CN112981720A - 一种纳米纤维基微球复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，先制备静电纺丝溶液，再采用静电纺丝技术得到纳米纤维基微球复合膜，然后将纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡，取出后自然干燥，去除多余的溶剂，再将纳米纤维基微球复合膜放置在真空干燥箱中干燥，获得纳米纤维基微球复合膜。该膜通过纳米纤维的形成能够解决微球易于团聚和力学性能差的问题，而微球的形成能够解决纳米纤维降解速度快、载药量低和药物缓释快的问题。此外，纳米纤维基微球复合膜能够仿生具有纳米级丝状交织结构的细胞外基质，利于组织修复与再生，且这种结构能够赋予复合膜良好的力学性能。

Description

一种纳米纤维基微球复合膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种纳米纤维和微球共存的复合结构膜材料的制备方法。
背景技术
纳米纤维是指直径大小在纳米尺度上，具有较大长径比的线状材料，其不仅可以作为消声、过滤等材料，还可应用在组织工程支架、医用敷料和药物载体等生物医用领域。目前，用于纳米纤维制备的常见技术是静电纺丝，其原料可分为天然高分子聚合物如丝素蛋白、纤维素、胶原蛋白和壳聚糖等，人工合成高分子聚合物如聚乙烯醇、聚己内酯和聚乳酸等。如中国发明专利申请号201910497175.0，通过静电纺丝制备应用于医用伤口敷料的壳聚糖基载药纳米纤维膜，通过将药物和纺丝液共混制备的纳米纤维实现药物持续释放的功能，但是，传统的纳米纤维比表面积大、载药量较低、降解速度和药物缓释速度较快，限制了其产业化发展。
微球是直径尺度介乎于纳米和微米范围内的一种粒子，其应用非常广泛，如电子屏幕、吸附材料和药物载体等方面。用于微球制备的材料主要有合成聚合物材料如聚乳酸、聚乙烯醇和聚苯乙烯等，天然高分子材料如丝素蛋白、壳聚糖和胶原蛋白等。如中国发明专利申请号200910243568.5所述的仿生多孔微球组织工程支架，但该专利中微球粒径范围在100～500μm，不利于细胞在其表面进行增殖和粘附；如中国发明专利申请号201710265534.0所述的抗菌复合微球，但该专利中微球力学性能欠佳，限制了其生物医用材料领域的发展，同时，传统微球制备方法如乳化沉淀法、交联法和喷雾干燥法等，不仅工艺复杂，副产物多，制备的微球均匀度难以控制且欠缺，还几乎不可避免地出现团聚现象。
因此，研发一种纳米纤维基微球复合膜非常重要。
发明内容
本发明目的是：提供一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，解决上述问题。
本发明的一种技术方案是：
提供一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备静电纺丝溶液：将1～10g平均分子量为5000～80000的聚己内酯缓慢倒入50～200mL三氯甲烷中，连续搅拌直至完全溶解，再使用超声波分散器使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在烘箱里静置脱泡，即得到质量分数为5～20％的静电纺丝溶液；
(2)静电纺丝：将所述静电纺丝溶液装入注射器中，将所述注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地，通过高压静电纺丝工艺进行纺丝，得到纳米纤维基微球复合膜；
(3)复合膜后处理：将所述纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡，取出后自然干燥，去除多余的溶剂，再将所述纳米纤维基微球复合膜放置在真空干燥箱中干燥，获得处理后的纳米纤维基微球复合膜。
进一步的，步骤(1)中所述连续搅拌的温度为20～30℃，转速为800～2000rpm，时间为3～6h。
进一步的，步骤(1)中所述超声波分散器的振幅为10～40％，分散时间为3～30min。
进一步的，步骤(1)中所述烘箱的温度为35～55℃，在所述烘箱内静置脱泡的时间为1～12h。
进一步的，步骤(2)中所述高压静电纺丝技术纺丝的纺丝电压为10～30kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为0.1～4mL/h，电场极距为10～20cm。
进一步的，步骤(3)中所述浸泡的时间为2～10h。
进一步的，步骤(3)中所述自然干燥的条件为：在环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h。
进一步的，步骤(3)中所述在真空干燥箱中干燥的条件为：在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h。
进一步的，步骤(3)中所述纳米纤维基微球复合膜的纳米纤维直径为10～300nm，微球粒径为1～30μm。
本发明提供了一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法的优点如下：与现有技术相比，本发明优点有：
(1)具有纳米纤维与微球共存的结构，纳米纤维的加入能够克服微球易于团聚和力学性能差的问题，同时，微球的加入能够解决纳米纤维降解速度快、载药量低和药物缓释快的问题；
(2)纳米纤维基微球复合膜能够仿生具有纳米级丝状交织结构的细胞外基质，有利于细胞的粘附和增殖，且这种结构能够赋予复合膜良好的力学性能；
(3)本发明制备的纳米纤维基微球复合膜具有优异的生物相容性与生物可降解性且降解产物无害，可用于组织工程支架、药物载体和敷料等；
(4)本发明采用高压单轴静电纺丝技术，无需采用如需要精确控制参数、复杂设备的同轴静电纺技术或需要繁琐的重复静电喷射过程即可“一步法”高效制备出纳米纤维和微球均匀分布的复合膜，工艺简单，有较高的经济和时间效益优势，易于产业化推广。
附图说明
图1为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜表面的扫描电镜图；
图2为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜中微球横截面的扫描电镜图；
图3为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜中的纤维直径与微球粒径的统计分析结果图；
图4为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的力学拉伸性能分析结果图；
图5为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的表面水接触角分析结果图；
图6为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的红外光谱分析结果图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，采用静电纺丝技术快速制备出一种微球与纳米纤维共存的复合膜。用于静电纺丝的溶液成分为聚己内酯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯乙烯、丝素蛋白、羊毛蛋白、壳聚糖和胶原蛋白等聚合物中的一种或多种。具体步骤如下：
(1)静电纺丝溶液的制备
将1～10g平均分子量为30000～80000的聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)按照质量分数为5～20％缓慢倒入50～200mL三氯甲烷(CHCl3)中，在20～30℃下以800～2000rpm速度连续搅拌3～6h直至完全溶解。再使用超声波分散器，以10～40％的振幅，超声分散3～30min使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在温度为35～55℃的烘箱里静置脱泡1～12h，即得到质量分数为5～20％的静电纺丝溶液(PCL溶液)备用。
(2)静电纺丝
采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维基微球复合膜；将步骤(1)中得到的PCL溶液装入注射器中，将注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地。纺丝电压为10～30kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为0.1～4mL/h，电场极距为10～20cm，即得到纳米纤维基微球复合膜。
(3)复合膜后处理
将步骤(2)中所得的纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡2～10h，取出后置于环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h，去除多余的溶剂。再将所得纤维膜放置在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h，最终得到处理后的纳米纤维直径为10～300nm，微球粒径为1～30μm的纳米纤维基微球复合膜。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施案例展示一种通过高压静电纺丝技术，“一步法”高效制备出纳米纤维和微球均匀分布的复合膜，其步骤如下：
(1)静电纺丝溶液的制备
将1～10g平均分子量为5000～50000的聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)按照质量分数为5～12％缓慢倒入50～200mL三氯甲烷(CHCl3)中，在20～30℃下以800～2000rpm速度连续搅拌3～6h直至完全溶解。再使用超声波分散器，以10～40％的振幅，超声分散3～30min使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在温度为35～55℃的烘箱里静置脱泡1～12h，即得到质量分数为5～12％的PCL溶液备用。
(2)静电纺丝
采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维基微球复合膜；将步骤(1)中得到的PCL溶液装入注射器中，将注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地。纺丝电压为10～20kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为0.1～3mL/h，电场极距为10～20cm，即得到纳米纤维基微球复合膜。
(3)复合膜后处理
将步骤(2)中所得的纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡2～10h，取出后置于环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h，去除多余的溶剂。再将所得纤维膜放置在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h，最终得到处理后的纳米纤维直径为112.73±70.89nm，微球粒径为12.09±5.01μm的纳米纤维基微球复合膜。
实施例2
本实施案例展示一种通过高压静电纺丝技术，“一步法”高效制备出纳米纤维和微球均匀分布的复合膜，其步骤如下：
(1)静电纺丝溶液的制备
将1～10g平均分子量为5000～50000的聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)按照质量分数为12～20％缓慢倒入50～200mL三氯甲烷(CHCl3)中，在20～30℃下以800～2000rpm速度连续搅拌3～6h直至完全溶解。再使用超声波分散器，以10～40％的振幅，超声分散3～30min使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在温度为35～55℃的烘箱里静置脱泡1～12h，即得到质量分数为12～20％的PCL溶液备用。
(2)静电纺丝
采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维基微球复合膜；将步骤(1)中得到的PCL溶液装入注射器中，将注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地。纺丝电压为15～30kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为2～4mL/h，电场极距为10～20cm，即得到纳米纤维基微球复合膜。
(3)复合膜后处理
将步骤(2)中所得的纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡2～10h，取出后置于环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h，去除多余的溶剂。再将所得纤维膜放置在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h，最终得到处理后的纳米纤维直径为118.29±60.98nm，微球粒径为12.49±7.59μm的纳米纤维基微球复合膜。
实施例3
本实施案例展示一种通过高压静电纺丝技术，“一步法”高效制备出纳米纤维和微球均匀分布的复合膜，其步骤如下：
(1)静电纺丝溶液的制备
将1～10g平均分子量为5000～80000的聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)按照质量分数为5～12％缓慢倒入50～200mL三氯甲烷(CHCl3)中，在20～30℃下以800～2000rpm速度连续搅拌3～6h直至完全溶解。再使用超声波分散器，以10～40％的振幅，超声分散3～30min使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在温度为35～55℃的烘箱里静置脱泡1～12h，即得到质量分数为5～12％的PCL溶液备用。
(2)静电纺丝
采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维基微球复合膜；将步骤(1)中得到的PCL溶液装入注射器中，将注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地。纺丝电压为10～20kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为0.1～2mL/h，电场极距为10～20cm，即得到纳米纤维基微球复合膜。
(3)复合膜后处理
将步骤(2)中所得的纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡2～10h，取出后置于环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h，去除多余的溶剂。再将所得纤维膜放置在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h，最终得到处理后的纳米纤维直径为122.54±88.85nm，微球粒径为11.93±4.85μm的纳米纤维基微球复合膜。
实施例4
本实施案例展示一种通过高压静电纺丝技术，“一步法”高效制备出纳米纤维和微球均匀分布的复合膜，其步骤如下：
(1)静电纺丝溶液的制备
将1～10g平均分子量为5000～80000的聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)按照质量分数为12～20％缓慢倒入50～200mL三氯甲烷(CHCl3)中，在20～30℃下以800～2000rpm速度连续搅拌3～6h直至完全溶解。再使用超声波分散器，以10～40％的振幅，超声分散3～30min使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在温度为35～55℃的烘箱里静置脱泡1～12h，即得到质量分数为12～20％的PCL溶液备用。
(2)静电纺丝
采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维基微球复合膜；将步骤(1)中得到的PCL溶液装入注射器中，将注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地。纺丝电压为15～30kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为1.5～4mL/h，电场极距为10～20cm，即得到纳米纤维基微球复合膜。
(3)复合膜后处理
将步骤(2)中所得的纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡2～10h，取出后置于环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h，去除多余的溶剂。再将所得纤维膜放置在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h，最终得到处理后的纳米纤维直径为119.88±50.12nm，微球直径为12.79±7.12μm的纳米纤维基微球复合膜。
上述实施例所制得的纳米纤维基微球复合膜的具体性质详见图1至图6。
请参阅图1，图1为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜表面的扫描电镜图。如图1所示，由于电场电压、推注速度和电场极距的不同，纺丝液滴在拉伸过程中受到的高压电场作用力和表面张力也不同，从而形成数量和比例分布不同的纳米纤维和微球复合膜。
请参阅图2，图2为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜中微球横截面的扫描电镜图。如图2所示，在一定的静电纺丝参数条件下，聚合物溶液自喷头喷出后，部分液滴被拉伸形成射流最终成为连续的纤维，而另一部分液滴在电场力的作用下分成无数小液滴，这些小液滴在空气中迅速干燥或冷却，形成表面带有微孔的微球。
请参阅图3，图3为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜中的纤维直径与微球粒径的分析结果图。如图3所示，通过调整工艺参数，能形成不同数量、不同比例和不同尺寸的纳米纤维和微球，其中纳米纤维的直径和微球的粒径分布均成正态分布，纳米纤维直径为10～300nm，微球粒径为1～30μm、中位粒径D50在11～13μm之间，且由于纳米纤维穿插在微球之间，与普通技术制备的微球相比，本发明的微球团聚概率显著下降。
请参阅图4，图4为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的力学拉伸性能分析结果图。如图4所示，实施例1-4中所制备的纳米纤维基微球复合膜均显示出较好的力学性能，且当纤维和微球的数量、比例、尺寸和分布情况不同时，复合膜所表现出的力学性能显著不同，与几乎缺乏力学性能、无法成膜的普通微球相比，纳米纤维基微球复合膜不仅具有良好的成膜性，且最大承受应变可达50～70％，最大承受应力可达0.5～1.3MPa。
请参阅图5，图5为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的表面水接触角分析结果图。如图5所示，实施例1-4中所制备的纳米纤维基微球复合膜均显示出较强的疏水性；当微球数量较多、分散越好时，疏水性稍微减弱，而当纤维数量越多、越密集时，疏水性越强。
请参阅图6，图6为本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法在实施例1～4中所制备的纳米纤维基微球复合膜的红外光谱分析结果图。如图6所示，实施例1-4中所制备的纳米纤维基微球复合膜均显示出相似的红外光谱特征峰，1168cm-1处的峰表示对称C-O-C键拉伸；1720cm-1处的峰表示羰基C＝O伸缩振动峰；2864cm-1与2942cm-1处的峰表示PCL主链C-H伸缩振动峰，充分说明通过本发明所述的制备过程不会影响聚合物内部化学结构的变化。
综上所述，本发明所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，通过纳米纤维的加入能够解决微球易于团聚和力学性能差的问题，而微球的加入能够解决纳米纤维降解速度快、载药量低和药物缓释快的问题。此外，纳米纤维基微球复合膜能够仿生具有纳米级丝状交织结构的细胞外基质，利于组织修复与再生，且这种结构能够赋予复合膜良好的力学性能。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)制备静电纺丝溶液：将1～10g平均分子量为5000～80000的聚己内酯缓慢倒入50～200mL三氯甲烷中，连续搅拌直至完全溶解，再使用超声波分散器使其均匀分散，然后在避光、密封条件下，放置在烘箱里静置脱泡，即得到质量分数为5～20％的静电纺丝溶液；
(2)静电纺丝：将所述静电纺丝溶液装入注射器中，将所述注射器与针头安装在高压静电纺丝机器上，针头端接正极，接收器端接负极并接地，通过高压静电纺丝工艺进行纺丝，得到纳米纤维基微球复合膜；
(3)复合膜后处理：将所述纳米纤维基微球复合膜放置于无水乙醇中浸泡，取出后自然干燥，去除多余的溶剂，再将所述纳米纤维基微球复合膜放置在真空干燥箱中干燥，获得处理后的纳米纤维基微球复合膜。
2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述连续搅拌的温度为20～30℃，转速为800～2000rpm，时间为3～6h。
3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述超声波分散器的振幅为10～40％，分散时间为3～30min。
4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述烘箱的温度为35～55℃，在所述烘箱内静置脱泡的时间为1～12h。
5.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述高压静电纺丝技术纺丝的纺丝电压为10～30kV，纺丝环境湿度为30～70％，纺丝环境温度为25～30℃，推注速度为0.1～4mL/h，电场极距为10～20cm。
6.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述浸泡的时间为2～10h。
7.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述自然干燥的条件为：在环境湿度为20～70％、环境温度为20～30℃的通风橱中自然干燥6～24h。
8.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述在真空干燥箱中干燥的条件为：在温度为35～55℃、真空度为-0.05～-0.2MPa的真空干燥箱中干燥6～12h。
9.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基微球复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述纳米纤维基微球复合膜的纳米纤维直径为10～300nm，微球粒径为1～30μm。
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