CN105568559B - 一种含peo胶原基纳米纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，包括：将牛跟腱胶原蛋白海绵和PEO溶解在乙酸水溶液中，搅拌，得到胶原蛋白静电纺丝原液，进行静电纺丝，得到含PEO胶原基纳米纤维膜。本发明的方法操作简单高效、廉价低污染，制备得到的胶原蛋白纳米纤维表面光滑，理化性质稳定，并且有一定的力学性能。

Description

一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法
技术领域
本发明属于静电纺丝纳米纤维的制备领域，特别涉及一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法。
背景技术
由于胶原蛋白特有的生物可降解性、低抗原性、止血性能以及能够促进细胞增殖分化性能，使其成为当今医用材料的首选；我国是胶原蛋白生产大国，每年都有大量胶原蛋白得不到正确使用而丧失了其价值，如何利用国内丰富的胶原蛋白资源，研制出高性能高附加值胶原蛋白医用敷料产品，是当今医用敷料领域研究的热点之一。静电纺丝是一种经济简单快速制备纳米纤维的方法，目前很多聚合物能通过静电纺丝技术加工成具有纳米尺寸的纤维。胶原蛋白静电纺纳米纤维综合了胶原蛋白的生理性能和静电纺纤维的特性，最大程度上模仿细胞外基质的组成成分和结构特点，能够促进细胞增长增殖分化从而加速伤口愈合。因此，胶原蛋白静电纺纳米材料的研究具有十分重要的意义。但是，胶原蛋白的可纺性和静电纺丝溶剂的毒性和环保性及成本等问题一直悬而未决。
为解决这一问题，人们尝试使用其他的溶剂替代六氟异丙醇。学者们(Dong B,Olivier A,Smith M E,et al.Electrospinning of collagen nanofiber scaffoldsfrom benign solvents[J].Macromolecular Rapid Communications,2009,30(7):539-42)使用了一种新型温和的溶剂体系：磷酸盐缓冲液(PBS)和乙醇的混合体系，在纺丝液浓度为16％，纺丝电压20Kv，接收距离10cm，推进速率1mL/h的条件下成功制得胶原蛋白纳米纤维，这一尝试受到广泛关注，但存在纺丝液中高浓度的盐的去除问题，并且实验中发现上述的溶剂体系不能溶解牛跟腱胶原蛋白。Liu T等人(Liu T,Teng WK,Chan BP,etal.Photochemical crosslinked electrospun collagen nanofibers:Synthesis,characterization and neural stem cell interactions[J].Journal of BiomedicalMaterials Research Part A,2010,95(1):276-82)研究比较了六氟异丙醇和40％醋酸对胶原蛋白结构的影响，对纳米纤维的圆二色实验发现，由六氟异丙醇制得的胶原纳米纤维比由醋酸制得的结构变化更大。随后，Murat Kazanc指出胶原蛋白在醋酸溶液中能够更好保存其天然结构，用浓度为40％的纺丝液制成纳米纤维(Kazanci M.Solvent andtemperature effects on folding of electrospun collagen nanofibers[J].Materials Letters,2014,130(1):223-226.)。此外，Andrea Fiorani也做了类似的研究(Fiorani A,Gualandi C,Panseri S,et al.Comparative performance of collagennanofibers electrospun from different solvents and stabilized by differentcrosslinkers[J].J Mater Sci Mater Med,2014,25(10):2313-2321)。以上的研究表明，醋酸作为溶剂能够制得胶原蛋白纳米纤维同时，胶原的结构变化也比氟化醇溶解的胶原蛋白小。但是，醋酸制得的纳米纤维多呈现出粘连状，空隙率不高，原因是乙酸的挥发性差，纤维在纺丝过程中溶剂没有完全挥发掉；另一个重要的原因是乙酸和胶原蛋白的结合能力太强，所以，以乙酸作为溶剂胶原蛋白静电纺丝的工艺有待进一步探索。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，该方法使用无毒廉价的乙酸水溶液作为静电纺丝溶剂，并添加PEO作为助纺剂，制备的胶原蛋白纳米纤维表面光滑、直径分布均匀。
本发明的一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，包括：
(1)将牛跟腱胶原蛋白海绵和聚氧化乙烯PEO溶解在步骤(1)中的乙酸水溶液中，搅拌，得到60mg/mL～100mg/mL的胶原蛋白静电纺丝原液；其中，牛跟腱胶原蛋白海绵和PEO的质量比为70：30～90：10；
(2)将步骤(2)中的静电纺丝原液进行静电纺丝，得到含PEO胶原基纳米纤维膜；其中，静电纺丝的条件为：纺丝电压15Kv～25Kv，接收距离为10cm～25cm，推进速率0.5mL/h～1mL/h，操作温度10℃～20℃，空气相对湿度10％～50％。
所述步骤(1)中乙酸水溶液的体积百分比为20％～80％。
所述乙酸水溶液是由冰醋酸和去离子水混合，搅拌均匀，得到。
优选的，所述冰醋酸和去离子水的体积比为80：20。
所述步骤(1)中搅拌为4℃～20℃的条件下磁力搅拌1～3h。
所述步骤(1)中牛跟腱胶原蛋白海绵的相对分子质量为3.5×105；聚氧化乙烯的相对分子质量为3.0×105。
所述步骤(2)中静电纺丝的条件为：纺丝电压为25Kv，接收距离为20cm，推进速率0.8mL/h，空气相对湿度40％～50％。
所述步骤(2)中操作温度为18℃。
所述步骤(2)中含PEO胶原基纳米纤维膜的直径为100nm～400nm。
本发明以乙酸水溶液作为静电纺丝溶剂，并添加PEO作为助纺剂，成功制备的胶原基纳米纤维膜，有望用于医用敷料领域。
本发明采用静电纺丝法制备胶原基纳米纤维，充分利用纳米纤维比表面积大、孔隙率高且能够模拟细胞外基质结构的特性，有利于细胞与材料间的有效接触并促进其相互作用，可达到促进伤口愈合的目的。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单易行，原料低污染，成本低廉；产品理化性质稳定，有一定的力学性能而且便于推广；
(2)本发明的方法采用无毒溶剂乙酸水溶液成功制备了表面光滑、直径分布均匀的含PEO胶原基纳米纤维；且制得的纳米纤维膜多未呈现出粘连状，空隙率高；
(3)本发明的方法制备得到的胶原基纳米纤维静电纺丝前后化学结构没有发生变化，仍保存了三螺旋结构。
附图说明
图1为含PEO胶原基纳米纤维膜的SEM图和直径分布图(图1A和1a对应实施例1；图1B和1b对应实施例2；图1C和1c对应实施例3)；
图2为实施例3中含PEO胶原基纳米纤维膜和牛跟腱胶原蛋白海绵、PEO的红外光谱图；
图3为实施例3中含PEO胶原基纳米纤维膜和牛跟腱胶原蛋白海绵、PEO的TG和DTG图；
图4为实施例3中含PEO胶原基纳米纤维膜和牛跟腱胶原蛋白海绵、PEO的X射线衍射图；
图5为实施例3中含PEO胶原基纳米纤维膜的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施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。
实施例1
(1)制备混合溶剂：将冰醋酸和去离子水混合，搅拌均匀，得到乙酸水溶液；其中，冰醋酸：去离子水的体积比为80：20；
(2)制备纺丝液：准确称取0.35g牛跟腱胶原蛋白海绵和0.15g聚氧化乙烯(PEO)，溶解在10mL步骤(1)中的乙酸水溶液中，在温度20℃的条件下用磁力搅拌器搅拌2h，得到5％(g/mL)的胶原蛋白静电纺丝原液。
(3)胶原蛋白溶液静电纺丝；将步骤(2)中胶原蛋白溶液在纺丝电压25Kv，接收距离为20cm，推进速率0.8mL/h，温度20℃，空气相对湿度45％的工艺条件下进行静电纺丝8h，即得到含PEO胶原基纳米纤维膜。
(4)将制备的含PEO胶原基纳米纤维膜置于真空干燥箱中充分干燥12h，用扫描电镜(SEM)表征纤维的微观形态并做直径分布图，结果如图1A和1a。
实施例2
(1)制备混合溶剂：将冰醋酸和去离子水混合，搅拌均匀，得到乙酸水溶液；其中，冰醋酸：去离子水的体积比为80：20；
(2)制备纺丝液：准确称取0.48g牛跟腱胶原蛋白海绵和0.12g聚氧化乙烯(PEO)，溶解在10mL步骤(1)中的乙酸水溶液中，在温度20℃的条件下用磁力搅拌器搅拌2h，得到6％(g/mL)的胶原蛋白静电纺丝原液。
(3)胶原蛋白溶液静电纺丝；将步骤(2)中胶原蛋白溶液在纺丝电压25Kv，接收距离为20cm，推进速率0.8mL/h，温度20℃，空气相对湿度45％的工艺条件下进行静电纺丝，即得到含PEO胶原基纳米纤维膜。
(4)将制备的含PEO胶原基纳米纤维膜置于真空干燥箱中充分干燥12h，用扫描电镜(SEM)表征纤维的微观形态并做直径分布图，结果如图1B和1b。
实施例3
(1)制备混合溶剂：将冰醋酸和去离子水混合，搅拌均匀，得到乙酸水溶液；其中，冰醋酸：去离子水的体积比为80：20；
(2)制备纺丝液：准确称取0.63g牛跟腱胶原蛋白海绵和0.07g聚氧化乙烯(PEO)，溶解在10mL步骤(1)中的乙酸水溶液中，在温度20℃的条件下用磁力搅拌器搅拌2h，得到7％(g/mL)的胶原蛋白静电纺丝原液。
(3)胶原蛋白溶液静电纺丝；将步骤(2)中胶原蛋白溶液在纺丝电压25Kv，接收距离为20cm，推进速率0.8mL/h，温度20℃，空气相对湿度45％的工艺条件下进行静电纺丝8h，即得到含PEO胶原基纳米纤维膜。
(4)将制备的含PEO胶原基纳米纤维膜置于真空干燥箱中充分干燥12h，用扫描电镜(SEM)表征纤维的微观形态并做直径分布图(1C和1c)，并进行红外光谱分析(图2)、X射线衍射(图3)和热重分析(图4)。图5为本实施例中含PEO胶原基纳米纤维膜的SEM图。
红外光谱分析表明牛跟腱胶原蛋白海绵静电纺前后的主要基团特征吸收峰的强弱和位置未发生明显变化，从1452cm-1与1233cm-1处吸收峰强度的比值可以判断出，胶原蛋白三重螺旋结构仍然存在。
热重分析结果显示，胶原纳米纤维膜表现出胶原蛋白和PEO两种材料的热力学特征。分析各材料的TG曲线可得，胶原纳米纤维膜中胶原蛋白的质量分数为87％，与最初纺丝液中胶原蛋白质量分数90％接近。
X射线衍射分析显示胶原纤维膜中胶原蛋白与PEO分子间的作用力，使胶原蛋白分子之间的作用力下降，分子链间距离增大，并在一定程度上改变了各自的结晶程度。

Claims (5)

1.一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，包括：
(1)将牛跟腱胶原蛋白海绵和聚氧化乙烯PEO溶解在乙酸水溶液中，搅拌，得到60mg/mL～100mg/mL的胶原蛋白静电纺丝原液；其中，牛跟腱胶原蛋白海绵和PEO的质量比为70：30～90：10；乙酸水溶液的体积百分比为20％～80％；
(2)将步骤(1 )中的静电纺丝原液进行静电纺丝，得到含PEO胶原基纳米纤维膜；其中，静电纺丝的条件为：纺丝电压15Kv～25Kv，接收距离为10cm～25cm，推进速率0.8mL/h，操作温度18℃，空气相对湿度10％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌为4℃～20℃的条件下磁力搅拌1～3h。
3.根据权利要求1所述的一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中牛跟腱胶原蛋白海绵的相对分子质量为3.5×105；聚氧化乙烯的相对分子质量为3.0×105。
4.根据权利要求1所述的一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中静电纺丝的条件为：纺丝电压为25Kv，接收距离为20cm，推进速率0.8mL/h，空气相对湿度40％～50％。
5.根据权利要求1所述的一种含PEO胶原基纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中含PEO胶原基纳米纤维膜的直径为100nm～400nm。
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