CN113174080A - 一种生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备和应用，所述支架以含生物玻璃纳米纤维膜、天然高分子聚合物的原料，直接在模具中浇筑，冷冻干燥，交联，获得。本发明改进了生物玻璃作为医学材料的使用形式，通过共轭静电纺丝制备纳米纤维，同时创新性的引入明胶水溶液体系，有助于提高生物玻璃纳米纤维多孔支架的亲水性，作为骨修复材料时有利于骨组织的修复和再生。

Description

一种生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备和应用
技术领域
本发明属于多孔支架及其制备和应用领域，特别涉及一种生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备和应用。
背景技术
生物玻璃是指能实现特定的生物、生理功能的玻璃。将生物玻璃植入人体骨缺损部位，它能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。生物玻璃已成为材料科学、生物化学以及分子生物学的交叉学科，由于生物玻璃具有生物活性等特点，在组织工程支架材料、骨科、牙科、中耳、癌症治疗和药物载体等方面的应用前景可观。主要由Si、Na、Ca以及P的氧化物组成。生物活性玻璃作为一种既能与骨组织键合又能与软组织连接的活性材料,可通过降解过程实现对活性离子的控制释放,在临床生物医学方面得到长足发展。生物活性陶瓷支架可以通过释放具有生物活性的金属离子实现骨-软骨组织一体化修复。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备和应用，克服现有技术对生物玻璃材料作为支架微观结构调节性能较差、应用范围较窄的缺陷。
本发明的一种生物玻璃纳米纤维气凝胶，所述气凝胶以含生物玻璃纳米纤维膜、天然高分子聚合物的原料，直接在模具中浇筑，冷冻干燥，交联，获得。
所述天然高分子聚合物为富含活性基团如氨基、羧基等基团的天然高聚物。
所述天然高分子聚合物为明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种。
本发明的一种生物玻璃纳米纤维气凝胶的制备方法，包括：
(1)分别配制高分子聚合物溶液；生物玻璃盐溶液；然后将高分子聚合物溶液、生物玻璃盐溶液、溶剂混合，得到纺丝液，静电纺丝，干燥，煅烧，得到生物玻璃纳米纤维膜；
(2)将生物玻璃纳米纤维膜和天然高分子聚合物水溶液混合，匀浆粉碎处理，得到生物玻璃纳米短纤维混合液；
(3)将上述生物玻璃纳米纤维混合液在模具中浇筑，冷冻干燥，得到未交联的生物玻璃纳米纤维多孔气凝胶，交联，得到交联后的生物玻璃纳米纤维气凝胶。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮PVP、明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种；所述高分子聚合物溶液的溶剂为挥发性有机溶剂，包括但不限于无水乙醇；所述高分子聚合物溶液质量百分浓度为10％-20％；
所述步骤(1)中生物玻璃盐溶液含原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶溶于盐酸乙醇水溶液中，得到生物玻璃盐溶液，溶质的质量百分浓度为5％-15％；其中原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶的质量比为其中原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶的质量比为0.5-1.5：0.1-0.5：0.1-0.5：0.1-0.5。
进一步，所述原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶的质量比为1.34：0.116：0.148：0.132。
进一步地，所述生物玻璃盐溶液成分及各成分的比例不是固定的，可以在合理范围内进行调整，如提高生物玻璃中二氧化硅的含量，可在组分中增加原硅酸四乙酯的含量；也可以添加其它有利于骨修复的成份，如添加一定比例的无水氯化铜在该生物玻璃中，可促进骨修复。
进一步，如生物玻璃盐溶液成分中，原硅酸四乙酯称取1.34g、磷酸三乙酯称取0.116g、四水硝酸钙称取0.148g、硝酸锶称取0.132g、1mol/L HCL量取0.1ml、无水乙醇量取4ml、去离子水3ml，在磁力搅拌器作用下制备生物玻璃盐溶液。
生物玻璃盐溶液，不限于四水硝酸钙、硝酸锶等成分，也可以选用硼硅酸盐等无机材料。
所述步骤(1)中混合液中高分子聚合物溶液、无机材料溶液和溶剂的体积比范围值为1:1:1～5:5:1；所述溶剂为六氟异丙醇、三氟乙醇、四氢呋喃等可溶解高分子化合物的试剂，其中六氟异丙醇的添加是为了增加PVP的溶解性，有利于形成稳定均一的悬浊液体系。
所述步骤(1)中纺丝液为高分子聚合物溶液、生物玻璃盐溶液、溶剂在磁力搅拌器作用36-72h。
所述步骤(1)中静电纺为共轭静电纺丝、静电纺丝、取向静电纺丝中的一种；所述干燥的工艺参数为:干燥为真空干燥，真空度为-35～(-25)KPa,干燥温度为22-26℃，干燥时间为24-48h；所述煅烧为600-1000℃煅烧3-5h，去除纤维中的高分子聚合物如PVP成分，进而获得生物玻璃纳米纤维膜。
进一步地，所述静电纺丝方式若选共轭静电纺，则共轭静电纺丝的工艺参数为:正向电压15-18kv,负向电压15-18kv,纺丝速率0.03-0.05mL/min,共轭纺丝距离35-40cm，共轭纺丝针头20G，与水平呈30-45°角，缠绕辊转速15-25rpm/min，缠绕辊上悬垂的锡箔纸作为接收装置。
所述步骤(2)中天然高分子聚合物为明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种；所述混合液中生物玻璃纳米纤维膜含固率(固体质量/溶剂体积，g/mL)为0.5％-3％,天然高分子聚合物的含固率为0.5％-1.5％；所述匀浆粉碎处理具体工艺参数为转速8000-12000rmp，匀浆时间5-10min。
所述步骤(2)中天然高分子聚合物溶液为明胶天然高聚物，溶于热水中，配成明胶水溶液，浓度为0.5％-1.0％。
进一步，如天然高聚物明胶水溶液，称取明胶0.5-1.0g，溶于100ml 65-75℃热水中，制备得含固率(g/mL)(指溶质占溶剂体积的质量体积比)为0.5％-1.0％的明胶水溶液。
所述步骤(3)中模具为聚四氟乙烯材料，为类似于开口玻璃水杯的结构，尺寸可根据所需要的气凝胶支架形状进行定制，如制作的生物活性玻璃气凝胶支架直径为10mm，高15mm，则可定制模具内径为10mm，高16mm，进而满足制备支架的需要。
生物玻璃纳米纤维多孔支架的形态取决于模具的形状。
所述步骤(3)中在模具浇筑成型过程中，将生物玻璃纳米短纤维混合液浇筑在模具中。
所述步骤(3)中冷冻干燥具体为先置于-20～(-30)℃条件下2-4h，再置于-70～(-80)℃条件下12-24h，然后放入冷冻干燥机中24-48h；所述交联均为戊二醛交联、热交联、离子交联中的一种或几种。
进一步，如明胶可选用戊二醛交联、热交联，海藻酸钠可选用钙离子溶液交联等。
所述热交联为交联温度180-190℃，交联时间2-3h。
本发明的一种所述生物玻璃纳米纤维气凝胶在制备骨组织的修复和再生支架中的应用。
本专利应用共轭静电纺丝与明胶水溶液体系冻干等技术制备以Si、Ca、Sr等为主体成分的气凝胶支架，该支架中含有1％的明胶成分，因此可以用多种交联方式对未交联的气凝胶交联，该方式解除了长期以来骨水泥具备过强的刚性，同时因为明胶的存在也进一步增加生物玻璃支架的生物相容性，使生物玻璃的应用形式更加多元化。
本发明通过配置高分子聚合物如PVP乙醇溶液和生物玻璃盐溶液，两种溶液与六氟异丙醇按照一定体积比混合后得到生物玻璃纺丝液；通过静电纺丝如共轭静电纺丝制备PVP/生物玻璃纳米纤维膜，进一步煅烧获得生物玻璃纳米纤维膜；将生物玻璃纳米纤维膜置于富含氨基、羧基等活性基团的天然高分子聚合物如明胶水溶液中，通过匀质机处理获得生物玻璃纳米短纤维混合液；利用定制的模具对生物玻璃纳米短纤维混合液进行浇筑；对组装浇筑好的支架进一步通过冷冻干燥、交联等方式获得生物玻璃纳米纤维多孔支架。
与现有技术相比，通过静电纺丝制备生物玻璃纳米纤维，通过匀浆、冷冻干燥等工艺过程制备生物玻璃气凝胶，通过调节气凝胶含固率获得合适的孔径大小，有利于细胞的生长；通过调整模具的的参数，可根据不同实验的需求个性化定制支架，满足生物体不同部位的修复需求。
有益效果
(1)生物玻璃纳米纤维多孔支架具有纳米纤维结构，是一种多孔的，可挤压的，具有优良吸水性的海绵结构材料(如图4，图5，图9)。
(2)生物玻璃纳米纤维多孔支架具有合适的孔结构(10-200um)，有利于细胞的生长和增殖，能够促进骨细胞在支架内的增殖成熟和分泌基质(图4，图5)。
(3)生物玻璃纳米纤维多孔支架在湿态下具有非常高的压缩弹性，在压缩形变达到80％时，仍能吸水恢复原来形貌(图9)。
(4)生物玻璃纳米纤维多孔支架改变了生物玻璃的应用形式，传统医学材料对生物玻璃的应用主要集中在颗粒或水凝胶等形式，本专利将生物玻璃制备成丝结构(如图6)，进而提供了对生物玻璃应用的新方式。
(5)本发明利用明胶水溶液冻干后形成的均匀分散体系，经模具浇筑冻干后可利用明胶活性氨基基团、活性羧基基团等对生物玻璃纳米纤维进行交联，进而可以制备不同形态的生物玻璃纳米纤维多孔支架(图10)。
(6)本发明生物玻璃纳米纤维多孔支架利用支架体系中的明胶成分，在提供维系短纤维形态稳定的同时，也能够在成骨细胞培养过程中，提供一定的营养物质，具有的活性基团如氨基、羧基能改善材料的亲水性能，增加材料的生物相容性。
(7)本发明中涉及一种在湿态下具有压缩弹性的生物玻璃纳米纤维多孔支架及其制备方法。配置高分子聚合物溶液如PVP乙醇溶液和生物玻璃盐溶液后，利用溶液凝胶法与六氟异丙醇混合形成均一稳定的生物玻璃悬浊液体系；通过静电纺丝法，如共轭静电纺丝制备PVP/生物玻璃纳米纤维膜，PVP/生物玻璃纳米纤维膜干燥后通过高温煅烧去除PVP成分，同时生物玻璃单盐成分高温下形成相应金属氧化物，进而获得生物玻璃纳米纤维膜；将生物玻璃纳米纤维膜溶于一定质量体积比的明胶水溶液体系中，通过均质机处理获得生物玻璃短纳米纤维混合液；利用模具对生物玻璃短纳米纤维混合液浇筑，冷冻干燥后得到未交联的生物玻璃纳米纤维多孔支架；再进一步交联处理获得成熟的生物玻璃纳米纤维多孔支架。本发明改进了生物玻璃作为医学材料的使用形式，通过共轭静电纺丝制备纳米纤维，同时创新性的引入明胶水溶液体系，有助于提高生物玻璃纳米纤维多孔支架的亲水性，作为骨修复材料时有利于骨组织的修复和再生。
附图说明
图1实验例1和2生物玻璃共轭静电纺示意图；
图2实验例1和2PVP/生物活性玻璃纤维制备流程图；
图3实验例1和2生物玻璃气凝胶制作流程图；
图4实验例1和2PVP/生物活性玻璃纤维微观结构图；
图5实验例1和2生物活性玻璃纤维微观结构图；
图6实验例1和2生物玻璃纳米短纤维：(a)生物玻璃短纤维低倍光学显微镜图，(b)生物玻璃短纤维电镜图；
图7实验例1和2生物玻璃气凝胶支架：其中(a)为干态气凝胶支架，从左向右依次为气凝胶含固率为3％、2％；其中(b)为湿态气凝胶支架，从左向右依次为气凝胶含固率为3％、2％；
图8实验例1(右)和实施例2(左)生物玻璃气凝胶微观结构图：从左向右依次为气凝胶含固率为2％、3％。
图9实施例1湿态支架80％形变后恢复图。
图10实施例1不同形态气凝胶支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)PVP乙醇溶液：称取分子量为1300000的PVP(上海泰坦科技股份有限公司，1300000)质量1.65g，在磁力搅拌器下溶于10ml乙醇(≥95％,国药集团化学试剂有限公司)中，制得PVP乙醇溶液。
(2)生物玻璃盐溶液：原硅酸四乙酯(98％，罗恩试剂)称取1.34g、磷酸三乙酯(99.5％，罗恩试剂)称取0.116g、四水硝酸钙(500g,北京伊诺凯科技有限公司上海分公司)称取0.148g、硝酸锶(≥99.5％,沪试)称取0.132g、1mol/L HCL量取0.1ml、无水乙醇量取4ml、去离子水量取3ml，在磁力搅拌器作用下制备生物玻璃盐溶液。
(3)制备纺丝液：将(1)和(2)制备得PVP乙醇溶液、生物玻璃盐溶液与六氟异丙醇，按照2：2：1的体积比例混合，在磁力搅拌器作用72h后制成生物玻璃纺丝液。
(4)生物玻璃共轭纺丝：利用共轭纺丝机对生物玻璃纺丝液静电纺丝，正向电压16.75kv,负向电压16.75kv,纺丝速率0.05mL/min,共轭纺丝距离40cm，共轭纺丝针头与水平呈35°角，缠绕辊转速25rpm/min，缠绕辊上悬垂的锡箔纸作为接收装置。接收到的PVP/生物玻璃纳米纤维膜需在真空度为-25KPa,干燥温度为25℃的条件下，真空干燥24h。
(5)生物玻璃纳米纤维膜制备：PVP/生物玻璃纳米纤维膜需经600℃煅烧5h，去除纳米纤维膜中的PVP成分，进而获得生物玻璃纳米纤维膜。
(6)制备明胶水溶液：称取明胶(分子量>8000，MP Biomedicals,LLC)0.5g，溶于100ml70℃热水中，制备得含固率为0.5％的明胶水溶液。
(7)制备生物玻璃纳米短纤维混合液:称取生物玻璃纳米纤维膜3.0g，置于100ml明胶水溶液中,经转速为10000rmp的匀质机匀浆处理10min，获得生物玻璃含固率为3.0％的生物玻璃纳米短纤维混合液。
(8)浇筑成型：将生物玻璃纳米短纤维混合液浇筑在模具中，浇筑好后先置于-20℃的冰箱中2h,再置于-80℃的冰箱中12h，然后放入冷冻干燥机中48h至完全冷冻干燥，得到未交联的生物玻璃纳米纤维多孔支架。
(9)热交联：将未交联的生物玻璃纳米纤维多孔支架从模具中取出，放置马弗炉中进行热交联，交联参数为交联温度190℃，交联时间3h，获得气凝胶浓度为3.0％的生物玻璃纳米纤维多孔支架。
本实施例中生物玻璃纳米纤维含固率为3.0％，通过模具制备为柱体形态，制备的支架直径为9mm，高度为10mm，气凝胶孔结构大小10-180um，湿态下具备较好压缩弹性，支架经80％形变后5s恢复到最初的形态。
实施例2
(1)PVP乙醇溶液：称取分子量为1300000的PVP质量1.65g，在磁力搅拌器下溶于10ml乙醇中，制得PVP乙醇溶液。
(2)生物玻璃盐溶液：原硅酸四乙酯称取1.34g、磷酸三乙酯称取0.116g、四水硝酸钙称取0.148g、硝酸锶称取0.132g、1moL/L HCL量取0.1mL、无水乙醇量取4mL、去离子水量取3mL，在磁力搅拌器作用下制备生物玻璃盐溶液。
(3)制备纺丝液：将(1)和(2)制备得PVP乙醇溶液、生物玻璃盐溶液与六氟异丙醇，按照2：2：1的体积比例混合，在磁力搅拌器作用72h后制成生物玻璃纺丝液。
(4)生物玻璃共轭纺丝：利用共轭纺丝机对生物玻璃纺丝液静电纺丝，正向电压16.75kv,负向电压16.75kv,纺丝速率0.05mL/min,共轭纺丝距离40cm，共轭纺丝针头与水平呈35°角，缠绕辊转速25rpm/min，缠绕辊上悬垂的锡箔纸作为接收装置。接收到的PVP/生物玻璃纳米纤维膜需在真空度为-25KPa,干燥温度为25℃的条件下，真空干燥24h。
(5)生物玻璃纳米纤维膜制备：PVP/生物玻璃纳米纤维膜需经600℃煅烧5h，去除纳米纤维膜中的PVP成分，进而获得生物玻璃纳米纤维膜。
(6)制备明胶水溶液：称取明胶0.5g，溶于100mL70℃热水中，制备得含固率为0.5％的明胶水溶液。
(7)制备生物玻璃纳米纤维混合液:称取生物玻璃纳米纤维膜2.0g，置于100ml明胶水溶液中,经转速为10000rmp的匀质机匀浆处理10min，获得生物玻璃含固率为2.0％的生物玻璃纳米纤维混合液。
(8)浇筑成型：将生物玻璃纳米短纤维混合液浇筑在模具中，浇筑好后先置于-20℃的冰箱中2h,再置于-80℃的冰箱中12h，然后放入冷冻干燥机中48h至完全冷冻干燥，得到未交联的生物玻璃纳米短纤维多孔支架。
(9)热交联：将未交联的生物玻璃纳米纤维多孔支架从模具中取出，放置马弗炉中进行热交联，交联参数为交联温度190℃，交联时间3h，获得气凝胶浓度为2.0％的生物玻璃纳米纤维多孔支架。
本实施例中生物玻璃纳米纤维含固率为2.0％，通过模具制备为柱体形态，制备的支架直径为9mm，高度为10mm，气凝胶孔结构大小10-200um，湿态下具备较好压缩弹性，支架经80％形变后6s恢复到最初的形态。

Claims (10)

1.一种生物玻璃纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述气凝胶以含生物玻璃纳米纤维膜、天然高分子聚合物的原料，直接在模具中浇筑，冷冻干燥，交联，获得。
2.根据权利要求1所述气凝胶，其特征在于，所述天然高分子聚合物为明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种。
3.一种生物玻璃纳米纤维气凝胶的制备方法，包括：
(1)分别配制高分子聚合物溶液；生物玻璃盐溶液；然后将高分子聚合物溶液、生物玻璃盐溶液、溶剂混合，得到纺丝液，静电纺丝，干燥，煅烧，得到生物玻璃纳米纤维膜；
(2)将生物玻璃纳米纤维膜和天然高分子聚合物水溶液混合，匀浆粉碎处理，得到生物玻璃纳米纤维混合液；
(3)将上述生物玻璃纳米纤维混合液在模具中浇筑，冷冻干燥，交联，得到生物玻璃纳米纤维气凝胶。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮PVP、明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种；所述高分子聚合物溶液的溶剂为挥发性有机溶剂；所述高分子聚合物溶液的质量百分浓度为10％-20％。
5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中生物玻璃盐溶液含原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶溶于盐酸乙醇水溶液中，得到生物玻璃盐溶液，总溶质的质量百分浓度为5％-15％；其中原硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙、硝酸锶的质量比为0.5-1.5：0.1-0.5：0.1-0.5：0.1-0.5。
6.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合液中高分子聚合物溶液、无机材料溶液和溶剂的体积比范围值为1:1:1～5:5:1；所述溶剂为六氟异丙醇、四氢呋喃、三氟乙醇中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中静电纺为共轭静电纺丝、静电纺丝、取向静电纺丝中的一种；所述干燥为真空干燥，真空度为-35～(-25)KPa，干燥温度为22-26℃，干燥时间为24-48h；所述煅烧为600-1000℃煅烧3-5h。
8.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中天然高分子聚合物为明胶、丝素、海藻酸钠中的一种或几种；所述混合液中生物玻璃纳米纤维膜的含固率为0.5％-5％，天然高分子聚合物的含固率为0.5％-1.5％；所述匀浆粉碎处理具体工艺参数为转速8000-12000rmp，匀浆时间5-10min。
9.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中冷冻干燥具体为先置于-20～(-30)℃条件下2-4h，再置于-70～(-80)℃条件下12-24h，然后放入冷冻干燥机中24-48h；所述交联均为戊二醛交联、热交联、离子交联中的一种或几种。
10.一种权利要求1所述生物玻璃纳米纤维气凝胶在制备骨组织的修复和再生支架中的应用。
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