CN115679695A - 一种促进组织再生的杂化纤维及其制备方法以及使用了该纤维的纤维结构物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种促进组织再生的杂化纤维及其制备方法以及使用了该纤维的纤维结构物。该制备方法包括:制备高浓度再生丝蛋白原液；制备含促进组织再生的生长因子的再生丝蛋白纺丝原液；使用步骤S2中制备的再生丝蛋白纺丝原液纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维；对聚合物纤维表面进行等离子体处理；用丝蛋白溶液对步骤S4中的等离子体处理后的聚合物纤维表面进行涂层修饰；将步骤S3中得到的含生长因子的再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面修饰处理后的聚合物纤维按适当比例加捻成纤，制备出杂化纤维。通过对上述杂化纤维进行相应的工艺处理，可以得到适用于不同使用场景的结构。
Description
技术领域
本发明属于纤维杂化材料制备技术领域，涉及一种促进组织再生的杂化纤维及其制备方法以及使用了该纤维的纤维结构物。
背景技术
联合工程生物材料进行身体组织再生的方式我们称为原位组织再生。原位组织再生利用人体的再生潜力来控制细胞功能以进行组织修复。用于原位组织工程的生物材料的设计需要对生物物理和生化线索的精确控制，以将内源性细胞引导至损伤部位。需要这些线索来通过调节细胞外微环境或驱动细胞重编程来诱导再生。因此促进组织再生的材料研究非常引起了科研人员的广泛兴趣并得到迅猛发展，此类材料一般都能诱导周围组织细胞的修复和生长，在生物医学领域具有十分重要的应用。如在创伤骨材料中的PGA(聚羟基乙酸)能促进骨愈合；医用敷料中含有的生物活性玻璃敷料能激活于伤口愈合有关基因的表达，促成纤维细胞的增殖和分化，促进组织修复与再生；牙周手术中常用的GTR(引导组织再生)膜能引导骨源性细胞优先占领修复区域，以对缺损区域进行修复。对于这类促进组织再生的材料，应具有良好的生物相容性和生物可降解性，尽量减小使用过程中对人体的损害。但对于大部分能促进组织再生的材料，往往存在一些缺点，如强度不足，无法用于强度需求较高的场景；只能促进某种组织细胞的再生长，可调控性能不足。
而这些不足可通过将促进组织再生材料和传统材料的结合来调节材料的性能而得到解决。
丝蛋白(从天然蚕丝中脱去丝胶的蛋白，又称丝素蛋白)是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，具有优良的生物相容性和良好的物理化学性能，在体内可以缓慢降解为氨基酸,且降解产物对生物体无危险性。研究表明丝蛋白材料具有比其他天然纤维和高性能合成纤维更独特的力学性能，可通过不同方法处理获得多种形态及改变表面性能。但由于再生丝蛋白的力学性能无法完全满足一些人体环境的要求，经常只能应用到一些低强度的生物修复领域。
促进组织生长材料自身的缺点很大程度上限制了材料的应用范围。为解决这个问题，可以将促进组织再生材料与传统材料相结合，通过特定的工艺，制备出新型的复合材料，能在保留材料优良的生物相容性与修复性能时，赋予该材料一定的强度与功能，拓宽材料的应用范围。如人工韧带的材料PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，治疗效果与自体移植物相似，甚至优于自体移植物，但PET韧带的细胞相容性较差，不利于细胞在其表面黏附、增殖以及骨分化。而再生丝素蛋白可通过纺丝工艺制成纤维状材料，可以将再生丝素蛋白与PET进行混合编织制备人工韧带，并在再生丝素蛋白中加入生长因子，提高韧带的生物相容性，并促进骨髓道细胞的增殖分化。
虽然在已有的专利中也提到用丝蛋白修饰人工韧带(授权公告号CN203841854U)，但是该专利中的方法只是把PET韧带浸泡在丝蛋白溶液里一段时间，没有对PET纤维进行处理，所以丝蛋白涂层容易脱落，作用力不强。还有专利中提到用再生丝素蛋白涂覆医用补片(公开号CN 101195043A)，改善了医用补片的生物相容性，降低了使用过程中与机体组织间产生的粘连，但未能进一步促进组织细胞的生长修复。因此，需要一种能够制备出使用更可靠、促进组织修复功能更佳的再生丝素蛋白聚合材料的方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够促进组织再生的杂化纤维材料及其制备方法，在可用于生物体修复的医用聚合物材料如PET/PP/等基础上，将采用功能性再生丝蛋白纤维与聚合物纤维混合加捻杂化形成新的多级杂化纤维材料。
本发明提出的能够促进组织再生的杂化纤维的制备方法包括以下步骤：
S1:制备高浓度再生丝蛋白原液；
S2:制备含促进组织再生的生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，所述生长因子为能够促进组织生长的离子、化合物或混合物；
S3:使用步骤S2中制备的再生丝蛋白纺丝原液纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维；
S4:对聚合物纤维表面进行等离子体处理；
S5:用丝蛋白溶液对步骤S4中的等离子体处理后的聚合物纤维表面进行涂层修饰；
S6:将步骤S3中得到的含生长因子的再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面修饰后的聚合物纤维按适当比例加捻成纤，制备出杂化纤维。
优选的，所述生长因子包括但不限于镁离子化合物、钙离子、FGF21或纳米锌。
优选的，步骤S3中的纺制方法包括湿法纺丝、干法纺丝或静电纺丝。
优选的，所述聚合物纤维为可用于生物体修复的医用聚合物纤维材料，包括但不限于PET纤维、PP纤维、PCL纤维及其上述纤维的混合纤维。
进一步的，所述步骤S1中的制备高浓度再生丝蛋白原液的方法为：a)脱胶：将桑蚕蚕丝放入碳酸钠、碳酸氢钠的水溶液或者碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液中，加热煮沸，取出后用纯化水清洗，脱去丝胶蛋白，留下丝蛋白，将丝蛋白烘干，获得干燥后的丝蛋白，备用；b)溶解：将上述干燥后的丝蛋白以溶于溴化锂水溶液中，获得含丝蛋白和少量不溶性颗粒组成的混合液；c)过滤：将混合液经过多次过滤得到澄清的溴化锂蛋白溶液；d)超滤：取澄清溶液加入纯净水稀释后，通入超滤系统脱盐，将最终溶液的丝蛋白浓度浓缩至5-40wt％。
进一步的，所述步骤S2中的制备含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液的方法为：将生长因子于去离子水中搅拌分散，得到分散液，将该分散液缓慢加入到步骤S1中得到的高浓度再生丝蛋白水溶液中，充分混合均匀后即得到含生长因子的高浓度再生丝蛋白纺丝原液，并通过控制分散液的浓度、再生丝蛋白水溶液的浓度及两者的混合比例，控制最终获得的含生长因子的纺丝原液中的丝蛋白的浓度为5-40wt％，。
进一步的，所述步骤S3中的制备含生长因子的再生丝蛋白纤维的方法为：用步骤S2中配置的含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，采用纺丝设备纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维。
进一步的，所述步骤S4中的对聚合物纤维表面等离子体处理的方法为：将聚合物纤维置于大气低温等离子放电实验装置中，以气固反应釜作容器，氦气作为载气，电压选择30-50v，电流强度为1-3A，等离子体处理时间为10-200秒。
进一步的，所述步骤S5中的用丝蛋白溶液对步骤S4中的聚合物纤维表面进行涂层修饰的方法为：向丝蛋白溶液中添加生长因子，搅拌溶解，并将步骤S4中等离子体处理后的聚合物纤维浸泡于上述添加了生长因子的丝蛋白溶液中。
进一步的，步骤S6中，含生长因子的再生丝蛋白纤维与表面处理后的聚合物纤维的比例为1：99至99：1，优选为1:50至50:1，更优选为1:20至20:1，最优选1:4至4:1。
本发明还提出了一种纤维结构物，通过对上述杂化纤维进行相应的工艺处理，得到适用于不同使用场景的结构，包括但不限于人工韧带、人工疝气补片、人工肌腱和吊带。
本发明的有益效果：
本发明将高浓度液晶态的丝蛋白通过独特的绿色成型工艺纺制成高性能纤维,这是丝蛋白从无规线团/α-螺旋构象转变成β-折叠构象的蛋白质变性过程。丝蛋白这种特殊的蛋白质结构，加大了成型的复杂性，本发明基于蚕丝纤维的成型机理，结合精妙和复杂的纺丝技术控制了分子取向,获得了具有优异综合力学性能的天然丝纤维。
另外，本发明通过对聚合物纤维表面进行等离子体处理，增加了其表面粗糙度，细胞附着性增强，便于将丝蛋白修饰于纤维表面；通过与含有生长因子的再生丝蛋白纺丝纤维混合编织后，植入人体内初期能够快速诱导组织细胞的黏附和细胞分化，在后续生长过程中还能起到缓慢修复的作用。
附图说明
图1为促进组织再生的杂化纤维材料制备方法流程图；
图2为步骤S3中的纺丝工艺示意图，图中附图标记的含义为：A：氮气气瓶；B：压力调节器；C：纺丝液储存筒；D：纺丝液；E：挤出口；F：凝固浴；G：牵引辊；H:卷取辊；
图3为实施例1制备的人工韧带上细胞生长情况；
图4为细胞接种在实施例1制备的人工韧带上后1型胶原mRNA的表达情况的示意图；
图5为细胞接种在实施例1制备的人工韧带上后骨钙素mRNA的表达情况的示意图；
图6为细胞接种在实施例1制备的人工韧带上后骨桥蛋白mRNA的表达情况的示意图；
图7为实施例1中制备的人工韧带的力学性能测试图；
图8为实施例1中制备的丝蛋白杂化纤维表面形貌图；
图9为实施例1中制备的人工混合编织的韧带实物图。
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，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，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发明所限定的保护范围之内。
实施例1
本实施例提出了一种具有促进骨髓道细胞生长的人工韧带的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备高浓度再生丝蛋白原液，具体为：a)脱胶：将桑蚕蚕丝放入煮沸的质量分数为0.1-5％的碳酸钠、碳酸氢钠的水溶液或者碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液中，加热煮沸10-120分钟，取出后用纯化水清洗，脱去丝胶蛋白，留下丝蛋白，将丝蛋白在25-100℃烘干，获得干燥后的丝蛋白，备用；b)溶解：将上述干燥后的丝蛋白以质量体积比小于等于1：1溶于9.3M的溴化锂(LiBr)水溶液中，在25-100℃下水浴10-120分钟加热至丝蛋白充分溶解，获得含丝蛋白和少量不溶性颗粒组成的混合液；c)过滤：将混合液先用50-200目过滤袋初步过滤掉不溶性颗粒杂质，再依次用玻璃纤维滤纸，PES滤纸过滤，得到澄清的溴化锂蛋白溶液；d)超滤：取澄清溶液加入一倍纯净水稀释后，通入超滤系统脱盐，膜的截流分子量为10-200kda，将最终溶液的丝蛋白浓度浓缩至5-40wt％。
S2：制备含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，本实施例中，采用镁离子作为生长因子，具体方法为：将氯化镁于去离子水中搅拌分散1-24小时，得到质量分数为1-10wt％氯化镁溶液。将此溶液缓慢加入到步骤S1中得到的高浓度再生丝蛋白水溶液中，得到含氯化镁的纺丝原液，并控制最终获得的含氯化镁的纺丝原液中的丝蛋白的浓度为5-40wt％，其中氯化镁占溶液中固含量质量百分数的0.1-10％，充分混合均匀后即得到高浓度再生丝蛋白和氯化镁混合溶液。
S3：采用湿法纺丝方法制造含生长因子的再生丝蛋白纤维：用步骤S2中配置的含生长因子的高浓度再生丝蛋白纺丝原液，以固含量为1-50wt％的硫酸铵水溶液作为凝固浴，采用如图2所示的纺丝设备纺制高倍拉伸的含生长因子的再生丝蛋白纤维。再生丝蛋白纤维拉伸倍率为2-8倍，湿法纺丝所用喷丝头的喷丝口直径为50-300μm，凝固浴温度为25-80℃。将所有新纺制的再生丝蛋白纤维置于固含量为1-50wt％的硫酸铵水溶液中于室温下进一步固化1-10小时，然后用去离子水浸泡去除再生丝蛋白纤维上的硫酸铵。最后，将再生丝蛋白纤维取出用去离子水清洗后自然干燥。
S4：PET纤维表面等离子体处理：将PET纤维置于大气低温等离子放电实验装置中进行等离子体处理。以气固反应釜作容器，氦气作为载气，电压选择30-50v，电流强度为1-3A。等离子体处理时间为10-200秒。
S5：丝蛋白溶液涂层修饰：向浓度为10wt％丝蛋白溶液中添加2.0wt％氯化镁，搅拌溶解，并将步骤S4中等离子体处理后的PET纤维浸泡于添加了氯化镁的丝蛋白溶液中24小时，在PET纤维表面得到一层带有生长因子的丝蛋白修饰膜。
S6:将步骤S3中得到的含生长因子的再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面处理后的聚合物纤维按1：4比例进行加捻成纤。所得到的丝蛋白杂化纤维表面形貌如图8所示。
S7：人工韧带的编织：将S6中得到的杂化纤维进行编织，得到合适尺寸的人工韧带，如图9所示。
图3示出了采用实施例1的方法制备的人工韧带上细胞的生长情况。为了研究人工韧带的细胞相容性，将小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)接种在人工韧带上，用钙黄绿素-AM(calcein-AM)方法来评估细胞在韧带上的生长情况。从图3中可以看出，随着培养时间的延长细胞在韧带上的数量逐渐增多，表明采用本发明的方法制备的人工韧带具有良好的细胞相容性。
此外，还通过对1型胶原(COL1)、骨钙素(OCN)和骨桥蛋白(OPN)进行实时荧光定量聚合酶链反应(RT-qPCR)分析评估了人工韧带对MC3T3-E1细胞成骨分化的影响情况。从图4、图5和图6中可以看到，细胞培养14天和21天后，1型胶原mRNA、骨钙素mRNA和骨桥蛋白mRNA的表达量均显著增加。这意味着该人工韧带的材料具有显著的诱导组织生长的作用。
图7示出的是该人工韧带的力学性能，从图中可见，人工韧带拉伸测试中最大载荷为153.9N，体现了较好的力学性能。
实施例2
本实施例提出了一种具有促进组织生长的疝气补片的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备高浓度再生丝蛋白原液，方法同实施例1的步骤S1。
S2：制备含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，本实施例子中，采用FGF21作为生长因子，具体方法为：将FGF21于去离子水中搅拌分散1-24小时，得到质量分数为1-10wt％FGF21溶液。将此溶液缓慢加入到步骤S1中得到的高浓度再生丝蛋白水溶液中，而得到含FGF21的纺丝原液，并控制最终获得的含FGF21的纺丝原液中的丝蛋白的浓度为5-40wt％，其中FGF21占溶液中固含量质量百分数的0.1-10％，充分混合均匀后即得到高浓度再生丝蛋白和FGF21混合溶液。
S3：采用干法纺丝方法制备含生长因子的再生丝蛋白纤维：用步骤S2中配置的含生长因子的高浓度再生丝蛋白纺丝原液，以高温空气作为凝固浴，采用纺丝设备纺制高倍拉伸的含生长因子的再生丝蛋白纤维。再生丝蛋白纤维拉伸倍率为2-8倍，干法纺丝所用喷丝头的喷丝口直径为50-300μm，凝固浴温度为25-80℃。将所有新纺制的生丝蛋白纤维置于乙醇水溶液中于室温下进一步固化1-10小时。最后，将再生丝蛋白纤维取出用去离子水清洗后自然干燥。
S4：PP(聚丙烯)纤维表面等离子体处理：将PP纤维置于大气低温等离子放电实验装置中进行等离子体处理。以气固反应釜作容器，氦气作为载气，电压选择30-50v，电流强度为1-3A。等离子体处理时间为10-200秒。
S5：丝蛋白溶液涂层修饰：向浓度为10wt％丝蛋白溶液中添加0.1wt％的FGF21，搅拌溶解，并将步骤S4中等离子体处理后的PP纤维浸泡于添加了FGF21的丝蛋白溶液中24小时，在PP纤维表面得到一层带有生长因子的丝蛋白修饰膜。
S6:将步骤S3中得到的含生长因子的再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面处理后的聚合物纤维按1：4比例进行加捻成纤。
S7：疝补片的编织：将步骤S6中得到的杂化纤维进行编织，得到合适尺寸的人工疝气补片。
实施例3
本实施例提出了一种具有促进组织生长的人工肌腱的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备高浓度再生丝蛋白原液，方法同实施例1的步骤S1。
S2：制备含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，本实施例子中，采用纳米锌作为生长因子，具体方法为：将纳米锌于去离子水中搅拌分散1-24小时，得到纳米锌分散液。将此溶液缓慢加入到步骤S1中得到的高浓度再生丝蛋白水溶液中，而得到含纳米锌的纺丝原液，并控制最终获得的含纳米锌的纺丝原液中的丝蛋白的浓度为5-40wt％，其中纳米锌占溶液中固含量质量百分数的0.1-10％，充分混合均匀后即得到高浓度再生丝蛋白和纳米锌混合溶液。
S3：采用静电纺丝方法制备含生长因子的再生丝蛋白纤维：用步骤S2中配置的含生长因子的高浓度再生丝蛋白纺丝原液，采用静电纺丝设备纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维。静电纺丝过程在室温下进行,相对湿度为50％。将所有新纺制的生丝蛋白纤维置于乙醇水溶液中于室温下进一步固化1-10小时。最后，将再生丝蛋白纤维取出用去离子水清洗后自然干燥。
S4：PCL(聚己内酯)纤维表面等离子体处理：将PCL纤维置于大气低温等离子放电实验装置中进行等离子体处理。以气固反应釜作容器，氦气作为载气，电压选择30-50v，电流强度为1-3A。等离子体处理时间为10-200秒。
S5：丝蛋白溶液涂层修饰：向浓度为10wt％丝蛋白溶液中添加0.5wt％纳米锌，搅拌溶解，并将步骤S4中等离子体处理后的PCL纤维浸泡于含有纳米锌的丝蛋白溶液中24小时，在PCL纤维表面得到一层带有生长因子的丝蛋白修饰膜。
S6:将步骤S3中得到的功能性再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面处理后的聚合物纤维按1：4比例进行加捻成纤。
S7：人工肌腱的编织：将步骤S6中得到的杂化纤维进行编织，得到合适尺寸的人工肌腱。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种能够促进组织再生的杂化纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:制备高浓度再生丝蛋白原液；
S2:制备含促进组织再生的生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，所述生长因子为能够促进组织生长的离子、化合物或混合物；
S3:使用步骤S2中制备的再生丝蛋白纺丝原液纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维；
S4:对聚合物纤维表面进行等离子体处理；
S5:用丝蛋白溶液对步骤S4中的等离子体处理后的聚合物纤维表面进行涂层修饰；
S6:将步骤S3中得到的含生长因子的再生丝蛋白纤维同步骤S5中得到的表面修饰后的聚合物纤维按适当比例加捻成纤，制备出杂化纤维。
2.根据权利要求1所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述生长因子包括但不限于镁离子化合物、钙离子、FGF21或纳米锌。
3.根据权利要求2所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的制备含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液的方法为：将生长因子于去离子水中搅拌分散，得到分散液，将该分散液缓慢加入到步骤S1中得到的高浓度再生丝蛋白水溶液中，充分混合均匀后即得到含生长因子的高浓度再生丝蛋白纺丝原液，通过控制分散液的浓度、再生丝蛋白水溶液的浓度及两者的混合比例，控制最终获得的含生长因子的纺丝原液中的丝蛋白的浓度为5-40wt％，。
4.根据权利要求3所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的制备含生长因子的再生丝蛋白纤维的方法为：用步骤S2中配置的含生长因子的再生丝蛋白纺丝原液，采用纺丝设备纺制含生长因子的再生丝蛋白纤维。
5.根据权利要求4所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的纺制方法包括湿法纺丝、干法纺丝或静电纺丝。
6.根据权利要求5所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中的对聚合物纤维表面进行等离子体处理的方法为：将聚合物纤维置于大气低温等离子放电实验装置中，以气固反应釜作容器，氦气作为载气，电压选择30-50v，电流强度为1-3A，等离子体处理时间为10-200秒。
7.根据权利要求6所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述聚合物纤维为可用于生物体修复的医用聚合物纤维材料，包括PET纤维、PP纤维、PCL纤维或者上述纤维的混合纤维。
8.根据权利要求7所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中的用丝蛋白溶液对步骤S4中的聚合物纤维表面进行涂层修饰的方法为：向丝蛋白溶液中添加生长因子，搅拌溶解，并将步骤S4中等离子体处理后的聚合物纤维浸泡于上述添加了生长因子的丝蛋白溶液中。
9.根据权利要求8所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6中，含生长因子的再生丝蛋白纤维与表面修饰后的聚合物纤维的比例为1：99至99：1，优选为1:50至50:1，更优选为1:20至20:1，最优选1:4至4:1。
10.根据权利要求9所述的杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的制备高浓度再生丝蛋白原液的方法为：a)脱胶：将桑蚕蚕丝放入碳酸钠、碳酸氢钠的水溶液或者碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液中，加热煮沸，取出后用纯化水清洗，脱去丝胶蛋白，留下丝蛋白，将丝蛋白烘干，获得干燥后的丝蛋白，备用；b)溶解：将上述干燥后的丝蛋白以溶于溴化锂水溶液中，获得含丝蛋白和少量不溶性颗粒组成的混合液；c)过滤：将混合液经过多次过滤得到澄清的溴化锂蛋白溶液；d)超滤：取澄清溶液加入纯净水稀释后，通入超滤系统脱盐，将最终溶液的丝蛋白浓度浓缩至5-40wt％。
11.一种能够促进组织再生的杂化纤维，其特征在于，由权利要求1-10所述的方法制备而成。
12.一种纤维结构物，其特征在于，通过对由权利要求1-10的方法制备出的杂化纤维进行相应的工艺处理，得到适用于不同使用场景的结构，包括人工韧带、人工疝气补片或人工肌腱。
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