CN104593903B

CN104593903B - 高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维及其应用

Info

Publication number: CN104593903B
Application number: CN201410854273.2A
Authority: CN
Inventors: 郭刚; 危加丽; 王跃龙; 罗雁冰
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104593903A

Abstract

本发明公开的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该纤维是由聚碳酸亚丙酯与聚己内酯按质量比60～99:1～40和以粒料总质量计0.2～0.5％的导电金属盐共混，经高压静电纺丝方法制备而成，其电镜照片显示该纤维是由大量相互贯通的纳米孔网络构成，其比表面积为130‑200m²/g。本发明还公开了该纳米孔网络纤维在骨组织工程方面的应用。本发明提供的纤维不仅其表面及内部能够形成相互贯通的纳米孔网络，大大增加纳米纤维的比表面积，还因具有良好的生物相容性和生物可降解性，可用于骨组织工程，且制备方法简单，对环境温度要求低、湿度适用范围宽，可控，同时便于大批量生产。

Description

高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维及其应用

技术领域

本发明属于高压静电纺丝纤维及其应用技术领域，具体涉及一种基于高压静电纺丝技术所制备的含纳米孔网络的纤维及其在骨组织工程中的应用。

背景技术

人体各种组织的损伤极为普遍，特别像骨、软骨缺损以及肌腱、韧带等结缔组织损伤越来越多，约占运动损伤的50％。有数据表明，在2001年，欧洲的骨移植手术有408000例，而单美国就有605000例。目前，全球65岁以上人口的骨移植手术每年以2～3％的速度增长。另外，由于人们物质生活水平的提高、生活方式的改变以及医学水平的提高这些都使得对骨移植、骨修复手术的更多需求和更广泛的应用。在我国，据不完全统计，全国每年因各类交通事故、骨科疾病等因素，造成骨缺损或骨损伤的患者有300万人，骨骼不健全的人数有上千万，据不完全估计全国每年个体匹配骨骼的市场总额至少在五千万元以上。目前临床骨组织缺损主要靠自体/异体骨组织来修复，但是这些治疗方法都有其固有的缺陷。如自体能提供给骨缺损部位移植的骨组织较少同时需要牺牲提供骨组织区域骨的功能，并且取自体骨需要另行手术增加了感染的风险，而异体组织来源困难且可能存在免疫和伦理上的问题，从而使制备生物相容性好、可降解聚合物作为骨组织工程的替代材料获得了广泛研究，高压静电纺丝就是其中一种制备生物相容性好、可降解聚合物作为骨组织工程的替代材料的常规方法。

具体来说，高压静电纺丝就是将聚合物溶液或熔体在高压静电场下进行拉伸、冷却或溶剂挥发形成纤维的技术，其是最常见也是最简单的用来制造纳米纤维的技术，1934年因Formhals申请注册首个专利而闻名于世(US2187306A)。高压静电纺丝纤维虽有文献报道称其具有制备简单、可控，高孔隙率及比表面积，功能化表面等优良特点，并被广泛应用于组织工程，如Ramier等(Ramier J,Grande D,Bouderlique T et al.From design ofbio-based biocomposite electrospun scaffolds to osteogenic differentiation of humanmesenchymal stromal cells.J Mater Sci:Mater Med,2014,25:1563–1575.)报道了在纺丝纤维上可以更好的诱导人骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，但遗憾的是，大多数静电纺丝纤维表面光滑不存在相互贯通的纳米级尺寸孔洞，这不仅限制了纤维支架的比表面积的进一步增加，同时也使得其作为骨组织工程支架时也不利于钙盐的沉积。

对于目前公开的通过控制一些静电纺丝的工艺条件可在纳米纤维表面形成所谓纳米“孔”方法，如2007年CN2921043Y中介绍了“一种静电纺丝法制备的带有纳米孔的纤维”，尽管该专利也提及了所得纤维表面带有纳米孔，但该专利既未给出具体的制备方法，也未给出纤维丝表面纳米孔的形态检测等信息，因此该技术没有可行性及实用价值。又如曹胜光等(曹胜光,胡炳环,刘海清.静电纺制备纳米孔结构聚乳酸(PLLA)超细纤维.高分子学报.2010.10:1193-1198.)报道的在严格控制溶剂二氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺的比例、PLLA浓度和电场强度下，采用溶剂快速挥发使纤维表面的温度快速降低，形成热致相分离引起孔洞生成的方法。其成孔原理是，根据纤维表面温度的降低可使空气中的水汽凝结到纤维上，水是PLLA的非溶剂，水珠周围的PLLA溶液会凝固，当水挥发后就在PLLA纤维上留下了孔洞。该制备方法虽然可以在PLLA纤维丝表面形成纳米孔，但是因需要严格控制溶剂、浓度、电场条件，同时其成孔原理对环境湿度依赖性较强，故限制了其大规模工业化生产。

又如Casper等(Casper,C.L.,Stephens J.S.,Tassi N.G.,Chase B.and Rabolt J.F.,Controlling Surface Morphology of Electrospun Polystyrene Fibers:Effect of Humidity andMolecular Weight in the Electrospinning Process.Macromoleculars,2004.37:573-578.)报道通过严格控制环境湿度和苛刻的选择聚合物及其溶剂制成了表面多孔的纤维丝，其孔的直径在20-350nm。但首先，采用该技术无法在工厂环境下严格控制湿度来达到成孔效果，其次，该方法只能在纳米纤维表面形成纳米孔，未贯穿整个纤维，所形成的纳米孔相当于只是在纤维丝表面形成一些坑状的压迹。

又如Gupta等(Gupta A,Saquing CD,Afshari M,et al.Porous Nylon-6Fibers via a NovelSalt-Induced Electrospinning Method.Macromoleculars,2009,42(3):709-715.)将尼龙-6和氯化镓溶于硝基甲烷中，通过高压静电纺丝制备成纤维，然后将纤维水洗24小时，除去纤维中的氯化镓，从而得到多孔的尼龙-6纳米纤维。该方法通过水洗除去静电纺丝纤维中的一种成分而成孔，制备工艺相对复杂，同时制备成的纤维上纳米孔分布极其不均匀，也难以制备成内部相互贯通的纳米孔网络。

又如Han等人公开的(Han SQ,Son WK,Cho DW,et al.Preparation of porous ultra-finefibers via selective thermal degradation of electrospunpolyetherimide/poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)fibers.Polymer Degradation andStability.2004,86(2):257-262.)采用热处理法制备带孔的纳米纤维，其是选用了两种不同分解温度的聚合物聚乙烯亚胺(PEI)和聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)按不同质量比共混进行静电纺丝，得到了光滑的PEI/PHBV复合纳米纤维，然后再对复合纳米纤维进行热处理(210℃和240℃)，使其中较低分解温度的聚合物分解后便形成带孔的纳米纤维。该方法虽然能形成带纳米孔的纤维，但需要经高温煅烧处理，制备过程繁琐，生产成本高，不利于大规模生产，同时形成的孔并没有形成纳米孔网络。

再如McCann等人(Touny AH,Bhaduri SB.A Reactive Electrospinning Approach forNanoporous PLA/monetite Nanocomposite Fibers.Materials science&Engineering C-Materialsfor Biological Application.2010,30(8):1304-1312.)又报道了将静电纺丝接收装置放入液氮中，然后真空干燥除去溶剂，称可得到表面和内部都有多孔结构的纳米纤维，其原理在于纳米纤维在液氮中发生相分离形成溶剂富余相和聚合物富余相，聚合物富集相在其玻璃化温度之下会发生玻璃化，随着溶剂的挥发，就形成了内部和表面都有孔的聚合物纤维。但该种方法由于要大量使用液氮，制备条件复杂苛刻，同时其采用的原理为固液相分离，可控性较差。

还值得一提的是，不仅现有技术制备的这些纳米“孔”实际上只是一种存在于纤维丝表面的半封闭的“盲孔”(Silke Megelski,Jean S.Stephens,D.Bruce Chase,and John F.Rabolt.Micro-and Nanostructured Surface Morphology on Electrospun Polymer Fibers.Macromolecules,2002,35,8456-8466.)，同时其制备方法往往也过于繁琐、不易控制、重复性较差，不利于大批量工业化生产。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的不足，首先提供一种用高压静电纺丝技术制备的含纳米孔网络纤维。

本发明的另一目的是提供一种上述方法制备的含纳米孔网络纤维的应用。

本发明提供的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该纤维是由聚碳酸亚丙酯(Poly(propylene carbonate)，PPC)与聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)粒料按质量比60～95:5～40和以粒料总质量计0.2～0.5％的导电金属盐共混，经高压静电纺丝方法制备而成，其电镜照片显示该纤维是由大量相互贯通的纳米孔网络构成，其纳米孔直径为50～300nm，比表面积为130-200m²/g。

以上含纳米孔网络纤维中聚碳酸亚丙酯与聚己内酯粒料按质量比优选75～90:10～25下，该纤维的比表面积为153-200m²/g。

以上所述的含纳米孔网络纤维具体是由以下方法制得的：

(1)先将真空干燥后的PPC与PCL粒料按质量比60～99:1～40和以粒料总质量计0.2～0.5％的导电金属盐混合，然后加入混合溶剂中配制成浓度为1～30％的混合溶液；

(2)将配制的混合溶液置于与内径为0.5～1.2mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度10～25℃、湿度35～65％、电压10～30KV下，以流量1～10ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为10～500转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离10～25cm；

(3)将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理10～30分钟，反复至少3次，以充分除去纳米纤维中的导电金属盐，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

以上方法中所用PPC与PCL粒料的质量比优选80～90:10～20；所用的导电金属盐优选四氯化钛或/和溴化锂；所配制的混合溶液浓度优选4～10％。

以上方法中所述的PCL和PPC的粘均分子量为50000～200000，优选为60000。

以上方法中所用混合溶剂是由三种沸点不同的溶剂A、B、C按照体积比70～90:2～5:8～25组成，优选75～88:2～5:10～20。其中溶剂A优选二氯甲烷、氯仿或丙酮中的任一种；溶剂B优选乙酸乙酯；溶剂C优选二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。

以上方法中所用针头优选内径为0.6～0.8mm；温度优选18～20℃，湿度优选45～55％，电压优选15～18KV，流量优选4～7ml/h，接收转盘转速优选200～300转/分，针尖距接收盘距离优选15～20cm。

本发明还提供了一种上述含纳米孔网络纤维在骨组织工程方面的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明提供的含纳米孔网络纤维是以具有良好的生物相容性和生物可降解性的聚碳酸亚丙酯(PPC)为基体，采用溶液共混原理加入一定量的聚己内酯(PCL)，并利用PPC和PCL这两种聚合物在溶液体系中的溶解度参数的不同，极易在纺丝过程中发生相分离的现象，通过静电纺丝方法来制备的，因而不仅使纳米纤维表面及内部能够形成纳米级尺寸的“通孔”，并且这些“通孔”相互之间贯通并形成网络结构(见附图1)，大大增加纳米纤维的比表面积(见附图5)，且还因具有良好的生物相容性和生物可降解性，使之可用于骨组织工程。

2、由于本发明提供的含纳米孔网络纤维在PPC/PCL溶液中加入了一定量的导电金属盐，可在一定程度上提高溶液的导电性，因而使其在静电纺丝过程中更易形成均匀、直径较细的纳米纤维。

3、由于本发明提供的含纳米孔网络纤维在制备过程中所使用的混合溶剂是由不同沸点溶剂组成，其中较高沸点溶剂(溶剂C)的存在，可使在纺丝过程中形成的纤维丝更加均匀且不含串珠，避免了串珠的存在会导致成丝不均匀及成孔困难，最终导致产品比表面积降低的问题；而较低沸点溶剂(溶剂A)的存在，则可使在静电纺丝过程中更易形成表面带纳米孔的纤维丝；而沸点居中的溶剂B的存在可以增加导电金属盐的溶解性，使溶液体系电场更加均匀，更有利于形成直径均匀的纳米纤维。

4、由于本发明提供的含纳米孔网络纤维是在PPC采用混合溶剂溶解的基础上加入PCL这一具有良好生物相容性、生物降解性、高结晶性和较好的机械力学性能的聚合物，因而不仅保留了PPC原有的良好性能，同时改善了PPC的热性能及力学性能，即较明显的提高了PPC的玻璃化转变温度(见附图3)和拉伸断裂伸长率(见附图4)。

5、由于本发明提供的含纳米孔网络纤维表面及内部富含大量相互贯通纳米孔，可为细胞在其表面生长提供更多的立体附着结构，同时也为成骨生长过程中钙盐的沉积提供了更多的空间，因而在应用于大鼠间充质干细胞向成骨细胞诱导分化时，PPC/PCL组明显优于纯PPC上的培养组，这为本品应用于骨组织工程奠定了坚实的基础(见附图6、7)。

6、由于本发明提供的制备含纳米孔网络纤维的方法简单，只需要在PPC的基础上加入PCL通过高压静电纺丝即可形成富含纳米孔网络的纤维，且对环境温度要求低、湿度适用范围宽，可控，同时便于大批量生产。

附图说明

图1为本发明制备的PPC/PCL含纳米孔网络纤维的扫描电镜照片，该照片为超声水洗前的纳米纤维表面形貌，从照片中可见表面及内部富含大量相互贯通的纳米孔网络，纳米孔直径为50～300nm。

图2为采用高压静电纺丝制备的纯PPC纤维的扫描电镜照片，从照片中可见纤维条表面光滑，无任何纳米孔。

图3为本发明制备的PPC/PCL含纳米孔网络纤维与纯PPC高压静电纺丝制备的纤维的差示扫描热量分析(DSC)图，从图中可见纯PPC静电纺丝纤维玻璃化转变温度(T_g)为34℃，而PPC/PCL纤维T_g为36.1℃，说明在PPC中添加了PCL后所获得的含纳米孔网络纤维的耐热性提高了。

图4为本发明制备的PPC/PCL含纳米孔网络纤维与纯PPC高压静电纺丝制备的纤维的力学性能分析图，从图中可见与纯PPC静电纺丝纤维相比，PPC/PCL含纳米孔网络纤维拉伸断裂伸长率增加明显。

图5为本发明制备的PPC/PCL含纳米孔网络纤维的氮吸附曲线，从该图中可以看出制备成的PPC/PCL含纳米孔网络纤维较纯PPC制备成的无纳米孔网络纤维具有更高的比表面积。

图6为本发明制备的PPC/PCL含纳米孔网络纤维用于大鼠骨髓间充质干细胞诱导成骨后经茜红素染色图片，可见其中形成了大量的钙结节。

图7为纯PPC静电纺丝纤维用于大鼠骨髓间充质干细胞诱导成骨后经茜红素染色图片，可见在其中有一定量的钙结节形成。

图8：将图6、7中所染红色用10％西吡氯铵溶下后分别采用分光光度仪测定发现本品的吸光值约为纯PPC组的两倍，这直接说明骨髓间充质干细胞在含纳米孔网络纤维中具有更强的向成骨细胞分化能力，同时可使更多的钙沉积。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述发明的范围仅限于以下的实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的保护范围内。

实施例1

先将真空干燥后的粘均分子量分别为10×10⁴的PPC与PCL粒料按质量比60:40与以粒料总质量计0.2％的四氯化钛混合，然后加入二氯甲烷、乙酸乙酯和二甲基亚砜按比例70：5：25的混合溶剂中配制成浓度为4wt％的混合溶液；将配制的混合溶液置于与内径为1.2mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度25℃、湿度35％、电压10KV下，以流量1ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为10转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离25cm；将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理10分钟，反复3次，以充分除去纳米纤维中的四氯化钛，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

经电镜观察该纤维较均匀，无串珠形成，经测量统计其纤维直径为250±35nm，纤维中存在相互贯通纳米孔网络，比表面积为130.35m²/g。

实施例2

先将真空干燥后的粘均分子量分别为8×10⁴的PPC与PCL粒料按质量比95:5与以粒料总质量计0.5％的溴化锂混合，然后加入二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺按比例90：2：8的混合溶剂中配制成浓度为20wt％的混合溶液；将配制的混合溶液置于与内径为0.5mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度10℃、湿度65％、电压30KV下，以流量10ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为500转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离10cm；将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理30分钟，反复5次，以充分除去纳米纤维中的溴化锂，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

经电镜观察该纤维较均匀，无串珠形成，其直径为2900±230nm，纤维中存在相互贯通纳米孔网络，比表面积为145.43m²/g。

实施例3

先将真空干燥后的粘均分子量分别为6×10⁴的PPC与PCL粒料按质量比85:15与以粒料总质量计0.15％的溴化锂与0.15％四氯化钛混合，然后加入氯仿、乙酸乙酯、二甲基亚砜按比例80：3：17的混合溶剂中配制成浓度为12wt％的混合溶液；将配制的混合溶液置于与内径为0.7mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度19℃、湿度50％、电压17KV下，以流量5ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为250转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离18cm；将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理30分钟，反复3次，以充分除去纳米纤维中的溴化锂，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

经电镜观察见本品纤维最均匀，无串珠形成，直径为750±150nm，含大量相互贯通纳米孔网络，比表面积为200.24m²/g。

实施例4

先将真空干燥后的粘均分子量分别为8×10⁴和2×10⁵的PPC与PCL粒料按质量比90:10与以粒料总质量计0.2％的溴化锂混合，然后加入丙酮、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺按比例75：5：20的混合溶剂中配制成浓度为15wt％的混合溶液；将配制的混合溶液置于与内径为0.8mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度20℃、湿度55％、电压18KV下，以流量7ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为300转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离20cm；将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理30分钟，反复3次，以充分除去纳米纤维中的溴化锂，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

经电镜观察见该产品纳米纤维较均匀，直径为1820±245nm，纤维中存在相互贯通纳米孔网络，比表面积为189.21m²/g。

实施例5

先将真空干燥后的粘均分子量分别为5×10⁴的PPC与PCL粒料按质量比75:25与以粒料总质量计0.5％的四氯化钛混合，然后加入氯仿、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺按比例88：2：10的混合溶剂中配制成浓度为8wt％的混合溶液；将配制的混合溶液置于与内径为0.6mm针头相连的静电纺丝装置中，在温度18℃、湿度45％、电压15KV下，以流量4ml/h注射成纤，成型的纳米纤维用转速为200转/分的转盘收集，针尖距接收转盘距离15cm；将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理30分钟，反复5次，以充分除去纳米纤维中的四氯化钛，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可。

经电镜观察见该产品纳米纤维较均匀，直径为670±145nm，纤维中存在相互贯通纳米孔网络，比表面积为153.37m²/g。

应用例

将实施例5所制得的纳米纤维经环氧乙烷灭菌后固定于24孔板底用作骨髓间充质干细胞培养支架。将大鼠骨髓间充质干细胞接种于上述纳米纤维中，采用低糖DMEM培养基加10％胎牛血清，同时在上述培养体系中加入地塞米松、维生素C、β-磷酸甘油诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，诱导培养3周以后经茜红素染色观察，其结果显示在相同的诱导时间下相对于纯PPC支架，本纳米纤维支架上可见更多更大的钙节结。这说明该纤维丝表面及内部存在大量相互贯通纳米空隙，一方面为骨髓间充质干细胞的生长提供了附着位置，另一方面为钙的沉积提供更多空间。可证明本产品更适合用于骨组织工程(附图6)。

应用对比例

将纯PPC静电纺丝纤维经环氧乙烷灭菌后固定于24孔板底用作骨髓间充质干细胞培养支架。将大鼠骨髓间充质干细胞接种于上述纳米纤维中，采用低糖DMEM培养基加10％胎牛血清，同时在上述培养体系中加入地塞米松、维生素C、β-磷酸甘油诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，诱导培养3周以后经茜红素染色观察，其结果见图7。

Claims

1.一种高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该纤维是由聚碳酸亚丙酯与聚己内酯按质量比60～95:5～40和以粒料总质量计0.2～0.5％的导电金属盐共混，经高压静电纺丝方法制备而成，其电镜照片显示该纤维是由大量相互贯通的纳米孔网络构成，其纳米孔直径为50～300nm，纤维的比表面积为130-200m²/g，该纤维具体是由以下方法制得的：

(1)先将真空干燥后的聚碳酸亚丙酯与聚己内酯粒料按质量比60～95:5～40与以粒料总质量计0.2～0.5％的导电金属盐混合，然后加入混合溶剂中配制成浓度为1～30％的混合溶液；

(3)将所得纳米纤维放入超纯水中超声处理10～30分钟，反复至少3次，以充分除去纳米纤维中的导电金属盐，将除盐处理后纳米纤维在常温下真空干燥即可，

其中所用的导电金属盐为四氯化钛或/和溴化锂；所用的混合溶剂是由三种沸点不同的溶剂A、B、C按照体积比70～90:2～5:8～25组成，其中溶剂A为二氯甲烷、氯仿或丙酮中的任一种；溶剂B为乙酸乙酯；溶剂C为二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。

2.根据权利要求1所述的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该纤维中聚碳酸亚丙酯与聚己内酯粒料按质量比为75～90:10～25；该纤维的比表面积为153-200m²/g。

3.根据权利要求1所述的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该方法中所用聚碳酸亚丙酯与聚己内酯粒料的质量比为80～90:10～20。

4.根据权利要求1或3所述的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该方法中所配制的混合溶液浓度为4～10％。

5.根据权利要求1或3所述的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于该方法中所用针头内径为0.6～0.8mm；温度为18～20℃，湿度为45～55％，电压为15～18kV，流量为4～7mL/h，接收转盘转速为200～300转/分，针尖距接收盘距离为15～20cm。

6.根据权利要求4所述的高压静电纺丝制备的含纳米孔网络纤维，其特征在于制备方法中所用针头内径为0.6～0.8mm；温度为18～20℃，湿度为45～55％，电压为15～18kV，流量为4～7mL/h，接收转盘转速为200～300转/分，针尖距接收盘距离为15～20cm。