CN111235886A - 壳聚糖基复合纤维的制备方法以及组织工程支架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种壳聚糖基复合纤维的制备方法，包括将壳聚糖纤维浸没于负载浸泡液和质子化浸泡液中以进行负载处理和质子化处理。通过对所述负载浸泡液中的透明质酸钠的含量控制、对所述质子化浸泡液中的质子酸和有机溶剂进行的含量控制，以及对所述负载处理和所述质子化处理的温度和时长进行控制，保留了所述壳聚糖纤维的绝大部分结构作为所述壳聚糖基复合纤维的内芯，以满足应用需求的强度。形成于所述壳聚糖纤维表面的所述氨基多糖类物质能够进一步提高吸液性能和细胞的黏附性能，有利于细胞增殖。本发明还提供了通过所述制备方法得到的壳聚糖基复合纤维制成的组织工程支架。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其涉及壳聚糖基复合纤维的制备方法和组织工程支架。
背景技术
从组织中分离出来的种子细胞在体外进行培养扩增后与生物材料支架按一定的比例混合，以使细胞黏附在生物材料支架上。将黏附有细胞的生物材料支架组织或器官的病损部位，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，最终能够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。
壳聚糖是自然界中唯一带有正电荷的生物多糖，具有止血、广谱抑菌等独特的性能。但是，壳聚糖属于低毒物质，容易引起慢性炎症、脾脏持续增大等副作用。而且壳聚糖本身不溶于水，限制了壳聚糖的应用范围。
因此，有必要开发一种新型的壳聚糖基复合纤维的制备方法以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供壳聚糖基复合纤维的制备方法以及通过所述制备方法得到的壳聚糖基复合纤维制成的组织工程支架，以提供良好的吸液性能并有利于细胞增殖。
为实现上述目的，本发明的所述壳聚糖基复合纤维的制备方法包括将所述壳聚糖纤维依次浸没于负载浸泡液和质子化浸泡液中以进行负载处理和质子化处理，然后对经所述质子化处理后得到的纤维进行常压干燥或真空干燥，得到所述壳聚糖基复合纤维；所述负载浸泡液为透明质酸钠水溶液，所述透明质酸钠水溶液的质量浓度为0.1-20％，所述负载处理的温度为0-30摄氏度，时长为1分钟-10小时；所述质子化浸泡液由所述质子酸和所述有机溶剂组成，所述质子酸的质量占所述质子化浸泡液质量的百分比为0.1-50％，所述质子化处理的温度为-10–30摄氏度，时长为1分钟-12小时。
本发明的组织工程支架通过所述制备方法得到的壳聚糖基复合纤维制成。
本发明的所述壳聚糖基复合纤维的制备方法以及所述组织工程支架的有益效果在于：通过对所述负载浸泡液中的透明质酸钠的含量控制、对所述质子化浸泡液中的质子酸和有机溶剂进行的含量控制，以及对所述负载处理和所述质子化处理的温度和时长进行控制，保留了所述壳聚糖纤维的绝大部分结构作为所述壳聚糖基复合纤维的内芯，以满足应用需求的强度。另一方面使得形成于所述壳聚糖纤维外表面的所述氨基多糖类物质能够进一步提高吸液性能和细胞的黏附性能，有利于细胞增殖。
优选的，所述壳聚糖纤维的平均直径为50纳米-2毫米。
优选的，所述壳聚糖纤维由粘均分子量为1万-500万的壳聚糖形成。
优选的，所述透明质酸钠的粘均分子量为1千-500万。
优选的，所述质子酸为硫酸、盐酸、甲酸和乙酸中的任意一种。
优选的，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯和正己烷中的任意一种。
优选的，所述壳聚糖基复合纤维主要由壳聚糖纤维以及形成于所述壳聚糖纤维表面的氨基多糖类物质组成。
进一步优选的，所述氨基多糖类物质占所述壳聚糖基复合纤维的质量百分比为1-95％，余量为所述壳聚糖纤维。
进一步优选的，所述氨基多糖类物质包括由透明质酸钠和壳聚糖纤维通过酰化反应得到的产物。
附图说明
图1a为本发明的平均直径为15微米的壳聚糖纤维的扫描电镜照片；
图1b为本发明的使用图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的壳聚糖基复合纤维的扫描电镜照片；
图2a为本发明的以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的对比织物经48小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片；
图2b为本发明的以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的组织工程支架经48小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片；
图2c为本发明的以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的对比织物经72小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片。
图3a为本发明的以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的组织工程支架在琼脂扩散平板中的抑菌情况照片；
图3b为移出图3a中的组织工程支架后形成于琼脂扩散平板中的抑菌区域的照片。
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，下面将结合附图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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
具体实施方式中的主要试剂来源如下：
壳聚糖纤维来源于上海赛立维生物科技有限公司。透明质酸钠来源于华熙福瑞达生物医药有限公司，产品代码为HA-E1；硫酸、盐酸水溶液、甲酸、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯和正己烷均来源于国药集团化学试剂有限公司，货号分别为10021608、10011018、40023774、10000418、40064360、10009418和80068662；4',6-二脒基-2-苯基吲哚来源于北京索莱宝科技有限公司，货号为D8200；乙酸来源于阿法埃莎(中国)化学有限公司，货号为10994；蛋白酶K溶液、细胞计数试剂-8和磷酸盐缓冲液均来源于上海碧云天生物技术有限公司，货号分别为ST535、C0037和ST476；乙醇来源于上海泰坦科技股份有限公司。
具体实施方式中的主要仪器来源如下：
24孔板产自耐思科学有限公司(NEST Science Co.Ltd)；二氧化碳培养箱购自新加坡艺思高科技有限公司(ESCO)，产品型号为CLL-170B-8；细胞倒置显微镜购自株式会社尼康(Nikon)，产品型号为Ta2-FL；酶标仪购自赛默飞世尔科技公司(Thermo)，产品型号为SLW-SH-010-MBY。扫描电镜购自日本电子，产品型号为JSM-5600LV。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种壳聚糖基复合纤维、所述壳聚糖基复合纤维的制备方法以及由所述壳聚糖基复合纤维形成的组织工程支架。
本发明实施例的所述壳聚糖基复合纤维由壳聚糖纤维以及形成于所述壳聚糖纤维表面的壳层物质组成，所述壳层物质主要为氨基多糖类物质，所述氨基多糖类物质包括由透明质酸钠和壳聚糖纤维通过酰化反应得到的产物。
本发明一些实施例中，所述壳聚糖基复合纤维的平均直径为50纳米-2毫米。
所述壳聚糖基复合纤维的制备方法包括将壳聚糖纤维依次浸没于负载浸泡液和质子化浸泡液中以进行负载处理和质子化处理，然后对经所述质子化处理后得到的纤维进行常压干燥或真空干燥，得到所述壳聚糖基复合纤维。
所述负载处理具体为将所述壳聚糖纤维浸没于一定温度的所述负载浸泡液中静置。所述质子化处理具体为将经所述负载处理得到的湿态纤维晾至无明显液态滴落的状态后，浸没于一定温度下的所述质子化浸泡液中进行静置。
本发明一些实施例中，所述壳聚糖纤维的平均直径D1为50纳米-2毫米，所述壳聚糖纤维中的壳聚糖的粘均分子量M1为1万-500万。
本发明一些实施例中，M1为5万-500万。
具体的，本发明的实施例1-5中，D1和M1的具体值请参见表1。
表1
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| D1/微米 | 15 | 2000 | 0.05 | 500 | 0.5 |
| M1/万 | 100 | 500 | 5 | 200 | 20 |
本发明实施例中，所述负载浸泡液为透明质酸钠水溶液。所述透明质酸钠的质量百分比W1，即所述透明质酸钠的质量占所述透明质酸钠水溶液的百分比为0.1-20％。
本发明一些实施例中，所述透明质酸钠的粘均分子量M2为1千-500万。
本发明一些实施例中，M2为1万-500万。
具体的，本发明的实施例1-5中，W1和M2请参见表2。
表2
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| W1/％ | 2 | 0.1 | 8 | 15 | 20 |
| M2/万 | 150 | 500 | 20 | 1 | 0.1 |
本发明实施例中，所述质子化浸泡液由质子酸和有机溶剂组成。所述质子酸的质量百分比W3，即所述质子酸占所述质子化浸泡液的质量百分比为0.1-50％。
本发明一些实施例中，所述质子酸为硫酸、盐酸、甲酸和乙酸中的任意一种。
本发明一些实施例中，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯和正己烷中的任意一种。
具体的，本发明的实施例1-5中，W3以及质子酸和有机溶剂的具体种类请参见表3。
表3
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| W3/％ | 1 | 50 | 0.1 | 5 | 10 |
| 质子酸 | 硫酸 | 乙酸 | 盐酸 | 盐酸 | 甲酸 |
| 有机溶剂 | 乙醇 | 丙酮 | 异丙醇 | 乙酸乙酯 | 正己烷 |
本发明一些实施例中，依次通过所述负载处理和所述质子化处理使至少部分的所述透明质酸钠与所述壳聚糖纤维的表面发生酰化反应，使生成的产物负载于所述壳聚糖纤维的表面。
具体的，所述负载处理的温度T1为0-30摄氏度，所述负载处理的时长t1为1分钟-10小时。所述质子化处理的温度T2为-10–30摄氏度，所述质子化处理的时长t2为1分钟-12小时。
具体的，本发明的实施例1-5中，T1、T2、t1和t2的具体值请参见表4。
表4
本发明一些实施例中，所述干燥处理的方式为常压干燥或真空干燥中的任意一种。所述干燥处理的温度T3为-80–25摄氏度，所述干燥处理的时长控制在能够使所述壳聚糖基复合纤维的质量不发生明显变化为宜。
具体的，本发明的实施例1-5中，T3以及所述干燥处理的方式请参见表5。
表5
本发明一些实施例的所述壳聚糖基复合纤维中，所述氨基多糖类物质占所述壳聚糖基复合纤维的质量百分比W4为1-95％，余量为所述壳聚糖纤维。
氨基多糖类物质含量的具体测定方法为：将壳聚糖基复合纤维放入质量浓度为1％乙酸水溶液，充分搅拌以溶解壳聚糖基复合纤维中的可溶成分，然后对形成的混合液进行过滤，得到的不溶物即为氨基多糖，对不溶物进行干燥并称量，以计算氨基多糖类物质的含量。
具体的，本发明的实施例1-5中，所述壳聚糖纤维的平均直径D3和W4请参见表6。
表6
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| D3/微米 | 15 | 2000 | 0.05 | 500 | 0.5 |
| W4/％ | 18 | 30 | 1 | 55 | 95 |
本发明实施例以所述壳聚糖基复合纤维为原料制备了所述组织工程支架。
本发明一些实施例中，所述组织工程支架为水刺无纺布或针刺无纺布中的任意一种。所述水刺无纺布或针刺无纺布的织造方法为现有技术的常规技术手段，在此不做赘述。
具体的，本发明的实施例1-5中的组织工程支架的克重以及织物类型请参见表7。
表7
本发明实施例将用于制备实施例1-5中的每种壳聚糖基复合纤维的壳聚糖纤维分别作为实施例1-5的对比壳聚糖纤维，并分别形成了与表7中对应的织物类型和克重一致的5种对比织物。
图1a为本发明实施例1的平均直径为15微米的壳聚糖纤维的扫描电镜照片。图1b为使用图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的实施例1的壳聚糖基复合纤维的扫描电镜照片。
图1a所示的壳聚糖纤维具有较光滑的表面，图1b所示的壳聚糖基复合纤维表面的形貌与壳聚糖纤维相比差别不显著，认为在所述负载处理和所述质子化处理的过程中，透明质酸作用于壳聚糖纤维的表面，在壳聚糖纤维的表面形成了均匀分布的氨基多糖类物质。
作为本领域公知常识的是，壳聚糖本身仅能够在酸性条件下溶胀直至溶解，壳聚糖纤维中的氨基NH2结合质子，形成NH3 +，能够改善壳聚糖纤维的吸液性能，以吸收创面的组织渗出液。但如果壳聚糖纤维中的全部氨基均发生了质子化，随着对组织渗出液的吸收，完全质子化的壳聚糖纤维会不断溶胀，导致由完全质子化的壳聚糖纤维形成的组织修复敷料的强度降低，甚至会发生结构崩解。
具体的，作为本领域公知常识的是，壳聚糖是天然阳离子聚合物，透明质酸具有高负电荷性质，因此将壳聚糖纤维浸没于具有羊膜粉的透明质酸钠水溶液以进行所述负载处理，以及在所述负载处理后进行所述质子化处理并控制质子化浸泡液中的质子酸的浓度和种类，以及控制质子化处理的时间，能够使具有高负电荷性质的透明质酸能够通过静电作用附着于壳聚糖纤维的表面。另外，透明质酸钠能够并与壳聚糖纤维的表面进行酰化反应，使至少部分的透明质酸和壳聚糖之间通过酰胺键结合，加强了所述壳层物质与壳聚糖的结合力，并保留了壳聚糖纤维的纤维状结构以满足应用需求的强度，形成于所述壳聚糖纤维外表面的所述氨基多糖类物质也能够有效吸收组织渗出液，有利于提高细胞的黏附性能和增殖。
对所述酰化反应的原理分析请参见2009年发表于生物医用材料(BiomedicalMaterials)第4期的“A study on the performance ofhyaluronic acid immobilizedchitosan film”以及2019年发表于石河子大学学报第37卷第4期的“透明质酸壳聚糖复合凝聚体的流变性能研究”，在此不做赘述。
本发明实施例以实施例1-5的组织工程支架以及分别与实施例1-5的每种组织工程支架对应的对比织物形成若干直径为1cm的圆片状待测样品，然后依次进行细胞培养和4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole，DAPI)染色，最后使用细胞倒置显微镜进行拍照，以考察细胞增殖性能。所述DAPI染色的具体过程为本领域技术人员的常规技术手段，在此不做赘述。
所述细胞培养的具体过程为：对若干所述圆片状待测样品进行灭菌处理后依次放入细胞培养板的每个培养孔，将细胞悬液滴入每个培养孔，使细胞的接种密度为5×104个/孔，然后进行48小时的细胞培养。所述细胞为间充质干细胞。
图2a为以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的实施例1的对比织物经48小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片。图2b为以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的实施例1的组织工程支架经48小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片。图2c为以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的实施例1的对比织物经72小时的细胞培养和DAPI染色后的荧光光学照片。
由于DAPI是可以透过完整的细胞膜与DNA强力结合的荧光染料，活细胞经DAPI染色后能够被紫外线照亮并被蓝色或青色的滤镜检出，形成如图2a的黑色箭头所指示的亮区域。亮区域的数目越多，覆盖的范围越大，证明活细胞的数目越多，可见经48小时的细胞培养后，图2b所示的组织工程支架负载的活细胞数目明显多于图2a所示的对比织物所负载的活细胞数目，也多于经72小时的细胞培养后图2a所示的对比织物所负载的活细胞数目，因此，在壳聚糖纤维上负载氨基多糖类物质有利于细胞的增殖。
其他实施例的对比织物和组织工程支架的荧光光学照片中活细胞数目的变化趋势与实施例1的对比织物和组织工程支架的荧光光学照片中活细胞数目的变化趋势一致，在此不做赘述。
为了进一步比较不同织物对细胞增殖性能的影响，本发明实施例对细胞增殖性能进行了量化表征，具体为：对若干所述圆片状待测样品进行灭菌处理后依次放入24孔细胞培养板的每个培养孔，将细胞悬液滴入每个培养孔，使细胞的接种密度为5×104个/孔，然后进行不同时间的细胞培养，；细胞培养结束后，去除每个培养孔中的上清液，用磷酸盐缓冲液润洗每个培养孔中的细胞，然后向每个培养孔中加入200微升的细胞计数试剂-8(CellCounting Kit-8，CCK-8)后置于二氧化碳培养箱中进行1.5小时的孵育，孵育温度为37摄氏度，二氧化碳培养箱控制为饱和湿度，二氧化碳的体积浓度为5％。所述孵育结束后，从每个培养孔取100微升悬液，使用酶标仪分别在450nm及620nm处读取吸光度A1和吸光度A2，A1与A2的差值记录为相对吸光度AR。
表8记录了分别经48小时以及72小时的细胞培养后，实施例1的组织工程支架以及对应的对比织物的相对吸光度。
表8
CCK-8是基于水溶性四唑盐的一种应用于细胞增殖检测的试剂，可以被线粒体内的脱氢酶还原为高度水溶性的显色物质，细胞增殖越多越快，显色物质的颜色越深，则相对吸光度AR越大。参照表8，实施例1的组织工程支架对应的相对吸光度均比对比织物的相对吸光度高50％以上，可见本发明实施例的组织工程支架能够良好地促进细胞增殖，有利于创面的修复。
实施例2-5的组织工程支架对应的相对吸光度均比对应的对比织物的相对吸光度高50％以上。
本发明实施例依据GB/T 20944.1:2007纺织物-抗菌性能的评价第一部分，即琼脂扩散平板试验的测试方法，用大肠杆菌作为测试菌种考察实施例1-5的五种组织工程支架的抗菌性能。
图3a为以图1a所示的壳聚糖纤维为原料制备的实施例1的组织工程支架在琼脂扩散平板中的抑菌情况照片。图3b为移出图3a中的组织工程支架后形成于琼脂扩散平板中的抑菌区域的照片。
在37摄氏度下经过24小时的细胞培养后，图3a所示的黑色箭头所示的组织工程支架所在的区域不存在菌落，也没有形成抑菌带。图3b的黑色箭头所示的抑菌区域的面积与图3a所示的组织工程支架所在区域的面积基本相同，可见本发明实施例1的组织工程支架的抑菌率能够达到100％，具有良好的抗菌性能。
本发明实施例2-5的组织工程支架的抑菌效果与实施例1的抑菌效果相似，在此不做赘述。
本发明实施例对实施例1-5的五种组织工程支架的吸液量分别进行了测试，具体的测试方法为：将1.0克待测试样品浸没于去离子水中，在25摄氏度下浸泡1小时后取出湿样品并称重，所述湿样品与所述待测试样品的质量差占所述待测试样品质量的倍数为吸液倍数，具体的数值以及形成各组织工程支架的壳聚糖基复合纤维中的氨基多糖类物质的质量百分比W6请参见表9。相对所述待测试样品，所述湿样品发生了溶胀，但均具有完整的结构，即使手持所述湿样品的一端悬空所述湿样品也不会发生结构的破坏，可见本发明实施例的组织工程支架具有一定的强度，能满足创面修复的应用。
表9
由表9中可以看到，随组织工程支架中的氨基多糖类物质的含量增加，吸液倍数也显著增加。可见组织工程支架的吸液性能主要是氨基多糖类物质赋予的。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种壳聚糖基复合纤维的制备方法，其特征在于，包括：
将所述壳聚糖纤维依次浸没于负载浸泡液和质子化浸泡液中以进行负载处理和质子化处理，然后对经所述质子化处理后得到的纤维进行常压干燥或真空干燥，得到所述壳聚糖基复合纤维；
所述负载浸泡液为透明质酸钠水溶液，所述透明质酸钠水溶液的质量浓度为0.1-20％，所述负载处理的温度为0-30摄氏度，时长为1分钟-10小时；
所述质子化浸泡液由所述质子酸和所述有机溶剂组成，所述质子酸的质量占所述质子化浸泡液质量的百分比为0.1-50％，所述质子化处理的温度为-10–30摄氏度，时长为1分钟-12小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖纤维的平均直径为50纳米-2毫米。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖纤维由粘均分子量为1万-500万的壳聚糖形成。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透明质酸钠的粘均分子量为1千-500万。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述质子酸为硫酸、盐酸、甲酸和乙酸中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯和正己烷中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖基复合纤维主要由壳聚糖纤维以及形成于所述壳聚糖纤维表面的氨基多糖类物质组成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述氨基多糖类物质占所述壳聚糖基复合纤维的质量百分比为1-95％，余量为所述壳聚糖纤维。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述氨基多糖类物质包括由透明质酸钠和壳聚糖纤维通过酰化反应得到的产物。
10.一种组织工程支架，其特征在于，由权利要求1-9中任一项所述的制备方法得到的壳聚糖基复合纤维制成。
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Legal Events
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhu Xuejing Inventor before: Zhu Xuejing Inventor before: Yan Hexin |
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 81-82, Lane 887, Zuchongzhi Road, Pudong New Area, Shanghai, October 2012, 2F North Applicant after: Dynamic medical technology (Shanghai) Co.,Ltd. Applicant after: SHANGHAI CRYOWISE MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Room 102, building 9, No. 1206, Zhangjiang Road, China (Shanghai) pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai, 201203 Applicant before: Dynamic medical technology (Shanghai) Co.,Ltd. Applicant before: SHANGHAI CRYOWISE MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200605 |