CN109943976B - 一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能静电纺丝纤维敷料及其制备方法，属于高分子医用材料技术领域。该纤维敷料具有微纳结构，是采用静电纺丝方法将接枝功能基团的高分子材料纺制成纤维，然后进行交联得到的，所述的高分子材料具有刺激巨噬细胞转型功能。本发明还提供了一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法。本发明的静电纺丝纤维敷料是将可以促进巨噬细胞转型的高分子材料接枝功能基团，然后进行静电纺丝并交联而制得的，纤维柔软易折叠，既可以很好的贴合浅表伤口，也可以填充深度伤口，可实现止血、抗氧化、抗炎、抗菌、促愈合和减疤痕的多功能性。

Description

一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法

技术领域

本发明属于高分子医用材料技术领域，具体涉及一种多功能静电纺丝纤维敷料及其制备方法。

背景技术

皮肤创伤是临床上经常面临的问题。随着世界人口的老龄化，与老年人密切相关的褥疮、糖尿病溃疡等慢性伤口日益增加。伤口的修复过程一般包括止血和炎症反应期、增殖期、组织建模期。而慢性伤口的修复过程更为复杂。从伤口修复过程来看，慢性炎症使伤口无法实现炎症-增殖转变是造成慢性伤口久治不愈的主要原因。然而过量地使用抗菌剂和消炎药物等会引起严重的耐药性以及潜在毒副作用。现有的高端敷料产品的功能性相对单一，只针对伤口修复过程的某个单独阶段，尽管一定程度上提升了修复效果，然而并没有作用于伤口修复的所有阶段，使之产生协同修复功效。而且还存在粘连伤口、促愈合性能差、抗菌剂滥用等缺点，并不能满足人们对伤口修复的期望和需求。

研究表明，巨噬细胞在伤口愈合过程中发挥着巨大作用，其中M1型巨噬细胞会分泌炎症因子，产生大量活性氧自由基(ROS)，增强炎症反应；M2型巨噬细胞则会分泌抗炎因子和生长因子，促进愈合。因此巨噬细胞表型转变是促进伤口炎症-增值转变的关键。消除炎症反应期产生的过多ROS，同时在伤口修复整个过程防止细菌入侵实现多功能协同作用将更加有效的促进伤口愈合。

可降解的静电纺丝纤维毡作为伤口敷料的一种形式具有明显的优势，它比表面积大、载药量高，可以适用于任何药物的担载。另外静电纺丝纤维毡柔软易于加工、可以剪裁为任意形状，填充性及贴合性均很好，其典型的微纳结构不仅保湿透气，还有利于细胞的粘附和生长。纤维毡还可以担载多种药物，但是抗菌剂消炎药等存在潜在毒性，而且容易引起耐药性。因此，通过材料本身实现抗菌、抗氧化、消炎、促愈合的多功能性以实现高效的伤口愈合，具有非常重要的临床意义。通过材料筛选及接枝功能基团来实现材料本身的多功能性是可行的方法，但相关的研究还比较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能静电纺丝纤维敷料及其制备方法，该纤维敷料具有止血、抗氧化、抗炎、抗菌、促愈合和减疤痕的多功能性。

本发明首先提供一种多功能静电纺丝纤维敷料，该纤维敷料具有微纳结构，是采用静电纺丝方法将接枝功能基团的高分子材料纺制成纤维，然后进行交联得到的，所述的高分子材料具有刺激巨噬细胞转型功能。

所述的功能基团为抗氧化基团或/和抗菌基团。

优选的是，所述的抗氧化基团包括含氟基团、苯硼酸、硫醚、草酸酯、硒醚、烷基二硒或缩硫酮。

优选的是，所述的抗菌基团包括季铵盐、季膦盐、有机锡、卤代胺、缩氨酸、吡啶盐。

优选的是，所述的静电纺丝条件为：喷丝口的直径为0.1-1mm，所施加的静电场的强度为1-80KV，喷丝口和接收屏之间的距离为10-30cm。

本发明还提供一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法，该方法包括：

步骤一：将高分子材料接枝功能基团；所述的功能基团为抗氧化基团或/和抗菌基团；所述的高分子材料具有刺激巨噬细胞转型功能；

步骤二：将步骤一得到的接枝功能基团的高分子材料溶于溶剂中进行静电纺丝，得到静电纺丝纤维毡；

步骤三：将步骤二得到的静电纺丝纤维毡置于交联剂溶液中，浸泡后，取出纤维毡进行洗涤，吹干或烘干，得到多功能静电纺丝纤维敷料。

优选的是，所述的高分子材料为水溶性高分子或/和油溶性高分子。

优选的是，所述的水溶性高分子为明胶、角蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、聚乙二醇或聚氧乙烯、透明质酸、海藻酸盐或改性纤维素。

优选的是，所述的油溶性高分子包括聚乳酸、丙交酯与乙交酯的无规则或嵌段共聚物、丙交酯与ε-己内酯的无规则或嵌段共聚物，或丙交酯与乙二醇的嵌段共聚物。

优选的是，所述的交联剂包括小分子交联剂或金属离子交联剂。

优选的是，所述的小分子交联剂包括戊二醛、甲醛、碳化二亚胺、EDC或乙二胺；所述金属离子交联剂包括含有铁离子、铜离子、锌离子或钙离子的化合物。

本发明的有益效果

本发明首先提供一种多功能静电纺丝纤维敷料，该静电纺丝纤维敷料运用静电纺丝方法将接枝特定功能基团的高分子主体材料纺制成纤维，所得纤维直径均匀，无珠结，质地柔软，可以剪裁为任意形状，填充性及贴合性均很好。可实现止血、抗氧化、抗炎、抗菌、促愈合和减疤痕的多功能性。

本发明还提供一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法，本发明将具有刺激巨噬细胞转型功能的高分子材料接枝特定功能基团，使材料具备抗炎、抗氧化、抗菌多功能性，并运用静电纺丝，得到具有典型微纳结构的静电纺丝纤维毡，其典型的微纳结构不仅保湿透气，还有利于细胞的粘附和生长。最后通过交联的方法提高纤维机械性能的同时赋予纤维新的功能性，提高其消炎、促愈合性能。

附图说明

图1为实施例1制备的透明质酸纤维(a)、接枝硫醚基团的透明质酸纤维 (b)、Fe³⁺交联的透明质酸纤维(c)和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维(d)的SEM照片。

图2为实施例1制备的多功能静电纺丝纤维敷料的抗氧化曲线。

图3为实施例1制备的多功能静电纺丝纤维敷料的抗菌曲线。

具体实施方式

本发明首先提供一种多功能静电纺丝纤维敷料，该纤维敷料具有微纳结构，是采用静电纺丝方法将接枝功能基团的高分子材料纺制成纤维，然后进行交联得到的；所述的高分子材料具有刺激巨噬细胞转型功能；

所述的功能基团为抗氧化基团或/和抗菌基团，所述的抗氧化基团优选包括含氟基团、苯硼酸、硫醚、草酸酯、硒醚、烷基二硒或缩硫酮；所述的抗菌基团优选包括季铵盐、季膦盐、有机锡、卤代胺、缩氨酸、吡啶盐。

按照本发明，所述的静电纺丝条件优选为：喷丝口的直径为0.1-1mm，所施加的静电场的强度为1-80KV，喷丝口和接收屏之间的距离为10-30cm。

本发明所得纤维直径均匀，具有静电纺丝典型微纳结构，质地柔软，可实现止血、抗氧化、抗炎、抗菌、促愈合和减疤痕功能。

本发明还提供一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法，该方法包括：

步骤一：将高分子材料接枝功能基团；所述的功能基团为抗氧化基团或/和抗菌基团；所述的高分子材料具有刺激巨噬细胞转型功能；

步骤二：将步骤一得到的接枝功能基团的高分子材料溶于溶剂中进行静电纺丝，得到静电纺丝纤维毡；

步骤三：将步骤二得到的静电纺丝纤维毡置于交联剂溶液中，浸泡后，取出纤维毡进行洗涤，吹干或烘干，得到多功能静电纺丝纤维敷料。

按照本发明，先制备接枝功能基团的高分子材料，所述的接枝功能基团的高分子材料的制备方法为将带有功能基团的小分子材料与高分子材料共混，加入基团活化物质，优选在冰浴条件下活化反应基团，调节pH，然后再进行反应，使小分子接枝到高分子材料侧链。所述的反应温度优选为15-60℃，反应时间为 4h-5天。

按照本发明，所述的高分子材料是生物相容性的，最好是可生物降解的或可生物吸收的，具有刺激巨噬细胞转型功能。优选为水溶性高分子或/和油溶性高分子，所述的水溶性高分子优选为明胶、角蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、聚乙二醇或聚氧乙烯、透明质酸、海藻酸盐和改性纤维素。油溶性高分子优选包括聚乳酸、丙交酯与乙交酯的无规则或嵌段共聚物、丙交酯与ε-己内酯的无规则或嵌段共聚物、丙交酯与乙二醇的嵌段共聚物。

本发明制备过程中，针对需要选择不同的功能基团，可以为抗氧化基团和/ 或抗菌基团中的一种或几种。所述的抗氧化基团包括含氟基团、苯硼酸、硫醚、草酸酯、硒醚、烷基二硒、缩硫酮；所述的抗菌基团包括季铵盐、季膦盐、有机锡、卤代胺、缩氨酸、吡啶盐；

按照本发明，所述的带有功能基团的小分子材料优选为3-氨基苯硼酸、甲硫氨酸、氨乙基硫醚、2-(甲基硫代)乙胺、胆碱、氯化缩水甘油三甲基铵或氨甲基膦酸；

按照本发明，所述的基团活化物质优选为1-羟基苯丙三唑(HOBT)、N-羟基丁二酰亚胺(NHS)、N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)或4-二甲氨基吡啶(DMAP)。

按照本发明，所述的带有功能基团的小分子材料与高分子材料的摩尔比优选为(0.5-20)：1；所述的基团活化物质和高分子材料的摩尔比优选为(0.5-10)： 1。

按照本发明，所述的静电纺丝纤维毡的制备方法是将接枝功能基团的高分子材料溶于特定溶剂中进行静电纺丝，所述的特定溶剂应当无毒或低毒，能溶解相应高分子材料并有较好可纺性，在室温下有一定的挥发速度，在高分子材料中的最终残留量低。优选为水、氨水、氯仿、乙醇、丙酮、三氟乙醇、三氟乙酸、二氯甲烷、四氢呋喃、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

本发明静电纺丝过程中所涉及的电纺操作参数优选可在如下范围内设置，喷丝口的直径为0.1-1mm，所施加的静电场的强度为1-80KV，喷丝口和接收屏之间的距离为10-30cm，溶液的流速根据需要进行调节，优选流速为0.1-4 ml/h。

按照本发明，将静电纺丝纤维毡置于交联剂溶液中，浸泡2-72h后，取出纤维毡进行反复洗涤，洗去未反应的交联剂，然后吹干或烘干，得到多功能静电纺丝纤维敷料

本发明所述的交联剂为小分子交联剂或金属离子交联剂，小分子交联剂包括戊二醛、甲醛、碳化二亚胺、EDC、乙二胺；金属离子交联剂包括含有铁离子、铜离子、锌离子或钙离子的化合物，优选包括三氯化铁、硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、氯化钙或氯化锌。所述的交联剂需要先溶于溶剂中，得到交联剂溶液，所述的溶剂应当无毒或低毒，可以溶解交联剂，但是不溶解纤维毡，在室温下有一定的挥发速度，在高分子材料中的最终残留量低。优选为水、氨水、氯仿、乙醇、丙酮、三氟乙醇、三氟乙酸、二氯甲烷、四氢呋喃、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。本发明交联剂的浓度依据交联剂的类型、制备纤维的类型、原料的用量而进行调节，优选为0.005-1％(W/V)。

本发明选用的部分交联剂不仅可以提高纤维机械强度，还具有抗菌效果，使未接枝抗菌基团的高分子材料也能具有抗菌功能。

现结合实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施例不仅限于此。

实施例1

将200mg透明质酸(HA)溶于100ml去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，分别加入64mg2-(甲基硫代)乙胺、53mg1-羟基苯丙三唑和75mg EDC，冰浴搅拌30min，加入1M NaOH或者1M HCl调节pH值至6.5～7.0，继续冰浴 30min，随后常温反应3天。将所得的反应液用冰乙醇沉降，过滤，保留沉淀。将沉淀重新用去离子水溶解，过滤，保留滤液，去离子水透析3天。最后将透析液冷冻干燥，得到接枝硫醚基团的透明质酸(HA-S)。

将120mg HA-S溶解在7.2ml氨水和2.8mlN-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌至完全溶解，将所得的溶液用于纺丝。

将所得到的纺丝液进行纺丝，所涉及的电纺操作参数如下：喷丝口的直径为0.4mm，所施加的静电场的强度为20 KV，喷丝口和接收屏之间的距离为15 cm，溶液的流速为0.5ml/h，纺丝均在室温下进行，得到载药纤维毡，将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥。

将制备的纤维毡进行交联，将三氯化铁溶于无水乙醇中，浓度为5mg/ml，将纤维毡置于上述三氯化铁溶液中，浸泡24h，进行充分交联，取出纤维毡，置于纯的无水乙醇中洗去未交联的铁离子，然后将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥，得到有抗氧化、抗菌、消炎功能的纤维敷料。

图1是实施例1制备的透明质酸纤维(a)、接枝硫醚基团的透明质酸纤维 (b)、Fe³⁺交联的透明质酸纤维(c)和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维(d)的SEM照片，(标尺：20μm)，从图1中可以看出：所得纤维直径均匀，具有静电纺丝纤维微纳结构。接枝硫醚基团的透明质酸纤维直径有所减小，经过交联后纤维形貌没有改变。

将实施例1得到的纤维敷料进行抗氧化和抗菌性能研究，具体为：

1)多功能静电纺丝纤维敷料的抗氧化性能研究

剪取相同质量的透明质酸纤维、Fe³⁺交联的透明质酸纤维、接枝硫醚基团的透明质酸纤维和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维。将L929细胞接种于六孔板中，5％二氧化碳培养箱37℃培养12h，加入碧云天活性氧检测试剂盒中的Rosup试剂，浓度为0.5mg/ml，每孔加2ul。设一个不加Rosup的对照孔，继续培养7h，加入剪好的纤维，设一个不加纤维的对照孔。继续培养24h后，吸出培养基，PBS洗3～5遍，加入1ml用无血清培养基溶解的1ul/ml的DCFH-DA 荧光探针，培养20min，吸出荧光探针，用PBS洗3～5遍，通过激光共聚焦显微镜观察细胞内ROS含量。图2为透明质酸纤维、Fe³⁺交联的透明质酸纤维、接枝硫醚基团的透明质酸纤维和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维的抗氧化曲线图。其中a是透明质酸纤维，b是Fe³⁺交联的透明质酸纤维，c是接枝硫醚基团的透明质酸纤维，d是Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维，e是不加Rosup的对照孔，f是不加纤维的对照孔。由图2可知，接枝硫醚基团的透明质酸纤维的抗氧化性能明显优于不接枝硫醚基团的纤维。

2)多功能静电纺丝纤维敷料的抗菌性能研究

剪取相同面积的透明质酸纤维、Fe³⁺交联的透明质酸纤维、接枝硫醚基团的透明质酸纤维和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维。在LB固体培养基上均匀接种金黄色葡萄球菌，将上述四种纤维覆盖于培养皿的不同位置，37℃培养24h，将四块纤维处细菌刮下，分别置于装有相同体积细菌培养液的不同离心管中培养，37℃恒温震荡箱，170r/min，培养24h。将四管细菌培养液稀释相同倍数后，取相同量接种至不同LB固体培养基上，37℃培养24h，进行细菌计数。图3为透明质酸纤维、Fe³⁺交联的透明质酸纤维、接枝硫醚基团的透明质酸纤维和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维的抗菌曲线图。a是透明质酸纤维， b是接枝硫醚基团的透明质酸纤维，c是Fe³⁺交联的透明质酸纤维，d是Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维。由图3可知，Fe³⁺交联的透明质酸纤维和Fe³⁺交联的接枝硫醚基团的透明质酸纤维的抗菌性能明显优于不交联的透明质酸纤维和接枝硫醚基团的透明质酸纤维。证明了Fe³⁺良好的抗菌效果。

实施例2

将200mg海藻酸钠(SA)溶于80ml去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，分别加入96mg氨乙基硫醚、153mg1-羟基苯丙三唑和120mg EDC，冰浴搅拌 30min，加入1M NaOH或者1MHCl调节pH值至6.5～7.0，继续冰浴30min。随后常温反应4h。将所得的反应液用冰乙醇沉降，过滤，保留沉淀。将沉淀重新用去离子水溶解，过滤，保留滤液，去离子水透析3天。最后将透析液冷冻干燥，得到接枝抗氧化硫醚基团的海藻酸(SA-S)。

将100mg SA-S溶于40ml水中，加入5ml1M NaOH和50mg氯化缩水甘油三甲基胺(GTAC)，水浴60℃搅拌反应5h。1％冰醋酸中和pH，反应液用去离子水透析3天，冻干得到接枝季铵盐抗菌基团的海藻酸(SA-S-N⁺)

将60mg的聚乙烯醇置于6ml去离子水中，80℃搅拌至完全溶解，随后加入 120mgSA-S-N⁺和5mg柠檬酸室温搅拌至混合均匀，将所得的溶液用于纺丝。

将所得到的纺丝液进行纺丝，所涉及的电纺操作参数如下：喷丝口的直径为0.4mm，所施加的静电场的强度为24 KV，喷丝口和接收屏之间的距离为15 cm，溶液的流速为0.7ml/h，纺丝均在室温下进行，得到多功能纤维毡，将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥。

将制备的纤维毡进行交联，将纤维毡放于140℃烘箱中5h进行热交联，得到具有抗氧化、抗菌、消炎功能的纤维敷料。

按照实施例1的抗氧化和抗菌性能试验检测实施例2的纤维敷料，实验结果表明：比较海藻酸钠纤维毡、接枝硫醚基团的海藻酸钠纤维毡、接枝季铵盐基团的海藻酸钠纤维毡与实施例2得到的同时接枝硫醚和季铵盐基团的海藻酸钠纤维敷料的抗氧化情况可知，接枝硫醚基团的海藻酸钠纤维毡与同时接枝硫醚和季铵盐基团的海藻酸钠纤维敷料均具有优异的抗氧化性能。比较抗菌性能可知，接枝季铵盐基团的海藻酸钠纤维毡与同时接枝硫醚和季铵盐基团的海藻酸钠纤维敷料均具有良好的抗菌效果。以上说明同时接枝硫醚和季铵盐基团的海藻酸钠纤维敷料兼具抗氧化和抗菌效果。

实施例3

将200mg胶原蛋白溶于100ml去离子水中，分别加入64mg3-氨基苯硼酸、 183mgN-羟基丁二酰亚胺和157mg EDC，冰浴搅拌30min，加入1M NaOH或者 1M HCl调节pH值至6.5～7.0，继续冰浴30min。随后常温反应3天。将所得的反应液用去离子水透析3天，除去未反应的3-氨基苯硼酸、NHS和EDC。最后将透析液冷冻干燥，得到接枝抗氧化苯硼酸基团的胶原蛋白。

将120mg接枝苯硼酸基团的胶原蛋白溶解在去离子水中，室温搅拌至完全溶解，将所得的溶液用于纺丝。所涉及的电纺操作参数如下：喷丝口的直径为 0.4mm，所施加的静电场的强度为20 KV，喷丝口和接收屏之间的距离为15cm，溶液的流速为0.5ml/h，纺丝均在室温下进行，得到载药纤维毡，将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥。

将制备的纤维毡进行交联，将氯化铜溶于无水乙醇中，浓度为5mg/ml，将纤维毡置于上述氯化铜溶液中，浸泡24h，进行充分交联。取出纤维毡，置于纯的无水乙醇中洗去未交联的铜离子，然后将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥，得到具有抗氧化、抗菌、消炎功能的纤维敷料。

按照实施例1的抗氧化和抗菌性能试验检测实施例3的纤维敷料，实验结果表明：比较胶原蛋白纤维毡、Cu²⁺交联的胶原蛋白纤维毡、接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维毡与实施例3得到的Cu²⁺交联的接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维敷料的抗氧化情况可知，接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维毡与Cu²⁺交联的接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维敷料均具有优异的抗氧化性能。比较抗菌性能可知， Cu²⁺交联的胶原蛋白纤维毡与Cu²⁺交联的接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维敷料均具有良好的抗菌效果。以上说明Cu²⁺交联的接枝苯硼酸基团的胶原蛋白纤维敷料兼具抗氧化和抗菌效果。

Claims (1)

1.一种多功能静电纺丝纤维敷料的制备方法，其特征在于，将200 mg透明质酸HA溶于100ml去离子水中， 磁力搅拌至完全溶解，分别加入64 mg 2-（甲基硫代）乙胺、53mg 1-羟基苯丙三唑和75mg EDC，冰浴搅拌30min，加入1M NaOH或者1M HCl调节pH值至6.5~7.0，继续冰浴30min，随后常温反应3天，将所得的反应液用冰乙醇沉降，过滤，保留沉淀，将沉淀重新用去离子水溶解，过滤，保留滤液，去离子水透析3天，最后将透析液冷冻干燥，得到接枝硫醚基团的透明质酸HA-S；

将120 mg HA-S溶解在7.2 ml氨水和2.8mlN-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌至完全溶解，将所得的溶液用于纺丝；

将所得到的纺丝液进行纺丝，所涉及的电纺操作参数如下： 喷丝口的直径为0.4mm，所施加的静电场的强度为20 KV，喷丝口和接收屏之间的距离为15 cm，溶液的流速为0.5ml/h，纺丝均在室温下进行，得到载药纤维毡，将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥；

将制备的纤维毡进行交联，将三氯化铁溶于无水乙醇中，浓度为5mg/ml，将纤维毡置于上述三氯化铁溶液中，浸泡24h，进行充分交联，取出纤维毡，置于纯的无水乙醇中洗去未交联的铁离子，然后将所得到的纤维毡25℃条件下真空干燥，得到有抗氧化、抗菌、消炎功能的纤维敷料。

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