CN114106399B - 一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置。本发明所述装置包括：散热系统、制冷片、导热板和取向支架生成盒体；所述导热板盖设于取向支架生成盒体的上表面；所述制冷片盖设于导热板的上表面，所述散热系统盖设于制冷片的上表面；所述取向支架生成盒体包括隔热套、模具和样品池。本发明制备的装置以半导体冷却片作为冷源和以高效导热的导热板作为热传递介质，传热更加均匀；用本发明所述设备制备的含有孔道结构的取向支架，支架的孔隙率达80～90％，支架的平均孔径为50～400μm，支架与皮肤具有良好的组织相容性。

Description

一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法及装置
技术领域
本发明涉及组织工程领域，特别涉及一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置。
背景技术
体表软组织缺损创面是一类严重影响人类健康的常见疾病，其致病因素较多，包括烧伤、创伤、放射伤、血管性溃疡、压疮及糖尿病足等。为了提高创面愈合速度、降低患者严重感染风险和改善创面愈合质量，临床常采用高分子支架材料如
Figure BDA0003383355530000012
和
Figure BDA0003383355530000011
胶原蛋白支架材料，通过为创面细胞提供三维生长空间，促进细胞、组织长入，进而加速创面修复过程。但是，临床证据表明，现有的高分子支架材料的细胞、组织长入效率低，延长创面愈合时间。
为了提高创面细胞和组织长入胶原蛋白支架的能力，人们探索了新的胶原蛋白支架制备方法，包括静电纺丝法和梯度冷冻法。静电纺丝法制备的胶原蛋白支架的结构为纳米纤维，可促进细胞黏附和增殖，从而加速细胞长入。梯度冷冻法主要是通过液氮冷却平面接触胶原蛋白溶液，产生取向的冰晶，进而形成含孔道结构的取向支架。通过孔道结构以及胶原支架的取向结构，以梯度冷冻法制备的胶原蛋白支架能促进创面细胞长入和组织新生。
但是，静电纺丝法存在胶原蛋白变性以及所制备支架厚度有限的缺点，原因在于静电纺丝条件包括高电压、喷头高剪切力和乙醇的使用。梯度冷冻法存在设备复杂、能源消耗大、操作复杂的缺点，其原因在于液氮损耗大、冷冻效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置。本发明制备的装置使用半导体冷却片作为制冷源，通过使用导热板使热量更加均匀的分散，从而得到能增强组织长入和加速缺损组织修复的含孔道结构的取向支架。
本发明的技术方案如下：
一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置，所述装置包括：散热系统、制冷片、导热板和取向支架生成盒体；所述导热板盖设于取向支架生成盒体的上表面；所述制冷片盖设于导热板的上表面，所述散热系统盖设于制冷片的上表面；所述取向支架生成盒体包括隔热套、模具和样品池。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述模具位于隔热套内部，模具的内部空腔为样品池。
所述散热系统为水冷散热系统，散热系统的一侧设置有冷却水入口和冷却水出口；所述制冷片的一侧上设置有交流电源接口1和交流电源接口2。
所述制冷片为半导体制冷片；厚度为2～4mm；所述导热板的材质为银、铜或金；厚度为0.1～5mm。
所述隔热套的材质为聚苯乙烯；厚度为0.5～10cm；所述模具的材质为聚乙烯醇薄膜，厚度为0.05～0.2cm。
一种用上述装置制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法，所述方法包括如下步骤：
S1：将胶原蛋白加入乙酸溶液中，配制胶原蛋白溶液；
S2：将S1配制的胶原蛋白溶液加入样品池中，去除气泡；
S3：依次将导热板盖设于取向支架生成盒体的上表面，将制冷片盖设于导热板的上表面，将散热系统盖设于制冷片的上表面；然后将制冷片的电源接通，开始制冷；
S4：制冷结束后，将散热系统、制冷片和导热板移开，将取向支架生成盒体置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥，在样品池中得到取向支架初产物；
S5：将S4得到的取向支架初产物取出，置于戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联后，通风干燥，即得含孔道结构胶原蛋白取向支架。
作为上述技术方案的进一步改进：
S1中，所述乙酸的摩尔浓度为0.05～0.4mol/L；所述胶原蛋白溶液中胶原蛋白的质量分数为0.01～3％。
S3中，所述制冷片的温度为-40～-10℃；所述制冷的时间为2～4h。
S4中，所述真空冷冻干燥的冷阱温度为-70～-30℃；真空度为3～5Pa，时间为： 18～60h。
S5中，所述戊二醛溶液的质量分数为5～25％；所述交联的时间为1～60min；所述通风干燥的时间为6～24h。
本发明所用半导体制冷片，利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过半导体P/N结串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的；通过水泵带动的流动水实现热量的快速消散以保证高效制冷工作；此外通过连有测温探头的微电脑数字恒温器，实时调节电源输出功率，以达到半导体制冷板的恒温温控作用。
本发明通过制冷片使胶原蛋白溶液的温度从溶液与导热板接触面向远离接触面方向的梯度变化，实现胶原蛋白溶液的梯度冷冻。
本发明所用半导体制冷片的温度恒定，能在导热板和样品溶液的接触面快速产生恒定的温差，利于促进初始冰晶快速形成；并且，通过调节半导体制冷片的温控器，能调节导热板和样品溶液的温差，当半导体制冷片的温度调低时，即温差增大时，初始冰晶的平均直径降低，所制备支架的平均孔径也随之降低、孔隙率随之提高。高效导热板发挥均匀传热的作用，高效的导热率使导热板自身不同区域的温度差异不明显，在材料制备的全过程中使整个接触面的温度不随区域而发生变化，抑制发生冰柱生长过程中因传热不均匀而导致的冰柱间干扰和串联，是孔道结构产生的基础。
本发明有益的技术效果在于：
(1)本发明通过设计冷冻装置，采用半导体制冷片作为冷源，半导体制冷片对电压的要求低，在220V电压下即可工作，提供稳定的冷源；制冷片温度可控，温度越低，接触冷却面的溶液形成的冰柱的直径越小，支架的孔径降小，孔隙率越高，因此可以制备不同孔径和孔隙率的支架，本发明所用制冷片温度最低可达到-40℃，所形成的孔道的直径可以达到5～400μm。
(2)本发明采用银、铜、金作为接触样品的导热板，这些材料具有优良、高效的导热性能，导热系数依次为429W/(m·k)、401W/(m·k)、317W/(m·k)，因此能发挥两个方面的优势，首先是导热效率高，能快速在接触面形成初始冰锥，这是制备含孔道取向支架的前提条件；其次是导热均匀，因为导热板本身的热量能够快速扩散，显著降低导热板不同部位的温度差异，导热板中心温度和边缘温度差异不高于0.5℃，保证导热板和样品接触面的稳定的热量传导。
(3)本发明通过梯度冷冻胶原蛋白溶液，仅在与导热板接触的一面传热，梯度冷冻的作用是使与导热板接触的溶液产生初始冰晶，并从接触面开始由远到近形成冰柱，是最终产生孔道结构的基础；单面传热的优势是使新产生的冰柱贯穿材料，如果其他面也放置冷源，即多面传热的条件下，将阻碍孔道结构的产生。
(4)本发明通过以半导体冷却片作为冷源和以高效导热的导热板作为热传递介质，制备含有孔道结构的取向支架，支架的孔隙率达80～90％，支架的平均孔径为50～400μm，支架与皮肤具有良好的组织相容性。
附图说明
图1为本发明所述装置示意图。
图中：1、散热系统；2、制冷片；3、导热板、4、隔热套；5、冷却水入口； 6、交流电源接口1；7、冷却水出口；8、交流电源接口2；11、取向支架生成盒体。
图2为将散热系统、制冷片及导热板移走后，取向支架生成盒体的俯视图。
图中：4、隔热套；9、模具；10、样品池；11、取向支架生成盒体。
图3为图2从A-A位置的剖视图。
图中：4、隔热套；9、模具；10、样品池；11、取向支架生成盒体。
图4为本发明实施例1制备的含孔道结构的取向胶原蛋白支架的纵切面结构的SEM图。
图5为本发明实施例1制备的含孔道结构的取向胶原蛋白支架的横切面结构的SEM图。
图6为本发明对比例1制备的多孔胶原蛋白支架的纵切面结构的SEM图。
图7为本发明对比例1制备的多孔胶原蛋白支架的横切面结构的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1：
一种含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置，如图1所示，包括：散热系统1、制冷片2、导热板3和取向支架生成盒体11；导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面；制冷片2盖设于导热板3的上表面，散热系统1盖设于制冷片 2的上表面；取向支架生成盒体11包括隔热套4、模具9和样品池10(如图2-3 所示)。
模具9位于隔热套4内部，模具9的内部空腔为样品池10。
散热系统1为水冷散热系统，散热系统1的一侧设置有冷却水入口5和冷却水出口7；制冷片2的一侧上设置有交流电源接口16和交流电源接口28。
制冷片2为半导体制冷片；厚度为2mm；导热板3的材质为银；厚度为0.1mm。
隔热套4的材质为聚苯乙烯；厚度为6cm；模具9的材质为聚乙烯醇薄膜，厚度为0.1cm。
用本实施例所述装置制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法，方法包括如下步骤：
S1：将组织来源胶原蛋白或脱端粒胶原蛋白冻干原料剪碎加入0.05mol/L乙酸溶液中，配置质量分数为0.01％的胶原蛋白溶液，室温下使用磁力转子搅拌 6h使溶解完全，静置12h得到胶原蛋白溶液；
S2：将S1配制的胶原蛋白溶液加入样品池10中，去除气泡；
S3：依次将导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面，将制冷片2盖设于导热板3的上表面，将散热系统1盖设于制冷片2的上表面；然后将制冷片2的电源接通，开始制冷；
S4：制冷结束后，将散热系统1、制冷片2和导热板3移开，将取向支架生成盒体11置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥，在样品池10中得到取向支架初产物；
S5：将S4得到的取向支架初产物取出，置于戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联后，通风干燥，即得含孔道结构胶原蛋白取向支架。
S3中，制冷片2的温度为-10℃；制冷的时间为2h。
S4中，真空冷冻干燥的冷阱温度为-60℃；真空度为4Pa，时间为：18h。
S5中，戊二醛溶液的质量分数为5％；交联的时间为1min；通风干燥的时间为6h。
实施例2：
一种含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置，如图1所示，包括：散热系统1、制冷片2、导热板3和取向支架生成盒体11；导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面；制冷片2盖设于导热板3的上表面，散热系统1盖设于制冷片 2的上表面；取向支架生成盒体11包括隔热套4、模具9和样品池10(如图2-3 所示)。
模具9位于隔热套4内部，模具9的内部空腔为样品池10。
散热系统1为水冷散热系统，散热系统1的一侧设置有冷却水入口5和冷却水出口7；制冷片2的一侧上设置有交流电源接口16和交流电源接口28。
制冷片2为半导体制冷片；厚度为3mm；导热板3的材质为铜；厚度为3mm。
隔热套4的材质为聚苯乙烯；厚度为0.5cm；模具9的材质为聚乙烯醇薄膜，厚度为0.05cm。
用本实施例所述装置制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法，方法包括如下步骤：
S1：将组织来源胶原蛋白或脱端粒胶原蛋白冻干原料剪碎加入0.1mol/L乙酸溶液中，配置质量分数为1％的胶原蛋白溶液，室温下使用磁力转子搅拌6h使溶解完全，静置12h得到胶原蛋白溶液；
S2：将S1配制的胶原蛋白溶液加入样品池10中，去除气泡；
S3：依次将导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面，将制冷片2盖设于导热板3的上表面，将散热系统1盖设于制冷片2的上表面；然后将制冷片2的电源接通，开始制冷；
S4：制冷结束后，将散热系统1、制冷片2和导热板3移开，将取向支架生成盒体11置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥，在样品池10中得到取向支架初产物；
S5：将S4得到的取向支架初产物取出，置于戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联后，通风干燥，即得含孔道结构胶原蛋白取向支架。
S3中，制冷片2的温度为-25℃；制冷的时间为3h。
S4中，真空冷冻干燥的冷阱温度为-70℃；真空度为3Pa，时间为：36h。
S5中，戊二醛溶液的质量分数为15％；交联的时间为30min；通风干燥的时间为12h。
实施例3：
一种含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置，如图1所示，包括：散热系统1、制冷片2、导热板3和取向支架生成盒体11；导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面；制冷片2盖设于导热板3的上表面，散热系统1盖设于制冷片 2的上表面；取向支架生成盒体11包括隔热套4、模具9和样品池10(如图2-3 所示)。
模具9位于隔热套4内部，模具9的内部空腔为样品池10。
散热系统1为水冷散热系统，散热系统1的一侧设置有冷却水入口5和冷却水出口7；制冷片2的一侧上设置有交流电源接口16和交流电源接口28。
制冷片2为半导体制冷片；厚度为4mm；导热板3的材质为金；厚度为5mm。
隔热套4的材质为聚苯乙烯；厚度为10cm；模具9的材质为聚乙烯醇薄膜，厚度为0.2cm。
用本实施例所述装置制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法，方法包括如下步骤：
S1：将组织来源胶原蛋白或脱端粒胶原蛋白冻干原料剪碎加入0.4mol/L乙酸溶液中，配置质量分数为3％的胶原蛋白溶液，室温下使用磁力转子搅拌6h使溶解完全，静置12h得到胶原蛋白溶液；
S2：将S1配制的胶原蛋白溶液加入样品池10中，去除气泡；
S3：依次将导热板3盖设于取向支架生成盒体11的上表面，将制冷片2盖设于导热板3的上表面，将散热系统1盖设于制冷片2的上表面；然后将制冷片2的电源接通，开始制冷；
S4：制冷结束后，将散热系统1、制冷片2和导热板3移开，将取向支架生成盒体11置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥，在样品池10中得到取向支架初产物；
S5：将S4得到的取向支架初产物取出，置于戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联后，通风干燥，即得含孔道结构胶原蛋白取向支架。
S3中，制冷片2的温度为-40℃；制冷的时间为4h。
S4中，真空冷冻干燥的冷阱温度为-30℃；真空度为5Pa，时间为：60h。
S5中，戊二醛溶液的质量分数为25％；交联的时间为60min；通风干燥的时间为24h。
对比例1：
一种多孔胶原蛋白支架的制备方法，包括如下步骤：
(1)将组织来源胶原蛋白或脱端粒胶原蛋白冻干原料剪碎加入0.1M乙酸溶液中，配置质量分数为1％的胶原蛋白溶液，室温下使用磁力转子搅拌6h使溶解完全，静置12h或3000rpm/min离心去除气泡；
(2)将胶原蛋白溶液注入6mm的细胞培养皿内，除去气泡；
(3)放置在-80℃降温4h；
(4)再放置于真空冷冻干燥机中，进行样品的真空冷冻干燥，条件为：冷阱温度55℃、真空度3Pa，时间18h。
(5)取出支架后，置于质量分数为25％戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联20 min，置于通风橱中通风24h，制得随机多孔胶原蛋白支架。
图4-5为实施例1制备的含孔道结构的胶原蛋白支架的纵切面和横切面扫描电子显微镜观察图片，其中，纵切面是平行于取向支架孔道方向；横切面是垂直于取向支架孔道方向，由图4-5可知，材料在纵切面方向即垂直于冷冻面方向显示连通的孔结构，孔之间呈现在趋于平行的取向排列方式。
图6-7为对比例1制备的普通胶原蛋白支架，由图6-7可知普通胶原蛋白支架的纵切面和横切面均显示随机的多孔结构，孔之间不存在取向排列。
因此，本发明通过以半导体冷冻片作为冷源和高效导热板作为传热介质、采用梯度冷冻方法制备的胶原蛋白取向支架的相比对比例1产生了取向排列的多孔结构，并且，其孔隙率与对比例1相比提高了约20％。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：将胶原蛋白加入乙酸溶液中，配制胶原蛋白溶液；
S2：制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的装置；
所述装置包括：散热系统（1）、制冷片（2）、导热板（3）和取向支架生成盒体（11）；所述导热板（3）盖设于取向支架生成盒体（11）的上表面；所述制冷片（2）盖设于导热板（3）的上表面，所述散热系统（1）盖设于制冷片（2）的上表面；所述取向支架生成盒体（11）包括隔热套（4）、模具（9）和样品池（10）；
所述制冷片（2）为半导体制冷片；厚度为2~4 mm；所述导热板（3）的材质为银或金；厚度为0.1~5mm；
S3：将S1配制的胶原蛋白溶液加入S2制备装置的样品池（10）中，去除气泡；依次将导热板（3）盖设于取向支架生成盒体（11）的上表面，将制冷片（2）盖设于导热板（3）的上表面，将散热系统（1）盖设于制冷片（2）的上表面；然后将制冷片（2）的电源接通，开始制冷；
S4：制冷结束后，将散热系统（1）、制冷片（2）和导热板（3）移开，将取向支架生成盒体（11）置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥，在样品池（10）中得到取向支架初产物；
S5：将S4得到的取向支架初产物取出，置于戊二醛溶液的饱和蒸汽中交联后，通风干燥，即得含孔道结构胶原蛋白取向支架。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具（9）位于隔热套（4）内部，模具（9）的内部空腔为样品池（10）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散热系统（1）为水冷散热系统，散热系统（1）的一侧设置有冷却水入口（5）和冷却水出口（7）；所述制冷片（2）的一侧上设置有交流电源接口1（6）和交流电源接口2（8）。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隔热套（4）的材质为聚苯乙烯；厚度为0.5~10cm；所述模具（9）的材质为聚乙烯醇薄膜，厚度为0.05~0.2cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，所述乙酸的摩尔浓度为0.05~0.4mol/L；所述胶原蛋白溶液中胶原蛋白的质量分数为0.01~3%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中，所述制冷片（2）的温度为-40~-10℃；所述制冷的时间为2~4h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中，所述真空冷冻干燥的冷阱温度为-70~-30℃；真空度为3~5Pa，时间为：18~60 h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S5中，所述戊二醛溶液的质量分数为5~25%；所述交联的时间为1~60min；所述通风干燥的时间为6~24h。
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