CN111719243B - Pgs/sf电纺膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PGS/SF电纺膜及其制备方法。本发明PGS/SF电纺膜的制备方法，包括以下步骤：将PGS预聚物与干态的SF溶于有机溶剂，得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，采用具有平面的接收装置接收微纳米级纤维，纺丝完全后进行干燥并固化，得到PGS/SF电纺膜；PGS预聚物与SF的质量比为0.1‑100:0.1‑100。本发明利用SF提高了PGS的可纺性和成纤维性，成功得到PGS/SF电纺膜，该电纺膜兼具PGS的优良弹性以及SF优异的生物学和力学性能，该电纺膜固化后仍具有良好的微纳米纤维结构，在干湿态下具有较好的力学强度，并且湿态具有较低的模量。

Description

PGS/SF电纺膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及电纺膜，尤其涉及一种PGS/SF电纺膜及其制备方法。

背景技术

生物弹性体因其模量与人体大部分软组织器官相匹配，可用于诊断、修复或替换机体软组织。

聚癸二酸甘油酯(PGS)是一种可生物降解的非线性三维网络状热固性聚酯弹性体，具有易合成、弹性、生物相容性和生物降解能力，是典型的生物弹性体。基于PGS良好的性能，主要应用于软组织替代和软组织工程，比如心肌、血管、神经、软骨、视网膜、鼓膜，另外也有用于药物转运载体、组织粘附材料的研究。丝素蛋白(SF)是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，来源丰富，具有良好的生物相容性，体内降解速率缓慢，较其他天然纤维有良好的力学性能。

静电纺丝操作简单、成本低廉，是一种获得超细纤维的有效途径。机体的细胞外基质是一种三维网络状结构，有直径为50-500nm的黏多糖纤维和蛋白纤维组成，静电纺丝技术制备的纤维直径满足这一范围，能最大程度地模拟体内细胞外基质，促进细胞黏附、生长与增殖，为组织再生提供了更好的环境。

虽然PGS具有很多优异的性能，但是固化交联的PGS不能熔融也不能溶解，因此PGS只能在预聚物阶段进行加工。而PGS预聚物分子量较低，不能通过静电纺丝成型，因此需找到一种成纤性良好的材料辅助其形成纤维结构。目前，人们开发了很多PGS与其他聚合物的共混静电纺丝材料，例如PGS与PLLA、PLA、PCL等合成高分子聚合物混纺成型，所制备的电纺膜存在生物活性较差、模量较高等问题。天然聚合物一般具有很好的生物活性，且鲜有报道PGS与天然高分子聚合物共混静电纺丝的研究。

CN 109876192 A公开了一种骨修复膜及其制备方法，骨修复膜包括活性层、屏障层和固定层，屏障层位于活性层与固定层之间，活性层和固定层为静电纺丝纤维膜，屏障层为浇铸膜，固定层中的静电纺丝纤维取向排列，活性层中含有活性成分，活性层和固定层的材质选自一种或多种的天然可降解材料，一种或多种合成可降解材料，或两种可降解材料的组合；天然可降解聚合物为胶原、壳聚糖、明胶、丝素蛋白和透明质酸中的至少一种；合成可降解聚合物为PLA、PLLA、PGA、PLGA、PGS和PHB中的至少一种。上述骨修复膜结构复杂，且天然可降解聚合物对PGA的可纺性的影响并不明确。CN 109295545 A公开了一种刚度可控的微纳米级取向纤维，其具有壳层和芯层，壳层利用弹性聚合物和聚氧化乙烯PEO共混液制备，芯层利用刚性聚合物和聚氧化乙烯制备。上述微纳米级取向纤维是否具有良好的成膜性，且成膜后性能如何仍未可知，且在体内使用时，由于体内环境为水环境，PEO会溶于水，造成纤维的溶解或降解。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种PGS/SF电纺膜及其制备方法，本发明利用SF提高了PGS的可纺性和成纤维性，成功得到PGS/SF电纺膜，该电纺膜兼具PGS的优良弹性以及SF优异的生物学和力学性能，该电纺膜固化后仍具有良好的微纳米纤维结构，在干湿态下具有较好的力学强度，并且湿态具有较低的模量。

本发明的第一个目的是提供一种PGS/SF电纺膜的制备方法，包括以下步骤：

将PGS预聚物与干态的SF溶于有机溶剂，得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，采用具有平面的接收装置接收微纳米级纤维，纺丝完全后进行干燥并固化，得到PGS/SF电纺膜；PGS预聚物与SF的质量比为0.1-100:0.1-100；

PGS预聚物为癸二酸和甘油的聚合物，PGS预聚物的聚合度为1-100，数均分子量M_n为300-6000，重均分子量M_w为1000-30000。

进一步地，PGS预聚物的制备方法包括以下步骤：

将等摩尔比的癸二酸和甘油在保护气氛下于120-140℃下加热至单体完全熔融并混合均匀，然后在120-140℃下反应24-48h后得到PGS预聚物。

进一步地，SF的制备方法包括以下步骤：

将蚕丝在碱性溶液中煮沸以脱除丝胶，获得SF纤维，然后将SF纤维在溴化锂中处理4-6h，再将得到的溶液透析3天以除去溴化锂，离心并干燥后得到SF。

进一步地，透析过程中，截留分子量为3500Da。采用该截留分子量，本发明制备的PGS/SF电纺膜中，SF的分子量为3500Da以上。

进一步地，PGS预聚物与SF的质量之和占纺丝液的质量比(即纺丝液的浓度)为6％-16％。优选地，PGS预聚物与SF的质量之和占纺丝液的质量比为8％-10％，更优选为9％。纺丝液的浓度过低则不能形成纤维，纺丝液的浓度过高则溶液粘度过大造成聚合物溶液在针头聚集导致纺丝困难。

进一步地，有机溶剂选自六氟异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、甲醇、甲酸、乙酸、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮中一种或两种以上组合。优选为六氟异丙醇。由于SF在六氟异丙醇溶解较慢，常温下PGS和SF在六氟异丙醇中的溶解时间需要2-3天，加热搅拌可加快其溶解速度。

进一步地，静电纺丝的电压为12-15kV，接收距离为12-15cm，纺丝液流速为1-2mL/h，静电纺丝在湿度为30-60％条件下进行。

优选地，静电纺丝时，根据每次静电纺丝所需纺丝液的质量，在注射泵上安装合适大小的注射器，用于电纺溶液进样，用18S铁氟龙套管将连有18G针头的注射器和21G针头连接，将高压静电发生器一端的导电线与21G针头连接以形成高压电场，接收装置为覆盖有铝箔的方形板。

进一步地，接收装置表面覆盖有铝箔。

进一步地，纺丝完全后将纺好后的电纺膜置于通风橱过夜，取出后置于真空干燥箱以一定时间和一定温度固化，得到不同条件固化的PGS/SF膜。

进一步地，固化温度为120-140℃，固化时间为24h以下。不同的固化温度会影响微纳米级纤维的固化速率和固化程度，导致微纳米级纤维内部的结晶结构不一样，最终影响所制备的PGS/SF电纺膜的综合性能。

进一步地，PGS预聚物与SF的质量比为3-7:3-7。优选地，PGS预聚物与SF的质量比为7:3、1:1、3:7。当PGS预聚物的含量过高时，溶液粘度过大，难以进行静电纺丝，或者即使可以勉强进行静电纺丝，但是其在接收装置接收后，静电纺丝纤维会发生严重的黏连，难以得到具有微纳米级纤维的电纺膜。当PGS预聚物的含量过低时，电纺膜的弹性和力学性能较差，影响其实际应用。

进一步地，微纳米级纤维的直径为1.5μm以下。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的PGS/SF电纺膜，其包括若干微纳米级纤维，微纳米级纤维包括PGS预聚物与SF。

PGS/SF电纺膜中，PGS预聚物与SF的质量比为0.1-100:0.1-100，PGS预聚物为癸二酸和甘油的聚合物，PGS预聚物的聚合度为1-100，数均分子量M_n为300-6000，重均分子量M_w为1000-30000，微纳米级纤维的直径为1.5μm以下。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

(1)鉴于PGS预聚物不能单独通过静电纺丝喷射形成纤维，本发明通过混入成纤性良好的SF，成功地制备了PGS/SF电纺膜。且SF是一种天然高分子纤维蛋白，能有助于提高该电纺膜的生物活性。

(2)本发明的PGS/SF电纺膜具有较好的微纳米纤维结构，能较大程度地模拟细胞外基质的三维网络状结构，促进细胞的粘附与增殖。

(3)本发明的PGS/SF电纺膜在干湿态下具有较好力学强度，并且湿态下具有较低的模量，呈现一定的弹性特征，在软组织工程具有较大的应用潜力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1为不同纺丝液浓度的制备的PGS/SF电纺膜的SEM表征结果；

图2为相同浓度下不同质量比的PGS/SF电纺膜的SEM表征结果；

图3为120℃分别干燥固化时间6h、12h、18h、24h的PGS/SF电纺膜的SEM测试图；

图4为不同固化时间的PGS/SF电纺膜FTIR-ATR光谱图；

图5为不同PGS/SF质量比下制备的PGS/SF电纺膜的应力-应变曲线；

图6为不同PGS/SF质量比下制备的PGS/SF电纺膜的FTIR-ATR光谱图；

图7为不同样品降解5周时间过程中质量的变化情况；

图8为不同样品降解5周后的SEM表征结果；

图9为不同电纺膜培养1-7天人脐静脉内皮细胞激光共聚焦图；

图10为不同电纺膜培养1-7天人脐静脉内皮细胞增殖MTT图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

(1)PGS预聚物的合成：取0.1mol癸二酸和0.1mol甘油加入到250mL三颈烧瓶中，置于磁力搅拌器搅拌加热反应，常温下通入氮气，油浴加热，125℃搅拌加热反应4h后使单体完全熔融并混合均匀。在氮气氛围下维持温度继续反应48h，得到PGS预聚物。冷却至室温呈白色蜡状固体，4-8℃保存备用。

PGS合成路线如下所示，其中n＝6-50：

(2)SF膜的制备：称取21.2g无水碳酸钠溶于10L已加热沸腾的去离子水中，然后将25g家蚕生丝在100℃沸腾条件下脱胶30min，待脱胶完全后取出用去离子水重复洗涤五次，去除残余丝胶。丝扯松后置于60℃的烘箱中烘干得到纯SF纤维。从烘箱中取出SF纤维，并将其以浴比2.7：10溶于9.3M溴化锂溶液中，将烧杯封口继续于60℃的烘箱中溶解4-5h。冷却至室温后装入透析袋(截留分子量3500Da)中密封，用去离子水透析去除溴化锂，透析时间为3天。透析后的SF溶液经高速离心机在9000r/min的转速下离心20min得到SF溶液。将得到的SF溶液常温下成膜，以除去SF溶液中的溶剂。

(3)用精密天平分别称取质量比为1:1的PGS和干燥后的SF，将二者溶于六氟异丙醇(HFIP)中，35℃环境下磁力搅拌1-2天，使其充分混合均匀，直至纺丝液中无可见颗粒状，平行进行多组实验，使得溶质的质量(PGS和干燥后的SF质量之和)分别占纺丝液总重的16％、14％、12％、10％、9％、8％、7％、6％。根据每次静电纺丝所需纺丝液的质量，在注射泵上安装合适大小的注射器，用于电纺溶液进样，用18S(Φ1.07(内径)×1.87(外径)mm，S型)铁氟龙套管将连有18G(Φ0.84×1.27mm)针头的注射器和21G(Φ0.51×0.82mm)针头连接，将高压静电发生器一端的导电线与21G(Φ0.51×0.82mm)针头连接以形成高压电场，接收装置为覆盖有铝箔的方形板。本实验中采用的电压为12.5-15kV，接收距离为12cm，流速为2mL/h。

(4)将纺好后的静电纺丝膜置于通风橱过夜，取出后置于真空干燥箱60℃干燥处理，得到不同的PGS/SF电纺膜。

图1为不同纺丝液浓度制备的PGS/SF电纺膜的SEM表征结果。纺丝液的浓度对静电纺丝时纺丝状态和纤维形貌影响较大，当纺丝液浓度为16％(图1中的a)、14％(图1中的b)、12％(图1中的c)时，随着纺丝液浓度增加溶液粘度增加，纺丝液容易集聚在针头，纺丝困难，电纺材料容易出现大片纤维呈杂乱粘连状态，电纺纤维粗细不匀，且纤维直径普遍较粗，纤维直径不具备统计学意义。当纺丝液浓度为10％时，纺丝液较容易堵塞针头，但并未出现纤维的大片粘连，纤维粗细较为均匀，纤维平均直径为0.838μm(图1中的d)。当纺丝液浓度为9％时，纺丝过程喷丝顺畅，针头没有堵塞，纤维成型较好且粗细均匀，纤维平均直径为0.781μm(图1中的e)。纺丝液浓度为8％时，偶尔有液滴喷出，影响纤维形貌，纤维平均直径约为0.776μm(图1中的f)。当继续降低纺丝液浓度为7％时发现，纺丝液基本呈液滴状喷出，纤维成型较差(图1中的g)。

实施例2

按照实施例1的方法制备PGS/SF电纺膜，不同之处在于，在步骤(3)中，纺丝液浓度为9％，PGS和SF的质量比为70/30、50/50、30/70、0/100，静电纺丝参数同实施例1。当溶PGS含量超过70％时，纺丝液浓度较低不易通过静电纺丝成型，所以选择PGS含量最高为70％。

相同浓度下不同质量比的PGS/SF电纺膜的SEM如图2所示。各质量比例的PGS/SF电纺材料均由随机分布的纤维组成，纯SF电纺膜的纤维直径最大，其平均直径为1.998μm(图2中的d1、d2)，当PGS/SF比例为70/30时，纤维平均直径为0.597μm(图2中的a1、a2)，当PGS/SF比例为50/50时，纤维直径为0.781μm(图2中的b1、b2)，当PGS/SF比例为30/70时，纤维直径为1.093μm(图2中的c1、c2)。从图中可看出，随PGS/SF电纺膜中PGS的增加，纤维直径有减小的趋势，这可能是PGS的加入降低了纺丝液的表面张力，纤维在拉伸过程中更易受到电场力的作用使得拉伸作用增强。PGS预聚物在常温下为可流动的粘稠液体，随着PGS增加，电纺膜材料中易出现部分纤维粘连的状态。但总体可以看到PGS/SF电纺膜在微观上具有很好的微纳米结构，能从结构上很好的模拟天然细胞外基质的结构。

实施例3

为考察固化时间对PGS/SF电纺膜的影响，按照实施例1的方法制备PGS/SF电纺膜，不同之处在于，在步骤(3)中，纺丝液浓度为9％，PGS和SF的质量比为50/50；在步骤(4)中，将电纺膜在真空干燥箱120℃分别干燥固化时间6h、12h、18h、24h。

如图3所示，图3中的a-d分别为120℃分别干燥固化时间6h、12h、18h、24h的PGS/SF电纺膜的SEM测试图。随着固化时间延长，PGS熔融，电纺膜中出现部分纤维粘连的现象，固化24h时PGS熔融现象显著，但纤维形貌清晰。

不同固化时间的PGS/SF电纺膜FTIR-ATR光谱如图4所示。在固化时间为0、6、12、18、24h时PGS/SF电纺膜都显示存在1735cm cm^-1处酯基的振动收缩峰，1167cm cm^-1为酯的C-O-C不对称伸缩振动峰。在1621cm cm^-1、1514cm cm^-1、1232cm cm^-1处显示了丝素蛋白的酰胺I、II和Ⅲ的特征吸收峰。经不同固化条件即固化温度120℃、固化时间0-24h后的PGS/SF电纺膜在红外光谱图上没有显示结构的差异，表明在较为温和的固化条件下，PGS固化率较低，且本发明的固化条件没有对丝素的二级结构产生影响。

实施例4

为考察不同质量比的PGS/SF对固化后PGS/SF电纺膜的影响，按照实施例2的方法制备PGS/SF电纺膜，不同之处在于，在步骤(4)中，将电纺膜在真空干燥箱120℃干燥固化24h。

图5为不同PGS/SF质量比下制备的PGS/SF电纺膜的应力-应变曲线。图5中，a为PGS/SF＝0/100的膜材料，b为PGS/SF＝70/30的膜材料，c为PGS/SF＝50/50的膜材料，d为PGS/SF＝30/70的膜材料。a-d为干态下的电纺膜，a'-d'为湿态下PGS/SF电纺膜。结果表明，干态下各质量比例的PGS/SF电纺膜呈现一定的脆性，丝素膜断裂强度相比下较低，PGS/SF比例为50/50、30/70时的断裂强度较高，随着受力作用增加，纤维缠结加剧，PGS的加入使得共混膜的强度和断裂伸长都有所提高。干湿态下的各质量比例的PGS/SF电纺膜存在明显的差异，湿态下的PGS/SF电纺膜强度较低，断裂伸长率较干态要高一些，初始模量较低，呈现弹性特征。丝素膜湿强较低，有类似纸的性质。随着PGS比例增加，PGS/SF膜初始模量减小，断裂强度增加，PGS/SF(70/30)膜的最大断裂强度可达到1.4MPa，断裂伸长可达到80％。

图6为不同PGS/SF质量比下制备的PGS/SF电纺膜的FTIR-ATR光谱图。PGS预聚物、各质量比例的PGS/SF电纺膜在1744cm^-1、1165cm^-1、1650cm^-1、1622cm^-1、1515cm^-1、1223cm^-1处有明显得的特征吸收峰。1744cm^-1处属于酯羰基的C＝O伸缩振动峰，1165cm^-1为酯的C-O-C不对称伸缩振动峰，3458cm^-1处的宽峰为缔合羟基的伸缩振动峰。酯基的存在代表PGS预聚物的合成，在PGS/SF电纺膜中成功引入PGS预聚物。在1622cm^-1、1515cm^-1、1223cm^-1处的吸收峰分别为丝素蛋白的酰胺I、酰胺II和酰胺Ⅲ的特征吸收带，酰胺兼有胺和羰基化合物的特点，酰胺基I主要是蛋白质酰胺基中C＝O的伸缩振动，酰胺基Ⅱ主要是酰胺基化合物中N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动，酰胺基Ⅲ有和酰胺基化合物相连的C-N伸缩振动也有N-H平面弯曲振动。值得注意的是PGS/SF电纺膜中1622cm^-1处也为酰胺I的特征吸收带，膜中的酰胺I吸收带向低波数移动，丝素结构由无规卷曲向silkⅡ转变，Silk II结构比无规卷曲结构更稳定。观察各质量比例的PGS/SF电纺膜的红外光谱，发现共混膜保留有PGS和SF两组分的特征峰而没有发现新的特征吸收峰，峰强随着两组分所占比例的增加或减少而变化。随着PGS比例的增加，1744cm^-1、1165cm^-1处的特征吸收带的峰值增加；随着SF比例的增加，酰胺吸收带的峰值也随之增加。

实施例5

将实施例4制备的PGS/SF电纺膜进行降解实验，PLCL电纺材料为对照样，将样品剪成长度约1mm后置于96孔板中，每孔加入约300μL PBS缓冲液(pH＝7.4)，将96孔板置于温度为37℃的恒温震荡水浴锅中持续摇晃模拟体内动态环境观察一个月。每周更换新鲜的PBS缓冲液。

各组样品降解5周时间过程中质量的变化情况如图7所示。纯SF膜经过5周的降解时间后，失重率仅为5％左右，且在4周前几乎不降解，SF在体外具有较为稳定的降解性质。不同质量比例的PGS/SF电纺膜的降解行为有所差异，且PGS比例的增加，会使样品的降解速率增加，失重率也明显增加。PGS/SF(70/30)电纺材料在降解时间为五周时，失重率达到19％，这也与其pH值在第5周大幅度降低保持一致。PGS/SF(50/50)电纺材料在第4周时具有较快的降解速率，在5周内的失重率与PGS/SF(70/30)电纺材料大体一致。PGS/SF(30/70)电纺材料在4周内具有较为稳定的降解行为，在5周内的失重率为10％左右。SF的加入使得PGS/SF电纺膜中PGS的降解速率减慢，合成材料和天然材料的复合有利于保持样品的质量，减缓样品过快降解。PLCL支架在5周内的失重率为4％左右，具有较为缓慢的降解速率。

各组样品降解5周的形貌如图8所示，图8中的a-e依次为纯SF电纺膜、纯PLCL电纺膜、PGS/SF(70/30)电纺膜、PGS/SF(50/50)电纺膜、PGS/SF(30/70)电纺膜的SEM测试结果。从图中可以看出，降解5周后，SF和PLCL电纺材料的直径和形貌没有发生明显变化，PGS/SF电纺材料表面出现纤维粘连现象，这可能是由于纤维发生了轻微的水解现象，且随着PGS比例的增加，粘连现象明显，但还未出现纤维断裂的现象。

实施例6

将实施例4制备的PGS/SF电纺膜进行体外细胞相容性评价。不同质量比例的PGS/SF电纺膜和PLCL电纺膜上培养HUVECs细胞的结果如图9所示。

细胞接种第二天，细胞较为均匀分散在各组材料表面，细胞呈纺锤形沿着纤维生长。到第四天时，细胞在各组支架上的增殖明显增加，仍能看到细胞沿着纤维方向生长，PGS/SF电纺材料表面细胞开始出现少量片状黏连现象，这可能是因为固化后的PGS/SF电纺材料表面PGS的熔融形成的片状区域，也可能是因为细胞增殖过快，从而引起细胞形成片状的黏附。细胞接种7天，各组材料表面开始呈现大片的细胞黏附的区域，材料表面开始出现内皮化，但是纯SF材料表面的细胞仍保持清晰的脉络，细胞之间界限分明，细胞能沿着材料表面纤维的次序而有序生长，这可能是因为纯SF具有较高的孔隙率引起的。

通过MTT对HUVEC在材料表面的生长进行定量分析。如图10所示，不同质量比的PGS/SF电纺材料和PLCL电纺材料表面的细胞随着培养天数的增加呈现明显增加的趋势，各组样品上的细胞增长并没有明显优劣之分，但略低于空白培养板上的细胞的生长情况。证明各组样品均具有良好的细胞相容性，能很好地支持HUVEC的铺展、增殖。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PGS/SF电纺膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将PGS预聚物与SF溶于有机溶剂，得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，采用具有平面的接收装置接收微纳米级纤维，纺丝完全后进行干燥并固化，得到所述PGS/SF电纺膜；

所述PGS预聚物为癸二酸和甘油的聚合物，所述PGS预聚物的聚合度为1-100；

PGS预聚物与SF的质量之和占所述纺丝液的质量比为8％-10％；

所述PGS预聚物与SF的质量比为3-7:3-7。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PGS预聚物的制备方法包括以下步骤：

将等摩尔比的癸二酸和甘油在保护气氛下于120-140℃下熔融并进行反应，反应24-48h后得到所述PGS预聚物。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，静电纺丝的电压为12-15kV，接收距离为12-15cm，纺丝液流速为1-2mL/h，静电纺丝在湿度为30-60％条件下进行。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，固化温度为120-140℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微纳米级纤维的直径为1.5μm以下。

6.一种权利要求1-5中任一项所述的制备方法所制备的PGS/SF电纺膜，其特征在于：包括若干微纳米级纤维，所述微纳米级纤维包括PGS预聚物与SF。

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