CN111962210A - 一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于肌腱损伤修复医用材料领域,公开了一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。制备方法具体包括以下步骤:将甲基丙烯酸酐接枝到弹性蛋白上,得到甲基丙烯酰化弹性蛋白;再将聚己内酯与甲基丙烯酰化弹性蛋白均匀混合,制得纺丝原液;采用纺丝原液进行静电纺丝制得复合膜;用光引发剂溶液浸泡上述复合膜,在紫外光下进行光交联,随后经过多次洗涤、干燥,得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。本发明方法操作简单,生产成本较低,所制得的复合膜具有良好的力学性能和生物相容性,可用于肌腱组织工程及组织修复。

Description

一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于肌腱损伤修复医用材料领域,具体涉及一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。
背景技术
各种创伤及疾病导致的肌腱损伤在临床上非常常见。有统计结果表明,全球每年至少有3000万的肌腱损伤病人。与骨组织不同,肌腱愈合不能形成同源组织,恢复到未损伤的状态。相反,纤维瘢痕的形成导致肌腱应力弱于原生肌腱,由此产生的力量不足可能增加再损伤和其他并发症的风险。临床上肌腱缺损修复方法主要包括自体肌腱移植、同种异体肌腱移植、异种肌腱移植和假体材料移植等。但是这些肌腱再生重建技术均有各自的弊端,例如供体部位并发症、疾病传播、免疫排斥和修复不充分等。因此,临床上急需寻找一种性能良好且来源充足的活性修复材料用于肌腱损伤的修复。
近年来,随着组织工程的发展,组织工程化肌腱的研究取得了显著成果。合适的支架材料能为构建组织细胞提供一个三维支撑结构,有利于细胞的粘附、增殖乃至分化。静电纺丝因为能制备纳米级别的纤维而备受关注,纳米纤维能够进一步模拟细胞外基质的结构,从而促进细胞的增殖分化和组织再生。聚己内酯是构建组织工程支架最常用的人工合成材料,具有良好的力学性能,且降解速度比聚乳酸和聚羟基乙酸缓慢,适用于相对缓慢的肌腱损伤愈合过程,但其高度疏水,生物活性较差。弹性蛋白是细胞外基质中不溶性的、高度交联的大分子蛋白质,主要功能是为所在组织和器官提供抵抗反复压缩和变形的能力。近年来,弹性蛋白及其水解产物基复合材料由于其卓越的性能在组织工程上引起了国内外学者的普遍关注。
因此,本研究利用静电纺丝技术制备聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜支架。其中,聚己内酯良好的机械性能,弹性蛋白良好的生物活性和弹性,以及静电纺丝纳米纤维高比表面积和高孔隙度赋予支架肌腱修复再生与重建性能。通过研究不同聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白的质量比对支架力学性能和生物活性的影响,从而选择力学性能与生物活性兼表现优异的支架,对肌腱损伤修复具有重要的临床意义。
发明内容
为了克服现有技术中存在的单一性能的生物材料难以满足临床的要求的缺点与不足,本发明的首要目的在于提供一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法。该方法操作简单,生产成本较低,所制得的复合膜中,聚己内酯良好的机械性能,弹性蛋白良好的生物活性和弹性,以及静电纺丝纳米纤维高比表面积和高孔隙度赋予支架肌腱修复再生与重建性能。
本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。
本发明的再一目的在于提供一种上述聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将可溶性的弹性蛋白粉末加入到PBS溶液中,搅拌溶解,得到弹性蛋白溶液;将甲基丙烯酸酐滴加到上述溶液,50℃下搅拌反应2-3h,加入50℃的PBS溶液稀释弹性蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液,搅拌30min后终止反应;搅拌所得混合溶液置于透析袋中,透析、过滤、冷冻干燥,得到甲基丙烯酰化弹性蛋白;
(2)将聚己内酯(PCL)与步骤(1)所得甲基丙烯酰化弹性蛋白溶解于六氟异丙醇中,得到纺丝原液,然后通过静电纺丝制得纳米纤维复合膜,真空干燥;
(3)将光引发剂溶于乙醇溶液得到光引发剂溶液,将步骤(2)所得纳米纤维复合膜浸泡在所述光引发剂溶液中,随后置于紫外固化箱中紫外交联,紫外光引发自由基聚合得到交联后的复合膜;将所得交联后的复合膜分别用无水乙醇、去离子水洗涤,干燥后得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。
步骤(1)所述弹性蛋白溶液的质量分数为10%;所述甲基丙烯酸酐的滴加速率为0.5-1ml/min,其用量为弹性蛋白溶液体积的0.2倍;用于稀释反应液的PBS溶液的用量为弹性蛋白溶液体积的4倍;透析袋分子量为MW=500-1000,透析时间5-14天,期间每隔8h换液。
优选地,所述甲基丙烯酸酐的滴加速率为0.5ml/min;所述透析袋分子量为MW=1000,透析时间为12天。
步骤(2)所述溶解是在常温下搅拌溶解12h;所述纺丝原液中聚己内酯和甲基丙烯酰化弹性蛋白的质量浓度比为90%-50%:10%-50%;所述纺丝原液的总质量百分浓度为10wt%;所述静电纺丝是在温度25-40℃,湿度40-50%RH下进行的;所述静电纺丝条件为:注射速度1-1.5ml/h,接收距离10-15cm,正负电压分别设定10-12kV和-2.50-0kV
优选地,所述纺丝原液中聚己内酯和甲基丙烯酰化弹性蛋白的质量浓度比为90%:10%、70%:30%或50%:50%;所述静电纺丝是在温度30℃,湿度40%RH下进行的;所述静电纺丝条件为:注射速度1ml/h,接收距离12cm,正极电压11kv,负极电压-1.0kv,接收装置采用旋转式接收装置。
步骤(3)所述光引发剂为Irgacure2959或LAP等自由基光引发剂,质量浓度为10wt%;所述浸泡的时间为2-3h,紫外光强度为5-10mW/cm2,紫外交联的时间为5-10分钟,无水乙醇和去离子水分别洗涤三次。
优选地,所述光引发剂为质量浓度为10wt%的Irgacure2959;所述浸泡的时间为3h,紫外光强度为6.9mW/cm2,紫外交联的时间为10分钟。
一种由上述的制备方法制得的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜,所得聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的直径为20nm-50nm,极限应力为6.65-5.14Mpa,弹性模量为8.15-9.61Mpa,能量损耗为22.77-14.20%。
上述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜在肌腱组织工程及组织修复中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
1)本发明制得的聚己内酯(PCL)/甲基丙烯酰化弹性蛋白静电纺纳米纤维较纯PCL纳米纤维直径更小、比表面积更大、孔隙率更高,有利于组织工程修复。
2)本发明中弹性蛋白的加入,赋予了复合膜更好的力学性能,相比纯PCL纳米纤维,极限应力和弹性模量均有所提高,且达到极限抗张应力时的断裂伸长率更低,同时,复合膜的回弹性更好,这对达到肌腱修复尤其是储能肌腱修复的力学性能要求具有重要意义。
3)本发明制得的PCL/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜具有良好的生物活性,细胞在复合膜上能够更好的粘附、增殖和生长。
4)本发明通过甲基丙烯酸酐改性可溶性的弹性蛋白,从而可通过光引发剂在紫外光下引发自由基聚合进行光交联,避免了传统化学试剂交联导致的细胞毒性。
5)本发明提供的制备方法,可以通过控制聚己内酯与甲基丙烯酰化弹性蛋白的比例来调控纳米纤维复合膜的力学性能和生物学性能。
6)本发明方法操作简单,不需要复杂设备,制备条件简单,生产成本低、能耗低,易于批量化、规模化生产。
附图说明
图1为实施例1中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图。
图2为实施例2中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图。
图3为实施例3中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图。
图4为实施例1中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的应力应变曲线图。
图5为实施例2中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的应力应变曲线图。
图6为实施例3中的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取10g可溶性弹性蛋白加入到100mL的PBS溶液中,在50℃恒温水浴下搅拌至弹性蛋白完全溶解;将20ml甲基丙烯酸酐通过注射泵以0.5ml/min的速度滴加到10w/v%的弹性蛋白溶液中,然后置于50℃下搅拌反应3h;随后加入400mL 50℃的PBS溶液稀释弹性蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液,搅拌30min后终止反应;将稀释后的溶液置入MW=1000的透析袋中,在40℃去离子水中透析12天,期间每隔8h换液,以除去未反应的甲基丙烯酸酐及副产物;12天后取出,将透析好的溶液通过定性滤纸进行过滤,收集滤液;将收集的滤液预冻后冷冻干燥,得到白色松散状甲基丙烯酰化弹性蛋白;
(2)称取0.54gPCL和0.06g步骤(1)所制得的甲基丙烯酰化弹性蛋白溶于6ml六氟异丙醇中,在室温下搅拌12h得到质量分数为10%的纺丝原液;将铝箔贴在现有静电纺丝机的滚筒接收装置上,用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝原液,通过聚乙烯导管和针头相连,针头为21G针头;将注射器固定在注射泵上,并调节泵的推进速度为1.5mL/h、纺丝温度为35℃、纺丝电压为10.5KV、接收距离为12cm,静电纺丝时间为2h,使所述纺丝原液通过电场的静电作用拉伸成纳米纤维膜;将锡纸从滚筒取下,置于真空干燥箱中干燥1天;
(3)称取5g光引发剂Irgacure2959加入到50ml乙醇溶液中,磁力搅拌至完全溶解,得到质量浓度为10wt%的光引发剂溶液;将步骤(2)所制得的纳米纤维膜置于上述光引发剂溶液中浸泡3h,随后置于光强为6.9Mw/cm2的紫外固化箱中紫外交联10min,紫外光引发自由基聚合得到交联后的复合膜;将交联后的复合膜分别用无水乙醇、去离子水洗涤三次,真空干燥,得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。所得纳米纤维复合膜的平均纤维直径为50nm,极限应力为6.65Mpa,弹性模量为8.15Mpa,能量损耗为22.77%。所得聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图如图1所示,其应力应变曲线图如图4所示。
实施例2
一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取10g可溶性弹性蛋白加入到100mL的PBS溶液中,在50℃恒温水浴下搅拌至弹性蛋白完全溶解;将20ml甲基丙烯酸酐通过注射泵以0.5ml/min的速度滴加到10w/v%的弹性蛋白溶液中,然后置于50℃下搅拌反应3h;随后加入400mL 50℃的PBS溶液稀释弹性蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液,搅拌30min后终止反应;将稀释后的溶液置入MW=1000的透析袋中,在40℃去离子水中透析12天,期间每隔8h换液,以除去未反应的甲基丙烯酸酐及副产物;12天后取出,将透析好的溶液通过定性滤纸进行过滤,收集滤液;将收集的滤液预冻后冷冻干燥,得到白色松散状甲基丙烯酰化弹性蛋白;
(2)称取0.42gPCL和0.18g步骤(1)所制得的甲基丙烯酰化弹性蛋白溶于6ml六氟异丙醇中,在室温下搅拌12h得到质量分数为10%的纺丝原液;将铝箔贴在现有静电纺丝机的滚筒接收装置上,用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝原液,通过聚乙烯导管和针头相连,针头为21G针头;将注射器固定在注射泵上,并调节泵的推进速度为1mL/h、纺丝温度为35℃、纺丝电压为11KV、接收距离为12cm,静电纺丝时间为2h,使所述纺丝原液通过电场的静电作用拉伸成纳米纤维膜;将锡纸从滚筒取下,置于真空干燥箱中干燥1天;
(3)称取5g光引发剂Irgacure2959加入到50ml乙醇溶液中,磁力搅拌至完全溶解,得到质量浓度为10wt%的光引发剂溶液;将步骤(2)所制得的纳米纤维膜置于上述光引发剂溶液中浸泡3h,随后置于光强为6.9Mw/cm2的紫外固化箱中紫外交联10min,紫外光引发自由基聚合得到交联后的复合膜;将交联后的复合膜分别用无水乙醇、去离子水洗涤三次,真空干燥,得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。所得纳米纤维复合膜的平均纤维直径为32nm,极限应力为7.71Mpa,弹性模量为8.40Mpa,能量损耗为19.38%。所得聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图如图2所示,其应力应变曲线图如图5所示。
实施例3
一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取10g可溶性弹性蛋白加入到100mL的PBS溶液中,在50℃恒温水浴下搅拌至弹性蛋白完全溶解;将20ml甲基丙烯酸酐通过注射泵以0.5ml/min的速度滴加到10w/v%的弹性蛋白溶液中,然后置于50℃下搅拌反应3h;随后加入400mL 50℃的PBS溶液稀释弹性蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液,搅拌30min后终止反应;将稀释后的溶液置入MW=1000的透析袋中,在40℃去离子水中透析12天,期间每隔8h换液,以除去未反应的甲基丙烯酸酐及副产物;12天后取出,将透析好的溶液通过定性滤纸进行过滤,收集滤液;将收集的滤液预冻后冷冻干燥,得到白色松散状甲基丙烯酰化弹性蛋白;
(2)称取0.3gPCL和0.3g步骤(1)所制得的甲基丙烯酰化弹性蛋白溶于6ml六氟异丙醇中,在室温下搅拌12h得到质量分数为10%的纺丝原液;将铝箔贴在现有静电纺丝机的滚筒接收装置上,用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝原液,通过聚乙烯导管和针头相连,针头为21G针头;将注射器固定在注射泵上,并调节泵的推进速度为1mL/h、纺丝温度为35℃、纺丝电压为11.5KV、接收距离为12cm,静电纺丝时间为2h,使所述纺丝原液通过电场的静电作用拉伸成纳米纤维膜;将锡纸从滚筒取下,置于真空干燥箱中干燥1天。
(3)称取5g光引发剂Irgacure2959加入到50ml乙醇溶液中,磁力搅拌至完全溶解,得到质量浓度为10wt%的光引发剂溶液;将步骤(2)所制得的纳米纤维膜置于上述光引发剂溶液中浸泡3h,随后置于光强为6.9Mw/cm2的紫外固化箱中紫外交联10min,紫外光引发自由基聚合得到交联后的复合膜;将交联后的复合膜分别用无水乙醇、去离子水洗涤三次,真空干燥,得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。所得纳米纤维复合膜的平均纤维直径为20nm,极限应力为5.14Mpa,弹性模量为9.61Mpa,能量损耗为14.20%。所得聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的扫描电镜(SEM)图如图3所示,其应力应变曲线图如图6所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于具体包括以下步骤:
(1)将可溶性的弹性蛋白粉末加入到PBS溶液中,搅拌溶解,得到弹性蛋白溶液;将甲基丙烯酸酐滴加到上述溶液,50℃下搅拌反应2-3h,加入50℃的PBS溶液稀释弹性蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液,搅拌30min后终止反应;搅拌所得混合溶液置于透析袋中,透析、过滤、冷冻干燥,得到甲基丙烯酰化弹性蛋白;
(2)将聚己内酯与步骤(1)所得甲基丙烯酰化弹性蛋白溶解于六氟异丙醇中,得到纺丝原液,然后通过静电纺丝制得纳米纤维复合膜,真空干燥;
(3)将光引发剂溶于乙醇溶液得到光引发剂溶液,将步骤(2)所得纳米纤维复合膜浸泡在所述光引发剂溶液中,随后置于紫外固化箱中紫外交联,紫外光引发自由基聚合得到交联后的复合膜;将所得交联后的复合膜分别用无水乙醇、去离子水洗涤,干燥后得到聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜。
2.根据权利要求1所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述弹性蛋白溶液的质量分数为10%;所述甲基丙烯酸酐的滴加速率为0.5-1ml/min,其用量为弹性蛋白溶液体积的0.2倍;用于稀释反应液的PBS溶液的用量为弹性蛋白溶液体积的4倍;透析袋分子量为MW=500-1000,透析时间5-14天,期间每隔8h换液。
3.根据权利要求2所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:所述甲基丙烯酸酐的滴加速率为0.5ml/min;所述透析袋分子量为MW=1000,透析时间为12天。
4.根据权利要求1所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述溶解是在常温下搅拌溶解12h;所述纺丝原液中聚己内酯和甲基丙烯酰化弹性蛋白的质量浓度比为90%-50%:10%-50%;所述纺丝原液的总质量百分浓度为10wt%;所述静电纺丝是在温度25-40℃,湿度40-50%RH下进行的;所述静电纺丝条件为:注射速度1-1.5ml/h,接收距离10-15cm,正负电压分别设定10-12kV和-2.50-0kV。
5.根据权利要求4所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:所述纺丝原液中聚己内酯和甲基丙烯酰化弹性蛋白的质量浓度比为90%:10%、70%:30%或50%:50%;所述静电纺丝是在温度30℃,湿度40%RH下进行的;所述静电纺丝条件为:注射速度1ml/h,接收距离12cm,正极电压11kv,负极电压-1.0kv,接收装置采用旋转式接收装置。
6.根据权利要求1所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述光引发剂为Irgacure2959或LAP,质量浓度为10wt%;所述浸泡的时间为2-3h,紫外光强度为5-10mW/cm2,紫外交联的时间为5-10分钟,无水乙醇和去离子水分别洗涤三次。
7.根据权利要求6所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的制备方法,其特征在于:所述光引发剂为质量浓度为10wt%的Irgacure2959;所述浸泡的时间为3h,紫外光强度为6.9mW/cm2,紫外交联的时间为10分钟。
8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜,其特征在于:所得聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜的直径为20nm-50nm,极限应力为6.65-5.14Mpa,弹性模量为8.15-9.61Mpa,能量损耗为22.77-14.20%。
9.根据权利要求8所述的聚己内酯/甲基丙烯酰化弹性蛋白纳米纤维复合膜在肌腱组织工程及组织修复中的应用。
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