CN106012297A - 一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法，以质量浓度为10％的PCL/RCSC六氟异丙醇溶液作为纺丝溶液，在本发明提出的静电纺丝‑溶液收集装置上纺丝，纺丝电压10kv、纺丝距离10cm，用4500mg/L的纳米银溶液为浴液，根据喷丝速度设定浴液的加入流速，使新纺出的纳米纤维不断接触到新加入的纳米银溶液，便在纤维丝接收基板上获得包覆有纳米银的PCL/RCSC复合纤维，再用非织造工艺中常用的刺针加固纤维三次，用蒸馏水浸泡材料1分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。本方法获得的三维结构敷料改善了现有敷料力学稳定性较差，空间支撑不足，孔隙率不够大的缺陷。

Description

一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备医用复合纳米纤维三维结构敷料的方法。

背景技术

医用敷料可用来覆盖和治疗伤口以保护人体，它们的功能是控制伤口渗出液、防止伤口因外界微生物的侵入而受到更大的破坏、同时有效促进伤口愈合等。传统的棉敷料因其和皮肤的亲和性较差，容易结痂，伤口容易感染，且无法载药，已经无法满足人们对敷料的要求。

近年来，随着对材料技术的发展和医疗界对伤口愈合过程的更多理解，可为伤口周围建立一个湿润的环境、激励和促进伤口的愈合，抑制细菌生长，减轻疼痛的新型高科技医用敷料不断的被研发出来。聚合物纳米纤维材料由于其小尺度，会呈现出与常规纤维材料不可比拟的性质，为高科技新型医用敷料提供了一种新的研究途径。其中静电纺丝技术被认为是制备纳米纤维的一种高效、简单的加工工艺方法，它能够直接、连续的制备出纳米纤维。得到的电纺纤维直径较小，且不规则堆砌形成无纺布形状的膜材料，因此具有比表面积大、孔隙率较高和相互之间连通形成三维网状结构等特点。这些特点使静电纺制纤维膜非常适合于制备医用敷料，加速伤口愈合。然而，在使用过程中，纤维膜敷料的缺点也渐渐暴露出来，主要体现如下：

1、现有的纤维膜状敷料厚度有限，使得其载药量小、无法满足长久的缓释抗菌功能。

2、在更进一步的需求中，现有的薄膜敷料孔隙率仍然不够大，三维结构敷料能提供比近似二维结构的纤维膜敷料更大的孔隙率，以满足更大孔隙率的医用要求。

3、纤维膜柔软，力学性能较差，外形不够稳定，容易被外力破坏，在用于特殊部位时往往出现损坏。并且，创面敷料在用于皮肤支架需要有三维结构，达到空间支撑的作用，薄膜不具备这个要求。这些缺陷使临床效果受到很大的影响。

综上，要解决这些难题，研发一种具有稳定三维结构的敷料是当下的需要解决的问题。

由于静电纺丝技术具有简单、通用、便于操作、成本低廉等优点，近年来已经成为制备纳米纤维材料的主流技术，用于大量生产纳米纤维生物医用材料。通过静电纺丝制造的三维结构纳米纤维材料也逐渐广泛应用于人体组织工程支架、药物缓释材料、催化载体、过滤材料等多个技术领域。三维结构的静电纺丝纳米材料具有空间支撑作用，且具有一定的体积和孔径能载药、缓释药物或使细胞通过等。这决定了三维纳米结构在生物医用方面具有极大用途，如制备生物组织支架，尤其涉及在医用敷料方面。静电纺丝技术已成为制造三维结构敷料的首选方法。

目前通过静电纺丝制造三维结构纳米材料的方式，根据常见的装置特点大致可以分为以下几种：

1、纤维自助装：纤维直接在正负高压电极收集板上沉积，形成交错杂乱纤维团，经过一段时间累积成三维结构。

2、固体目标物辅助收集：在传统基础上用固体如金属块作为收集极，纤维在上面堆积成三维结构。

3、液体辅助收集：将金属电极至于装有浴液的绝缘器皿底部，电极接地，纤维在浴液中形成三维结构。

对现有装置优缺点分析：随着三维结构的材料需求越来越大，对其厚度、形状、力学性能、孔隙率等等条件的要求越来越高。传统的纤维自组装和固体目标物辅助收集的方法，具有纤维分布散乱或不够均匀，厚度不均匀，形成的三维结构稳定性差，形状不规则等缺点。而传统的液体辅助收集装置，通过在接收装置中，选择不同表面张力的浴液也只能缓解来改进传统方式的纤维体积密度过大的缺点，无法制备形貌可控厚度均匀且具有一定力学性质的静电纺丝三维结构纳米纤维团块。另外，就喷丝针头而言，传统的针板式静电纺丝，喷丝头的喷丝面积较大。静电纺丝如果仅仅采用常用的喷丝头向溶液接收装置中喷丝时，只能使喷丝头静电纺丝出来的纤维漂浮在浴液中，形成膜状漂浮物，不利于纤维小范围内堆积。而且喷丝的面积较大，很可能使纤维粘附在浴液槽上，只能形成分布大宽大厚度极小的膜，无法形成具有一定厚度的三维结构静电纺丝纤维团块物。而目前尚且缺乏综合解决这些问题的有效途径。因此，如何实现静电纺丝制成大小可控、具有可见厚度三维结构的纳米纤维团块状制品，是目前有待研究的技术问题。

综合这些，为了解决纤维在特定小区域内堆积成型，纤维厚度分布均匀的问题，实现具有稳定三维结构的纳米纤维团块状敷料的生产，本发明设计了一种新的静电纺丝-溶液辅助收集装置来帮助完成敷料制造。

由于三维结构材料由于本身孔隙率较大，如果制成大孔径材料，很容易造成其已有力学稳定性的缺失。因此需要有支撑结构以促进其稳定，通常采用一些加固方式来实现。

在申请号为201510259275.1的专利中公布了一种可用于医用敷料的针刺加固工艺，通过刺针的针刺，形成上百微米的大孔径。在较厚的三维结构材料中，被证明有助于渗透，有效解决了细胞在三维结构纳米纤维材料上的渗透问题；并且加固了材料，使其力学稳定性得到补充。既通过针刺形成大孔径，又解决了纳米纤维材料力学稳定性不足的问题。

近年来出现了多种聚合物为原料的纳米纤维敷料，基本分类如：天然材料类，合成高分子材料类，无机材料类和复合材料类。

聚己内酯(PCL)是半结晶聚合物，无毒性且具有良好的生物相容性，近年已经开始医用于药物缓释、生物支架材料等医用领域。PCL具有较低的玻璃化温度使其在室温下呈橡胶态，而分子结构中五个亚甲基的存在，具有较强的疏水性和相对缓慢的降解速率，难以调节材料的亲疏水平衡，不满足作为敷料的条件。林蛙皮胶原蛋白(RCSC)是从东北林蛙表皮组织中分离提纯得到的天然蛋白质，来源丰富，具有低抗原性、生物可降解性、良好的生物相容性。对皮肤创伤修复具有较强的促进作用。由胶原制得的敷料具有很强的亲水性及吸水性，可以吸收大量组织渗出物，防止伤口干结，起到润滑作用。止血作用好，使创口渗血很快凝固，且黏附性好，可长时间用于伤口覆盖，并为表皮细胞的迁移、增殖铺垫了支架，有利于上皮细胞的增生修复，为创面愈合提供良好的营养基础，逐渐被人体组织吸收。纯胶原蛋白主要缺点是弹性差，质脆，不耐水，在潮湿环境易受细菌侵蚀而变质，降解速度不易控制。这两种材料具有极强的互补性。纳米银因其具有的被广泛认可的杀菌作用，在敷料中广泛的应用，来弥补材料自身杀菌性能的不足，并且能控制其含量实现制备不同杀菌效果要求的产品。

在申请号为201210163445.2的专利中公布了一种可用于医用敷料含纳米银的复合纤维膜的制备方法，通过在纤维薄膜中加载了纳米银，有效的抑制了细菌的生长，有效的改善了材料的抑菌性能。

在申请号为201510155478.6的专利中公布了一种林蛙皮胶原蛋白的制备方法，有效的提取了林蛙皮胶原蛋白，可供利用。

发明内容

本发明旨在为改善现有敷料力学稳定性较差，空间支撑不足，孔隙率不够大的问题，提出一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法。该复合纤维三维结构敷料具有优异的抑菌促进组织再生的性能。

所述的聚己内酯(PCL)是常用的生物医用载体材料，林蛙皮胶原蛋白(RCSC)已经被证明和聚己内酯具有鲜明的互补性，并且自身具有一定抗菌作用，可用于生物医用材料的制备。

本发明一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法，包括以下步骤：

a.纺丝溶液的制备：

将PCL、RCSC以1：1的质量比混合后，溶解于六氟异丙醇有机溶剂中，磁力搅拌6h，制得PCL/RCSC质量浓度为10％的纺丝溶液，将该纺丝溶液置入静电纺丝机的储液装置中；

b.在本发明提出的静电纺丝-溶液收集装置上纺丝：

设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm，用4500mg/L的纳米银溶液为浴液，根据喷丝速度设定浴液的加入流速，使新纺出的纳米纤维不断接触到新加入的纳米银溶液，便在纤维丝接收基板上获得包覆有纳米银的PCL/RCSC复合纤维；

c.将步骤b获得的复合纤维三维结构敷料用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维三次，促进结构稳定，过程中厚度有所减小，并形成大孔径，之后，用蒸馏水浸泡材料1分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。

步骤b中所述的本发明提出的静电纺丝-溶液收集装置，其特征在于：

在纺丝针头端部设有一同与静电纺丝机的高压静电发生装置正极相连接的针头极板；在溶液槽壁上设有与浴液储液装置相连通的输液管。

本发明含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料，是在本发明提出的静电纺丝-溶液收集装置下获得的具有大厚度的块状敷料。成型的纤维直径符合常见静电纺丝制备出的纳米纤维直径尺度，在几十纳米到几微米之间。这个尺度的材料与细胞外基质在尺寸和形貌上存在一定的相似性，经常用于模拟天然的细胞外基质。此外，具有三维结构的复合纳米纤维敷料已被证实拥有比纤维膜敷料更高的孔隙率，更加有利于细胞的粘附、生长和增殖，是制备细胞培养载体、组织工程支架、伤口创伤敷料、药物缓释剂的优良材料。

因此，本发明通过新设计静电纺丝-溶液收集装置，将聚己内酯和林蛙皮胶原蛋白制成三维结构的材料，在材料中附着纳米银因子，之后经过相同情况的针刺加固，稳定力学性质，且形成大孔径通道，有助于渗透。最后冻干成型，制成敷料。该敷料能有效的抑制细菌生长，促进组织再生。既强化了现有纳米纤维膜敷料具有的优良的理化生物学性能，又兼备促进组织更快的再生诱导性能。

本发明的实施方式是：

开始时按照参数调节和搭建装置，并且根据已知常用的参数，(纺丝液流速一般为0.008-0.016ml/min和电压8-12KV左右)进行纺丝，实验中喷丝针头喷出的纺丝溶液在纳米银浴液中析出成丝，并且相互贴合纠缠在一起，随着浴液平面升高，纺出的丝就会自然在更高的高度析出，堆在上方，形成纤维团块，纳米银随着溶液流动不断经过材料表面，自然的沉积包覆在材料的三维结构内部。

静电纺丝-溶液收集装置,通常情况下，收集的纳米纤维漂浮在浴液表面，自然堆积，形貌难以固定，且不利浴液充分接触。而本装置可以通过逐步加入浴液实现浴液和纤维充分接触，促进纤维析出和纳米银沉积包覆，并且能通过更改浴液流速影响纤维析出速率来改变其厚度和空间孔隙大小：不改变其他条件只提高浴液速度(如：从2ml/min提高到4ml/min)，纤维在单个截面中含量减少，厚度增加的更快，纺出的纤维团块更厚，但结构相对松散；同理，适当减少浴液速度能使材料厚度更小，但结构相对紧密。

实验表明，喷丝针头上的极板能有效减少泰勒锥的角度，形成较小的喷丝面积。根据场强叠加原理，已知的电场方向会顺着随外加电场对其施加的矢量趋势而改变，外加电场越强，改变越明显，最后叠加的方向遵守矢量合成平行四边形定则。针头极板距离喷丝针头的喷丝口足够近。距离极板越近的地方，电场强度越大，喷丝口的泰勒锥收到外加电场近似竖直向下的矢量影响使得喷丝角度变窄，使得溶液收集装置上析出范围较小的纤维分布。实验表明，在极板距离喷丝口垂直距离约5.5mm对应收集极直径1.5cm时效果较佳，但不排除具有更多的组合方案的可能。

本发明和现有技术相比具有如下优异效果：

1、本发明装置的针头极板由于其具有的外加电场作用，能有效的减小喷丝针头喷丝的范围半径，有利于特定小区域中纤维汇聚累积厚度，并且纺丝纤维的纳米尺度及其形貌特征不会因此改变，如图3所示，在15kv电压下纺织获得截面为5um、100um、500um的复合敷料的扫描电镜图。为现有的纺丝技术提供了控制喷丝范围的简单可行的方案。

2、本发明装置的浴液流速能适当调整，能在半径和高度上一定程度控制纤维堆成型的形状：提高浴液速度纺出的纤维团块更细长，减少浴液速度纤维团块更短粗。实现了对静电纺丝纳米纤维团块状物的形貌控制，对制造湿法静电纺丝三维结构纳米纤维团块物对提供了新方式。

3、本发明装置能纺出具有可控形貌、稳定力学结构、孔隙率大符合生物医用要求的三维结构的纳米纤维块状物。为静电纺丝出三维结构的纳米纤维团块物的纺制问题提供了新的解决方法，具有实用价值。此外，本发明装置的组成简单，操作要求不高，成本低廉，可行有效。

附图说明

图1是本发明静电纺丝-溶液接收装置结构示意图；

图2是20分钟内浴液速度不同纺出的纤维块成品对比图；

其中，左图为4ml/min浴液流速下获得的纤维块成品，右图为2ml/min浴液流速下获得的纤维块成品；

图3本发明装置可纺出纳米纤维成品在15kv电压下截面的5um、100um、500um扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，用于本发明方法的静电纺丝-溶液收集装置，包括：静电纺丝机的高压静电发生装置4、与纺丝液储液装置1连通的喷丝针头2、设置在喷丝针头2端部的针头极板3、设置在喷丝针头2下方的浴液槽6、设置在溶液槽壁上与浴液储液装置相连通的输液管7，接收极板5、与浴液储液装置相连通的输液管7，喷丝针头2和针头极板3一同与静电纺丝机的高压静电发生装置正极相连接，接收极板5与静电纺丝机的高压静电发生装置负极相连接。

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但这些实施例仅用于解释本发明，并非对本发明的具体限定。

以下为采用不同工艺参数下含纳米银的PCL/RCSC复合纤维三维结构敷料的制备。

实施例2

1.纺丝溶液的制备：称取PCL、RCSC各0.16g，溶解在2ml六氟异丙醇有机溶剂中，之后磁力搅拌6h，此时即获得10％质量分数的PCL/RCSC混合纺丝溶液；将纺丝溶液置入设计的静电纺丝-溶液收集装置的储液装置中。

2.在新设计的静电纺丝-溶液收集装置上，设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm、浴液流速2ml/min，用0mg/L的纳米银溶液为浴液，纺制三维结构的纳米纤维团块。纺制时间为30min。

3.纺丝结束后，用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维团块三次，促进结构稳定，并形成大孔径。然后，用蒸馏水浸泡材料一分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，之后用冷冻干燥机干燥3-5天定型，之后即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。所获得复合纳米纤维三维结构敷料，其纳米纤维层的厚度为0.54cm，纳米纤维平均直径为631nm。

实施例3

1.纺丝溶液的制备：称取PCL、RCSC各0.16g，溶解在2ml六氟异丙醇有机溶剂中，之后磁力搅拌6h，此时即获得10％质量分数的PCL/RCSC混合纺丝溶液；将纺丝溶液置入设计的静电纺丝-溶液收集装置的储液装置中。

2.在新设计的静电纺丝-溶液收集装置上，设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm、浴液流速2ml/min，用1500mg/L的纳米银溶液为浴液，纺制三维结构的纳米纤维团块。纺制时间为30min。

3.纺丝结束后，用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维团块三次，促进结构稳定，并形成大孔径。然后，用蒸馏水浸泡材料一分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，之后用冷冻干燥机干燥3-5天定型，之后即可获得含纳米银的PCL/RCSC(林蛙皮胶原蛋白)复合纳米纤维三维结构敷料。所获得复合纳米纤维三维结构敷料，其纳米纤维层的厚度为0.48cm，纳米纤维平均直径为550nm。

实施例4

1.纺丝溶液的制备：称取PCL、RCSC各0.16g，溶解在2ml六氟异丙醇有机溶剂中，之后磁力搅拌6h，此时即获得10％质量分数的PCL/RCSC混合纺丝溶液；将纺丝溶液置入设计的静电纺丝-溶液收集装置的储液装置中。

2.在新设计的静电纺丝-溶液收集装置上，设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm、浴液流速2ml/min，用3000mg/L的纳米银溶液为浴液，纺制三维结构的纳米纤维团块。纺制时间为30min。

3.纺丝结束后，用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维团块三次，促进结构稳定，并形成大孔径。然后，用蒸馏水浸泡材料一分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，之后用冷冻干燥机干燥3-5天定型，之后即可获得含纳米银的PCL/RCSC(林蛙皮胶原蛋白)复合纳米纤维三维结构敷料。所获得复合纳米纤维三维结构敷料，其纳米纤维层的厚度为0.48cm，纳米纤维平均直径为550nm。

实施例5

1.纺丝溶液的制备：称取PCL、RCSC各0.16g，溶解在2ml六氟异丙醇有机溶剂中，之后磁力搅拌6h，此时即获得10％质量分数的PCL/RCSC混合纺丝溶液；将纺丝溶液置入设计的静电纺丝-溶液收集装置的储液装置中。

2.在新设计的静电纺丝-溶液收集装置上，设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm、浴液流速2ml/min，用4500mg/L的纳米银溶液为浴液，纺制三维结构的纳米纤维团块。纺制时间为30min。

3.纺丝结束后，用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维团块三次，促进结构稳定，并形成大孔径。然后，用蒸馏水浸泡材料一分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，之后用冷冻干燥机干燥3-5天定型，之后即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。所获得复合纳米纤维三维结构敷料，其纳米纤维层的厚度为0.43cm，纳米纤维平均直径为625nm。

附图3为该实施例制得的复合纳米纤维三维结构敷料在15kv电压不同倍率下的截面扫描电镜图。

实施例6

1.纺丝溶液的制备：称取PCL、RCSC各0.16g，溶解在2ml六氟异丙醇有机溶剂中，之后磁力搅拌6h，此时即获得10％质量分数的PCL/RCSC混合纺丝溶液；将纺丝溶液置入设计的静电纺丝-溶液收集装置的储液装置中。

2.在新设计的静电纺丝-溶液收集装置上，设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm、浴液流速2ml/min，用6000mg/L的纳米银溶液为浴液，纺制三维结构的纳米纤维团块。纺制时间为30min。

3.纺丝结束后，用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维团块三次，促进结构稳定，并形成大孔径。然后，用蒸馏水浸泡材料一分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，之后用冷冻干燥机干燥3-5天定型，之后即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。所获得复合纳米纤维三维结构敷料，其纳米纤维层的厚度为0.46cm，纳米纤维平均直径为630nm。

本发明制备的含纳米银PCL/RCSC复合纤维三维结构敷料，通过抑菌实验证明，材料有良好的抑菌效果，能长期起到抑菌作用，以促进伤口愈合。

Claims (1)

1.一种医用复合纤维三维结构敷料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a.纺丝溶液的制备：

将PCL、RCSC以1：1的质量比混合后，溶解于六氟异丙醇有机溶剂中，磁力搅拌6h，制得PCL/RCSC质量浓度为10％的纺丝溶液，将该纺丝溶液置入静电纺丝机的储液装置中；

b.在本发明提出的静电纺丝-溶液收集装置上纺丝：

设定静电纺丝条件:纺丝电压10kv、纺丝距离10cm，用4500mg/L的纳米银溶液为浴液，根据喷丝速度设定浴液的加入流速，使新纺出的纳米纤维不断接触到新加入的纳米银溶液，便在纤维丝接收基板上获得包覆有纳米银的PCL/RCSC复合纤维；

c.将步骤b获得的复合纤维三维结构敷料用非织造工艺中常用的刺针，用边长为2cm、针密为16枚每平方厘米的正方形针布，针刺深度0.5cm，加固纤维三次，促进结构稳定，过程中厚度有所减小，并形成大孔径，之后，用蒸馏水浸泡材料1分钟以移除酒精，之后用冷冻干燥机干燥5天，即可获得含纳米银的PCL/RCSC复合纳米纤维三维结构敷料。