CN113559319B - 一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物医疗的技术领域，更具体地说，它涉及一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，其技术方案要点是：S1、获取干燥的聚己内酯颗粒；S2、基于CAD制图软件，绘制纤维支架的打印路径，并将打印路径导入至静电纺丝机中，纤维支架包括用于模拟骨韧带的第一纤维支架和用于模拟骨结构的第二纤维支架；S3、将聚己内酯颗粒装入静电纺丝机的料筒内，在静电纺丝机的针头对应处放置收集装置，设定静电纺丝机的运行参数并启动，以获得第一纤维支架和第二纤维支架；S4、将N I H‑3T3成纤维细胞种在第一纤维支架的区域上，将Saos‑2骨细胞种在第二纤维支架的区域上；S5、将纤维支架卷成圆柱状支架。本发明可以制备出适用于骨韧带、骨结构修复的天然纤维支架。

Description

一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法
技术领域
本发明涉及生物医疗的技术领域，更具体地说，它涉及一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法。
背景技术
近场熔体直写静电纺丝打印系统由一个连接到高压电源的喷嘴和一个可与喷嘴调节到相距0.5-3mm的接地收集器组成。在电场的作用下，喷嘴处的半球形液滴会被拉成圆锥形，称为“泰勒锥”。当电场力克服熔体的表面张力时，形成射流，带电射流过程包括快速拉伸、快速凝固和复杂的飞行模式。纤维的形成和形态由各种参数决定，包括材料的物理和化学性质(例如粘度、电导率和表面张力)，工艺参数(例如喷嘴到收集器的距离、施加的电压和流速)等。由于其具有更高的分辨率、可持续的材料供应系统和可优化的工艺参数，熔体直写静电纺丝技术能够直接打印微米级纤维的2D图案或3D结构。
生物材料、工程、化学和生物学的进步带来了许多创造天然细胞外基质类似物(即支架)的技术。为了再现组织特性，支架必须具有适当的微观结构特征。例如，肌腱组织中的胶原网络呈现一种规则的正弦形，在肌腱中起到缓冲或减震的作用。该结构允许纤维产生一定量纵向变形，但不会对组织造成损伤。正弦结构对胶原纤维的机械性能至关重要，但是该方面的制造目前研究较少。
天然韧带主要由一种呈正弦形的纤维组成的，胶原纤维的非线性力学行为是一种保护韧带免受机械损伤的机制，包含正弦纤维的3D生物支架制造技术将为韧带再生提供最有希望的选择。迄今为止，用于制造这些支架的大多数制造技术包括冻干，溶剂浇铸以及简单的编织，但它们无法重建天然韧带的微妙纤维结构。过去的几年中，溶液电纺丝是最常用于制造纤维支架的不同纤维形成技术，基本工作原理是使用静电力从聚合物溶液中生成连续纤维，然后将其收集到固定或动态收集器台上。溶液电纺丝可以制造具有模拟韧带形貌特征的纤维，但存在再现性问题且图案控制能力有限。有些研究通过使用平行电极，旋转心轴或牺牲材料等方法改善其制备工艺，但对纤维几何形状的控制仍然受到限制，尤其是三维结构。熔融电写打印是实现非直线纤维高度有序的3D支架的可控沉积的有效的方法，但残余电荷对纤维打印的影响不利于对纤维堆叠的控制该工艺受到电荷动力学的限制。
因此，亟需一种可以重建适用于骨韧带修复的纤维支架的制备方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，可以制备出适用于骨韧带、骨结构修复的天然纤维支架，具有操作简便、适用性广的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的，一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
S1、获取干燥的聚己内酯颗粒；
S2、基于CAD制图软件，绘制纤维支架的打印路径，并将所述打印路径导入至静电纺丝机中，所述纤维支架呈正弦形结构和网格结构的复合结构，所述纤维支架包括用于模拟骨韧带的第一纤维支架和用于模拟骨结构的第二纤维支架；
S3、将所述聚己内酯颗粒装入所述静电纺丝机的料筒内，在所述静电纺丝机的针头对应处放置收集装置，设定所述静电纺丝机的运行参数并启动，以获得所述第一纤维支架和第二纤维支架，所述第一纤维支架为正弦形结构，所述第二纤维支架为网格结构；
S4、将NIH-3T3成纤维细胞种在所述第一纤维支架的区域上，将Saos-2骨细胞种在所述第二纤维支架的区域上；
S5、将所述纤维支架绕圆管卷成圆柱状支架。
在其中一个实施例中，所述将所述聚己内酯颗粒装入所述静电纺丝机的料筒内之后的步骤，还包括如下步骤：
将供气装置接入所述静电纺丝机的入口，以使所述静电纺丝机的针头形成射流；
将高压电源接入所以所述静电纺丝机的针头，以使所述静电纺丝机的针头与所述收集装置之间形成高压静电场。
在其中一个实施例中，所述运行参数包括打印层数、速度设置、电压设置、收集距离。
在其中一个实施例中，所述打印层数为10层，所述速度设置为7mm/s，所述电压设置为1.8kv，所述收集距离为1mm。
在其中一个实施例中，所述纤维支架呈正弦形结构和网格结构的复合结构。
上述一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，具有以下有益效果：
将两种不同力学性能的熔体电纺纤维支架进行结合，以获得功能和结构接近天然的骨韧带纤维支架，对于受损的骨韧带、骨结构具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本实施例中制备方法的步骤示意图；
图2是本实施例中应用本制备方法的结构示意图；
图3是本实施例中正弦纤维打印的原理设计图；
图4是本实施例中本实施例中打印的图案展示图；
图5是本实施例中细胞取向角的统计图；
图6是本实施例中骨韧带-支架的电镜图。
图中：1、供气装置；2、静电纺丝机；3、高压电源；4、第一纤维支架；5、第二纤维支架；6、圆柱状支架；7、设计路径；8、实际路径；9、蜿蜒长度；10、蜿蜒角；11、第一设计路径；12、纤维图案形貌；13、第二设计路径；14、打印效果；15、正弦纤维；16正弦纤维；17、多层正弦纤维；18、0°纤维上细胞取向角统计；19、15°纤维上细胞取向统计；22、骨支架和韧带-骨支架电镜图；23、电镜图；24、仿生支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
S1、获取干燥的聚己内酯颗粒。
具体的，可以通过烘干、风干等方式对聚己内酯颗粒进行干燥，从而获取干燥的聚己内酯颗粒。
S2、基于CAD制图软件，绘制纤维支架的打印路径，并将打印路径导入至静电纺丝机2中，纤维支架包括用于模拟骨韧带的第一纤维支架4和用于模拟骨结构的第二纤维支架5。
具体的，打印路径以CAD工程图的方式导入静电纺丝机2中，通过精确地、连续地将聚已内酯的熔体射流至外界，得到正弦形纤维支架。通过调节工艺参数克服由于纤维支架成角度的滞后效应就可以实现3D结构支架的打印。该方法打印出的纤维支架表现出良好的机械性能，并且具有很好的细胞取向诱导效应，类似于天然韧带处的细胞取向，说明纤维支架对于韧带组织的修复具有很好的应用前景。因此，本发明利用近场熔融静电纺丝打印将正弦纤维与网格纤维结合，一次性打印出3D结构的具有良好的生物相容性的聚己内酯骨结构、骨韧带仿生支架作为骨结构、骨韧带结构植入物以修复骨韧带损伤。
S3、将聚己内酯颗粒装入静电纺丝机2的料筒内，在静电纺丝机2的针头对应处放置收集装置，设定静电纺丝机2的运行参数并启动，以获得第一纤维支架4和第二纤维支架5。
将聚己内酯颗粒装入静电纺丝机2的料筒内之后的步骤，还包括如下步骤：
将供气装置1接入静电纺丝机2的入口，以使静电纺丝机2的针头形成射流；
将高压电源3接入所以静电纺丝机2的针头，以使静电纺丝机2的针头与收集装置之间形成高压静电场。
运行参数包括打印层数、速度设置、电压设置、收集距离。在本实施例中，打印层数为10层，速度设置为7mm/s，电压设置为1.8kv，收集距离为1mm。
供气装置1提供气压，由于高压电源3的作用，使得静电纺丝机2的枕头与收集装置之间形成高压静电场，高压静电场可以将料筒内的聚己内酯颗粒牵引至收集装置上，在本实施例中，收集装置为带有ITO导电玻璃薄膜的收集装置。在气压的作用下使熔融的聚己内酯顺利流出，在表面含有ITO导电玻璃薄膜的收集装置的X-Y方向的运动下进行支架的打印，当熔体静电纺丝机2按照预先导入的打印路径及界面设置的层数打印完成后，将纤维支架从ITO导电玻璃上拿下来可用于后续的纤维支架的形貌表征、细胞培养及力学性能测试。
S4、将NIH-3T3成纤维细胞种在第一纤维支架4的区域上，将Saos-2骨细胞种在第二纤维支架5的区域上。
S5、将纤维支架卷成圆柱状支架。
图3、图4为正弦纤维打印的原理设计图，由于静电纺丝射流是一种流体，所以当我们按照设计路径7打印的时候，而打印出来的是实际路径8，所以通过在设计的时候将不同层故意偏移一段距离，然后通过调节气压来改变打印过程的射流偏角使每一层的正弦纤维对齐，即当静电纺丝机按照CAD的第一设计路径11进行打印时，得到的是一种一致性比较差的纤维图案形貌12，而按照第二设计路径13进行打印时，得到的是我们想要的打印效果14；当图5是蜿蜒角10为0°和15°、蜿蜒长度9为1mm的正弦纤维15、16及多层正弦纤维17的电镜图，展示了一种正弦形的形状及多层堆积的结构，而当我们把3T3细胞培养在正弦纤维15、16上2天后，通过对细胞核的取向角进行测量，得到0°纤维上细胞取向角统计图18和15°纤维上细胞取向角统计图19.说明细胞的取向角是可以通过制备的正弦纤维进行控制。图6为代表骨支架和韧带-骨支架的电镜图22、23，韧带-骨支架可以通过用一根一定直径的圆管将它卷起来形成圆柱状的三维韧带-骨仿生支架24，即形成模拟体内骨-韧带结构的圆柱状支架6。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取干燥的聚己内酯颗粒；
S2、基于CAD制图软件，绘制纤维支架的打印路径，并将所述打印路径导入至静电纺丝机中，所述纤维支架呈正弦形结构和网格结构的复合结构，所述纤维支架包括用于模拟骨韧带的第一纤维支架和用于模拟骨结构的第二纤维支架；
S3、将所述聚己内酯颗粒装入所述静电纺丝机的料筒内，在所述静电纺丝机的针头对应处放置收集装置，设定所述静电纺丝机的运行参数并启动，以获得所述第一纤维支架和第二纤维支架，所述第一纤维支架为正弦形结构，所述第二纤维支架为网格结构；
S4、将NIH-3T3成纤维细胞种在所述第一纤维支架的区域上，将Saos-2骨细胞种在所述第二纤维支架的区域上；
S5、将所述纤维支架绕圆管卷成圆柱状支架。
2.根据权利要求1所述的一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，其特征在于，所述将所述聚己内酯颗粒装入所述静电纺丝机的料筒内之后的步骤，还包括如下步骤：
将供气装置接入所述静电纺丝机的入口，以使所述静电纺丝机的针头形成射流；
将高压电源接入所以所述静电纺丝机的针头，以使所述静电纺丝机的针头与所述收集装置之间形成高压静电场。
3.根据权利要求1所述的一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，其特征在于：所述运行参数包括打印层数、速度设置、电压设置、收集距离。
4.根据权利要求3所述的一种近场熔体直写静电纺丝纤维支架的制备方法，其特征在于：所述打印层数为10层，所述速度设置为7mm/s，所述电压设置为1.8kv，所述收集距离为1mm。
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