CN111235653B - 一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法。本发明先通过同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜，再运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段，最后利用壳层纤维、核层纤维和包埋剂的溶解性差异，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得不溶于溶解液的纳米短纤维。本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。

Description

一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术及纳米材料应用技术领域，特别是涉及一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法及其应用。
背景技术
现有技术中，制备纳米纤维的制备方法包括拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法、分子喷丝板纺丝法、限域合成法、海岛型双组分复合纺丝法、静电纺丝法、分子技术制备法和生物制备法等。静电纺丝技术作为纳米纤维材料的制备方法之一，具有廉价、适于大量制备、高效的优点。不仅适用于基础科研研究，还广泛应用于生产实际。目前，静电纺丝技术现在已经广泛应用于纺织工程、组织工程与再生医学、药物释放与靶向输送等各个领域。通过静电纺丝技术能够廉价地大量制备微米级、亚微米级，甚至纳米级的纤维，为多个领域提供了优质的纳米纤维材料。
由于传统纳米纤维制备技术的局限性，其制成品一般为单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等，然而实际科研生产中需要将纳米纤维更加灵活的运用于多种环境。例如在组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射微载体，需要将纳米纤维从单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等形态制备为微米级别长度均一的纳米短纤维以保证微载体的搭载效果。目前，纯粹的机械粉碎和切割手段无法将上述多种形态的纳米纤维制备为长度均一的纳米短纤维。因此，针对现有技术不足，本发明提供一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法。该方法将同轴静电纺丝技术制备的具有壳核结构的纳米纤维膜进行包埋冷冻切片，在去除壳层纤维和包埋剂后，所余核层纤维即分散为长度规格均一的纳米短纤维。该方法具有成本低、批量大、操作简单和原料搭配灵活的特点。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现。
提供一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，包括如下步骤：
S1，运用同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜。
将高压电源的正极与负极分别与同轴针头和接收装置电连接，所述高压电源对同轴针头和接收装置施加6～25kV的电压，利用推注泵装置分别推动壳层纤维溶液的注射器和核层纤维溶液的注射器；在电场力的作用下，两种溶液在同轴针头末端喷出形成具有壳核结构的复合射流；所述复合射流经过5～40cm的飞行距离，挥发溶剂并固化为纳米纤维，落入高速旋转滚筒接收装置，制得所述纳米纤维膜。
优选的，所述壳层纤维溶液是预先制备的，壳层纤维溶液的制备具体为：在溶剂中加入壳层纤维原料，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为2～40％。
优选的，所述核层纤维溶液是预先制备的，核层纤维溶液的制备具体为：在溶剂中加入核层纤维原料和功能性微粒，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为2～40％，功能性微粒的质量分数为0.02～8％。
S2，运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段。
将所述步骤S1中制得的纳米纤维膜平行于取向方向用刀裁切为宽2～4cm的纳米纤维膜条带，将所述纳米纤维膜条带缠绕在玻片上，使用包埋剂将所述纳米纤维膜条带包埋，冷冻成型后使用冷冻切片机将其切割成多份取向长度为10～100μm的纳米纤维膜片段，每份纳米纤维膜片段的取向长度一致。
S3，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得纳米短纤维。
将所述步骤S2中制得的纳米纤维膜片段放入装有溶解液的容器中浸润并超声振荡分散，使壳层纤维和包埋剂完全溶解于溶解液中，制得不溶于溶解液的核层纤维悬液；所述核层纤维悬液离心10～15min，弃去上清液，将所余沉淀冻干，制得所述纳米短纤维，并放置于干燥箱中保存备用。
优选的，所述步骤S1中的壳层纤维原料为聚环氧乙烷、明胶和聚乙烯醇中的一种。
优选的，所述步骤S1中的核层纤维原料为聚己内酯、聚乳酸、聚乙丙交酯、明胶、丝素蛋白或胶原中的一种。
优选的，所述步骤S1中的溶剂为三氟乙腈或者六氟异丙醇中的一种。
优选的，所述步骤S1中的功能性微粒为磁性纳米颗粒、导电微粒或生长诱导因子中的一种。
优选的，所述步骤S1中，壳层纤维溶液以0.05～0.5mL/min的速度推注，核层纤维溶液以0.05～0.8mL/min的速度推注。
优选的，所述步骤S2中的包埋剂为聚环氧乙烷、明胶或聚乙烯醇中的一种。
优选的，所述步骤S3中的溶解液为去离子水、乙腈或者丙酮中的一种。
优选的，所述步骤S3中的离心速度为1000～6000rpm。
应用上述基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法制得的纳米短纤维可用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体。
本发明先通过同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜，再运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段，最后利用壳层纤维、核层纤维和包埋剂的溶解性差异，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得不溶于溶解液的纳米短纤维。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法制得的纳米纤维膜实物照片；
图2是本发明基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法制得的纳米短纤维的微观图像(a-显微镜在白光下观察纳米短纤维的图像；b-荧光显微镜下观察的经尼罗红荧光染料染色后的纳米短纤维图像；c-电子显微镜下观察放大1000倍后的纳米短纤维图像)。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，包括如下步骤：
S1，运用同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜。
预先制备壳层纤维溶液：在溶剂中加入壳层纤维原料，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为2～40％。
预先制备核层纤维溶液：在溶剂中加入核层纤维原料和功能性微粒，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为2～40％，功能性微粒的质量分数为0.02～8％。
同轴静电纺丝时，高压电源的正极与负极分别与同轴针头和接收装置电连接，并施加6～25kV的电压。启动推注泵装置，以0.05～0.5mL/min的速度推注壳层纤维溶液，以0.05～0.8mL/min的速度推注核层纤维溶液。在电场力的作用下，两种溶液在同轴针头末端喷出形成具有壳核结构的复合射流，并飞行5～40cm的距离，落至高速旋转滚筒接收装置进行塑形，制得纳米纤维膜。
上述壳层纤维原料可以选用聚环氧乙烷、明胶或聚乙烯醇等。聚环氧乙烷是环氧乙烷开环聚合而成的线型聚醚，结构为[CH2-CH2-O]n是一种水溶性的热塑性结晶型树脂。聚环氧乙烷无毒、无刺激性，可溶于水，乙腈、二氯乙烷和氯仿中，降解性能佳。明胶和聚乙烯醇均是易溶于热水的高聚物，降解性能佳，易于去除。
上述核层纤维原料可以选用人工合成高分子材料如聚己内酯、聚乳酸或聚乙丙交酯等，亦可选用天然高分子材料如明胶、丝素蛋白或胶原等。所选用的高分子材料都具有良好的生物相容性和生物可降解性以及低免疫原性，在组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域应用广泛。
上述功能性微粒选用组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域中适用的磁性纳米颗粒、导电微粒或生长诱导因子等等。
由于上述核层纤维原料有明胶和胶原等极性强的天然高分子材料，所以优选可以溶解多肽生物高聚物的氟化乙腈，例如三氟乙腈和六氟异丙醇等。同时，为适应静电纺丝的要求，纤维溶液射流在飞行距离内通过挥发自身溶剂形成丝状纤维被接收装置收集，所以使用的溶剂需要极易挥发。三氟乙腈的沸点为74℃(常压)，六氟异丙醇的沸点为59℃(常压)，两者均为极易挥发的溶剂，满足本发明的需求。
S2，运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段。
将步骤S1中制得的纳米纤维膜平行于取向方向用刀裁切为宽2～4cm的纳米纤维膜条带，将所述纳米纤维膜条带缠绕在玻片上，使用包埋剂将所述纳米纤维膜条带包埋，冷冻成型后使用冷冻切片机将其切割成多份取向长度为10～100μm的纳米纤维膜片段，每份纳米纤维膜片段的取向长度一致。
上述包埋剂可选用与壳层纤维一致的材料，如聚环氧乙烷、明胶或聚乙烯醇中的一种。
由于在玻片缠绕的边缘，玻片上下的纳米纤维膜会形成一个折叠，如此切割得到的玻片边缘的纳米纤维膜片段展开长度与中段切割而得的纳米纤维膜片段长度不一致，所以玻片两端切割出来的纳米纤维膜片段需弃用，以保证每份纳米纤维膜片段的取向长度一致。
S3，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得纳米短纤维。
将步骤S2中制得的纳米纤维膜片段放入装有溶解液的容器中浸润并超声振荡分散，使壳层纤维和包埋剂完全溶解于溶解液中，制得不溶于溶解液的核层纤维悬液；所述核层纤维悬液以1000～6000rpm的速度离心10～15min，弃去上清液，将所余沉淀冻干，制得所述纳米短纤维，并放置于干燥箱中保存备用。
由于壳层纤维和包埋剂最后均需要被去除，所以壳层纤维和包埋剂的选用的材料都应能被溶解液溶解，所以壳层纤维和包埋剂的选用的材料的溶解性能需要相近，或二者选用同种材料。本发明采取了选用同种材料作为壳层纤维和包埋剂的方案，以降低制备过程的复杂性。
上述溶解液的作用只是壳层纤维和包埋剂完全溶解，而不能把核层纤维溶解。由于本发明选用了聚环氧乙烷作为壳层纤维和包埋剂，所以溶解液对应选用去离子水、乙腈或者丙酮皆可。
本发明先通过同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜，再运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段，最后利用壳层纤维、核层纤维和包埋剂的溶解性差异，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得不溶于溶解液的纳米短纤维。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例2。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为5～20％。在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为5～20％，功能性微粒的质量分数为0.05～4％。同轴静电纺丝电压为6～12kV，射流飞行距离为8～15cm。
本实施例制备的半成品纳米纤维膜实物图如图1所示，制备的成品纳米短纤维在显微镜下观察如图2所示。
高聚物溶液形成的射流在表面张力和电场力的作用下被逐渐拉成细条状。静电场下高聚物溶液的伸长是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。本实施例的电场力适中，纤维溶液(即高聚物溶液)伸长现象明显，所得纤维直径可达到纳米级别的要求。
由于挤出胀大效应及电场力等的作用使高聚物液滴在同轴针头形成泰勒圆锥(Taylor圆锥)。泰勒圆锥是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。溶液浓度低时泰勒圆锥并不出现。本实施例的纤维溶液(即高聚物溶液)浓度适中，保障了泰勒圆锥的形成。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例3。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为2％。在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为2％，功能性微粒的质量分数为0.02％。同轴静电纺丝电压为6kV，射流飞行距离为5cm。
由于挤出胀大效应及电场力等的作用使高聚物液滴在同轴针头形成泰勒圆锥(Taylor圆锥)。泰勒圆锥是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。溶液浓度低时泰勒圆锥并不出现。本实施例的纤维溶液(即高聚物溶液)浓度是保障泰勒圆锥的形成的最低值。
高聚物溶液形成的射流在表面张力和电场力的作用下被逐渐拉成细条状。静电场下高聚物溶液的伸长是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。本实施例的电场力是保障纤维溶液(即高聚物溶液)伸长现象明显的最低值。
本实施例的制备条件在满足发明需求的情况下，能耗最低。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例4。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为40％。在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为40％，功能性微粒的质量分数为8％。同轴静电纺丝电压为25kV，射流飞行距离为40cm。
由于挤出胀大效应及电场力等的作用使高聚物液滴在同轴针头形成泰勒圆锥(Taylor圆锥)。泰勒圆锥是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。溶液浓度过高会使同轴针头处液滴掉落，导致无法形成粘附于同轴针头的泰勒圆锥。本实施例的纤维溶液(即高聚物溶液)浓度是保障泰勒圆锥的形成的最高值。
高聚物溶液形成的射流在表面张力和电场力的作用下被逐渐拉成细条状。静电场下高聚物溶液的伸长是保证静电纺丝顺利进行的条件之一。纺丝过程中，电压过大，会导致纺丝过程不稳定，使制备得到的纳米纤维粗细不均。本实施例的电压是保障纺丝稳定的最大电压。
本实施例的制备条件在满足发明需求的情况下，静电纺丝速度最快。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例5。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：壳层纤维原料为聚环氧乙烷，其分子量为80,000。核层纤维原料为聚己内酯，其分子量为80,000。功能性微粒为纳米磁性颗粒，如四氧化三铁。
本实施例制备而成的纳米短纤维搭载纳米磁性颗粒，具有磁感应性能。该纳米短纤维与可注射型介质混合后，可通过磁场力引导，将混合物精准送达实验部位或患部。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例6。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：壳层纤维原料为聚环氧乙烷，其分子量为80,000。核层纤维原料为聚乳酸，其分子量为80,000。功能性微粒为生长诱导因子，如骨形成诱导因子(BMP)。
本实施例制备而成的纳米短纤维搭载骨形成诱导因子(BMP)。该纳米短纤维与可注射型介质混合后，通过注射，将混合物精准送达生物体的骨缺失或损伤部位，并在生物体内持续降解，不断释放骨形成诱导因子(BMP)，促进骨组织的再生与修复。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
实施例7。
一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：壳层纤维原料为聚环氧乙烷，其分子量为80,000。核层纤维原料为聚己内酯，其分子量为80,000。功能性微粒为导电微粒，如羧基封端的碳纳米管。
本实施例制备而成的纳米短纤维搭载羧基封端的碳纳米管。该纳米短纤维与可注射型介质混合后，赋予可注射型介质调节导电能力的特性，可应用于组织神经刺激和修复。
本发明制备方法简单可行，制备成本低，制备量大。本发明制备的纳米短纤维规格均一可控，可作为优良的可注射型微载体。本发明制备的纳米短纤维可搭载不同的功能性微粒，发挥不同的功能优势，用作组织工程与再生医学和药物释放与靶向输送等领域使用的可注射型微载体，为纳米纤维的临床应用和医学研究提供了新的制备思路。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，运用同轴静电纺丝技术制备具有壳核结构的纳米纤维膜；
将高压电源的正极与负极分别与同轴针头和接收装置电连接，所述高压电源对同轴针头和接收装置施加6～25kV的电压，利用推注泵装置分别推动壳层纤维溶液的注射器和核层纤维溶液的注射器；在电场力的作用下，两种溶液在同轴针头末端喷出形成具有壳核结构的复合射流；所述复合射流经过5～40cm的飞行距离，挥发溶剂并固化为纳米纤维，落入高速旋转滚筒接收装置，制得所述纳米纤维膜；
所述壳层纤维溶液是预先制备的，壳层纤维溶液的制备具体为：在溶剂中加入壳层纤维原料，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在壳层纤维溶液中，壳层纤维原料的质量分数为2～40％；
所述核层纤维溶液是预先制备的，核层纤维溶液的制备具体为：在溶剂中加入核层纤维原料和功能性微粒，磁力搅拌3～48h，装入注射器备用；在核层纤维溶液中，核层纤维原料的质量分数为2～40％，功能性微粒的质量分数为0.02～8％；
S2，运用包埋冷冻切片技术将纳米纤维膜切割为纤维取向长度一致的纳米纤维膜片段；
将所述步骤S1中制得的纳米纤维膜平行于取向方向用刀裁切为宽2～4cm的纳米纤维膜条带，将所述纳米纤维膜条带缠绕在玻片上，使用包埋剂将所述纳米纤维膜条带包埋，冷冻成型后使用冷冻切片机将其切割成多份取向长度为10～100μm的纳米纤维膜片段，每份纳米纤维膜片段的取向长度一致；
S3，去除纳米纤维膜片段的壳层纤维和包埋剂，制得纳米短纤维；
将所述步骤S2中制得的纳米纤维膜片段放入装有溶解液的容器中浸润并超声振荡分散，使壳层纤维和包埋剂完全溶解于溶解液中，制得不溶于溶解液的核层纤维悬液；所述核层纤维悬液离心10～15min，弃去上清液，将所余沉淀冻干，制得所述纳米短纤维，并放置于干燥箱中保存备用；
所述步骤S1中的壳层纤维原料为聚环氧乙烷、明胶或聚乙烯醇中的一种；
所述步骤S1中的核层纤维原料为聚己内酯、聚乳酸、聚乙丙交酯、明胶、丝素蛋白或胶原中的一种；
所述步骤S1中的溶剂为三氟乙腈或者六氟异丙醇中的一种；
步骤S1中的功能性微粒为磁性纳米颗粒、导电微粒或生长诱导因子中的一种。
2.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，壳层纤维溶液以0.05～0.5mL/min的速度推注，核层纤维溶液以0.05～0.8mL/min的速度推注。
3.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的包埋剂为聚环氧乙烷、明胶或聚乙烯醇中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的溶解液为去离子水、乙腈或者丙酮中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝的纳米短纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的离心速度为1000～6000rpm。
6.如权利要求1至5任意一项方法所制备的纳米短纤维，其特征在于，作为搭载功能性微粒的微载体。
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