CN109097910A - Pgs/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜的制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜材料的制备及应用，本发明用于生物组织工程支架材料。该材料采用聚乳酸、癸二酸和丙三醇为原料，制备方法是首先利用癸二酸与丙三醇在160℃，氮气环境下合成聚癸二酸甘油酯，之后将聚乳酸与聚癸二酸甘油酯通过同轴电纺丝过程制备具有核壳结构的纳米纤维，最后通过热固化使PGS/聚乳酸纤维固化成型。本发明工艺简单，制备的纳米纤维膜材料比表面积大，柔韧性好，拉伸强度高，并且在生物组织工程支架材料快速降解具有重要的应用价值。

Description

PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜的制备与应用
技术领域
本发明属于生物医用组织工程领域，具体涉及PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维的制备。
背景技术
从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将细胞(又称种子细胞)从组织中分离出来在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料(支架)按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料(支架)上形成细胞-材料复合物；将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。组织工程学的发展提供了一种组织再生的技术手段，将改变外科传统的“以创伤修复创伤”的治疗模式，迈入无创伤修复的新阶段。
生物可降解聚合物在生物工程的各个领域具有巨大的潜力，如组织工程、药物输送，以及体内感应。由于许多生物医学设备被植入人体的机械动态环境中，所以植入物必须在没有机械刺激的情况下维持形态并从各种变形中恢复过来。在许多情况下，这些植入物的基质和支架最好是由可生物降解的聚合物制成，其性质类似于天然细胞外基质(ECM)，一种柔软、坚韧和弹性的蛋白质网络，为组织和器官提供机械稳定性和结构完整性。因此，一种柔软的可生物降解的弹性体可以从相对较大的变形中恢复过来，这有利于保持植入物的正常功能，而不会对宿主产生机械刺激。主要应用的有水凝胶、弹性蛋白肽及聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
聚癸二酸甘油酯(PGS)是一种韧性好、性价比高且具有良好细胞相容性的材料，其微观结构类似硫化胶，因为聚合物长链进行交联以及其氢键作用形成三维结构，所以与水凝胶相比，具有更强的韧性；与弹性蛋白肽相较具有无免疫性、无细胞毒性且价格便宜的优点；具有比PHA更大范围的形变恢复能力。聚乳酸(PLA)是一种常用的具有良好细胞相容性的“绿色”材料，来源充分可再生，生产过程无污染，产品可降解，可实现循环利用。此外，聚乳酸还具有一定的耐热性以及抗菌性。
发明内容
本发明的目的是针对聚乳酸材料在组织工程中存在的问题，提供一种PGS/聚乳酸核壳结构纤维材料的制备方法。本发明利用同轴电纺与热固化相结合的方法，制备得到PGS/聚乳酸核壳结构的纤维膜材料。
本发明采用的技术方案如下：
(1)PGS(聚癸二酸甘油酯)的制备方法：首先利用无水乙醇将癸二酸重结晶，将癸二酸与丙三醇以一定摩尔量比例加入三口烧瓶中，通过磁力搅拌，在一定温度下反应，得到PGS预聚物；
(2)聚乳酸溶于三氯甲烷，PGS溶于DCM/DMF混合溶剂，配制一定浓度的上述溶液，分别加入注射器中，通过同轴电纺，形成具有核壳结构的纳米纤维，并在滚筒接收器上收集纤维，后在室温下放置24h，使溶剂充分挥发。
(3)将纤维膜放置于120℃真空干燥箱中干燥，固化PGS。
优选的是聚乳酸溶液浓度为8-10wt％，浓度过高则溶液粘度过大，流动性差，浓度过低则纺丝性能差；PGS溶液浓度为25-40wt％，浓度过高，则不能形成纤维形态。
优选的是电纺环境温度为10-50℃，湿度为10-40％，高压电源输出电压为12-22KV，内针头流速为0.3-0.6ml/h，外针头流速为1.8-2.5ml/h，接受装置与喷丝口之间距离为12-25cm。
优选的是热固化时间为24-72h。
PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜的应用，作为生物医用材料，在组织工程中，通过药物控释、在体外细胞实验和体内活体实验进行测试。即先将纤维膜浸泡与含有药物的溶液中，后将其在PBS溶液中进行药物控释实验，释放效果如附图5所示；在体外实验中，将细胞接种到纤维膜上，检测细胞黏附、迁移与增殖情况；在体内实验中，测试材料在体内炎症反应以及组织生长情况。
本发明的PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜材料在组织工程中的应用，与之前的相关文献报道相比，具有以下优点：
(1)鉴于PGS不能在静电场中喷射形成纤维，通过同轴纺丝，可以使得PGS具有纤维形态，增加材料的比表面积；
(2)将PGS做为内核材料，不仅可以增加材料的柔韧性，从而改善聚乳酸材料的拉伸性能，且纤维在降解过程中先进行PGS的降解，之后聚乳酸降解，在应用时有效地提高材料的降解性能。
附图说明
图1为本发明所述静电纺丝实验简易装置图；
图2为本实验单纺聚乳酸/二氯甲烷溶液的的扫描电镜图；
图3为本实验同轴电纺制备的核壳材料的扫描电镜图；
图4为本实验实施例8同轴电纺制备的PGS/聚乳酸核壳材料的透射电镜图；
图5为本实验实施例4所得的膜药物释放的曲线图。
具体实施方式
实施例1
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为35％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为18KV，接受距离为15cm，外部流速为1.8ml/h，内针头流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥48h。
实施例2
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为35％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，外部流速为2.0ml/h，内针头流速1.0ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥72h。
实施例3
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为35％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为18KV，接受距离为15cm，外部流速为2.0ml/h，内针头流速0.8ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥72h。
实施例4
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为35％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，外部流速为1.8ml/h，内针头流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥72h。
实施例5
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为25％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为18KV，接受距离为15cm，外部流速为1.8ml/h，内针头流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥24h。
实施例6
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为40％的溶液；配制10％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，外部流速为1.8ml/h，内针头流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥48h。
实施例7
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为25％的溶液；配制8％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，外部流速为2.0ml/h，内针头流速0.7ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥72h。
实施例8
将PGS溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺(v/v＝3:1)混合溶剂中，配制浓度为35％的溶液；配制8％的聚乳酸/三氯甲烷溶液。两种溶液在磁力搅拌下充分溶解，分别加入注射器中，连接到同轴针头上，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，外部流速为1.8ml/h，内针头流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂；之后将纤维膜放入120℃的真空干燥箱中干燥72h。
实施例9
配制10％的聚乳酸/二氯甲烷溶液。磁力搅拌充分溶解，加入注射器中，在高压电设置为20KV，接受距离为15cm，针头内流速0.6ml/h的条件下静电纺丝，在滚筒接收器上收集纤维，滚筒转速为500rpm。
将收集的纤维在室温下放置2h，以充分发挥残余溶剂。

Claims (5)

1.PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)PGS(聚癸二酸甘油酯)的制备方法：首先利用无水乙醇将癸二酸重结晶，将癸二酸与丙三醇以一定摩尔量比例加入三口烧瓶中，通过磁力搅拌，在一定温度下反应，得到PGS预聚物；
(2)聚乳酸溶于三氯甲烷，PGS溶于DCM/DMF混合溶剂，配制一定浓度的上述溶液，分别加入注射器中，通过同轴电纺，形成具有核壳结构的纳米纤维，并在滚筒接收器上收集纤维，后在室温下放置24h，使溶剂充分挥发；
(3)将纤维膜放置于120℃真空干燥箱中干燥，固化PGS。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于聚乳酸溶液浓度为8-10wt％，PGS溶液浓度为25-40wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于电纺环境温度为10-50℃，湿度为10-40％，高压电源输出电压为12-22KV，内针头流速为0.3-0.6ml/h，外针头流速为1.8-2.5ml/h，接受装置与喷丝口之间距离为12-25cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于干燥时间为48-72h。
5.权利要求1所制备的PGS/聚乳酸核壳结构纳米纤维膜的应用，其特征在于作为生物医用材料，在组织工程中，通过药物控释、在体外细胞实验和体内活体实验进行测试；即先将纤维膜浸泡与含有药物的溶液中，后将其在PBS溶液中进行药物控释实验；在体外实验中，将细胞接种到纤维膜上，检测细胞黏附、迁移与增殖情况；在体内实验中，测试材料在体内炎症反应以及组织生长情况。
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