CN104862787B - 可实现多材料分区电纺的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现多材料分区电纺的系统和方法，该系统包括多喷头供料机构等；所述多喷头供料机构位于接收部件的上方，且距离可以调整；所述接收部件通过支架在托盘的上方固定，且接收部件可以更换；导体和接收部件之间留有一定的间隙；所述高压电源的正极和多喷头供料机构的喷头的正极相连，高压电源的负极和导体相连；所述多喷头供料机构、托盘与计算机控制系统相连，通过计算机控制系统来控制多喷头供料机构的多喷头供料的切换以及托盘的旋转或移动。本发明将该分区电纺方法和电纺细胞相结合，可实现不同细胞在静电纺丝纤维膜上的可控分布，将电纺纤维膜卷曲后，则可获得类似于血管组织的三维结构。

Description

可实现多材料分区电纺的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种可实现多材料分区电纺的系统和方法，属于静电纺丝领域和生物制造技术领域。

背景技术

近几年来，由于纳米材料研究的迅速升温，激起了人们对静电纺丝进行深入研究的浓厚兴趣。静电纺丝纺出的纳米纤维直径小，比表面积大，已广泛应用于生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域。静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。静电纺丝法简单、易操作，但是其接收纤维不可控这一缺点严重制约了静电纺丝技术在各个领域的应用。

静电纺丝技术在组织工程支架、创伤修复、药物释放控制等方面也有着广泛的应用。利用静电纺丝技术电纺生物材料制得的纤维具有非常好的生物相容性和结构相容性，其纳米级的结构很好地模拟了细胞外基质。静电纺丝纳米纤维可作为酶，药物和生长因子的载体。通过共混电纺或同轴电纺可将酶，药物和生长因子载入到纳米纤维中，实现酶，药物和生长因子在时间和空间上的可控释放。静电纺丝在组织工程中可用于电纺细胞和细胞定向组装中，细胞可沿着纳米纤维生长，扩散和分化。在纤维上载上酶，药物和生长因子后，可更好地引导，促进，调节细胞的扩散，增殖和分化。当静电纺丝用于创伤修复中时，不同部位组织结构不同，受损程度不同，所需要的纺丝材料，所载的酶，药物和生长因子也就不同。因此，能够实现多材料的分区电纺具有重要意义。

心脑血管类疾病严重危害人类健康，人们对血管缺损修复和替换的需求日益迫切。利用静电纺丝的方法制备血管支架目前越来越受到人们的关注。构建出来的血管支架能够满足细胞在支架上的生长，迁移和分化是血管支架成功的重要标准。在血管支架的不同层载上不同的酶，药物或生长因子可以起到诱导细胞在支架上定向迁移，调节细胞分化的作用。

因此，实现不同材料，特别是载上不同酶，药物和生长因子的电纺丝在指定区域沉积对诱导细胞定向迁移，创伤修复，血管支架等生物制造领域具有重要意义。

发明内容

为了能够进一步扩展电纺丝技术在生物制造领域的应用，本发明提供了一种可实现多材料分区电纺的系统和方法，其可与同轴电纺和电纺细胞相结合，制备出在不同区域沉积载有不同生长因子或细胞的电纺丝纤维膜，将其卷曲后，得到类似于血管分层结构的电纺丝支架。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提供一种可实现多材料分区电纺的系统，其特征在于，其包括多喷头供料机构、计算机控制系统、导体、接收部件、托盘、高压电源；所述多喷头供料机构位于接收部件的上方，且距离可以调整；所述接收部件通过支架在托盘的上方固定，且接收部件可以更换；导体和接收部件之间留有一定的间隙；所述高压电源的正极和多喷头供料机构的喷头的正极相连，高压电源的负极和导体相连；所述多喷头供料机构、托盘与计算机控制系统相连，通过计算机控制系统来控制多喷头供料机构的多喷头供料的切换以及托盘的旋转或移动。

优选地，所述多喷头供料机构中每个料筒里装有不同材料，料筒数量可扩展，喷头可设计为同轴喷头。

优选地，所述接收部件为接收薄膜或绝缘的接收薄板，在整个电纺过程中接收部件的位置不变。

优选地，所述计算机控制系统可根据不同的需求来控制多喷头供料机构以及托盘的配合，获得不同材料在不同区域分布的电纺丝纤维膜。

优选地，所述静电纺丝过程中高压电源提供的电压为10-15kV，供料速度为1.2ml/h，接收距离为150-200mm。

优选地，所述多喷头供料机构中每个料筒里可装上混有不同生长因子，药物或细胞的电纺丝材料。

优选地，所述计算机控制系统在变换多喷头供料机构时，同时控制托盘的旋转或移动，此时多喷头供料机构停止供料，当托盘停止运动时，多喷头供料机构开始供料。

本发明还提供一种可实现多材料分区电纺的方法，其特征在于，以多喷头供料机构有两个料筒m、n，且其中n料筒的喷头为同轴喷头进行说明，该方法包括以下步骤：

步骤一，选择适用于静电纺丝的第一生物材料A和第二生物材料B，制备电纺丝溶液；

步骤二，选择两种合适的药物，分别为第一药物p和第二药物q，溶解得两种药物溶液；

步骤三，将第一生物材料A的电纺丝溶液和第一药物p的溶液混合，搅拌均匀，装入到料筒m中；将第二生物材料B的电纺丝溶液装入到料筒n的外通道中，第二药物q的溶液装入到料筒n的内通道中；

步骤四，供料机构的微量泵控制静电纺丝溶液的供给，计算机控制系统控制m料筒的微量泵启动，纺丝设定时间后，发送信号给多喷头供料机构，停止m料筒的供料，然后驱动托盘运动一段距离，当托盘停止运动时，启动控制n料筒的微量泵，纺丝设定时间后，整个系统停止工作。

与现有技术相比，本发明具有如下实质性特点和显著优点：本发明在已有的电纺丝设备的基础上，增加了一个利用计算机控制系统控制托盘的移动和多喷头供料机构的系统，其中导体的形状可变化，多喷头供料机构的料筒数量可扩展，喷头结构可变化，托盘运动可调节；本发明可以实现多种材料，特别是载上不同酶，药物和生长因子的电纺丝在任意区域的沉积，可实现酶，药物和生长因子在纤维层上的材料梯度分布；将获得的电纺丝膜卷曲，可获得电纺丝在空间上的材料梯度分布，实现药物在空间上的分级释放；直接将分区电纺和电纺细胞结合，获得在不同区域上载有不同的细胞的电纺丝，再将其卷曲便可很好地模拟血管分层结构。本发明扩展了电纺丝在工业，特别是生物制造中的应用，可根据生物体组织的结构，伤口的形状，受伤程度的不同来设计载上药物或生长因子的电纺丝沉积区域，通过卷曲所构建的血管支架在不同区域载有不同的生长因子，可诱导细胞的定向迁移和分化；本发明为复合生物支架、细胞受控组装以及伤口修复提供了新型的工艺方法。

附图说明

图1为本发明可实现多材料分区电纺的系统的原理框图。

图2为实施例1分区电纺示意图。

图3为实施例2分区电纺示意图。

图4为实施例2中电纺丝膜卷曲后得到的纳米纤维支架的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种可实现多材料分区电纺的系统包括：多喷头供料机构1、计算机控制系统2、导体3、接收部件4、托盘5、高压电源6；所述多喷头供料机构1位于接收部件4的上方，且距离可以调整；所述接收部件4通过支架在托盘5上方固定，且接收部件4可以更换；导体3和接收部件4之间留有一定的间隙；所述高压电源6的正极和多喷头供料机构1的喷头的正极相连，高压电源6的负极和导体3相连；所述多喷头供料机构1、托盘5都与计算机控制系统（2）相连，通过计算机控制系统2来控制多喷头供料机构1的多喷头供料的切换以及托盘5的旋转或移动。多喷头供料机构1中每个料筒里装有不同材料，料筒数量可扩展，喷头可设计为同轴喷头。接收部件4为接收薄膜或绝缘的接收薄板，在整个电纺过程中接收部件4位置不变。计算机控制系统2可根据不同的需求来控制多喷头供料机构1以及托盘5的配合，获得不同材料在不同区域分布的电纺丝纤维膜。静电纺丝过程中高压电源6提供的电压为10-15kV，供料速度为1.2ml/h，接收距离为150-200mm。多喷头供料机构1中每个料筒里可装上混有不同生长因子，药物或细胞的电纺丝材料。计算机控制系统2在变换多喷头供料机构1时，同时控制托盘5的旋转或移动，此时多喷头供料机构1停止供料，当托盘5停止运动时，多喷头供料机构1开始供料。本发明得到的载有不同生长因子，药物或细胞的电纺丝纤维膜可以卷曲，形成类似于血管的三维结构。所述托盘5形状可以是任意形状，其材料为绝缘材料；所述导体3可以是半圆形，方块形或其他任意形状，即所述托盘和导体可根据需要设计成不同的形状。

实施例1

如图2所示，本发明可实现多材料分区电纺的方法（实施例1）包括以下步骤：

1）制备两份8.8%的PVA（聚乙烯醇）溶液，均为20ml；

2）取第二代人体脂肪干细胞，以1000r/min离心5min，制备出细胞含量为4X10⁶个/ml的细胞悬液；取第二代人体成纤维细胞，以1000r/min离心5min，制备出细胞含量为4X10⁶个/ml的细胞悬液；

3）将5ml脂肪干细胞与一份PVA混合，搅拌均匀，装入到料筒m中； 将一份PVA溶液装入到料筒n的外通道中，5ml的细胞悬液装入到料筒n的内通道中；

4）当导体位于图2的位置S1处时，供料机构的微量泵控制静电纺丝溶液的供给，计算机控制系统控制m料筒的微量泵启动，纺丝设定时间后，发送信号给多喷头供料机构，停止m料筒的供料，然后驱动托盘逆时针旋转90°，当托盘停止运动时，此时导体位于图2的位置S2处，启动控制n料筒的微量泵，纺丝设定时间后，整个系统停止工作。

最后制得如图2所示的A，B，C三个区域分别为只还有脂肪干细胞，同时含有脂肪干细胞和成纤维细胞，只含有成纤维细胞的PVA电纺纤维膜。

所述步骤3），4）中的操作环境为：无菌操作台；

所述步骤3）中料筒m的喷头内径为0.6mm，料筒n的同轴喷头内喷头内径为0.3mm，外径为0.6mm，外喷头内径为1.3mm；

所述步骤4）中的静电纺丝实验参数为：电压为10kV；喷头和承接部件之间的距离为100mm；供料速率为1.2ml/h。

所述步骤4）中的导体为半圆形。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：双喷头扩展为三个喷头，且三个喷头均采用同轴喷头，包括以下步骤：

1）配置三份8.8%的PVA溶液，均为20ml；

2）配置浓度均为2%的血管内皮生长因子（VEGF），成纤维细胞生长因子（bFGF），表皮生长因子（EGF）的溶液；

3）将一份PVA装入到多喷头供料机构的料筒m的外通道中，将血管内皮生长因子（VEGF）溶液装入到多喷头供料机构的料筒m的内通道中；将一份PVA装入到多喷头供料机构的料筒n的外通道中，将成纤维细胞生长因子（bFGF）溶液装入到多喷头供料机构的料筒n的内通道中；将一份PVA装入到多喷头供料机构的料筒K的外通道中，将表皮生长因子（EGF）溶液装入到多喷头供料机构的料筒K的内通道中；

4）当导体位于图3的位置S1处时，供料机构的微量泵控制静电纺丝溶液的供给，计算机控制系统控制m料筒的微量泵启动，纺丝设定时间后，发送信号给多喷头供料机构，停止m料筒的供料，然后控制托盘向右移动20cm，此时导体位于图3的位置S2处，启动控制n料筒的微量泵，纺丝设定时间后，发送信号给多喷头供料机构，停止m料筒的供料，然后控制托盘向右移动20cm，此时导体位于图3的位置S3处，启动控制k料筒的微量泵，纺丝设定时间后，整个系统停止工作。

最后制得如图3所示的：A，B，C三个区域分别为载上血管内皮生长因子（VEGF），成纤维细胞生长因子（bFGF），表皮生长因子（EGF）的电纺纤维膜。

所述步骤3），4）中的操作环境为：无菌操作台；

所述步骤3）中的喷头均为同轴喷头，内层内径为0.3mm，内层外径为0.6mm，外层内径为1.3mm；

所述步骤4）中的静电纺丝条件为：电压为10kV；喷头和承接部件之间的距离为100mm；供料速率为1.2ml/h。

所述步骤4）中的导体为长方形。

所述步骤4）中制备的电纺膜可沿如图4所示方向卷成纳米纤维支架。纤维膜的卷曲也可在接种上细胞后进行，具体为：在无菌操作台上进行电纺，电纺结束后接种上人体胚胎干细胞，复合培养3天后，然后在无菌环境下沿如图4方向卷成纳米纤维支架，两端用可降解线如手术缝合线捆绑固定，培养一段时间后，由于卷曲之后的电纺丝每层载的生长因子都不同，可促进胚胎干细胞分化成不同的细胞，更好地模拟血管结构，从而可得到具有生物活性的血管支架。

本发明的原理如下：本发明利用计算机控制系统，控制多喷头供料机构的切换和托盘的移动。静电纺丝是利用电场力克服溶液表面的张力，在喷头处喷射出纳米级纤维，当接收端的导体位置变化时，溶液受到的电场力方向也随之改变，可牵引纤维在导体上方区域沉积，配合上载药种类和载药方式的变换后，便可得到在不同区域载有不同药物的纤维膜，实现药物在纤维层上的材料梯度分布，实现分级释放，接种上细胞后将其卷曲或者直接分区电纺细胞再卷曲，可得到类似于血管分层结构的纺丝纤维支架。本发明将该分区电纺方法和电纺细胞相结合，可实现不同细胞在静电纺丝纤维膜上的可控分布，将电纺纤维膜卷曲后，则可获得类似于血管组织的三维结构。

Claims (1)

1.一种可实现多材料分区电纺的方法，其特征在于，以多喷头供料机构有两个料筒m、n，且其中n料筒的喷头为同轴喷头进行说明，该方法包括以下步骤：

步骤一，选择适用于静电纺丝的第一生物材料A和第二生物材料B，制备电纺丝溶液；

步骤二，选择两种合适的药物，分别为第一药物p和第二药物q，溶解得两种药物溶液；

步骤三，将第一生物材料A的电纺丝溶液和第一药物p的溶液混合，搅拌均匀，装入到料筒m中；将第二生物材料B的电纺丝溶液装入到料筒n的外通道中，第二药物q的溶液装入到料筒n的内通道中；

步骤四，供料机构的微量泵控制静电纺丝溶液的供给，计算机控制系统控制m料筒的微量泵启动，纺丝设定时间后，发送信号给多喷头供料机构，停止m料筒的供料，然后驱动托盘运动一段距离，当托盘停止运动时，启动控制n料筒的微量泵，纺丝设定时间后，整个系统停止工作。