CN108166247A - 一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料及制备方法 - Google Patents

一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料及制备方法，该方法包括：称取一定量的聚己内酯PCL，并加入一定量的二氯甲烷DCM和二甲基甲酰胺DMF混合溶液搅拌均匀；向上述溶液中加入一定量改性的磁性纳米粒子超声分散并搅拌均匀，通过静电纺丝技术得到具有一定厚度的薄膜材料；称取适量的碳纳米管进行两次酸化处理，得到表面带羧基的碳纳米管；将表面修饰过的碳纳米管分散于分散剂中并涂覆于纤维薄膜的表面，最后将薄膜卷曲形成多层结构获得目标物。本发明的操作简便、反应条件温和、成本低、可实现产业化制备。在外磁场下，可实现电刺激，在损伤皮肤的生长、神经修复等生物医学领域，以及加热坐垫、导电涂料等工业生活方面都有广阔的应用前景。

Description

一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料及 制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制备，特别涉及一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构的仿生复合材料及其制备方法。
背景技术
从根本上来说，人们体内的种种感觉和运动等功能，都是与之对应的肌肉或者是神经细胞接受各类刺激而产生动作电位的结果，当有些功能发生异常的时候，可以通过建立神经接口给予施加外界刺激而达到愈合的目的。现今用于神经修复的刺激方法有机械、化学、电、光等。其中电刺激是研究的热点，有很多电刺激已经进入临床阶段，并有很多产品问世，现有的电刺激大多是利用电极和导电基底接外电源来进行电刺激。但是这些仪器面临的最大问题就是刺激电极是通过导线接到体外刺激器，这时候导线将横穿人体，不但不方便携带，而且伤口容易感染发炎，这无疑是一个很大的缺陷。感应式电能传输技术利用体外发送器将电能传输到体内达到电刺激的效果，体外发送器由射频振荡器、射频功率放大器、发射线圈组成的射频发射网络构成，体内接收器由接收线圈组成的射频接受网络、整流滤波电路等构成。这种体外传输电能的方法是基于法拉第电磁感应定律，这种方法是通过发送器中的射频振荡器将电源的直流能量转化为高频信号，再经过射频功率放大器放大并送到射频发射网络，射频发射网络再将它以高频电场形式发射出去，这个电磁场被体内接收线圈网络感应耦合转化成电流信号，同时通过整流滤波电路转为直流电压给予供电，这样就完成了无线传输电能过程。这种方法无疑减少了很多弊端，不仅降低了手术危险和感染发炎的风险，还避免体内安装的电池因无电而需开刀充电以及电池泄漏的危险。
目前神经刺激方式有光、电、机械、化学等手段，其中功能性电刺激是研究的热点，并有很多产品已经问世，且现有的电刺激大多是利用电极和导电基底接外电源来实现电刺激。比如，中国专利201080024360.5报道了用于表层施加的神经肌肉电刺激的复合传导垫/塞；中国专利201220499558.5、201420442590.9、201610668910.6报道了便携式经皮神经电刺激系统；中国专利201410216340.8、201610609261.2报道了神经肌肉电刺激装置；中国专利2016121328770.X报道了神经细胞电刺激器。类似相关电刺激系统装置的中国专利也非常的多，但是这些系统都要面临的问题是：如果是植入材料，需要通过导线接到体外刺激器，这样不但携带不方便，外观、实用性也受到影响，而且伤口容易感染发炎，这无疑是一个很大的缺陷。
此外，现有关于电刺激植入性复合材料的研究，比如中国专利201610361541.6报道的就是作为再生性皮肤替代物的多功能皮肤或创面复合敷料，但是没有涉及电刺激对神经或者组织的修复；中国专利201621004192.4报道了神经电刺激针，中国专利201621004192.4报道了非嵌入式神经电刺激电极，但这些都是一种金属材料，不是一种可以模拟神经网络结构的仿生材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，并使之具有操作简便、反应条件温和、成本低、可实现产业化制备的优点。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，包括以下步骤：
(1)称取聚己内酯PCL加入二氯甲烷(DCM)和二甲基甲酰胺DMF的混合溶剂中；向上述溶液中加入改性的磁性纳米粒子Fe3O4超声分散并搅拌均匀，其中磁性粒子与PCL的质量比为1:500－1:20；
(2)将(1)所得溶液在室温下通过静电纺丝技术得到厚度为5μm－500μm的薄膜材料；
(3)对碳纳米管MWNTs进行酸化处理、清洗、过滤、干燥，得到表面带羧基的碳纳米管m-MWNTs，并分散于有机溶剂中超声分散，然后将溶剂DCM加入该溶液混合均匀喷涂于(2)所得的薄膜表面，最后将薄膜卷曲成形为多层结构，即得一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构的仿生复合材料目标物。
进一步地，步骤(1)中PCL聚合物的平均分子量为50000－500000，在混合溶剂中的浓度按质量/体积比为0.005－0.05(g/ml)。混合溶剂中DCM和DMF的体积比为3:1；磁性粒子的改性剂为油酸、柠檬酸、柠檬酸钠、聚乙二醇中的一种或一种以上。
进一步地，步骤(2)中静电纺丝工艺参数为：注射器规格为大于或者等于1ml，电压为10－30kV，溶液推速为0.3－1.5mL/h，针头到接收板之间的距离为10－25cm，接收装置采用直径大于或等于5cm的不锈钢滚筒，外用铝箔包裹接收，滚筒转速为800－1500rpm；电纺纤维的直径为60－500nm；室温为25－32℃，干燥时间为24－48h。
步骤(3)中酸化处理包含初步酸化和再次酸化；初步酸化将碳纳米管MWNTs置于浓盐酸中，酸化时间为1－3h，蒸馏水洗涤至中性，真空烘箱干燥温度为40－50℃，其中MWNTs与浓盐酸的配比为0.01－0.1g/ml；再次酸化时将初步酸化得到的MWNTs加入浓硝酸中进一步酸化，酸化温度为120－150℃，酸化时间为3－5h，真空干燥48－72h，其中MWNTs与浓盐酸的配比为0.01－0.1g/ml；
进一步地，所述步骤(3)中m-MWNTs的分散溶剂具体为无水乙醇、去离子水、丙酮、四氢呋喃中的一种或多种，其中m-MWNTs的分散浓度为0.001－0.1g/ml；喷涂的m-MWNTs在纤维膜上的质量密度为0.0－0.8mg/cm2；喷涂方式为真空高压喷射喷涂，喷涂速度为0.3－1mL·s-1；模拟神经纤维结构的复合材料喷涂层数为1－5层。
本发明的第二个目的在于提供一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料，采用如上的方法制得具有磁场下产生电的PCL/Fe3O4/m-MWNTs的复合多层结构，且具有微观网状、宏观定向结构的仿生复合材料。
该复合材料在结构上不仅具有类似于神经网状传送的微观结构，而且具有宏观上定向传送的方向性，这真实模仿了神经的细微结构，也更能体现本发明提供的复合材料具有仿生功能。所得复合材料具有无外电源接入可产生电刺激功能，这也充分体现了生物医学应用的实用性，一定程度上克服以往电刺激使用方法存在的弊端。本发明不仅可实现在损伤皮肤的生长、神经修复等生物医学领域的应用，并且在加热坐垫、导电涂料等工业生活方面都有广阔的应用前景。
与现有技术相比，本发明有如下技术特点与效果：
1、本发明的模拟神经定向网络结构的复合材料的制备方法操作简单、反应温和、可控性强、且对环境友好。
2、本发明的复合材料可以根据需要的不同较为容易的实现不同层数纤维材料的卷曲成形，形成类似于神经网络结构的复合材料，更有利于电子传输。
3、本发明制备得到的模拟神经纤维结构的复合材料可以在外旋转磁场下较为容易的实现感应式无线电能传输。
4、本发明制备得到的模拟神经定向网络结构的复合材料可以克服以往电刺激应用中电池泄露、不便携带、伤口感染等弊端。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此。
测试条件：
电流密度测试：使用低噪声电流前置放大器斯坦福研究系统RS570进行测试。
面电阻测量：使用Keithley 6514系统进行测试。
实施例1
(1)称取3.0g的PCL并加入10ml的DCM和DMF(体积比为3：1)搅拌均匀；向上述溶液中加入30mg油酸改性的Fe3O4超声分散并搅拌均匀。
(2)将上述溶液在室温下进行静电纺丝，静电纺丝电压为21kV，滚筒转速为1000rpm，溶液推速为0.8mL/h，针头到接收板之间的距离为15cm。
(3)称取0.3g的MWNTs置于50ml浓盐酸中预酸化2h，除去金属离子等杂质，过滤后得到初步酸化的碳纳米管，蒸馏水洗涤至中性，再加入约50ml的浓硝酸，140℃油浴锅中酸化处理4h，待冷却后洗涤至中性，真空干燥箱中干燥72h后研磨备用。
(4)将酸化后得到的m-MWNTs超声分散于无水乙醇，然后将DCM加入该溶液混合均匀喷涂于上述薄膜表面，最后将薄膜卷曲成形，即得一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构的仿生复合材料。
实施例2
本例与实施例1基本相同，所不同的仅仅是向步骤(1)中加入42mg柠檬酸改性的磁性纳米粒子。
实施例3
本例与实施例1基本相同，所不同的仅仅是向步骤(1)中加入24mg聚乙二醇改性的磁性纳米粒子。
实施例4
本例与实施例1基本相同，所不同的仅仅是向步骤(1)中加入30mg油酸/柠檬酸改性的磁性纳米粒子。
实施例5
本例与实施例1基本相同，所不同的仅仅是向步骤(1)中加入40mg油酸/柠檬酸钠/聚乙二醇改性的磁性纳米粒子。
实施例6
(1)称取3.6g的PCL并加入7.5ml的DCM和2.5ml DMF搅拌均匀；向上述溶液中加入35mg油酸改性的Fe3O4超声分散并搅拌均匀。
(2)将上述溶液在室温下进行静电纺丝，注射器规格为5ml，电压为21kV，溶液推速为0.8mL/h，针头到接收板之间的距离为15cm，接收装置采用直径为15cm的不锈钢滚筒，外用铝箔包裹接收，滚筒转速为1200rpm。
(3)称取0.3g的MWNTs置于50ml浓盐酸中预酸化2h，除去金属离子等杂质，过滤后得到初步酸化的碳纳米管，蒸馏水洗涤至中性，再加入约50ml的浓硝酸，140℃油浴锅中酸化处理4h，待冷却后洗涤至中性，真空干燥箱中干燥48h后研磨备用。
(4)将酸化后得到的m-MWNTs超声分散于无水乙醇，然后将DCM加入该溶液混合均匀并喷涂于上述薄膜表面，最后将薄膜选取2层卷曲成形，即得一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构的仿生复合材料。
实施例7
本例与实施例4基本相同，所不同的仅仅是将步骤(4)中薄膜选取1层卷曲成形。
实施例8
本例与实施例4基本相同，所不同的仅仅是将步骤(4)中薄膜选取3层卷曲成形。
实施例9
复合材料电性能测试实验：
表1各实施例的性能测试结果
实施例10
(1)量取7.5ml DCM和2.5ml DMF混合均匀，加入3.0g分子量为100kDa的PCL，并向上述溶液中加入30mg油酸改性的Fe3O4超声分散，将上述溶液在室温下进行静电纺丝，电压为21kV，溶液推速为0.8mL/h，针头到接收板之间的距离为15cm，接收装置采用直径为10cm的不锈钢滚筒，外用铝箔包裹接收，滚筒转速为1100rpm；
(2)取0.3g的碳纳米管(MWNTs)置于50ml浓盐酸中预酸化2h，除去金属离子等杂质，过滤后得到初步酸化的碳纳米管，蒸馏水洗涤至中性，再加入约50ml的浓硝酸，140℃油浴锅中酸化处理4h，待冷却后洗涤至中性，真空干燥箱中干燥72h后研磨备用。
(3)称取85mg酸化后的m-MWNTs分散于5ml无水乙醇中，然后将0.5ml DCM加入该溶液混合并均匀喷涂于20x32cm的铝箔基底上，最后将薄膜卷曲成形，即得一种模拟神经纤维结构的复合材料。
实施例11
本例与实施例7基本相同，所不同的仅仅是步骤(3)中称取65mg酸化后的m-MWNTs分散于3.8ml无水乙醇中，然后将0.38ml DCM加入该溶液混合并均匀喷涂于20x32cm的铝箔基底上。
实施例12
本例与实施例7基本相同，所不同的仅仅是步骤(3)中称取125mg酸化后的m-MWNTs分散于7.3ml无水乙醇中，然后将0.73ml DCM加入该溶液混合并均匀喷涂于20x32cm的铝箔基底上。

Claims (5)

1.一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，包括：
(1)称取聚己内酯PCL加入二氯甲烷DCM和二甲基甲酰胺DMF的混合溶剂中；向上述溶液中加入改性的磁性纳米粒子Fe3O4超声分散并搅拌均匀，其中磁性粒子与PCL的质量比为1:500－1:20；
(2)将(1)所得溶液在室温下通过静电纺丝技术得到厚度为5μm－500μm的薄膜材料；
(3)对碳纳米管MWNTs进行酸化处理、清洗、过滤、干燥，得到表面带羧基的碳纳米管m-MWNTs，并分散于有机溶剂中超声分散，然后将溶剂DCM加入该溶液混合均匀喷涂于(2)所得的薄膜表面，最后将薄膜卷曲成形为多层结构，即得一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构的仿生复合材料目标物。
2.根据权利要求1所述的应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中PCL聚合物的平均分子量为50000－500000，在混合溶剂中的浓度按质量/体积比为0.005－0.05(g/ml)；
步骤(1)混合溶剂中DCM和DMF的体积比为3:1；
步骤(1)中磁性粒子的改性剂为油酸、柠檬酸、柠檬酸钠、聚乙二醇中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中静电纺丝工艺参数为：注射器规格为大于或者等于1ml，电压为10－30kV，溶液推速为0.3－1.5mL/h，针头到接收板之间的距离为10－25cm，接收装置采用直径大于或等于5cm的不锈钢滚筒，外用铝箔包裹接收，滚筒转速为800－1500rpm；
步骤(2)中电纺纤维的直径为60－500nm；
步骤(2)中室温为25－32℃，干燥时间为24－48h。
4.根据权利要求1所述的应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中酸化处理包含初步酸化和再次酸化；初步酸化将碳纳米管MWNTs置于浓盐酸中，酸化时间为1－3h，蒸馏水洗涤至中性，真空烘箱干燥温度为40－50℃，其中MWNTs与浓盐酸的配比为0.01－0.1g/ml；再次酸化时将初步酸化得到的MWNTs加入浓硝酸中进一步酸化，酸化温度为120－150℃，酸化时间为3－5h，真空干燥48－72h，其中MWNTs与浓盐酸的配比为0.01－0.1g/ml；
所述步骤(3)中m-MWNTs的分散溶剂具体为无水乙醇、去离子水、丙酮、四氢呋喃中的一种或多种，其中m-MWNTs的分散浓度为0.001－0.1g/ml；
步骤(3)中喷涂的m-MWNTs在纤维膜上的质量密度为0.0－0.8mg/cm2；
步骤(3)中的喷涂方式为真空高压喷射喷涂，喷涂速度为0.3－1mL·s-1；
步骤(3)中模拟神经纤维结构的复合材料喷涂层数为1－5层。
5.一种应用于电刺激的模拟神经定向网络结构仿生复合材料，其特征在于，采用权利要求1或2或3或4的方法制得的具有磁场下产生电的PCL/Fe3O4/m-MWNTs的复合多层结构，且具有微观网状、宏观定向结构的仿生复合材料。
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