CN107881650A - 一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法及其应用 - Google Patents

一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法及其应用，属于生物医用复合材料领域。该方法采用同轴双层静电纺丝技术制备具有芯/壳结构的纳米纤维膜，选取皮肤细胞外基质中的主要成分作为原材料，其中芯为载有I型胶原的可降解的合成高分子材料，壳为载有纤维蛋白原的可降解的合成高分子材料。本发明的制备方法简单易行，制备出的纳米纤维膜具有良好生物相容性和生物可降解性，随着纳米纤维中壳层材料的降解、芯层材料的暴露，可实现皮肤创面修复过程中组分变化的动态仿生，促进正常皮肤组织的生成，在皮肤创面敷料方面具有较好的应用前景。

Description

一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维 膜的方法及其应用
技术领域
本发明属于生物医用复合材料领域，具体涉及一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法，及其作为仿生皮肤创面修复敷料的应用。
背景技术
皮肤组织位于人体体表，在日常生活中很容易受到来自外界的伤害，如烧伤、创伤、溃疡、发炎和外力刺激等造成组织缺损或破裂，从而形成创面。同时，随着社会人口老龄化的加剧，许多国家的糖尿病等慢性疾病的发病率逐渐升高，而糖尿病等慢性疾病导致的难愈溃疡创面已成为一个影响公众健康的严重问题，并带来了沉重的社会医疗经济负担。基于此，开发一种促进皮肤创面愈合的创面敷料具有十分重要的意义。
理想的皮肤创面敷料应实现从结构、组成和功能上全面仿生皮肤细胞外基质。天然皮肤细胞外基质是由三维纳米纤维网络结构的多糖和蛋白质组成的，目前常见的创面敷料以静电纺丝技术为基础仿生皮肤细胞外基质的三维网络结构，以天然或合成高分子为原材料模拟细胞外基质的成分；然而，创面修复过程是一个复杂的动态过程，添加单一的材料并不能完全仿生皮肤细胞外基质，因而无法实现创伤敷料的功能仿生。
纤维蛋白原存在于血液中，是纤维蛋白的前体，纤维蛋白是一种重要的基质蛋白，为血凝块提供骨架，从而促进组织修复和伤口愈合，纤维蛋白原转变为纤维蛋白的过程就是创伤修复中凝血的过程。I型胶原是皮肤细胞外基质中的重要组成成分之一，胶原由成纤维细胞合成和重塑并在愈合后期作为主要的临时基质，逐渐支配伤口愈合；利用同轴静电纺丝技术可制备具有“芯－壳”结构的纳米纤维，以可降解的合成高分子材料作为基底材料，在内层负载I型胶原，在外层负载纤维蛋白原，随着外层材料的降解、芯层材料的暴露，可实现皮肤创伤修复过程中细胞外基质组分的动态仿生。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种同轴静电纺丝制备具有芯/壳双层结构的纳米纤维膜的方法，该纳米纤维膜能够很好的模拟皮肤创面修复过程中细胞外基质的组分变化，为细胞生长和组织再生提供最佳的仿生生理环境，是一种理想的创面修复材料。
为实现上述目的，本发明采用如下述技术方案：
一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
(1)配置芯层静电纺丝溶液：将高聚物A和I型胶原按质量比为1:1～9:1的比例混合，然后加入有机溶剂六氟异丙醇(HFIP)至溶液浓度为4％～12％，常温下搅拌至混合高聚物A和I型胶原完全溶解，得到芯层静电纺丝溶液；
(2)配置壳层静电纺丝溶液：将高聚物B与纤维蛋白原按质量比为1:1～20:1的比例混合，然后加入混合溶剂至溶液浓度为15％～30％，常温下搅拌至高聚物B与纤维蛋白原完全溶解后混合，得到壳层静电纺丝溶液；其中，所述混合溶剂是由有机溶剂C和无机溶剂D混合而得的；
(3)同轴静电纺丝：采用具有壳层针腔和芯层针腔双层结构的同轴针头，壳层针腔通过注射管连通壳层注射器，芯层针腔通过注射管连通芯层注射器；将步骤(1)所得到的芯层静电纺丝溶液注入所述芯层注射器中，以及将步骤(2)所得的壳层静电纺丝溶液注入所述壳层射器中，进行同轴静电纺丝，制得芯/壳双层结构的纳米纤维膜；
所述高聚物A和高聚物B各自为聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯(PLA)、左旋聚乳酸(PLLA)、共聚物乙交酯-丙交酯(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种；
所述有机溶剂C为六氟异丙醇(HFIP)、二氯甲烷(DCM)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、三氯甲烷、四氢呋喃(THF)中的一种或几种；
所述无机溶剂D为磷酸盐缓冲液(PBS)、生理盐水、最低基础培养基(MEM)中的一种。
所述高聚物A和高聚物B均为皮肤细胞外基质中的主要成分及生物相容性好的合成高分子有机物。
进一步地，步骤(2)中，所述的混合溶剂是由有机溶剂C和无机溶剂D按体积比为9:1的比例混合而得的。
进一步地，步骤(3)所述的静电纺丝工艺参数为：静电电压15～30kV，接收距离8～18cm，芯层溶液推进速率0.05～2.0ml/h，壳层溶液推进速率0.1～3ml/h，相对湿度20％～80％；纺丝速率优选为0.05～1ml/h，壳层溶液推进速率常大于芯层溶液推进速率。
本发明的另一目的在于，提供采用上述同轴双层静电纺丝技术制备出的纳米纤维膜的用途。根据上述方法制备所得的芯/壳双层结构的纳米纤维膜，具有芯层材料和壳层材料的双层结构，所述壳层材料包裹在所述芯层材料的外周；所述壳层材料含有I型胶原，所述芯层材料含有纤维蛋白原。该芯/壳双层结构的纳米纤维膜尤其适合用作仿生皮肤细胞外基质敷料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜能够很好的模拟人体皮肤创面修复过程中细胞外基质的组分变化过程，为细胞生长和组织再生提供最佳的仿生生理环境，是理想的创面修复材料；
(2)本发明所述的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜实现了细胞外基质三维结构的仿生，具有多孔性，有利于气体交换，可防止细菌的入侵；
(3)采用天然皮肤细胞外基质的主要成分作为原材料，本发明所述的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜具有良好的生物相容性和生物可降解性；
(4)该制备方法简单易行，原材料资源丰富，易实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1得到的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜的透射电镜图；
图3是本发明实施例2得到的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜的透射电镜图；
图4是本发明实施例3得到的同轴双层静电纺丝纳米纤维膜的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步的解释说明，但具体实施例并不对本发明作任何限定，本发明的实施方式不限于此。
实施例1
用电子天平称取0.2g PCL和0.2g I型胶原(PCL和I型胶原质量比为1:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为8％(m/v)的芯层溶液；称取1.425g PLGA和0.075g纤维蛋白原(PLGA和纤维蛋白原质量比为19:1)，溶于5ml混合溶液(三氯甲烷：PBS＝9:1)中，得到质量体积比浓度为30％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压30kV，接收距离12cm，芯层溶液推进速率0.05ml/h，壳层溶液推进速率0.1ml/h，相对湿度50％。
实施例2
用电子天平称取0.16g PVP和0.04g I型胶原(PVP和I型胶原质量比为4:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为4％(m/v)的芯层溶液；称取0.375g PLLA和0.375g纤维蛋白原(PLLA和纤维蛋白原质量比为1:1)，溶于5ml混合溶液(DMF：DCM：MEM＝2:7:1)中，得到质量体积比浓度为15％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压23kV，接收距离18cm，芯层溶液推进速率1ml/h，壳层溶液推进速率2.7ml/h，相对湿度70％。
实施例3
用电子天平称取0.54g PGA和0.06g I型胶原(PGA和I型胶原质量比为9:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为12％(m/v)的芯层溶液；称取1.035g PLA和0.115g纤维蛋白原(PLA和纤维蛋白原质量比为9:1)，溶于5ml混合溶液(THF：生理盐水＝9:1)中，得到质量体积比浓度为23％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压16kV，接收距离8cm，芯层溶液推进速率0.2ml/h，壳层溶液推进速率0.5ml/h，相对湿度20％。
实施例4
用电子天平称取0.35g PLGA和0.04g I型胶原(PLGA和I型胶原质量比为10:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为10％(m/v)的芯层溶液；称取1.0g PCL和0.25g纤维蛋白原(PCL和纤维蛋白原质量比为4:1)，溶于5ml混合溶液(HFIP：MEM＝9:1)中，得到质量体积比浓度为25％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压26kV，接收距离18cm，芯层溶液推进速率0.4ml/h，壳层溶液推进速率0.6ml/h，相对湿度50％。
实施例5
用电子天平称取0.5g PLA和0.1g I型胶原(PLA和I型胶原质量比为5:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为12％(m/v)的芯层溶液；称取1.2g PVP和0.15g纤维蛋白原(PVP和纤维蛋白原质量比为8:1)，溶于5ml混合溶液(HFIP：MEM＝9:1)中，得到质量体积比浓度为27％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压30kV，接收距离15cm，芯层溶液推进速率1.5ml/h，壳层溶液推进速率2.5ml/h，相对湿度80％。
实施例6
用电子天平称取0.3g PLLA和0.05g I型胶原(PLLA和I型胶原质量比为6:1)，溶于5ml六氟异丙醇中，得到质量体积比浓度为7％(m/v)的芯层溶液；称取0.8g PGA和0.16g纤维蛋白原(PGA和纤维蛋白原质量比为5:1)，溶于5ml混合溶液(THF：PBS＝9:1)中，得到质量体积比浓度为19％(m/v)的壳层溶液。将溶液在常温下磁力搅拌12h溶解完全，静置5min后开始同轴静电纺丝；静电纺丝的参数为：静电电压18kV，接收距离10cm，芯层溶液推进速率0.2ml/h，壳层溶液推进速率0.6ml/h，相对湿度40％。

Claims (5)

1.一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置芯层静电纺丝溶液：将高聚物A和I型胶原按质量比为1:1～9:1的比例混合，然后加入有机溶剂六氟异丙醇(HFIP)至溶液浓度为4％～12％，常温下搅拌至混合高聚物A和I型胶原完全溶解，得到芯层静电纺丝溶液；
(2)配置壳层静电纺丝溶液：将高聚物B与纤维蛋白原按质量比为1:1～20:1的比例混合，然后加入混合溶剂中至溶液浓度为15％～30％，常温下搅拌至高聚物B与纤维蛋白原完全溶解后混合，得到壳层静电纺丝溶液；其中，所述混合溶剂是由有机溶剂C和无机溶剂D混合而得的；
(3)同轴静电纺丝：采用具有壳层针腔和芯层针腔双层结构的同轴针头，壳层针腔通过注射管连通壳层注射器，芯层针腔通过注射管连通芯层注射器；将步骤(1)所得到的芯层静电纺丝溶液注入所述芯层注射器中，以及将步骤(2)所得的壳层静电纺丝溶液注入所述壳层射器中，进行同轴静电纺丝，制得芯/壳双层结构的纳米纤维膜；
所述高聚物A和高聚物B各自为聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯(PLA)、左旋聚乳酸(PLLA)、共聚物乙交酯-丙交酯(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种；
所述有机溶剂C为六氟异丙醇(HFIP)、二氯甲烷(DCM)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、三氯甲烷、四氢呋喃(THF)中的一种或几种；
所述无机溶剂D为磷酸盐缓冲液(PBS)、生理盐水、最低基础培养基(MEM)中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的混合溶剂是由有机溶剂C和无机溶剂D按体积比为9:1的比例混合而得的。
3.根据权利要求1所述的一种同轴双层静电纺丝制备具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤(3)所述的静电纺丝工艺参数为：静电电压15～30kV，接收距离8～18cm，芯层溶液推进速率0.05～2.0ml/h，壳层溶液推进速率0.1～3ml/h，相对湿度20％～80％；溶液推进速率优选为0.05～1ml/h，壳层溶液推进速率常大于芯层溶液推进速率。
4.一种具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的用途，其特征在于：该纳米纤维膜具有芯层材料和壳层材料的双层结构，所述壳层材料包裹在所述芯层材料的外周；所述壳层材料含有I型胶原，所述芯层材料含有纤维蛋白原。
5.根据权利要求4所述的一种具有芯/壳包埋结构的纳米纤维膜的用途，其特征在于：适合用作仿生皮肤细胞外基质敷料。
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