CN114507916A - 具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维及其制备方法与应用 - Google Patents

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陈艳艳
黄雷
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Abstract

本发明公开了一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维及其制备方法与应用。所述制备方法包括：使摩尔比为0.1~1.0:1.0~10的巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射，并于碱性溶液中，温度为0~100℃的条件下发生点击加成反应10~60s，获得第一壳聚糖纤维；将所述第一壳聚糖纤维完全浸渍于乙醇水溶液中，并于‑50~100℃发生二次交联反应0.5~48h，之后进行冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的第二壳聚糖微纤维。本发明利用巯基与共轭烯酮的点击加成原理，实现壳聚糖分子链的快速交联，之后进行溶剂交换，产生径向应力从而形成表面轴向沟槽拓扑结构；制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维可定向调控细胞的行为及功能，在再生医学中具备重要的应用价值。

Description

具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维及其制备方法与应用。
背景技术
壳聚糖纤维作为生物基纤维新材料的一种，来自于海洋中的虾蟹壳，资源丰富，可再生，具有生态环保、人体亲和性高等特点，应用领域十分广阔。尤其是表面具有沟槽拓扑结构壳聚糖纤维在再生医学中具备重要的应用价值；目前表面具有沟槽拓扑结构壳聚糖纤维采用微流道的技术，通过设计特定的微流道通道，例如海藻酸盐是制备纤维原材料的一种，利用海藻酸盐和钙离子快速固化的性质形成一定直径的海藻酸盐纤维，在此基础上，设计微流道通道沟槽内部结构，即得到表面沟槽拓扑结构的微纤维。如何提供一种简单、快速、高效制备具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的制备方法，其包括：
使摩尔比为0.1~1.0:1.0~10的巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射，并于碱性溶液中，温度为0~100℃的条件下发生点击加成反应10~60s，获得第一壳聚糖纤维；
将所述第一壳聚糖纤维完全浸渍于乙醇水溶液中，并于-50~100℃发生二次交联反应0.5~48h，之后进行冷冻干燥处理，至少使第一壳聚糖纤维产生径向应力，从而在所述第一壳聚糖纤维表面形成沟槽拓扑结构，获得具有沟槽拓扑结构的第二壳聚糖微纤维，即具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维；
其中，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构，所述壳聚糖微纤维表面的沟槽直径为3.0~30μm，沟槽深度为5~10μm。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构。
本发明实施例还提供了一种细胞培养装置，其包括前述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
本发明实施例还提供了一种细胞培养方法，其包括：利用前述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维作为细胞培养基底培养神经干细胞。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明利用巯基与共轭烯酮的点击加成原理，实现壳聚糖分子链的快速交联，利用注射泵挤压注射器可形成壳聚糖纤维，之后将成型的壳聚糖纤维在乙醇中浸泡，溶剂交换可促进壳聚糖分子链间的疏水作用力和侧链间的氢键作用，产生径向应力从而形成表面轴向沟槽拓扑结构；
（2）本发明提供的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的制备方法较目前的湿法纺丝和微流道技术更为简单方便，适用性强，可大规模制备；
（3）本发明制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维可以调控细胞粘附性为，沟槽的形成增大了纤维的比表面积，为细胞提供更多的黏附位点，沟槽的方向与纤维的轴向通向，可以定向调控细胞迁移行为；
（4）本发明制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维可通过接触引导作用定向调控细胞的行为及功能，通过体外和体内实验验证了这种表面特定拓扑结构的纤维有利于神经干细胞的定向迁移，并促进脊髓损伤修复，在再生医学中具备重要的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中制备具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的流程示意图；
图2是本发明实施例1制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的拉伸曲线图，
图3a-图3b是本发明实施例1制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的表面微观形貌图；
图4是本发明实施例1制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维生长神经干细胞的SEM图；
图5是神经干细胞（NSCs）在本发明实施例1制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维（CSF-D）表面进行分化的免疫荧光结果图；
图6是实施例1中神经干细胞（NSCs）在光滑纤维（CSF-S）表面进行分化的免疫荧光结果图；
图7是实施例1中神经干细胞在CSF-S和CSF-D上分化培养7天后Tuj1和GFAP阳性对比图；
图8是本发明对比例1中制备的纤维的电镜图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其采用巯基点击加成的快速反应性质，利用简单的注射器和注射泵制备壳聚糖纤维，然后将壳聚糖纤维在乙醇溶液中浸泡，在溶剂交换过程中，纤维内部壳聚糖分子链间的疏水作用和分子间氢键增强，使表面产生径向收缩应力，从而在纤维表面形成沟槽拓扑结构。
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供的一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的制备方法包括：
使摩尔比为0.1~1.0:1.0~10的巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射，并于碱性溶液中，温度为0~100℃的条件下发生点击加成反应10~60s，获得第一壳聚糖纤维；
将所述第一壳聚糖纤维完全浸渍于乙醇水溶液中，并于-50~100℃发生二次交联反应0.5~48h，之后进行冷冻干燥处理，至少使第一壳聚糖纤维产生径向应力，从而在所述第一壳聚糖纤维表面形成沟槽拓扑结构，获得具有沟槽拓扑结构的第二壳聚糖微纤维，即具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维；
其中，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构，所述壳聚糖微纤维表面的沟槽直径为3.0~30μm，沟槽深度为5~10μm。
本没发明中巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合后的前体溶液具备剪切变稀的性质，采用挤压注射可以在前体溶液固化前为其提供一个剪切应力，防止纤维制备过程针头的堵塞，保证纤维的连续制备；冷冻干燥处理将溶剂直接由固态变成气态，是一个升华的过程，可以有效保护纤维表面拓扑结构在纤维干燥过程中不被破坏，而风干过程是液态转变为气态的过程，是蒸发过程，液体的界面张力不仅会破坏纤维表面拓扑结构。
在一些较为具体的实施方案中，所述共轭烯酮化壳聚糖包括马来酸酐化壳聚糖、丙烯酸化壳聚糖、甲基丙烯酸化壳聚糖、2-丁烯酸化壳聚糖中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：将巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射装置进入碱性溶液发生点击加成反应，立即将获得的所述第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中；其中挤压速度为1~100mL/h，针头直径为30~1000μm。
进一步地，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液。
进一步的，所述乙醇水溶液中乙醇的体积分数大于50%。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：使马来酸酐与壳聚糖于0~80℃发生反应1~24h，获得马来酸酐化壳聚糖。
进一步的，所述马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为0.1~10：1。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：使巯基丁二酸与壳聚糖于0~80℃发生反应1~24h，获得所述巯基化壳聚糖。
进一步的，所述巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为0.1~10：1。
在一些更为具体的实施方案中，所述具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的制备方法具体包括（流程示意图如图1所示）：
以马来酸酐修饰壳聚糖制备马来酸酐化壳聚糖，以巯基丁二酸修饰壳聚糖制备巯基化壳聚糖。通过巯基化壳聚糖（CS-SH）与马来酸酐化壳聚糖（MCS）的点击加成实现快速成型，从而制备壳聚糖纤维（亦前述的“第一壳聚糖纤维”），并将制备得到的纤维浸泡在不同浓度乙醇溶液中进行二次交联，得到具备表面沟槽拓扑结构的壳聚糖纤维。
本发明中的第一步化学交联过程，壳聚糖衍生物自身互为交联剂，有效避开了有毒小分子交联剂的引入，并因点击加成特有的高效性实现了快速成型，第二步交联引入的疏水作用力和壳聚糖侧链间的氢键作用，使纤维产生径向应力，纤维收缩，表面形成沟槽拓扑结构。
在一些更为具体的实施例中，所述马来酸酐化壳聚糖的制备方法包括：将含有壳聚糖的酸溶液和含有马来酸酐的酮溶液混合后进行反应，再进行透析、冷冻干燥；优选地，所述壳聚糖链上游离氨基与所述马来酸酐的摩尔比为1:1~10。
具体地包括：准确称取壳聚糖1.5g，溶于质量分数为0.01%的乙酸中。在磁力搅拌器作用下基本溶解均匀后，置于超声振荡器中超声30 min。准确称取马来酸酐1.8g，加入5ml丙酮使其完全溶解。将溶解后的马来酸酐匀速缓慢的加入壳聚糖乙酸溶液中，在磁力搅拌器下搅拌20min左右使其充分混匀。将混合均匀的液体转入150ml圆底烧瓶中，置于集热式磁力搅拌器中，设置温度40℃，恒温加热反应2h。反应停止后透析三天，每隔5h换一次透析液，冷冻干燥三天得到马来酸酐化壳聚糖产物。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构。
进一步的，所述壳聚糖微纤维表面的沟槽直径为3.0~30μm，沟槽深度为5~10μm。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种细胞培养装置，其包括前述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种细胞培养方法，其包括：利用前述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维作为细胞培养基底培养神经干细胞。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维于制备能够定向调控细胞行为或细胞功能的产品中的用途。
进一步的，所述用途包括具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维于调控神经干细胞的定向迁移。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
（1）使马来酸酐与壳聚糖于40℃发生反应12h，获得马来酸酐化壳聚糖，其中马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于50℃发生反应10h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为60℃发生点击加成反应30s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖的摩尔比为0.1:1.0，挤压速度为50mL/h，针头直径为400μm，注射器体积为25mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于20℃发生二次交联反应8h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
性能表征：本实施例制备的壳聚糖微纤维的拉伸曲线如图2所示（其中CSF表示壳聚糖纤维，400是制备纤维所用针头的直径是400微米，0-10分别表示乙醇浓度（体积分数）分别为0%-100%；注：CSF-S指代CSF-400-0，为交联壳聚糖纤维；CSF-D指代CSF-400-2、CSF-400-4、CSF-400-6、CSF-400-8、CSF-400-10，为双交联壳聚糖纤维），具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的表面微观形貌如图3a-图3b所示，从图中可观察到纤维表面的沟槽结构。
将本实施例制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维用于神经干细胞的生长，神经干细胞（NSCs）在微纤维表面生长的SEM图如图4所示；同时将神经干细胞（NSCs）在本实施例制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维（CSF-D）和普通的光滑纤维（CSF-S）表面进行分化，其免疫荧光结果分别如图5和图6所示，同时神经干细胞（NSCs）在CSF-S和CSF-D上分化培养7天后Tuj1和GFAP阳性对比如图7所示，说明该纤维可以调控细胞定向生长。
实施例2
（1）使马来酸酐与壳聚糖于0℃发生反应24h，获得马来酸酐化壳聚糖，其中马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于0℃发生反应24h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为0℃发生点击加成反应60s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖的摩尔比为1.0:1.0；挤压速度为50mL/h，针头直径为500μm，注射器体积为25mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于-50℃发生二次交联反应48h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
实施例3
（1）使马来酸酐与壳聚糖于80℃发生反应1h，获得马来酸酐化壳聚糖，其中马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为0.1:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于80℃发生反应1h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为0.1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为100℃发生点击加成反应10s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖的摩尔比为0.1:10；挤压速度为60mL/h，针头直径为300μm，注射器体积为25mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于100℃发生二次交联反应0.5h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
实施例4
（1）使马来酸酐与壳聚糖于60℃发生反应8h，获得马来酸酐化壳聚糖，其中马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为10:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于70℃发生反应6h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为10:1；
（3）使巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为80℃发生点击加成反应20s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与马来酸酐化壳聚糖的摩尔比为1.0:5；挤压速度为1mL/h，针头直径为30μm，注射器体积为0.5ml；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于20℃发生二次交联反应4.0h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
实施例5
（1）使丙烯酸与壳聚糖于60℃发生反应8h，获得丙烯酸酐化壳聚糖，其中丙烯酸与壳聚糖的摩尔比为5:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于70℃发生反应6h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与丙烯酸化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为0℃发生点击加成反应60s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与丙烯酸化壳聚糖的摩尔比为1.0:1.0；挤压速度为100mL/h，针头直径为1000μm，注射器体积为50mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于-50℃发生二次交联反应48h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
实施例6
（1）使甲基丙烯酸与壳聚糖于50℃发生反应12h，获得甲基丙烯酸化壳聚糖，其中甲基丙烯酸与壳聚糖的摩尔比为5:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于60℃发生反应10h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与甲基丙烯酸化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为75℃发生点击加成反应30s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与甲基丙烯酸化壳聚糖的摩尔比为0.1:5；挤压速度为60mL/h，针头直径为300μm，注射器体积为25mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于20℃发生二次交联反应4.0h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
实施例7
（1）使2-丁烯酸与壳聚糖于60℃发生反应8h，获得2-丁烯酸化壳聚糖，其中2-丁烯酸与壳聚糖的摩尔比为5:1；
（2）使巯基丁二酸与壳聚糖于70℃发生反应6h，获得巯基化壳聚糖，其中巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为1:1；
（3）使巯基化壳聚糖与2-丁烯酸化壳聚糖混合通过注射泵挤压注射器，并于氢氧化钠溶液中，温度为100℃发生点击加成反应10s，形成第一壳聚糖纤维，其中巯基化壳聚糖与2-丁烯酸化壳聚糖的摩尔比为0.1:10；挤压速度为60mL/h，针头直径为300μm，注射器体积为25mL；
（4）将步骤（3）所获第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中，并于20℃发生二次交联反应4.0h，之后经冷冻干燥处理，获得具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
对比例1
方法同实施例1，缺少挤压注射的过程，无法制备纤维。
对比例2
方法同实施例1，不同之处在于将冷冻干燥处理替换为普通干燥处理，制备的壳聚糖微纤维电镜图如图8所示。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维的制备方法，其特征在于包括：
使摩尔比为0.1~1.0:1.0~10的巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射，并于碱性溶液中，温度为0~100℃的条件下发生点击加成反应10~60s，获得第一壳聚糖纤维；
将所述第一壳聚糖纤维完全浸渍于乙醇水溶液中，并于-50~100℃发生二次交联反应0.5~48h，之后进行冷冻干燥处理，至少使第一壳聚糖纤维产生径向应力，从而在所述第一壳聚糖纤维表面形成沟槽拓扑结构，获得具有沟槽拓扑结构的第二壳聚糖微纤维，即具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维；
其中，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构，所述壳聚糖微纤维表面的沟槽直径为3.0~30μm，沟槽深度为5~10μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在：所述共轭烯酮化壳聚糖包括马来酸酐化壳聚糖、丙烯酸化壳聚糖、甲基丙烯酸化壳聚糖、2-丁烯酸化壳聚糖中的任意一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体包括：将巯基化壳聚糖与共轭烯酮化壳聚糖混合通过挤压注射装置进入碱性溶液发生点击加成反应，立即将获得的所述第一壳聚糖纤维立即浸渍于乙醇水溶液中；其中挤压速度为1~100mL/h，针头直径为30~1000μm；优选的，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述乙醇水溶液中乙醇的体积分数大于50%。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于还包括：使马来酸酐与壳聚糖于0~80℃发生反应1~24h，获得马来酸酐化壳聚糖。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述马来酸酐与壳聚糖的摩尔比为0.1~10：1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：使巯基丁二酸与壳聚糖于0~80℃发生反应1~24h，获得所述巯基化壳聚糖。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述巯基丁二酸与壳聚糖的摩尔比为0.1~10：1。
9.由权利要求1-8中任一项所述方法制备的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维，所述壳聚糖微纤维表面具有沟槽拓扑结构。
10.一种细胞培养装置，其特征在于包括权利要求9所述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维。
11.一种细胞培养方法，其特征在于包括：利用权利要求9所述的具有沟槽拓扑结构的壳聚糖微纤维作为细胞培养基底培养神经干细胞。
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