CN106757496A - 含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维及其制备 - Google Patents
含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维及其制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维及其制备，所述的双组份聚合物超细纤维通过以下步骤制成：(1)纺丝原液配置：配成由挥发性有机酸和挥发性卤代烃组成的混合溶剂，然后将疏水性合成聚肽和壳聚糖溶解于此混合溶剂中，搅拌至均匀透明，即得到纺丝原液；(2)高压静电纺丝：将步骤(1)得到的纺丝原液进行高压静电纺丝，即制得含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维。与现有技术相比，本发明的合成聚肽与壳聚糖都具有良好的生物相容性和生物降解性，共混后可降低合成聚肽纤维的成本，有利于在用于组织工程支架、医用敷料、药物缓释等领域的实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能性超细纤维制备的技术领域，尤其是涉及一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维及其制备方法。
背景技术
静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在高压静电作用下进行喷射、拉伸而获得超细纤维的一种方法，现已成为制备微米级或纳米级纤维的主要方法之一。
由于合成聚肽具有和天然蛋白相同的主链结构和二级结构，并具有良好的生物相容性、可降解性，易被机体吸收和代谢等，因而在生物医用材料领域有良好的应用前景。此外，合成聚肽分子链常采取α-螺旋或β-折叠片等刚性构象，分子链累积偶极矩较大，在外电场作用下会发生取向排列，使得合成聚肽较适合于静电纺丝。但大多数合成聚肽为疏水性分子，影响了其与细胞的亲合性，同时制备成本较高，实际应用受到抑制。迄今为止相关专利报道极为有限。专利US 20130115457A1利用静电纺丝制备了水溶性聚肽——聚鸟氨酸以及谷氨酸-酪氨酸共聚物超细纤维。专利CN103590133B对疏水性聚肽——聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)进行亲水改性后，通过静电纺丝制备了聚肽共聚物多孔纳米纤维。这类化学改性虽然提高了合成聚肽的亲水性，但成本仍然较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维及其制备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维，包括以质量比9:1～6:4共混的疏水性合成聚肽和壳聚糖。
优选的，所述的疏水性合成聚肽为聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)，其分子量为20000～500000g/mol；
所述的壳聚糖的分子量为50000～300000g/mol。过低的分子量不利于分子链间的缠结，难以形成连续纤维；分子量过高，分子链缠结剧烈，溶液粘度太大，分子运动困难，也不易获得连续纤维。
含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝原液配置
配成由挥发性有机酸和挥发性卤代烃组成的混合溶剂，然后将疏水性合成聚肽和壳聚糖溶解于此混合溶剂中，室温下搅拌至均匀透明，即得到纺丝原液；
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)得到的纺丝原液进行高压静电纺丝，即制得含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维。静电纺丝过程中，纺丝原液的流速为1.0mL/h，纺丝电压为20kV；喷丝头至接收器的接收距离为10cm。
优选的，上述制备方法还包括以下步骤：
以甲醛、乙二醛或戊二醛中的任一种作为交联剂，采用蒸汽熏蒸步骤(2)得到的双组份聚合物超细纤维，交联，干燥，即得到最终产品。壳聚糖中的氨基可与醛基酰胺化，导致交联。优选戊二醛是因为其毒性为三者中最低，同时有相对较长的碳链，可以更好地在不同壳聚糖分子链间产生交联。
更优选的，交联反应时间为8～15h。
更优选的，所述的交联剂为戊二醛。
优选的，步骤(1)中所述的挥发性有机酸为甲酸、乙酸、二氯乙酸或三氟乙酸中的一种；
所述的挥发性卤代烃为二氯甲烷或三氯甲烷中的一种。
更优选的，所述的挥发性有机酸优选三氟乙酸；
所述的挥发性卤代烃优选二氯甲烷。
优选的，混合溶剂中，挥发性有机酸与挥发性卤代烃的体积比不小于1:4。
优选的，纺丝原液中，疏水性合成聚肽与壳聚糖的总浓度为2～6wt％。
共混是高分子改性的主要方法之一，通过物理混合能够便捷地将两种或两种以上聚合物的优点综合起来，在提高材料的性能的同时适当降低成本，从而有利于拓展应用。本发明将疏水性合成聚肽聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)与壳聚糖共混后进行静电纺丝。壳聚糖为天然碱性多糖，有良好的亲水性，并能和表面带负电荷的细胞通过静电吸引作用，促进细胞的黏附与增殖，此外还具有良好的抗菌性、抗感染性和很强的凝血性。将壳聚糖和合成聚肽共混后静电纺丝，可在不会影响生物相容性的同时，改善电纺纤维的亲水性，并降低成本。
由于合成聚肽和壳聚糖都存在大量的分子内氢键，有机酸这类质子性溶剂能很好地溶解(尤其是壳聚糖，必须用有机酸溶解)，形成均一的纺丝原液。但大量的有机酸会使合成聚肽分子链的刚性α-螺旋构象转变为无规线团，同时使纺丝液黏度和表面张力大幅度降低，使纤维直径分布过宽并造成粘联。加入挥发性卤代烃可有效改善这一情况，有利于电纺的进行，保持良好的纤维形态。但卤代烃含量过多又会不利于壳聚糖的溶解。因此在双组份纤维制备中有机酸与卤代烃含量均高于5:5，只在单独制备聚肽纤维时(实施例6)，有机酸与卤代烃比例为1:4。
本发明中的三氟乙酸是所选的几种有机酸中酸性最强的，对两种聚合物的溶解性最好，同时沸点最低，有利于电纺过程中溶剂的挥发脱除，形成纤维。相比于三氯甲烷，二氯甲烷沸点更低，毒性更小，价格更便宜。
本发明使用的聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)的制备方法简述如下：
经称量的干燥γ-苄基L-谷氨酸酯五元环酸酐化合物单体溶解于一定体积的1,4-二氧六环中，根据设计的聚肽分子量加入三乙胺引发剂，氮气氛中室温聚合72小时。用无水乙醇沉淀产物，干燥后溶于氯仿，再用大量的无水甲醇精制，过滤干燥，得到白色聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)固体。也可以采用市售产品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过与壳聚糖共混，改善疏水性合成聚肽纤维的亲水性，提高与细胞亲和性，促进细胞的粘附生长于增殖。
(2)合成聚肽与壳聚糖具有良好的相容性，共混后纤维没有宏观相分离。
(3)合成聚肽与壳聚糖都具有良好的生物相容性和生物降解性，共混后可降低合成聚肽纤维的成本，有利于在用于组织工程支架、医用敷料、药物缓释等领域的实际应用。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚合物超细纤维水浸实验后的扫描电镜图。
图2为本发明实施例2制备的聚合物超细纤维水浸实验后的扫描电镜图。
图3为本发明实施例1制备的双组份聚合物超细纤维的透射电镜图。
图4为本发明实施例1和实施例2制备的双组份聚合物超细纤维及其交联纤维的MTT吸光度检测结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)纺丝原液的配制
将三氟乙酸和二氯甲烷以体积比7:3(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量220000g/mol)与壳聚糖(分子量124000g/mol)以质量比8:2(w:w)溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为2.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)配制的纺丝原液在纺丝电压20kV，流速1.0mL/h，接收距离10cm条件下进行高压静电纺丝。
(3)交联
以戊二醛为交联剂，通过蒸气熏蒸对步骤(2)制得的电纺纤维中的壳聚糖组分交联12小时后真空干燥3小时。
(4)纤维性能测试
将步骤(3)制备的电纺纤维室温下浸泡在去离子水中72h，然后在在40℃的烘箱烘干。采用扫描电子显微镜观察纤维形态(参见图1)，纤维平均直径为0.8μm，水浸后纤维无明显破坏，表明制备的含聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维具有良好的耐水性。透射电子显微镜检测电纺纤维结构(参见图3)，显示纤维内部结构均一，没有产生相分离，表明聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)和壳聚糖具有良好的相容性。采用MTT法检测纤维的细胞亲合性(参见图4)，相比空白参照，细胞生存率为135％，表明制备的含聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维具有优良的细胞亲和性，可显著促进细胞的生长增殖。
实施例2
制备步骤同实施例1，所不同的是不经过步骤(3)，即电纺获得的超细纤维不经交联。
采用扫描电子显微镜观察纤维形态(参见图2)，水浸后纤维局部受到破坏，表明未交联的纤维耐水性比交联纤维差。采用MTT法检测纤维的细胞亲合性(参见图4)，相比空白参照，细胞生存率为127％，表明制备的未交联双组份聚合物超细纤维细胞亲和性弱于交联纤维，但仍然能显著促进细胞的生长增殖。
实施例3
(1)纺丝原液的配制
将二氯乙酸和三氯甲烷以体积比6:4(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量20000g/mol)与壳聚糖(分子量300000g/mol)以质量比9:1溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为5.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝(同实施例1)
(3)交联
参照实施例(1)步骤(3)进行，所不同的是，采用的交联剂为乙二醛。
(4)纤维性能测试(同实施例1)
实施例4
(1)纺丝原液的配制
将乙酸和三氯甲烷以体积比9:1(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量500000g/mol)与壳聚糖(分子量80000g/mol)以质量比6:4溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为3.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝(同实施例1)
(3)交联过程同实施例1，所不同的是，采用的交联剂为甲醛。
(4)纤维性能测试(同实施例1)
实施例5
将壳聚糖(分子量300000g/mol)溶解在甲酸中，配制成聚合物浓度为2.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。按实施例1步骤(2)进行静电纺丝，按实施例1步骤(3)进行交联。扫描电子显微镜观察纤维平均直径为1μm。采用MTT法检测纤维的细胞亲合性(参见图4)，相比空白参照，细胞生存率为118％，表明制备的壳聚糖超细纤维细胞亲和性弱于双组份纤维，但仍能促进细胞的生长增殖。
实施例6
将三氟乙酸和三氯甲烷以体积比2:8(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量60000g/mol)溶解于上述溶剂中，配制成聚合物浓度为6.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。按实施例1步骤(2)进行静电纺丝。扫描电子显微镜观察纤维平均直径为1.5μm。采用MTT法检测纤维的细胞亲合性(参见图4)，相比空白参照，细胞生存率为86％，表明制备的疏水性聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)超细纤维细胞亲和性较差。
经测试:未交联含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维细胞亲合性比疏水的聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)纤维和壳聚糖纤维各提高47.6％和7.6％。与未交联双组份纤维相比，交联后双组份超细纤维的细胞亲合性进一步提高了6％，显示出在组织工程支架、医用敷料、药物缓释等领域良好的应用前景。
实施例7
(1)纺丝原液的配制
将二氯乙酸和三氯甲烷以体积比10:1(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量500000g/mol)与壳聚糖(分子量50000g/mol)以质量比7:3(w:w)溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为4.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)配制的纺丝原液在纺丝电压20kV，流速1.0mL/h，接收距离10cm条件下进行高压静电纺丝。
(3)交联
以甲醛为交联剂，通过蒸气熏蒸对步骤(2)制得的电纺纤维中的壳聚糖组分交联15小时后真空干燥3小时。
实施例8
(1)纺丝原液的配制
将乙酸和二氯甲烷以体积比1:1(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量约为20000g/mol)与壳聚糖(分子量约为200000g/mol)以质量比9:2(w:w)溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为6.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)配制的纺丝原液在纺丝电压20kV，流速1.0mL/h，接收距离10cm条件下进行高压静电纺丝。
(3)交联
以戊二醛为交联剂，通过蒸气熏蒸对步骤(2)制得的电纺纤维中的壳聚糖组分交联8小时后真空干燥3小时。
实施例9
(1)纺丝原液的配制
将二氯乙酸和二氯甲烷以体积比2:1(v:v)混合制备混合溶剂。将聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)(分子量约为100000g/mol)与壳聚糖(分子量约为124000g/mol)以质量比8:3(w:w)溶解于上述混合溶剂中，配制成聚合物浓度为4.0wt％的溶液。将配制的溶液密封后于室温下搅拌至均匀透明，制得静电纺丝原液。
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)配制的纺丝原液在纺丝电压20kV，流速1.0mL/h，接收距离10cm条件下进行高压静电纺丝。
(3)交联
以乙二醛为交联剂，通过蒸气熏蒸对步骤(2)制得的电纺纤维中的壳聚糖组分交联10小时后真空干燥3小时。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维，其特征在于，包括以质量比9:1～6:4共混的疏水性合成聚肽和壳聚糖。
2.根据权利要求1所述的一种含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维，其特征在于，所述的疏水性合成聚肽为聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)，其分子量为20000～500000g/mol；
所述的壳聚糖的分子量为50000～300000g/mol。
3.如权利要求1或2所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纺丝原液配置
配成由挥发性有机酸和挥发性卤代烃组成的混合溶剂，然后将疏水性合成聚肽和壳聚糖溶解于此混合溶剂中，搅拌至均匀透明，即得到纺丝原液；
(2)高压静电纺丝
将步骤(1)得到的纺丝原液进行高压静电纺丝，即制得含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维。
4.根据权利要求3所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
以甲醛、乙二醛或戊二醛中的任一种作为交联剂，采用蒸汽熏蒸步骤(2)得到的双组份聚合物超细纤维，交联，干燥，即得到最终产品。
5.根据权利要求4所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，其特征在于，交联反应时间为8～15h。
6.根据权利要求4所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为戊二醛。
7.根据权利要求3所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，步骤(1)中所述的挥发性有机酸为甲酸、乙酸、二氯乙酸或三氟乙酸中的一种；
所述的挥发性卤代烃为二氯甲烷或三氯甲烷中的一种。
8.根据权利要求7所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，所述的挥发性有机酸优选三氟乙酸；
所述的挥发性卤代烃优选二氯甲烷。
9.根据权利要求7所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，混合溶剂中，挥发性有机酸与挥发性卤代烃的体积比不小于1:4。
10.根据权利要求7所述的含合成聚肽和壳聚糖的双组份聚合物超细纤维的制备方法，纺丝原液中，疏水性合成聚肽与壳聚糖的总浓度为2～6wt％。
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