CN110499541B - 一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备方法 - Google Patents

一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于胶原材料领域，具体涉及一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备方法，本发明结合利用高浓度胶原液晶制备、高速注射剪切及模拟生理条件的凝固条件等技术，实现湿法纺丝过程中高浓胶原溶液中胶原分子原位自组装，仿生制备具有良好取向度与强度的天然胶原纤维。

Description

一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备 方法
技术领域
本发明属于胶原材料领域，具体涉及一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备方法。
背景技术
高分子纤维被广泛地应用于生物医学领域中。如可用作外科手术缝合线、敷料等。由纤维编织而成的纤维束或编织物也可作为组织工程支架用于人体组织的修复与再生。
胶原是细胞外基质的主要结构蛋白，是生物体内含量最高的蛋白质，它广泛存在于人体及动物体内。作为一种来源广泛的天然高分子材料，胶原具有许多优异的性能，如与细胞的高亲和力、与血小板产生血凝作用、可促进伤口收敛及表皮细胞的爬行覆盖、可生物降解等。
将胶原纺丝原液经湿法纺丝工艺，可得到一种天然大分子纤维—胶原纤维。目前已有文献与专利公开。代表性的技术如下：
中国发明专利CN201811205689.6公开的一种原位交联的胶原纤维的制备方法，具体制备方法为：(1)将EDC与NHS按一定质量比混合，作为交联剂(EDC质量为胶原质量的1-20％)溶于0.5mol/L冰乙酸中形成含有交联剂的冰乙酸溶液；(2)将胶原溶于含有交联剂的冰乙酸溶液中，使用机械搅拌充分搅拌，溶解过程中溶液温度维持在4-6℃之间，配成质量分数为1.5％的胶原溶液；(3)将胶原溶液在4℃下冷冻离心脱泡40min得到胶原纺丝原液。采用湿法纺丝，注射泵挤出速度为0.5ml/min，初生纤维在凝固浴中停留100-300s(凝固浴以丙酮、氨水和去离子水按照60∶1∶0.2的比例混合而成)，得到胶原纤维，将出凝固浴的凝胶态胶原纤维加5g砝码悬挂，自然风干1h得到胶原纤维。
相同作者在胶原/高分子量壳聚糖复合纤维的制备及其性能，纺织学报，2018年第39卷第5期中报道：将质量分数分别为4％和2％的胶原和壳聚糖分别溶解于0.5mol/L的冰醋酸中，保持溶液温度在4～6℃之间，搅拌，溶解时间约8h。待二者溶解完全后离心脱泡，然后将胶原与壳聚糖按不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5)混合，保持溶液温度在4～6℃之间，混合溶液搅拌8h，然后再次离心脱泡得到纺丝液。将丙酮、氨水和去离子水按一定比例配制凝固浴，通过湿法纺丝技术制备胶原/壳聚糖复合纤维，并将其悬挂自然风干。
目前，现有技术仍存在如下缺点：①纺丝原液浓度低，不超过4％(即40mg/ml)，胶原未形成液晶(胶原溶液形成液晶的临界浓度约在60-80mg/ml)，胶原分子取向差，呈各向同性；②纺丝液注射速度慢，剪切取向作用弱；③胶原纤维的形成单一地依赖于胶原在凝固浴中的不溶性，得到的胶原纤维缺乏有序自组装，与生物体中的胶原纤维在结构上差别很大，未能实现真正意义上的仿生制备，不利于胶原纤维在生物医学材料领域方面充分发挥其生物学特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维及其制备方法，本发明结合利用尿素促溶的高浓度胶原液晶、高速注射剪切及模拟生理条件下的胶原分子原位自组装的新型工艺技术，实现湿法纺丝过程中高浓胶原溶液中胶原分子原位自组装，提高取向度，最大程度仿生具有良好取向度的天然胶原纤维。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其原料为天然胶原；其制备方法，包括以下步骤：
a)将陆生或水产动物中提取得到的天然胶原溶解于醋酸溶液中，使胶原的浓度达到80-120mg/mL，加入尿素，使尿素浓度达到5-10mg/mL，然后将溶液于-20--10℃的冰箱中充分冷冻，室温下解冻并迅速搅拌溶解，接着在低浓度醋酸溶液中透析置换，得到尿素增溶的均匀胶原液晶；
b)将上述胶原液晶预冷至4-10℃，采用湿法纺丝，注射泵挤出速度为55-64mL/min，凝固浴为：10-30mmol/L PBS+80-120mmol/L NaCl，pH值为7.0-8.5，凝固浴温度为30-37℃，在凝固浴中经超分子自组装形成初生胶原纤维后，用收丝装置收集并施以适度拉伸，拉伸完毕后取出纤维，同浴中浸泡1-3h后，再转移至第二凝固浴浸泡10-30min，其中第二凝固浴除上述凝固浴的成分外，内还含有交联剂，第二凝固浴的温度为30-37℃，最后，在去离子水中浸泡10-30min后取出，以去离子水清洗，于室温下自然干燥，得到胶原纤维。
进一步的，所述醋酸溶液的浓度为浓度0.1-0.5mol/L。
进一步的，所述PBS由磷酸二氢钠与磷酸氢二钠按不同摩尔比配成。
进一步的，步骤b)中所述交联剂选用戊二醛。
进一步的，步骤a)中低浓度醋酸溶液的浓度为0.01-0.06mol/L。
进一步的，步骤b)中胶原纤维的拉伸比为1.2-2.0。
进一步的，步骤b)中第二凝固浴中交联剂的浓度为1-3wt％。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果：①胶原纺丝液的浓度高，形成了分子高度取向的胶原液晶，有利于胶原纤维强度的提高；②利用氢键破坏剂尿素及低温冷冻技术，实现均匀的高浓度胶原液晶制备；③提高纺丝的剪切速率，诱导胶原分子取向得到强化；④纺丝液的溶剂醋酸浓度较低，避免使凝固液的pH值下降，影响胶原分子的自组装；⑤凝固浴的配方、pH值与温度均为适于胶原自组装的模拟生理条件，在胶原液晶接触凝固浴的瞬间，凝固浴与低浓度醋酸溶剂发生置换，使胶原分子发生原位自组装。上述效果使再生的胶原纤维与体内胶原纤维结构高度一致，实现了仿生肌腱制备胶原纤维的目的。
本发明制得的胶原纤维呈白色或淡黄色半透明状，光滑平直。平均直径为100-200μm，断裂强度为0.8-1.5cN/dTex，伸长率为10-30％，耐挠曲性好，可随意弯曲、打结、编织及缝合，具有良好的实际使用性能。
附图说明
图1为纤维纵面扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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：
称取0.2重量份天然胶原溶解于2.5重量份的0.1mol/L醋酸中，使胶原浓度达到80mg/mL，加入适量尿素，使尿素浓度达10mg/mL，在-15℃冰箱中冷冻，室温下解冻并迅速搅拌溶解，在0.06mol/L的醋酸溶液中透析置换，得到尿素增溶的均匀胶原液晶。将尿素增溶的胶原液晶预冷至7℃，采用湿法纺丝，用注射泵以52mL/min的速率将纤维挤入凝固浴(凝固液为10mmol/LPBS+120mmol/LNaCl，pH值为8.5，温度为34℃)中。在凝固浴中经超分子自组装形成初生胶原纤维后，用收丝装置收集并施以适度拉伸，拉伸比为2.0。拉伸完毕后取出纤维，同浴中浸泡1h，使胶原分子充分自组装。再转移至34℃第二凝固浴，第二凝固浴中除上述凝固液外，内含交联剂(戊二醛，浓度为3wt％)，浸泡10min。最后，在去离子水中浸泡30min后，取出，以去离子水清洗，于室温下自然干燥，得到胶原纤维。
该实施例制得的胶原纤维断裂强度为1.1cN/dTex。
实施例2：
称取0.25重量份天然胶原溶解于2.5重量份的0.5mol/L醋酸中，使胶原浓度达到100mg/mL，加入适量尿素，使尿素浓度达5mg/mL，在-10℃冰箱中冷冻，室温下解冻并迅速搅拌溶解，在0.03mol/L的醋酸溶液中透析置换，得到尿素增溶的均匀胶原液晶。将尿素增溶的胶原液晶预冷至10℃，采用湿法纺丝，用注射泵以64mL/min的速率将纤维挤入凝固浴(凝固液为20mmol/LPBS+100mmol/LNaCl，pH值为7.8，温度为37℃)中。在凝固浴中经超分子自组装形成初生胶原纤维后，用收丝装置收集并施以适度拉伸，拉伸比为1.2。拉伸完毕后取出纤维，同浴中浸泡2h，使胶原分子充分自组装。再转移至37℃第二凝固浴，第二凝固浴中除上述凝固液外，内含交联剂(戊二醛，浓度为1wt％)，浸泡30min。最后，在去离子水中浸泡10min后，取出，以去离子水清洗，于室温下自然干燥，得到胶原纤维。
该实施例制得的胶原纤维断裂强度为1.5cN/dTex。
实施例3：
称取0.3重量份天然胶原溶解于2.5重量份的0.3mol/L醋酸中，使胶原浓度达到120mg/mL，加入适量尿素，使尿素浓度达7.5mg/mL，在-20℃冰箱中冷冻，室温下解冻并迅速搅拌溶解，在0.01mol/L的醋酸溶液中透析置换，得到尿素增溶的均匀胶原液晶。将尿素增溶的胶原液晶预冷至4℃，采用湿法纺丝，用注射泵以40mL/min的速率将纤维挤入凝固浴(凝固液为30mmol/LPBS+80mmol/LNaCl，pH值为7.0，温度为30℃)中。在凝固浴中经超分子自组装形成初生胶原纤维后，用收丝装置收集并施以适度拉伸，拉伸比为1.6。拉伸完毕后取出纤维，同浴中浸泡3h，使胶原分子充分自组装。再转移至30℃第二凝固浴，第二凝固浴中除上述凝固液外，内含交联剂(戊二醛，浓度为2wt％)，浸泡15min。最后，在去离子水中浸泡15min后，取出，以去离子水清洗，于室温下自然干燥，得到胶原纤维。
该实施例制得的胶原纤维断裂强度为0.8cN/dTex。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于，其原料为天然胶原；其制备方法，包括以下步骤：
a)将陆生或水产动物中提取得到的天然胶原溶解于醋酸溶液中，使胶原的浓度达到80-120mg/mL，加入尿素，使尿素浓度达到5-10mg/mL，然后将溶液于-20～-10℃的冰箱中充分冷冻，室温下解冻并迅速搅拌溶解，接着在低浓度醋酸溶液中透析置换，得到尿素增溶的均匀的胶原液晶；低浓度醋酸溶液的浓度为0.01-0.06mol/L；
b)将上述胶原液晶预冷至4-10℃，采用湿法纺丝，注射泵挤出速度为55-64mL/min，凝固浴为：10-30mmol/L PBS+80-120mmol/L NaCl，pH值为7.0-8.5，凝固浴温度为30-37℃，在凝固浴中经超分子自组装形成初生胶原纤维后，用收丝装置收集并施以适度拉伸，拉伸完毕后取出纤维，同浴中浸泡1-3h后，再转移至第二凝固浴浸泡10-30min，其中第二凝固浴除上述凝固浴的成分外，内还含有交联剂，第二凝固浴的温度为30-37℃，最后，在去离子水中浸泡10-30min后取出，以去离子水清洗，于室温下自然干燥，得到胶原纤维。
2.根据权利要求1所述的一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于：所述醋酸溶液的浓度为浓度0.1-0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于：所述PBS由磷酸二氢钠与磷酸氢二钠按不同摩尔比配成。
4.根据权利要求1所述的一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于：步骤b)中所述交联剂选用戊二醛。
5.根据权利要求1所述的一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于：步骤b)中胶原纤维的拉伸比为1.2-2.0。
6.根据权利要求1所述的一种基于胶原液晶原位自组装的高强度仿生纤维，其特征在于：步骤b)中第二凝固浴中交联剂的浓度为1-3wt％。
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