CN113388911B - 一种高取向性胶原纤维及其用途、制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物支架材料技术领域，具体涉及一种高取向性胶原纤维及其用途、制备方法和制备装置。本发明的高取向性胶原纤维的制备方法是将胶原凝胶进行双螺杆挤出，所述双螺杆挤出的工艺中，在双螺杆挤出机的出料口部位连续设置有两个挤出口。本发明的双螺杆挤出机包括双螺杆挤出机构，所述双螺杆挤出机构上设置有出料口，出料口上连接有二次挤出机构，二次挤出机构包括一次挤出口和二次挤出口。作为优选的方案，本发明的双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机。本发明制备的高取向性胶原纤维不仅具有高取向性的特点，而且其为柱状材料，便于加工成各种形状的生物相容性支架，具有很高的应用价值。

Description

一种高取向性胶原纤维及其用途、制备方法和制备装置

技术领域

本发明属于生物支架材料技术领域，具体涉及一种高取向性胶原纤维及其用途、制备方法和制备装置。

背景技术

组织工程是一门涉及材料、医学、生物学等多学科交叉的领域，随着组织工程的研究深入，通过构建具有良好的力学性能、可控纳/微结构的生物相容性支架，能有效地促进组织和器官的再生和修复。

胶原蛋白广泛分布于皮肤、骨、软骨、肌腱、韧带、血管、角膜等人体各种结缔组织或器官中，占人体总蛋白的1/3。目前已发现的胶原蛋白类型约有27种，其中以Ⅰ型胶原最为丰富，研究和开发最为深入。胶原蛋白因其具有低免疫原性、良好的生物相容性、生物可降解性及止血作用广泛应用于组织工程中。胶原纤维是原胶原分子通过微纤维、细纤维、纤维逐级自组装形成的分子聚集体，具有许多天然的交联和排列。高取向性胶原纤维指的是纤维的方向分布具有较高一致性的胶原纤维，其力学性能和自组装程度更接近于各向异性组织的胞外基质。近年来，研究已证实高取向性胶原纤维支架能更有效地促进肌腱等组织的修复。

现有技术中，高取向性胶原纤维主要是静电纺丝、电化学取向、微流体剪切等，但这些技术通常只适用于可溶性胶原。与可溶性胶原相比，难溶性胶原纤维拥有许多天然的分子交联和分子排列，其自组装程度和力学性能更接近天然胶原。但不溶性胶原纤维的粘度大，常规加工技术难以实现对其取向性的控制。

双螺杆挤出是一种利用两个相互啮合的螺杆同时转动，在控制温度、压力等条件下，对物料进行挤出加工得到型材产品的工艺。双螺杆挤出具有良好的加料性能、混炼塑化性能、排气性能和稳定性能，可以实现对高粘度物料的循环挤出、设备的便捷清洗和维修，能够加工出纤维状、片状、柱状、管状等多种形状的产品，以便于实现在组织工程中的个性化应用。然而，传统的双螺杆挤出装置提供的切应力不足，无法有效提高制成的胶原纤维产品的取向性。因而，现有技术中仍然缺少适用于高取向性胶原纤维的双螺杆挤出装置及工艺。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高取向性胶原纤维及其用途、制备方法和制备装置，目的在于实现用双螺杆挤出的方法制备高取向性胶原纤维。

一种高取向性胶原纤维的制备方法，它是将胶原凝胶进行双螺杆挤出，所述双螺杆挤出的工艺中，在双螺杆挤出机的出料口部位连续设置有两个挤出口。

优选的，所述两个挤出口按照挤出顺序包括一次挤出口和二次挤出口，所述一次挤出口的直径为0.5–2.0mm，所述二次挤出口的直径为300–500μm；

和/或，所述一次挤出口和二次挤出口之间通过挤出导管连通，所述挤出导管的长度为15–20cm，所述挤出导管的直径为1.5–2.5mm。

优选的，所述双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机。

优选的，所述双螺杆挤出的条件为温度4℃，所述双螺杆挤出机中双螺杆的转速为10–30rpm，胶原的挤出量为5–10cm³/min。

优选的，所述胶原凝胶通过对牛皮、猪皮、牛跟腱、鱼皮进行提取得到；

和/或，所述胶原凝胶中，胶原固含量为质量百分比5％–10％。

本发明还提供上述制备方法制备得到的高取向性胶原纤维。

本发明还提供上述高取向性胶原纤维在制备生物相容性支架中的用途。

本发明还提供一种用于高取向性胶原纤维制备的双螺旋挤出机，包括双螺杆挤出机构，所述双螺杆挤出机构上设置有出料口，所述出料口上连接有二次挤出机构，所述二次挤出机构包括一次挤出口和二次挤出口，所述出料口、一次挤出口和二次挤出口依次通过管路连通。

优选的，所述一次挤出口的直径为0.5–2.0mm，所述二次挤出口的直径为300–500μm；

和/或，所述一次挤出口和所述二次挤出口通过挤出导管连通，所述挤出导管的长度为15–20cm，所述挤出导管的直径为1.5–2.5mm。

优选的，所述双螺杆挤出机构包括相互配合的第一异径螺杆和第二异径螺杆，所述第一异径螺杆和第二异径螺杆同向转动。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

1、通过设置两个挤出口，实现两次连续挤出，挤出口的切应力可以提高胶原纤维的取向性，从而实现高取向性胶原纤维的制备。同时，本发明制成的高取向性胶原纤维产品为柱状材料，相比于现有技术制备的膜状材料，更易于加工成各种形状的支架产品。

2、优选方案中，对挤出口等结构的尺寸、工艺参数等进一步优选，即能够进一步提高胶原纤维的取向性，又能够保证得到的柱状产品的完整性。

3、优选方案中，双螺杆挤出机选用剖分式同向双螺杆挤出机，同向双螺杆的接触点上速度矢量方向相反，因此与异向双螺杆相比，其剪切力要大得多，有利于胶原纤维产生排列取向。另外，同向双螺杆在啮合处间隙很小，螺棱和螺槽的速度方向相反，相对速度大，因此啮合区具有很高的剪切速度。由于同向双螺杆剪切速度高，能刮去粘附在螺杆上的任何积料，具有非常好的自洁作用，从而使物料的停留时间很短，不易产生局部降解变质。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为实施例1中的双螺旋挤出机的结构示意图；

图2为实施例2制备的高取向性胶原纤维的显微图片。

其中，1-底座；2-螺孔；3-回流槽；4-回流槽挡板；5-出料口；6-挤出装置安装座；7-一次挤出口；8-挤出导管；9-挤出针头；10-二次挤出口；11-第一异径螺杆；12-第二异径螺杆。

具体实施方式

本发明实施例所用试剂和材料均为市售。

实施例1用于高取向性胶原纤维制备的双螺旋挤出机

如图1所示，本实施例的双螺旋挤出机包括双螺杆挤出机构，双螺杆挤出机构包括底座1和用于安装固定底座1的螺孔2。底座1上设置有挤出腔，挤出腔中设置有相互配合的第一异径螺杆11和第二异径螺杆12，所述第一异径螺杆11和第二异径螺杆12同向转动。挤出腔的一端设置有进料口，另一端设置有出料口5。所述挤出腔中还设置有回流槽3，回流槽3的入口端与挤出腔设置有出料口5的一端连通，回流槽3的出口端与挤出腔设置有进料口的一端连通。所述回流槽3的入口端设置有回流槽挡板4，回流槽挡板4用于使挤出腔中的物料只能够单向进入回流槽3。

所述底座1外部设置有挤出装置安装座6，挤出装置安装座6用于安装二次挤出机构，二次挤出机构包括一次挤出口7、挤出导管8和挤出针头9，所述一次挤出口7和出料口5通过管路连通，一次挤出口7外部安装挤出导管8，挤出导管8的端部安装挤出针头9，挤出针头9上设置有二次挤出口10，所述出料口5、一次挤出口7和二次挤出口10依次连通。

对于上述二次挤出机构中一次挤出口7的尺寸设计，可考虑挤出口的切应力效果，挤出口小于挤出导管8即可，优选一次挤出口7直径为0.5–2.0mm，本实施例优选为1mm。

对于二次挤出口10，既要考虑挤出口的切应力效果，又要考虑到保证柱状胶原纤维的完整，优选一次挤出口7直径为300–500μm，本实施例优选为400μm。

挤出导管8的尺寸设计，可根据流体力学采用如下公式进行计算：

其中，η为胶原凝胶的黏性系数，D为挤出导管8的直径，L为挤出导管8的长度，Q为胶原挤出过程中的流量(挤出量)，Δp为双螺杆挤出机构中的双螺杆挤出胶原时产生的压力降。对于本实施例η与胶原凝胶的胶原含量等有关系，可对具体样品进行测试得到，L为20cm，Q为6cm³/min，双螺杆在转速为15rpm时挤出胶原产生的压力降Δp为-500KPa。计算得到挤出导管的最小直径可取9.5mm。考虑到挤出时远离导管中心的部分流体流速下降，贴近中心的部分流体随管道直径流速变化小，优选取挤出导管8的直径为2mm。

实施例2高取向性胶原纤维的制备方法

本实施例利用实施例1的双螺旋挤出机制备高取向性胶原纤维。

本实施例所用胶原凝胶属于现有材料，其来源广泛，可通过对牛皮、猪皮、牛跟腱、鱼皮等进行提取得到。例如，以下实施例中所用胶原凝胶通过如下方法提取得到：对切成2×2cm小块的两岁小牛皮进行灰浸脱脂(Ca(OH)₂/NaOH(pH＝13)浸泡120h)、除杂(经大量去离子水洗后加入适量2％NH₄Cl和0.5％HCl的混合溶液进行脱钙处理60min，大量去离子水冲洗直至pH为中性)、醋酸酸胀(0.5M，4℃，浸泡36h)、酶解(使用胃蛋白酶酶解，在磁力搅拌器下搅拌酶解24h，温度4℃)、盐析(盐析过程中使用0.2M的Na₂HPO₃调节pH至7.2左右)、透析(加入0.5mol/L醋酸均匀混合，装入截留分子量为8kDa的透析袋中透析72h)与冷冻干燥得到难溶性胶原；将提取的难溶性胶原用0.5M的醋酸溶胀，使用匀浆机在4℃下搅拌形成胶原凝胶，使用匀质机匀质5min，匀质好的胶原凝胶放置于4℃下保存。得到的胶原凝胶中，胶原固含量为质量百分比5％–10％。

本实施例的制备方法具体包括如下步骤：将胶原凝胶通过进料口加入所述双螺旋挤出机，胶原凝胶通过第一异径螺杆11和第二异径螺杆12的挤压作用向前，通过回流槽3可以卸载过多的压力和去除挤压过程产生的气泡。最后依次通过一次挤出口7和二次挤出口10进行两次挤出。挤出的条件为温度4℃，所述双螺杆挤出机中双螺杆的转速为15rpm，胶原的挤出量为6cm³/min。

挤出制成的柱状胶原纤维可进一步在模具中干燥交联，形成预定的胶原纤维支架。制成的支架电子显微镜扫描结果如图2所示，从图中可以看到，支架材料中的纤维具有很高的取向性。

经统计，本实施例制备的高取向性胶原纤维中取向±30°之间的纤维达到95％以上，取向±15°之间的纤维达到90％。

对比例1

本对比例采用现有的双螺旋挤出机，其结构与实施例1基本相同，区别在于未设置二次挤出机构。采用该双螺旋挤出机并利用实施例2的方法制备得到胶原纤维样品。得到的胶原纤维中取向±30°之间的纤维为40％，显著低于实施例2制备得到的高取向性胶原纤维。

通过上述实施例可以看到，本发明通过二次挤出的方法，成功利用双螺旋挤出工艺制备出了柱状的高取向性的胶原纤维。该高取向性的胶原纤维能够用于制备生物相同性支架，具有很高的应用潜力。

Claims (8)

1.一种高取向性胶原纤维的制备方法，其特征在于：它是将胶原凝胶进行双螺杆挤出，所述双螺杆挤出的工艺中，在双螺杆挤出机的出料口部位连续设置有两个挤出口；

所述两个挤出口按照挤出顺序包括一次挤出口和二次挤出口，所述一次挤出口的直径为0.5 – 2.0 mm，所述二次挤出口的直径为300 – 500 μm；

所述一次挤出口和二次挤出口之间通过挤出导管连通，所述挤出导管的长度为15 –20 cm，所述挤出导管的直径为1.5 – 3 mm。

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机。

3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出的条件为温度4 – 20℃，所述双螺杆挤出机中双螺杆的转速为10 – 30 rpm，胶原的挤出量为5 – 10 cm³/min。

4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述胶原凝胶通过对牛皮、猪皮、鱼皮进行提取得到；

和/或，所述胶原凝胶中，胶原固含量为质量百分比5% – 10%。

5.按照权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到的高取向性胶原纤维。

6.权利要求5所述的高取向性胶原纤维在制备生物相容性支架中的用途。

7.一种用于高取向性胶原纤维制备的双螺杆挤出机，包括双螺杆挤出机构，所述双螺杆挤出机构上设置有出料口（5），其特征在于：所述出料口（5）上连接有二次挤出机构，所述二次挤出机构包括一次挤出口（7）和二次挤出口（10），所述出料口（5）、一次挤出口（7）和二次挤出口（10）依次通过管路连通；

所述一次挤出口（7）的直径为0.5 – 2.0mm，所述二次挤出口（10）的直径为300 – 500μm；

所述一次挤出口（7）和所述二次挤出口（10）通过挤出导管（8）连通，所述挤出导管（8）的长度为15 – 20 cm，所述挤出导管（8）的直径为1.5 – 2 mm。

8.按照权利要求7所述的双螺杆挤出机，其特征在于：所述双螺杆挤出机构包括相互配合的第一异径螺杆（11）和第二异径螺杆（12），所述第一异径螺杆（11）和第二异径螺杆（12）同向转动。

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