技术方案制备样品的拉伸力学测试结果显示,所制备的纤维支架中,丙酮质量分数为25%时,纤维膜显示了最好的断裂拉伸率,拉伸率达到525±19.7%,而仅用氯仿溶剂制备的纤维膜的断裂拉伸率只有270±20.5%。因此,丙酮的引入不仅降低了纤维的直径,同时极大的增加了纤维膜的拉伸率。
参加附图3,溶剂系统中丙酮的引入极大地增加了最后纺丝液的电导率,(25℃时丙酮和氯仿的介电常数分别为20.7和4.8μs/cm),溶液电导率的增加使得纺丝射流携带的电荷增加,因此,高压静电场对纺丝射流有更大的牵伸力,表现为获得更细的纤维直径及更高的电纺产率。
实施例3
称取4g的P3HB4HB,缓慢地将称取好的P3HB4HB加入到46g丙酮溶剂中,在磁力搅拌的条件下大约4个小时,可以得到聚合物浓度为8wt%的溶液。然后将聚合物溶液转移到10ml的玻璃注射器中,放置在静电纺丝的装置中,通过调整电压为10kV,挤出速率3ml/h,针头到接受装置的距离14cm,在此条件不能获得形貌良好的纤维。
参见附图1(e),本实施例技术方案制备样品的电子扫描电镜图(SEM)结果显示,所制备的纤维含有大量的珠结,成纤性差。

Claims (4)

1.一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料的制备方法,包括: 
1)将聚合物聚羟基脂肪酸酯在搅拌条件下加入不同质量比的氯仿和丙酮的混合溶剂中,搅拌得到混合液;所述的聚羟基脂肪酸酯为聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸脂)P3HB4HB,其中4HB的摩尔含量为10~18%,简写为P3HB4HB; 
2)将上述混合液在搅拌的条件下升温至50-80℃,充分搅拌5-8min,得到溶解均匀的P3HB4HB静电纺丝原液,其中聚合物浓度为6wt%-12wt%; 
3)采用静电纺丝工艺对得到的静电纺丝原液进行纺丝,静电纺丝的工艺条件为:电压8~12kV,挤出速率为1-10ml/h,喷丝头到接受装置的距离10~14cm,得到一种P3HB4HB多孔纤维材料。 
4)将制备的P3HB4HB多孔纤维材料真空干燥,得到高弹性及高断裂拉伸率的多孔纤维材料。 
2.根据权利要求1所述的一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料的制备方法,其特征在于:所述混合液中氯仿和丙酮的比例来调节,氯仿和丙酮的质量比为:99:1-50:50。 
3.根据权利要求1所述的一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料的制备方法,其特征在于:步骤(4)中,所述干燥温度为50℃,干燥时间为12-24h。 
4.根据权利要求1所述的一种高弹性聚羟基脂肪酸酯多孔纤维材料及其制备方法,其特征在于:制备的膜纤维直径控制在1-10μm范围内,断裂处拉伸率控制在250-550%范围内。 
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