CN109999221A - 一种定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种定向的壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法。该纤维水凝胶由单一成分壳聚糖制备得到，具有定向的纤维结构，微观表现出定向沟壑状形貌，因此具有从微米到纳米的多尺度定向结构。该纤维水凝胶通过优化的液态静电纺丝方法制备，具有较高的含水量，组成、结构、力学性能均接近天然组织细胞外基质，具有良好的细胞粘附性及促进细胞增殖的活性。具有广泛的生物医学工程领域应用价值。本发明还提供了制备这种定向壳聚糖纤维水凝胶的方法。

Description

一种定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，主要针对用于神经修复的定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法。
背景技术
壳聚糖是一种自然界中广泛存在的多糖物质，具有良好的生物相容性及生物可降解性能，在生物医学工程领域大量应用。其中壳聚糖及其衍生物在神经修复领域研究并应用广泛。壳聚糖导管材料应用于桥接大鼠坐骨神经缺损，能够吸收降解且促进再生神经纤维；壳聚糖支架材料作为组织工程化神经能够有效修复犬60mm神经缺损；壳聚糖导管内含壳聚糖小球负载神经营养因子NT3在脊髓损伤研究中具有显著的促进修复的效果。因此壳聚糖应用于神经修复具有广泛的研究基础及显著的效果。
按照仿生设计的思路，定向的纤维结构是神经组织的天然特点，考虑将定向纤维材料应用于神经的修复研究是神经修复研究领域的一大热点。定向的孔道结构、线性的天然提取的胶原纤维、定向的聚酯纤维及定向纤维蛋白等材料在外周及脊髓修复研究中具有显著的促进修复的效果。本发明设计制备定向的壳聚糖纤维，并拟将其应用于生物医用神经修复领域。
基于仿生的设计思路，利用静电纺丝技术，本发明材料具有多级的定向结构，多尺度上的定向纤维及微米沟壑拓扑结构，促进神经细胞的定向生长及微观的黏附。此外本发明材料是具有高含水量的水凝胶，能够模拟细胞外基质。因此，本发明设计将结合壳聚糖在神经修复的优势及定向结构对于神经修复的物理特性，制备定向壳聚糖纤维水凝胶。本设计材料利用现有材料技术优势，弥补现有神经修复材料的不足，是一种具有神经修复应用前景的仿生神经替代物。
发明内容
本发明的第一方面，提供一种定向的壳聚糖纤维水凝胶，该材料由壳聚糖定向纤维构成或具有生物活性多肽接枝的壳聚糖定向纤维构成。具有多尺度定向纤维结构，第一尺度定向纤维直径2-10微米，第二尺度的定向沟壑直径100-200纳米。因此该定向纤维水凝胶具有多尺度定向微观结构。该材料具有较高含水量，含水量约为87％；近天然细胞外基质，且力学性能可控，且模量及断裂应力接近天然细胞外基质；具有良好的细胞粘附性能及增殖能力。能够促进细胞的定向分布及黏附生长。该材料能够直接通过壳聚糖表面的大量氨基，接枝功能多肽片段，使定向壳聚糖纤维具有多肽的功能作用。
本发明的第二方面，提供本发明第一方面所述定向壳聚糖纤维水凝胶的制备方法，通过单通道静电纺丝电纺且液态接收装置收集制备得到，成分简单，为单一壳聚糖成分，步骤如下：
步骤S1、将0.5％-4％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.2％-0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制0.5％-3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度1.5-3ml/h，加载电压3-5kV，接地金属盘内含S2所得接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200-300r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束；
步骤S4、将S3所得壳聚糖纤维束固定在聚四氟乙烯的支架上接枝功能多肽。
具有生物活性的定向壳聚糖纤维水凝胶的制备，首先通过S1-S3的制备方法制备得到定向壳聚糖纤维，再将壳聚糖纤维固定在聚四氟乙烯的支架上接枝功能多肽。具体包括将壳聚糖纤维与含有二甲氨基丙基碳二亚胺(EDC)、羟基丁二酰亚胺(NHS)的水溶液混合，加入N端封端C端保留羧基的多肽，反应24小时得到。所述多肽包括含有RGD片段的多肽序列，含有IKVAV片段的多肽序列，RGI(RGIDKRHWNSQ)序列，KLT(KLTWQELYQLKYKGIGG)序列，但不限于此。
本发明的有益效果：本发明提供一种定向的壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法。该纤维水凝胶由单一成分壳聚糖制备得到，具有定向的纤维结构，微观表现出定向沟壑状形貌，因此具有从微米到纳米的多尺度定向结构。该纤维水凝胶通过优化的液态静电纺丝方法制备，具有较高的含水量，组成、结构、力学性能均接近天然组织细胞外基质，具有良好的细胞粘附性及促进细胞增殖的活性。具有广泛的生物医学工程领域应用价值。
附图说明
图1为本发明定向壳聚糖纤维实物图。
图2为本发明壳聚糖纤维的多尺度定向纤维结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分内容，而不是全部内容。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
步骤S1、将0.5％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例2
步骤S1、将1％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例3
步骤S1、将2％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例4
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例5
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例6
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.2％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例7
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制2％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例8
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制1％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例9
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制0.5％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例10
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.2％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制0.5％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
实施例11
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制1％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
步骤S4、将壳聚糖纤维浸泡于含有EDC和NHS的水溶液中，EDC：NHS：COOH为10：10：1，加入N端封端C端保留羧基的RGD多肽，摇床反应24小时。
实施例12
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制1％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
步骤S4、将壳聚糖纤维浸泡于含有EDC和NHS的水溶液中，EDC：NHS：COOH为100：10：1，加入N端封端C端保留羧基的RGD多肽，摇床反应24小时。
实施例13
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制1％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
步骤S4、将壳聚糖纤维浸泡于含有EDC和NHS的水溶液中，EDC：NHS：COOH为10：10：1，加入N端封端C端保留羧基的IKVAV多肽，摇床反应24小时。
实施例14
步骤S1、将3％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.4％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制1％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1中壳聚糖溶液与PEO溶液混合均匀，取于静电纺丝注射器中推注电纺。推注速度3ml/h，加载电压5kV，接地金属盘内含接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束。
步骤S4、将壳聚糖纤维浸泡于含有EDC和NHS的水溶液中，EDC：NHS：COOH为10：10：1，加入N端封端C端保留羧基的RGI多肽，摇床反应24小时。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料由壳聚糖定向纤维构成或具有生物活性多肽接枝的壳聚糖定向纤维构成。
2.根据权利要求1所述的定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料具有多尺度定向纤维结构，第一尺度定向纤维直径2-10微米，第二尺度的定向沟壑直径100-200纳米，因此该定向纤维水凝胶具有多尺度定向微观结构。
3.根据权利要求1所述的定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料具有较高含水量，含水量约为87％。
4.根据权利要求1所述的定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料具有可控的力学性能，且模量及断裂应力接近天然细胞外基质。
5.根据权利要求1所述的定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料具有良好的细胞粘附性能及增殖能力，能够促进细胞的定向分布及黏附生长。
6.根据权利要求1所述的定向壳聚糖纤维水凝胶，其特征在于，该材料能够直接通过壳聚糖表面的大量氨基，接枝功能多肽片段，使定向壳聚糖纤维具有多肽的功能作用。
7.一种制备权利要求1所述定向壳聚糖纤维水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将0.5％-4％壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，与0.2％-0.6％PEO水溶液混合均匀，待用；
步骤S2、配制0.5％-3％三聚磷酸钠水溶液，作为接收液；
步骤S3、将S1所得壳聚糖溶液与PEO水溶液的混合物装入静电纺丝注射器中推注电纺；推注速度1.5-3ml/h，加载电压3-5kV，接地金属盘内含有S2所得接收液，水平旋转接收得到定向壳聚糖纤维，旋转速度为200-300r/h，交联的壳聚糖纤维在旋转收集中得到定向的纤维束；
步骤S4、将S3所得壳聚糖纤维束固定在聚四氟乙烯的支架上接枝功能多肽。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S4所述接枝功能多肽包括以下步骤：将壳聚糖纤维与含有二甲氨基丙基碳二亚胺(EDC)、羟基丁二酰亚胺(NHS)的水溶液混合，加入N端封端C端保留羧基的多肽，反应24小时得到。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多肽包括含有RGD片段的多肽序列，含有IKVAV片段的多肽序列，RGI(RGIDKRHWNSQ)序列，KLT(KLTWQELYQLKYKGIGG)序列。
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