CN108744056B

CN108744056B - 一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜及其应用

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Publication number: CN108744056B
Application number: CN201810623865.1A
Authority: CN
Inventors: 查俊伟; 李贞�; 党智敏
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN108744056A

Abstract

本发明提供了一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜及其应用，属于医用生物电介质材料技术领域，一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法，包括以下步骤：1)将丝素蛋白纤维溶解于六氟异丙醇中获得6～10wt％丝素蛋白纤维溶液；2)将所述丝素蛋白纤维溶液进行静电纺丝获得丝素蛋白纤维膜；3)将所述丝素蛋白纤维膜热压处理后，进行电晕极化处理获得具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜。具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜厚度为55～80μm，其中丝素蛋白纤维的直径为1.5～3.0μm，能够长期有效地获取并储存微量电荷，产生微电流；具有体外抗血栓、加速骨折恢复及伤口愈合和药物渗透的功能。

Description

一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜及其应用

技术领域

本发明属于医用生物电介质材料技术领域，尤其涉及一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜及其应用。

背景技术

目前用于体内组织修复的材料为组织生长提供的物理空间与基质环境不能像活体组织一样具有生理负荷、电磁作用或生化刺激效应；用于体表伤口或伤痕护理的前卫膜也局限于创面吸湿保湿、抑菌或携带药物。人体内血管和血液都带负电，由于心脏的迫动和血管壁及血液间的同性库仑力的推斥作用，导致了血管的畅通不凝效应。如果在血管壁形成血栓区的外表皮敷贴一层强负电性的驻极体薄膜，以增强血液和血管的各自负电性功能，具有治疗或缓解凝血功能。骨骼是较早确认的天然驻极体材料，在骨折处的附加电压效应所形成的电荷积累有利于临床治疗，外加电场对骨骼生长速率很有影响。

随着研究的投入和科技的进步，生物电介质材料领域的纤维膜研究有了一定的进步。在中国专利“一种应激活性纤维膜及其制备方法”(CN107158475A)中提出利用聚偏氟乙烯的压电效应促进组织修复，但静电纺丝混纺加入的聚偏氟乙烯不具有良好的生物相容性，也不能赋予生物体指定的正/负电性功能；所以寻找一种获得完全具有生物相容性并且能够长期携带储存电荷的生物材料，使其能赋予组织修复所需的正/负电性功能，成为本领域研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物相容性良好的，能够获取并储存电荷、产生电流的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法；所述制备方法制备获得的丝素蛋白纤维膜能够作为医用生物电介质材料应用，具有加速体内外组织伤口愈合或骨折恢复或抗血栓药物渗透的功能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法，包括以下步骤：1)将丝素蛋白纤维溶解于六氟异丙醇中获得6～10wt％丝素蛋白纤维溶液；2)将所述丝素蛋白纤维溶液进行静电纺丝获得丝素蛋白纤维膜；3)将所述丝素蛋白纤维膜热压处理后，进行电晕极化处理获得具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；所述电晕极化处理的高压直流电源输出电压为500～2000V，放电时间为5～40min。

优选的，优选的，所述静电纺丝的电压为12～18KV；所述静电纺丝的距离为12～18cm，所述静电纺丝过程中丝素蛋白纤维溶液的推进速度为2.5～3.5mL/h，所述静电纺丝的时间为2.5～3.5h。

优选的，步骤1)中所述的丝素蛋白纤维的制备方法包括以下步骤：

S1)家蚕丝经脱胶、溶解获得粗纤维溶液；

S2)将所述粗纤维溶液透析、干燥后获得丝素蛋白纤维。

优选的，步骤S1)中所述的脱胶采用质量分数为0.5～1％的碳酸钠溶液。

本发明还提供了所述的制备方法制备获得的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜，所述具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的厚度为55～80μm，其中丝素蛋白纤维的直径为1.5～3.0μm；所述具有驻极体效应的纤维膜能够获取并储存电荷，产生电流。

本发明还提供了所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜在制备医用生物电介质材料中的应用。

优选的，所述医用生物电介质材料为加速体内外组织伤口愈合或骨折恢复或抗血栓药物渗透的材料。

本发明还提供了一种纤维复合膜，包括丝素蛋白纤维膜和与所述丝素蛋白纤维膜贴合的混合纤维膜，所述丝素蛋白纤维膜为所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；所述混合纤维膜由混纺纤维形成，所述混纺纤维包括聚偏氟乙烯与丝素蛋白。

本发明还提供了所述的纤维复合膜在制备医用生物电介质材料中的应用。

本发明的有益效果：本发明提供的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法，通过电晕极化处理使得丝素蛋白纤维膜获得驻极体效应，本发明提供的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的厚度为55～80μm，其中丝素蛋白纤维的直径为1.5～3.0μm，生物相容性高，并且能够长期有效地获取并储存微量电荷，产生微电流；具有体外抗血栓、加速骨折恢复及伤口愈合和药物渗透的功能。

本发明还提供了一种复合膜，包括丝素蛋白纤维膜和与所述丝素蛋白纤维膜贴合的混合纤维膜，所述丝素蛋白纤维膜为所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；所述混合纤维膜由混纺纤维形成，所述混纺纤维包括聚偏氟乙烯与丝素蛋白，丝素蛋白无压电效应，PVDF具有良好的压电效应，在弯曲形变处，复合膜可以更大程度提供电的刺激，有助于修复。

附图说明

图1为具有驻极体效应丝素蛋白纤维膜表面形貌电镜图；

图2为具有驻极体效应丝素蛋白纤维膜喷金后和未处理的照片；

图3为纤维复合膜制备工艺流程图；

图4为纤维复合膜结构表面形貌电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法，包括以下步骤：1)将丝素蛋白纤维溶解于六氟异丙醇中获得6～10wt％丝素蛋白纤维溶液；2)将所述丝素蛋白纤维溶液进行静电纺丝获得丝素蛋白纤维膜；3)将所述丝素蛋白纤维膜热压处理后，进行电晕极化处理获得具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；所述电晕极化处理的高压直流电源输出电压为500～2000V，放电时间为5～40min。

在本发明中，所述丝素蛋白纤维优选的来源于蚕丝。在本发明中所述的丝素蛋白纤维的制备方法优选的包括以下步骤：S1)蚕丝经脱胶、溶解获得粗纤维溶液；S2)将所述粗纤维溶液透析、干燥后获得丝素蛋白纤维。

在本发明中，所述家蚕丝优选的来源于纯天然蚕茧；所述纯天然蚕茧的产地优选为四川绵阳。在本发明中所述脱胶优选的采用质量分数为0.5～1％的碳酸钠溶液，更优选的为0.8％。在本发明中所述脱胶具体的为将家蚕丝置于碳酸钠溶液中加热搅拌。在本发明中，所述脱胶的温度优选为95～105℃，更优选为100℃；本发明中所述温度优选的通过油浴实现；所述脱胶的时间优选的为25～35min，更优选的为30min；所述搅拌的转速优选为20～40rpm，更优选为30rpm。在本发明中，所述脱胶的次数优选的为2～4次；本发明在所述脱胶后获得蚕丝粗纤维。

本发明中所述脱胶后，优选的将得到的脱胶蚕丝用水洗涤3～5次，得到蚕丝粗纤维；所述水优选的为去离子水。

本发明在获得所述蚕丝粗纤维后，将所述蚕丝粗纤维溶解获得粗纤维溶液。在本发明中，所述溶解用的溶液为包括无水氯化钙、无水乙醇和去离子水的混合溶液；所述混合溶液中无水氯化钙、无水乙醇和去离子水的质量比优选为1:2:8。本发明中所述溶解的温度优选的为20～30℃，更优选的为22～28℃；本发明所述溶解优选的伴随搅拌。本发明中所述溶解的时间优选的为15～25h。

本发明在获得所述粗纤维溶液后，优选的将所述粗纤维溶液透析、干燥后获得丝素蛋白纤维。在本发明中，所述透析用透析袋的截留分子量优选为8000KD，本发明在所述透析过程中，优选的2～3h进行换水，本发明在6～8次换水后，优选的用硝酸银检测换出的水溶液，到无白色沉淀产生停止透析。

本发明在所述透析结束后，优选的将透析袋中的透析液进行冷冻干燥。在本发明中，所述冷冻干燥前，优选的将所述透析液进行预冷；所述预冷的温度优选的为-75～-85℃，更优选的为-80℃；所述预冷的时间优选的为1～2h，更优选的为1.5h。本发明中所述冷冻干燥的真空度优选的为20pa以下；所述冷冻干燥的温度优选为-54℃；所述冷冻干燥的时间优选的为45～55h。

本发明在获得所述丝素蛋白纤维后，将所述丝素蛋白纤维溶解于六氟异丙醇中获得6～10wt％丝素蛋白纤维溶液。在本发明中，所述丝素蛋白纤维溶液的浓度优选为8～9％。

本发明在获得所述丝素蛋白纤维溶液后，将所述丝素蛋白纤维溶液进行静电纺丝获得丝素蛋白纤维膜。在本发明中，所述静电纺丝的电压优选为12～18KV，更优选为15KV；所述静电纺丝的接收距离优选为12～18cm，更优选为15cm；所述静电纺丝过程中丝素蛋白纤维溶液的推进速度优选为2.5～3.5mL/h，更优选为3.0mL/h；本发明中所述静电纺丝的时间优选为2.5～3.5h，更优选为3.0h。

本发明在获得所述丝素蛋白纤维膜后，热压处理所述丝素蛋白纤维膜。在本发明中，所述热压处理的温度优选为22～28℃，更优选的为25℃；所述热压处理的时间优选为2～3h，更优选为2.5h。本发明中所述热压处理优选的采用平板硫化机进行；所述平板硫化机优选的为仪通检测设备科技有限公司生产。在本发明中，所述热压处理的作用为使纤维膜间距压缩。

本发明在所述热压处理后，将热压处理后的丝素蛋白纤维膜进行电晕极化处理获得具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜。在本发明中，所述电晕极化处理的高压直流电源输出电压为500～2000V，优选为800～1700V，更优选的为1500v；所述电晕极化处理的放电时间为5～40min，优选为10～30min，更优选为15～25min。在本发明中，所述电晕极化处理能够使所述丝素蛋白纤维具有驻极体效应，能够长期有效地获取并储存微量电荷，产生微电流。

本发明还提供了所述的制备方法制备获得的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜，所述具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的厚度优选为55～80μm，更优选为60～70μm，其中丝素蛋白纤维的直径优选为1.5～3.0μm；所述具有驻极体效应的纤维膜能够获取并储存电荷，产生电流。

本发明提供的所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜可以作为医用生物电介质材料；所述医用生物电介质材料优选为加速体内外组织伤口愈合或骨折恢复或抗血栓药物渗透的材料。

在本发明中所述聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜的制备工艺流程如附图4所示，将所述聚偏氟乙烯PVDF溶解于DMF中，其中PVDF：DMF优选的为1:8～1:9(质量)；然后将所述丝素蛋白纤维溶液与聚偏氟乙烯PVDF溶液同时从同一跟针头中喷射，进行静电纺丝获得聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合纤维膜。本发明中，此处静电纺丝的参数与上述丝素蛋白纤维膜静电纺丝的参数一致，在此不再赘述。

本发明还提供了所述的纤维复合膜在制备医用生物电介质材料中的应用。所述医用生物电介质材料优选为加速体内外组织伤口愈合或骨折恢复或抗血栓药物渗透的材料。

下面结合实施例对本发明提供的一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜及其应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1)家蚕丝经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥，得到丝素蛋白纤维。

取8g纯天然蚕茧剪切成小碎片，配制质量分数为0.8％(本实施例采用4g无水碳酸钠，496g去离子水)的碳酸钠溶液，将蚕茧小碎片置于其中，用油浴在100℃，磁子转速30rpm下，搅拌半小时；倒净水溶液，用镊子取出蚕丝，用去离子水洗涤3至4次，再重复上述油浴及清洗步骤2至3次，取出蚕丝纤维。

配制摩尔比例为无水氯化钙：无水乙醇：去离子水为1:2:8的溶液，完全溶解后溶液体积约为250ml，将蚕丝纤维放置于该混合溶液中，常温下搁置20h，可适当加热至30℃搅拌溶解。

冷却静置，得到粗纤维溶液，将所得粗纤维溶液分装到100ml的离心管中，在4000r/min的转速下离心15min，取上层清液置于透析袋(截留分子量为8000)中，用2L的大烧杯盛装去离子水做透析处理，换水8次后用硝酸银检测烧杯中的水溶液，直到无白色沉淀产生，再将透析袋中的透析液倒入大烧杯或半径为90mm培养皿中，在-80℃冰箱中冷藏1.5h，转入冻干机中抽真空，冷冻干燥50h，直至水分完全除去，即获得丝素蛋白纤维。

2)静电纺丝得到丝素蛋白纤维膜：

以六氟异丙醇为溶剂，配制8wt％丝素蛋白溶液。

采用静电纺丝的方法获得丝素蛋白纤维膜，其中高压电源输出15kV电压，纺丝距离为l5cm，丝素蛋白溶液的推泵推出速度0.3ml/h，可得到直径为1.5μm的丝素蛋白纤维。

3)将丝素蛋白纤维膜进行25℃热压处理3h。

4)将丝素蛋白纤维膜经电晕极化处理，其中高压直流电源输出500V电压，放电时间30min，放置24h后，储存的微电流密度为12nA。

制备获得的具有驻极体效应丝素蛋白纤维膜表面形貌电镜图如图1所示，其中丝素蛋白纤维的直径为1.5～3.0μm。所述具有驻极体效应丝素蛋白纤维膜喷金后和未喷金处理的照片如图2所示，本发明中，所述具有驻极体效应丝素蛋白纤维膜在真空环境下进行喷金处理，喷金处理的目的是镀电极。厚度为55～80μm。

实施例2

1)家蚕丝经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥、静电纺丝得到丝素蛋白纤维膜。取8g纯天然蚕茧剪切成小碎片，配制质量分数为0.8％(本实施例采用4g无水碳酸钠，496g去离子水)的碳酸钠溶液，将蚕茧小碎片置于其中，用油浴在100℃，磁子转速35rpmn下，搅拌半小时；倒净水溶液，用镊子取出蚕丝，用去离子水洗涤4次，再重复上述油浴及清洗步骤3次，取出蚕丝纤维。

配制摩尔比例为无水氯化钙：无水乙醇：去离子水为1:2:8的溶液，完全溶解后溶液体积约为300ml，将蚕丝纤维放置于该混合溶液中，25℃下搁置20h，可适当加热至30℃搅拌溶解。冷却静置，得到粗纤维溶液，将所得粗纤维溶液分装到100ml的离心管中，在4000r/min的转速下离心15min，取上层清液置于透析袋(截留分子量为8000)中，用2L的大烧杯盛装去离子水做透析处理，换水6次后用硝酸银检测烧杯中的水溶液，直到无白色沉淀产生，再将透析袋中的透析液倒入大烧杯或半径为90mm培养皿中，在-80℃冰箱中冷藏2h，转入冻干机中抽真空，冷冻干燥45h，直至水分完全除去，即获得丝素蛋白纤维。以六氟异丙醇为溶剂，配制9wt％丝素蛋白溶液。

2)采用静电纺丝的方法获得丝素蛋白纤维膜，其中高压电源输出15kV电压，纺丝距离为l5cm，丝素蛋白溶液的推泵推出速度0.3ml/h，可得到直径为3.0μm的丝素蛋白纤维。

3)将丝素蛋白纤维膜进行25℃热压处理2.5h。

4)将丝素蛋白纤维膜经电晕极化处理，其中高压直流电源输出1000V电压，放电时间30min，放置24h后，储存的微电流密度为20nA。

实施例3

一种纤维复合膜，包括实施例1所述具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；还包括与上述丝素蛋白纤维膜贴合的聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜。

所述纤维复合膜中聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜的制备工艺流程如附图3所示，将所述聚偏氟乙烯PVDF溶解于DMF中，PVDF：DMF为1:8(质量)；然后将所述丝素蛋白纤维溶液与聚偏氟乙烯PVDF溶液同时从同一跟针头中喷射，进行静电纺丝获得聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜。静电纺丝的参数与实施例1中丝素蛋白纤维膜静电纺丝的参数一致。

制备获得的纤维复合膜表面形貌电镜图如图4所示，其中PVDF直径为251～374nm，丝素蛋白的直径为522～728nm；厚度为55～85μm。

实施例4

一种纤维复合膜，包括实施例2所述具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；还包括与上述丝素蛋白纤维膜贴合的聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜。

所述纤维复合膜中聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜的制备工艺流程如附图3所示，将所述聚偏氟乙烯PVDF溶解于DMF中，PVDF：DMF为1:9(质量)；然后将所述丝素蛋白纤维溶液与聚偏氟乙烯PVDF溶液同时从同一跟针头中喷射，进行静电纺丝获得聚偏氟乙烯PVDF与丝素蛋白的混合膜。静电纺丝的参数与实施例2中丝素蛋白纤维膜静电纺丝的参数一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将丝素蛋白纤维溶解于六氟异丙醇中获得6～10wt％丝素蛋白纤维溶液；

2)将所述丝素蛋白纤维溶液进行静电纺丝获得丝素蛋白纤维膜；

3)将所述丝素蛋白纤维膜热压处理后，进行电晕极化处理获得具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；

所述电晕极化处理用电源为高压直流电源，所述电源的输出电压为500～2000V，放电时间为5～40min；

所述静电纺丝的电压为12～18KV；所述静电纺丝的接收距离为12～18cm，所述静电纺丝过程中丝素蛋白纤维溶液的推进速度为2.5～3.5mL/h，所述静电纺丝的时间为2.5～3.5h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的丝素蛋白纤维的制备方法包括以下步骤：

S1)蚕丝经脱胶、溶解获得粗纤维溶液；

S2)将所述粗纤维溶液透析、干燥后获得丝素蛋白纤维。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1)中所述的脱胶采用质量分数为0.5～1％的碳酸钠溶液。

4.权利要求1～3任意一项所述的制备方法制备获得的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜，所述具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜的厚度为55～80μm，其中丝素蛋白纤维的直径为1.5～3.0μm。

5.权利要求4所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜在制备医用生物电介质材料中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述医用生物电介质材料为加速体内外组织伤口愈合或骨折恢复或抗血栓药物渗透的材料。

7.一种纤维复合膜，其特征在于，包括丝素蛋白纤维膜和与所述丝素蛋白纤维膜贴合的混合纤维膜，所述丝素蛋白纤维膜为权利要求4所述的具有驻极体效应的丝素蛋白纤维膜；所述混合纤维膜由混纺纤维形成，所述混纺纤维包括聚偏氟乙烯与丝素蛋白。

8.权利要求7所述的纤维复合膜在制备医用生物电介质材料中的应用。