CN106087078A - 一种用于静电纺丝的接收器、静电纺丝装置、具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静电纺丝的接收器，所述接收器包括内凹的壳体，所述壳体的内表面分布有多根金属针；所述壳体采用绝缘材料制成。本发明还公开了包括上述接收器的静电纺丝装置。本发明还公开了具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚己内酯溶于溶剂中，经搅拌和静置得到均一且无气泡的纺丝溶液；(2)将步骤(1)得到的纺丝溶液置于注射器中，进行静电纺丝，得到具有多级孔的三维纳米纤维结构。本发明有效解决了静电纺丝技术应用于组织工程支架的二维平面限制，所得多级孔结构不仅可以起到支撑细胞生长的作用，而且有利于细胞顺利进入支架内部。

Description

一种用于静电纺丝的接收器、静电纺丝装置、具有多级孔的三 维纳米纤维结构的制备方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝，特别涉及一种用于静电纺丝的接收器、静电纺丝装置、具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法。

背景技术

近年来，组织工程已经发展成为一种新的方法来修复人体组织，通过使用生物可吸收多孔合成支架来支撑和指导体外新组织的形成并进一步植入体内。为了促进新生组织的发展，所制备的支架应该模拟细胞外基质(ECM)，这是一种具有开口孔隙率的多孔三维纳米网络结构，并为发展中的组织提供结构支持。在过去的10年中，研究者花费大量的精力用来探索仿生支架的功能，并发展各种纳米制造技术用于制备三维结构。在这些技术中，静电纺丝(以下简称“电纺”)是一种简单和通用的技术，能够产生由类似于ECM中纤维组成的高孔隙支架(S.Agarwal,J.H.Wendorff and A.Greiner,Adv.Mater.,2009,21,3343–3351)。聚己内酯(PCL)是一种得到FDA批准的生物材料，具有良好的生物相容性和生物可降解性。电纺PCL纳米纤维已被用于创伤敷料、药物释放载体和组织工程支架等，其中，PCL纳米纤维材料作为细胞培养支架的研究最为深入。对PCL进行电纺获得纤维支架，用于细胞培养能够促进细胞与细胞、细胞与支架的相互作用，从而提高组织的再生能力。

然而，传统的电纺技术只能制备平面纤维薄膜，且纤维与纤维之间的排列过于紧密，导致细胞很难进入支架内部进行生长和增殖，限制了其在再生医学领域的应用。目前，电纺支架存在两个非常重要的问题。第一，由直径约为200～1000nm的纤维无规沉积形成的微小孔径，使得细胞难以进入支架内部。第二，一些组织应用需要mm-到cm-厚度的支架，但是在电纺技术中，由于已经沉积纤维和随后电纺纤维间的静电排斥，使得这一厚度很难达到。

迄今为止，已经有一些方法实现了电纺三维结构。(1)连续电纺或多层电纺。在这种方法中，可以获得具有一定厚度的电纺纤维薄膜，厚度可达几百微米并变成三维纤维结构，但是这种方法需要花费较长时间(例如，从20min到20h)直至生长成充分的三维结构。(2)后处理电纺纤维，首先从接收器上剥离薄膜，然后弯曲/折叠或堆叠纤维层成为管状或厚垫的三维纤维结构。(3)通过改良接收器也可以获得三维纤维结构，例如，用三维收集模板代替传统的二维平板接收器。使用液体接收和去除纳米纤维间的微球填充物也已经被报道，但是需要后处理来干燥已经制备的三维结构或者处理制孔剂。(4)通过控制电纺过程中的一些参数(如溶液浓度/粘度、电场和相对湿度)，不需要任何其他的辅助就可以获得三维纤维微米结构的迅速生长(或自组装)。

孔径问题可以通过使用牺牲模板(M.C.Phipps,W.C.Clem,J.M.Grunda,G.A.Clines and S.L.Bellis,Biomaterials,2012,33,524–534)或组织电纺纳米纤维(D.Li,G.Ouyang,J.T.McCann and Y.Xia,Nano Lett.,2005,5,913–916)来解决。但是，这些方法带来了额外的复杂性。近来，Deitzel等(J.M.Deitzel,J.Kleinmeyer,D.Harris andN.C.Beck Tan,Polymer,2001,42,261–272)仅使用简单的、未改良的电纺过程，通过纤维的自组装得到了聚氧化乙烯纳米纤维的蜂巢状结构，并且他们已经观察到了许多其他聚合物的这一结构。但是，自组装的机制和发生条件仍然不清楚。

当支架达到几百微米后，支架厚度被静电电荷限制，且将排斥后续的电纺纤维。目前为止，只有少量文章已经报道了厚支架的发展，如密度非常低的疏松、无序纤维网格(B.A.Blakeney,A.Tambralli,J.M.Anderson,A.Andukuri,D.-J.Lim,D.R.Dean and H.-W.Jun,Biomaterials,2011,32,1583–1590)或几个二维薄膜堆叠(R.Tzezana,E.Zussmanand S.Levenberg,Tissue Eng.,Part C,2008,14,281–288)。但是，这些支架没有力学性能表征，并且植入体内可能会导致结构坍塌或分层。因此，如何利用电纺这一简单的技术得到满足组织再生中多级结构要求的支架材料，是急需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种用于静电纺丝的接收器，可以使电纺支架实现真正意义上的三维结构。

本发明的目的之二在于提供一种静电纺丝装置。

本发明的目的之三在于提供一种具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，有效地实现了在不同区域具有不同纤维取向和孔径的多级孔结构。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于静电纺丝的接收器，所述接收器包括内凹的壳体，所述壳体的内表面分布有多根金属针；所述壳体采用绝缘材料制成。

所述接收器为半球壳体，所述多根金属针沿径向插于半球壳体的内表面；所述多根金属针均匀分布于半球壳体的内表面；所述多根金属针通过金属丝相互电连接。

所述壳体由聚四氟乙烯制成。

所述金属针为不锈钢针。

所述金属丝为铜丝。

一种静电纺丝装置，其包括权利所述的用于静电纺丝的接收器。

所述的静电纺丝装置，包括注射器、平口针头、高压电源和接收器；所述平口针头位于接收器正上方；所述注射器与平口针头相连接通；所述高压电源的一端连接平口针头，另一端连接多根金属针。

所述的具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚己内酯溶于溶剂中，经搅拌和静置得到均一且无气泡的纺丝溶液；

(2)将步骤(1)得到的纺丝溶液置于注射器中，进行静电纺丝，得到具有多级孔的三维纳米纤维结构。

所述纺丝溶液的浓度为5～10％(w/v)。

步骤(2)所述静电纺丝的具体条件为：

推进速度1～2ml/h，接收距离8～12cm，外加正压12～18kV，外加负压-1～-3kV，接收时间0.5～3h，温度30～35℃，相对湿度40～45％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)采用本发明的接收器，一步即可得到可达厘米尺度的三维纤维结构。本发明的接收器利用均匀分布的不锈钢针“点阵”改变接收电场的分布，使得纤维结构内部不同区域的纤维排列和孔径大小均不同。

(2)本发明的具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，无需采用牺牲模板或电纺后处理，避免了其他复杂技术或程序的使用，改善了多级纳米纤维结构的制备方法，突破了电纺三维结构的限制。

(3)本发明制备得到三维纳米纤维结构，具有多级孔结构，密致区域可以起到支撑作用，疏松区域可以促进细胞进入支架内部，这将有利于细胞增殖及组织再生。

附图说明

图1为本发明的实施例1的静电纺丝装置的示意图。

图2为本发明的实施例1的用于静电纺丝的接收器的示意图。

图3为本发明的实施例2制备得到的三维纳米纤维结构的局部区域的正交纤维电镜图。

图4为本发明的实施例2制备得到的平行纤维电镜图。

图5为本发明的实施例3三维纳米纤维结构的显微计算机扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的静电纺丝装置，包括注射器1、平口针头2、高压电源3和本实施例的接收器4；所述平口针头位于接收器正上方；所述注射器与平口针头相连接通。

如图2所示，本实施例的用于静电纺丝的接收器，包括半球壳体41，所述半球壳体41的内表面均匀分布有多根不锈钢针42，多根不锈钢针42沿径向插于半球壳体41的内表面，通过细铜丝相互电连接。本实施例的半球壳体内径8cm，外径10cm。不锈钢针的总长度为3.5cm，直径为0.15cm，尖端长度为0.3cm，露出壳体内表面的不锈钢针的长度为1.5cm。不锈钢针连接高压电源的一端，高压电源的另一端连接平口针头。

本实施例的接收器的制造方法如下：

a、制备具有良好绝缘性的聚四氟乙烯(PTFE)半球壳体；

b、对半圆球状壳体的底面圆周进行八等分，对穿过半球壳体底面中心和底面圆周的等分点的半圆周进行八等分，在半圆球状壳体上的各等分点上转孔；

c、将长度和直径相同的数根不锈钢针的一端进行打磨，得到均匀的尖端；

d、将具有均匀尖端的不锈钢针插入半球壳体的转孔内，得到分布均匀的点阵接收器。

实施例2

采用实施例1的电纺装置制备具有多级孔的三维纳米纤维结构：

称取0.8g纯PCL溶解于10ml六氟异丙醇中，得到10ml PCL溶液。常温下，经磁力搅拌器搅拌过夜，使PCL完全溶解，得到澄清的均一溶液。室温下，静置PCL溶液15min，得到均一无气泡的电纺溶液。将自制半球接收器与传统电纺设备的高压负极连接，完成接收器的替代，并开启机器预热。使用10ml的一次性塑料注射器装载电纺溶液，并将注射器与泵前管的一段相连，泵前管另一端与20#不锈钢平口针头相连。在推进速度1ml/h，接收距离10cm，外加正压15kV，外加负压-2kV，接收时间3h，温度35℃，相对湿度45％的条件下进行电纺。纺丝结束后，用镊子小心取下并收集三维纳米纤维结构，真空干燥并保存。

图3为本实施例制备得到的三维纳米纤维结构的局部区域的正交纤维电镜图，由图可知，该区域的纤维呈现十字交叉取向，且具有连通孔。图4为本实施例制备得到的三维纳米纤维结构的平行纤维电镜图，由图可知，该区域的纤维取向基本一致，呈平行排列。

本实施例的接收器内不锈钢针位置处纤维的沉积密度较大，形成三维致密区，而不锈钢针之间区域纤维的沉积密度较小，形成三维疏松区。这是由于不锈钢针的阵列分布改变了接收器内的电场分布，从而影响纤维的沉积方式。

本实施例得到的三维纳米纤维结构的不同区域与采用普通的平板接收器电纺后形成的二维薄膜的参数见表1。

表1

实施例3

采用实施例1的静电纺丝装置制备具有多级孔的三维纳米纤维结构：

称取0.8g纯PCL溶解于10ml六氟异丙醇中，得到8％(w/v)PCL有机溶液。称取0.005g罗丹明6G染料溶解于5ml无水乙醇中，得到0.1％(w/v)的染料溶液。常温下，经磁力搅拌器搅拌过夜，分别使PCL和罗丹明6G完全溶解，得到两种澄清的均一溶液。之后，使用移液枪抽取20ul罗丹明6G溶液，并将其混入PCL溶液。磁力搅拌90min，使两种溶液混合均匀。室温下，静置混合溶液15min，得到均一无气泡的电纺溶液。将自制半球接收器与传统电纺设备的高压负极连接，完成接收器的替代，并开启机器预热。使用10ml的一次性塑料注射器装载电纺溶液，并将注射器与泵前管的一段相连，泵前管另一端与20#不锈钢平口针头相连。在推进速度1ml/h，接收距离10cm，外加正压15kV，外加负压-2kV，接收时间3h，温度35℃，相对湿度45％的条件下进行电纺。纺丝结束后，用镊子小心取下并收集三维纳米纤维结构，真空干燥并保存。

图5是本实施例制备得到的三维纳米纤维结构的显微计算机扫描图，由图可知，三维纳米纤维结构的内部构建与接收器的结构相符，且呈现“帽子状”结构。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合及简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于静电纺丝的接收器，其特征在于，所述接收器包括内凹的壳体，所述壳体的内表面分布有多根金属针；所述壳体采用绝缘材料制成。

2.根据权利要求1所述的用于静电纺丝的接收器，其特征在于，所述接收器为半球壳体，所述多根金属针沿径向插于半球壳体的内表面；所述多根金属针均匀分布于半球壳体的内表面；所述多根金属针通过金属丝相互电连接。

3.根据权利要求1所述的用于静电纺丝的接收器，其特征在于，所述壳体由聚四氟乙烯制成。

4.根据权利要求1所述的用于静电纺丝的接收器，其特征在于，所述金属针为不锈钢针。

5.根据权利要求1所述的用于静电纺丝的接收器，其特征在于，所述金属丝为铜丝。

6.一种静电纺丝装置，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的用于静电纺丝的接收器。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝装置，其特征在于，包括注射器、平口针头、高压电源和接收器；所述平口针头位于接收器正上方；所述注射器与平口针头相连接通；所述高压电源的一端连接平口针头，另一端连接多根金属针。

8.基于权利要求7所述的静电纺丝装置的具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将聚己内酯溶于溶剂中，经搅拌和静置得到均一且无气泡的纺丝溶液；

(2)将步骤(1)得到的纺丝溶液置于注射器中，进行静电纺丝，得到具有多级孔的三维纳米纤维结构。

9.根据权利要求8所述的具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，其特征在于，所述纺丝溶液的浓度为5～10％(w/v)。

10.根据权利要求8所述的具有多级孔的三维纳米纤维结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述静电纺丝的具体条件为：

推进速度1～2ml/h，接收距离8～12cm，外加正压12～18kV，外加负压-1～-3kV，接收时间0.5～3h，温度30～35℃，相对湿度40～45％。