CN106310370A - 一种弹性可降解生物医用材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：由1，8‑辛二醇与柠檬酸经熔融缩聚合成POC弹性体，将POC弹性体与生物可降解聚合物混合溶解于溶剂中，得到纺丝溶液，使用静电纺丝设备进行静电纺丝，制备弹性可降解生物医用材料。本发明制备的生物医用材料具有无毒、降解速率可控、良好的断裂强度与弹性等优点。

Description

一种弹性可降解生物医用材料的制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料的制备领域，特别是涉及一种弹性可降解生物医用材料的制备方法。
背景技术
组织工程是应用细胞生物学和工程学原理，研究和开发具有修复和改善损伤组织功能生物替代物的一门新兴科学。组织工程的出现和发展，为组织缺损的修复和组织再生提供了一种新的有效方法。组织细胞、支架和生长因子是组织工程的三大要素，其中支架材料在组织工程中起着核心作用。
制备纳米纤维支架的方法有自组装法、相分离法以及静电纺丝法等，其中静电纺丝技术由于其所纺纳米纤维具有高的比表面积和孔隙率，而且可以模拟细胞外基质(ECM)的结构，为细胞的生长提供一个良好的环境，因而在生物医用材料的制备方面具有广阔的前景。此外，可以通过设计不同的接收装置，以满足不同的组织结构的需求。
国际专利WO2006/100895公开了以丙交酯和己内酯共聚物为组成的医用膜，其具有良好的柔性和强度，但是材料本身的降解速率较慢，完全吸收需要6个月，有可能影响伤口愈合及组织修复功能。公开号为CN104650369A中国专利申请公开了一种明胶纳米纤维膜制备方法，该明胶纳米纤维膜降解性能良好，40天完全降解，但其强度和伸展性较差。公开号为CN105396181A中国专利申请公开了一种可降解支架医用膜的制备方法，其所述医用膜采用聚乳酸高分子材料通过静电纺丝而成，该医用膜由于材料本身有限的弹性，不能承受大的弹性变形以及降解速率可控性差限制了其在生物医用材料方面的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，本发明制备的生物医用材料具有无毒、降解速率可控、良好的断裂强度与弹性等优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：由1，8-辛二醇与柠檬酸经熔融缩聚合成POC(聚-1，8-辛二醇-柠檬酸酯)弹性体，将POC弹性体与生物可降解聚合物混合溶解于溶剂中，得到纺丝溶液，使用静电纺丝设备进行静电纺丝，制备弹性可降解生物医用材料。
优选地，所述的POC弹性体的合成方法包括：将1，8-辛二醇与柠檬酸按摩尔比1∶1称取，并投放到三颈圆底烧瓶中，在常压、温度为160-165℃条件下油浴磁力搅拌15分钟，使反应单体1，8-辛二醇与柠檬酸完全熔解，之后温度下降到140-145℃熔融缩聚反应40-60分钟，得到POC，随后，将POC溶解于无水乙醇中，并在去离子水中沉淀(溶解除去未反应的单体)，其中，乙醇和去离子水的体积比例是1∶5，然后对POC进行收集并真空冷冻干燥24小时，得到纯化的POC。
优选地，所述的生物可降解聚合物为聚乳酸(PLA)、聚L-乳酸/聚ε-己内酯共聚物[P(LLA-CL)]、聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸/羟基乙酸共聚物(PLGA)、壳聚糖和胶原蛋白的一种或几种。
更优选地，所述的PLA的相对分子量为1.0×105g/mol。
优选地，所述的纺丝溶液中，POC与生物可降解聚合物的总浓度为9-18％(w/v)。
优选地，所述的纺丝溶液中POC与生物可降解聚合物的重量比为1∶9-1∶1.5。
优选地，所述的纺丝溶液的溶剂为六氟异丙醇。
优选地，所述的静电纺丝设备包括注射器、高压电源和接收装置，注射器的底端设有平口针头，平口针头设于接收装置上方，高压电源的正极连接平口针头，负极接地，高压电源的电压为9-20kV，静电纺丝溶液以0.8-3.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头处形成泰勒锥，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置接收，平口针头到接收装置的距离为8-15cm。
更优选地，所述的接收装置为直径为50mm的滚筒或直径为4-10mm的钢辊，其中，滚筒用来接收形成静电纺丝纳米纤维膜，而钢辊则用来直接接收形成静电纺丝纳米纤维管。
优选地，所述的弹性可降解生物医用材料中纳米纤维丝直径是50nm-3μm。
优选地，所述的弹性可降解生物医用材料的断裂强度为1.48±0.26-6.69±0.52MPa，断裂伸长率为(83.50±1.36)％-(161.50±4.76)％，初始模量为0.25±0.03-0.76±0.04MPa。
优选地，所述的弹性可降解生物医用材料在磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为：34-60天。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中POC弹性体是由无毒单体1，8-辛二醇与柠檬酸经熔融缩聚合成。制备的生物医用材料具有无毒、降解速率可控、良好的断裂强度与弹性等优点。
(2)本发明制成的生物医用材料薄厚均匀，其纤维直径达纳米级，与构成细胞外基质的大分子的直径相近。
(3)本发明制成的生物医用材料既有膜状也有管状，适用于不同的应用场合。
附图说明
图1为本发明一种弹性可降解生物医用材料的制备流程示意图。图中，1为注射器，2为静电纺丝液，3为平口针头，4为静电纺丝射流，5为高压电源，6为接收滚筒，7为泰勒锥。
图2为生物医用材料的扫描电镜图。
图3为生物医用材料的管状图。
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。
本发明各实施例中使用的PLA的相对分子量为1.0×105g/mol。
实施例1
一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，具体步骤为：
(1)由1，8-辛二醇与柠檬酸经熔融缩聚合成POC(聚-1，8-辛二醇-柠檬酸酯)弹性体：将1，8-辛二醇与柠檬酸按摩尔比1∶1称取，并投放到三颈圆底烧瓶中，在常压、温度为160-165℃条件下油浴磁力搅拌15分钟，使反应单体1，8-辛二醇与柠檬酸完全熔解，之后温度下降到140-145℃熔融缩聚反应40-60分钟，至磁力搅拌困难(接近凝胶点)，得到POC，随后，将POC溶解于50ml无水乙醇中，并在250ml去离子水中沉淀(溶解除去未反应的单体)，然后对POC进行收集并真空冷冻干燥24小时，得到纯化的POC。
(2)用ME104E梅特勒-托利电子天平分别称取0.36g POC和0.54g PLA(POC/PLA∶40/60)混合溶解于10ml的六氟异丙醇溶剂中，使之充分搅拌至完全溶解，得到POC与PLA的总浓度为9％(g/ml)的POC/PLA混合纺丝溶液；
(3)使用静电纺丝设备进行静电纺丝，如图1所示，所述的静电纺丝设备包括容量为10ml的注射器1(塑胶针筒)、高压电源5和接收装置6，注射器1的底端设有21G的平口针头3，平口针头3设于接收装置6上方，高压电源5的正极连接平口针头3，负极接地，高压电源5的电压为12kV，将配制好的纺丝溶液转移至注射器1中，静电纺丝溶液以1.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头3处形成泰勒锥7，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置6接收，平口针头3到接收装置6的距离为12cm，制备弹性可降解生物医用材料。所述的接收装置6为直径为50mm的滚筒，用来接收形成静电纺丝纳米纤维膜，如图2所示，其中纳米纤维丝直径是401.31±110.56nm。
(3)测试该纳米纤维膜的机械性能，得到该纳米纤维膜的断裂强度为1.48±0.26MPa，断裂伸长率为(83.50±5.36)％，初始模量为0.25±0.03MPa。
(4)测试该纳米纤维膜的降解性能，所述的弹性可降解生物医用材料在pH值为7.4的磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为：34天。
实施例2
一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，具体步骤为：
(1)与实施例1中步骤(1)相同。
(2)用ME104E梅特勒-托利电子天平分别称取0.225g POC和0.675g PLA(POC/PLA∶25/75)混合溶解于10ml的六氟异丙醇溶剂中，使之充分搅拌至完全溶解，得到POC与PLA的总浓度为9％(g/ml)的POC/PLA混合纺丝溶液；
(3)使用静电纺丝设备进行静电纺丝，如图1所示，所述的静电纺丝设备包括容量为10ml的注射器1(塑胶针筒)、高压电源5和接收装置6，注射器1的底端设有21G的平口针头3，平口针头3设于接收装置6上方，高压电源5的正极连接平口针头3，负极接地，高压电源5的电压为12kV，将配制好的纺丝溶液转移至注射器1中，静电纺丝溶液以1.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头3处形成泰勒锥7，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置6接收，平口针头3到接收装置6的距离为12cm，制备弹性可降解生物医用材料。所述的接收装置6为直径为50mm的滚筒，用来接收形成静电纺丝纳米纤维膜，其中纳米纤维丝直径是303.49±66.79nm。
(4)测试该纳米纤维膜的机械性能，得到该纳米纤维膜的断裂强度为3.18±0.02MPa，断裂伸长率为(161.50±4.76)％，初始模量为0.41±0.02MPa。
(5)测试该纳米纤维膜的降解性能，所述的弹性可降解生物医用材料在pH值为7.4的磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为：43天。
实施例3
一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，具体步骤为：
(1)与实施例1中步骤(1)相同。
(2)用ME104E梅特勒-托利电子天平分别称取0.09g POC和0.81g PLA(POC/PLA∶10/90)混合溶解于10ml的六氟异丙醇溶剂中，使之充分搅拌至完全溶解，得到POC与PLA的总浓度为9％(g/ml)的POC/PLA混合纺丝溶液；
(3)使用静电纺丝设备进行静电纺丝，如图1所示，所述的静电纺丝设备包括容量为10ml的注射器1(塑胶针筒)、高压电源5和接收装置6，注射器1的底端设有21G的平口针头3，平口针头3设于接收装置6上方，高压电源5的正极连接平口针头3，负极接地，高压电源5的电压为12kV，将配制好的纺丝溶液转移至注射器1中，静电纺丝溶液以1.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头3处形成泰勒锥7，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置6接收，平口针头3到接收装置6的距离为12cm，制备弹性可降解生物医用材料。所述的接收装置6为直径为50mm的滚筒，用来接收形成静电纺丝纳米纤维膜，其中纳米纤维丝直径是277.86±54.75nm。
(4)测试该纳米纤维膜的机械性能，得到该纳米纤维膜的断裂强度为6.69±0.52MPa，断裂伸长率为(147.40±3.70)％，初始模量为0.76±0.04MPa。
(5)测试该纳米纤维膜的降解性能，所述的弹性可降解生物医用材料在pH值为7.4的磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为：60天。
实施例4
一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，具体步骤为：
(1)与实施例1中步骤(1)相同。
(2)用ME104E梅特勒-托利电子天平分别称取0.48g POC和0.72g PLA(POC/PLA∶40/60)混合溶解于10ml的六氟异丙醇溶剂中，使之充分搅拌至完全溶解，得到POC与PLA的总浓度为12％(g/ml)的POC/PLA混合纺丝溶液；
(3)使用静电纺丝设备进行静电纺丝，如图1所示，所述的静电纺丝设备包括容量为10ml的注射器1(塑胶针筒)、高压电源5和接收装置6，注射器1的底端设有21G的平口针头3，平口针头3设于接收装置6上方，高压电源5的正极连接平口针头3，负极接地，高压电源5的电压为15kV，将配制好的纺丝溶液转移至注射器1中，静电纺丝溶液以2.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头3处形成泰勒锥7，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置6接收，平口针头3到接收装置6的距离为12cm，制备弹性可降解生物医用材料。所述的接收装置6为直径为5mm的钢辊，用来接收形成静电纺丝纳米纤维管，如图3所示，其中纳米纤维丝直径是756.69±194.21nm。
(4)测试该静电纺丝纳米纤维管的机械性能，得到该纳米纤维管的断裂强度为1.72±0.05MPa，断裂伸长率为(86.7±4.3)％，初始模量为0.29±0.03MPa。
(5)所述的弹性可降解生物医用材料在pH值为7.4的磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为56天。

Claims (10)

1.一种弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：由1，8-辛二醇与柠檬酸经熔融缩聚合成POC弹性体，将POC弹性体与生物可降解聚合物混合溶解于溶剂中，得到纺丝溶液，使用静电纺丝设备进行静电纺丝，制备弹性可降解生物医用材料。
2.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的POC弹性体的合成方法包括：将1，8-辛二醇与柠檬酸按摩尔比1∶1称取，并投放到三颈圆底烧瓶中，在常压、温度为160-165℃条件下油浴磁力搅拌15分钟，使反应单体1，8-辛二醇与柠檬酸完全熔解，之后温度下降到140-145℃熔融缩聚反应40-60分钟，得到POC，随后，将POC溶解于无水乙醇中，并在去离子水中沉淀，其中，乙醇和去离子水的体积比例是1∶5，然后对POC进行收集并真空冷冻干燥24小时，得到纯化的POC。
3.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的生物可降解聚合物为聚乳酸、聚L-乳酸/聚ε-已内酯共聚物、聚ε-已内酯、聚乳酸/羟基乙酸共聚物、壳聚糖和胶原蛋白的一种或几种。
4.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的纺丝溶液中，POC与生物可降解聚合物的总浓度为9-18％(w/v)。
5.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的纺丝溶液中POC与生物可降解聚合物的重量比为1∶9-1∶1.5。
6.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的纺丝溶液的溶剂为六氟异丙醇。
7.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的静电纺丝设备包括注射器(1)、高压电源(5)和接收装置(6)，注射器(1)的底端设有平口针头(3)，平口针头(3)设于接收装置(6)上方，高压电源(5)的正极连接平口针头(3)，负极接地，高压电源(5)的电压为9-20kV，静电纺丝溶液以0.8-3.0ml/h的纺丝速率挤出，在平口针头(3)处形成泰勒锥(7)，挤出的纺丝液滴将在静电场内受电场力牵伸形成纳米纤维并由接收装置(6)接收，平口针头(3)到接收装置(6)的距离为8-15cm。
8.如权利要求7所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的接收装置(6)为直径为50mm的滚筒或直径为4-10mm的钢辊，其中，滚筒用来接收形成静电纺丝纳米纤维膜，而钢辊则用来直接接收形成静电纺丝纳米纤维管。
9.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的弹性可降解生物医用材料的断裂强度为1.48±0.26-6.69±0.52MPa MPa，断裂伸长率为83.50±1.36％-161.50±4.76％，初始模量为0.25±0.03-0.76±0.04MPa。
10.如权利要求1所述的弹性可降解生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述的弹性可降解生物医用材料在磷酸缓冲盐溶液中模拟人体外降解完全降解所需的时间为：34-60天。
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