CN1919352A - 一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的制备方法和应用，包括如下步骤：将壳聚糖溶于六氟异丙醇/三氟乙酸或六氟异丙醇/甲酸的混合溶液；将聚乳酸－聚己内酯的共混物溶于六氟异丙醇；将两中溶液混合搅拌均匀，得到用于静电纺制备纳米纤维的纺丝溶液；用静电纺的方法，调解电压为5－30KV，注射速度为0.5－2ml/h，接受距离为10－30cm，得到所述的支架。应用与仿生细胞外基质、伤口敷料、酶、基因和药物的载体和仿生细胞外基质。制备出的纳米纤维丝以及其制备的支架材料具较高生物相容性，较好的机械性能，较高的孔隙率，并可体内降解和促进受伤组织的康复等，有望用作皮肤、软骨、血管、神经等组织修复支架。
Description
技术领域
本发明涉及一种组织修复用生物材料支架的制备技术，特别是涉及一种静电纺含壳聚糖的P(LLA-CL)(聚乳酸-聚己内酯的共混物)纳米纤维组织修复支架的制备方法。
背景技术
组织、器官的缺损及功能异常是常见疾病，通常解决方法是器官移植，但存在供体短缺，易引发免疫疾病等问题。新兴的组织工程可以利用生物学、工程学原理制备出替代损伤的组织、器官或恢复其功能的代用品，以达到治疗目的[Langer，Robert，vacanti et al，Tissue Engineering.Science 260.920-9261993.]。组织工程三要素是生物活性支架、种子细胞以及组织构建技术。当前，筛选合适的组织工程用可降解生物活性支架材料和材料支架的构建是限制组织工程发展的关键问题。
天然细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)是由邻近细胞分泌的蛋白纤维、蛋白聚糖和非纤维蛋白等成分通过化学和物理交联组成的具有三维结构的网状结构，为组织的生长提供支撑和弹性[Hari Singh Nalwa，Handbook ofnanostructured Biomaterials and Their Applications in Nanobiotechnology，Journal of Nanoscience and Nanotechnology，American ScientificPublishers，2005.]。优良的组织工程支架应该模仿细胞外基质的结构和功能，包括化学、物理结构和性能。聚合物纳米纤维基质在形态上近似于天然细胞外基质。目前用于制备纳米尺寸聚合物纤维的方法主要包括：静电纺、自组装和相分离，其中静电纺是最简单和高效的方法[Ma ZW，Kotaki M，Inai R，andRamakrishna S，Potential of nanofiber matrix as tissue engineeringscaffolds.Tissue Eng.11.101，2005.]，有望实现纳米纤维的连续产业化生产。静电纺技术是利用高压形成的电场力与溶液表面张力相互作用，制备以天然或者人工聚合物为原料的直径分布在几十纳米到几微米的纤维。目前利用静电纺原理制备天然混合人工聚合物的纤维丝的技术在国内外已有不少报道，如：壳聚糖[Ohkawa K，Cha D，Kim H，et al.Electrospinning of chitosan.Macromol.Rapid Commun.25，1600，2004.]、胶原蛋白[Matthews JA，Wnek GE，SimpsonDG，et al.Electrospinning of collagen nanofibers.Biomacromolecules 3，232，2002.]、P(LLA-CL)[Mo XM，Xu CY，Kotaki M，et al.Electrospun P(LLA-CL)nanofiber：A biomimetic extracellular matrix for smooth muscle cell andendothelial cell proliferation.Biomaterials 25，1883，2004.]、弹性蛋白[Boland ED，Matthews JA，Pawlowski KJ，et al.Electrospinning collagenand elastin：Preliminary vascular tissue engineering.Front.Biosci.9，1422，2004.]等。天然聚合物成分如胶原蛋白、弹性蛋白、透明质酸等经静电纺制备的纤维丝生物相容性好，而且能够为组织的生长提供很好的生长信号，但制备出的纤维力学性能较天然细胞外基质差且原料制备困难。静电纺合成聚合物纳米纤维丝的力学性能好，但不能为组织生长提供生物信号，不利于细胞的黏附和生长。如何在形态和功能上模仿天然细胞外基质，制备出具有良好的生物性能和功能的仿生细胞外基质支架是目前还没有解决好的问题。
结合天然和人工聚合物的优点，制备二者混合的纳米纤维支架，有希望筛选出一种生物相容性好，又具有很高的机械性能三维多孔支架材料以构建组织工程修复用可降解生物活性支架。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，具有类似于天然细胞外基质中蛋白聚糖的结构，是可生物再生、无抗原性、可生物降解并具有良好生物相容性的天然聚合物生物材料，被广泛的应用于创伤敷料、药物释放和组织工程等，但单独静电纺壳聚糖制备组织修复支架无法满足组织修复中机械性能的需要。近来国内外已有将壳聚糖与聚合物材料共同用于静电纺的尝试，如壳聚糖与PVA(聚乙烯醇)混合制备静电纺纳米纤维，该实验证明壳聚糖成分可以促进组织细胞如软骨细胞和成骨细胞的黏附和维持细胞正常的形态[Bhattaai N，Edmondson D，Veiseh O，et al.Electrospun chitosan-basednanofibers and theircellular compatibility，Biomaterials 26，6176-8184，2005.]，但PVA在体内水环境中会溶胀变形且无法降解，不能完全满足于组织工程的特殊要求。另一方面，有报道证明静电纺聚α-羟基酯类生物材料如PGA、PDLLA、PLLA、PCL、PLGA等制备的组织工程支架中PLLA和PCL在细胞培养和形态维持等方面最有应用前景[Li WanJu，James A.CooperJr.，etal.Fabrication and characterization of six electrospunpoly(α-hydroxy ester)-based Wbrous scaVolds for tissue engineeringapplications，Acta Biomaterialia 2，377-385，2006]。P(LLA-CL)是PLLA和批PCL的混合物，其在外科、药物释放、组织工程上的应用已有研究。近来有报道P(LLA-CL)与胶原蛋白共混的静电纺纳米纤维支架，该支架不但具有较好的生物相容性包括对内皮细胞的黏附、迁移、形态以及基因表达的影响，同时制备的支架有较高的机械性能以满足替代组织功能的需要[He W.，Yong T.，TeoW.E.，et al.Fabrication and Endothelialization of Collagen-BlendedBiodegradable Polymer Nanofibers：Potential Vascular Graft for BloodVessel Tissue Engineering，TISSUE ENG.11，1574-1588，2005.]。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的制备方法，以弥补现有技术的不足或缺陷，满足生产和生活的需要。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案之一是：一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的制备方法，包括如下步骤：
(1)将壳聚糖溶于HFIP/TFA(六氟异丙醇/三氟乙酸)或HFIP/FA(六氟异丙醇/甲酸)的混合溶液，完全溶解得到质量体积百分比为2％-10％的溶液；
(2)将聚乳酸-聚己内酯的共混物(P(LLA-CL))溶于六氟异丙醇(HFIP)，完全溶解得到质量体积百分比为2％-10％的溶液；
(3)将步骤(1)和步骤(2)所制得的溶液混合，使壳聚糖占总溶质的质量分数为10％-90％，P(LLA-CL)占总溶质的质量分数为90％-10％，总溶质占溶剂的质量体积百分比为2％-10％，搅拌均匀，得到用于静电纺制备纳米纤维的纺丝溶液；
(4)将得到的纺丝溶液加入静电纺装置中，调解电压为5-30KV，注射速度为0.5-2ml/h，接受距离为10-30cm，得到直径为50-600nm的纳米纤维支架。
作为优选的技术方案：
所述的聚乳酸-聚己内酯的共混物为P(LLA-CL)。
所述的壳聚糖为鱿鱼骨壳聚糖或蟹壳壳聚糖。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案之二是：一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的应用，用作皮肤、软骨、血管、神经组织修复支架。
本发明的有益效果是：本发明首次将类似于人体天然细胞外基质中蛋白聚糖成分的壳聚糖(Chitosan)混入P(LLA-CL)中，利用静电纺技术制备复合纳米纤维，此纤维结合了两者的优点并有望成有较好生物学性能和机械性能的新型组织工程支架材料。制备出的纳米纤维丝以及其制备的支架材料具较高生物相容性，较好的机械性能，较高的孔隙率，并可体内降解和促进受伤组织的康复等，有望用作皮肤、软骨、血管、神经等组织修复支架。
附图说明
图1总质量体积比为6％，其中壳聚糖/P(LLA-CL)为1∶1的复合静电纺纳米纤维扫描电镜照片
图2总质量体积比为6％，其中壳聚糖/P(LLA-CL)为1∶2的复合静电纺纳米纤维扫描电镜照片
图3总质量体积比为6％，其中壳聚糖/P(LLA-CL)为1∶1的复合静电纺纳米纤维膜的照片
图4总质量体积比为6％，其中壳聚糖/P(LLA-CL)为1∶1的复合静电纺纳米纤维管的照片
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。参照附图1-4。
实施例1
取0.08克鱿鱼骨壳聚糖溶于2mlHFIP/TFA(V/V，9/1)混合溶剂，磁力搅拌至完全溶解，将0.08克P(LLA-CL)溶于2mlHFIP，磁力搅拌至完全溶解，待二者完全溶解后按1∶1的体积比混合，磁力搅拌使其混合均匀得到总质量体积比为4％的混合纺丝溶液4ml。将混合溶液吸入注射器中，控制微量注射泵推进速度为0.6ml/h，选用7号不锈钢针头并与20KV高压相连，用已接地的铝箔在距针尖13cm处接收纤维丝。6小时后铝箔上形成由平均直径约205nm的无序纳米纤维薄膜。
实施例2
取0.16克鱿鱼骨壳聚糖溶于2ml HFIP/TFA(V/V，9/1)混合溶剂，磁力搅拌至完全溶解；将0.08克P(LLA-CL)溶于1mlHFIP，磁力搅拌至完全溶解；待二者完全溶解后按体积比1∶2(壳聚糖/P(LLA-CL))混合，磁力搅拌混合均匀得到总浓度为8％的混合纺丝溶液3ml，其溶质中壳聚糖/P(LLA-CL)的质量比为1∶2。将混合溶液吸入注射器中，控制微量注射泵推进速度为1ml/h，选用9号不锈钢针头并与20KV高压相连，用已接地的铝箔在距针尖15cm处接收纤维丝。3小时后铝箔上可接收到无序纳米纤维薄膜。
实施例3
取0.02克蟹壳壳聚糖溶于1ml HFIP/FA(V/V，9/1)混合溶剂，磁力搅拌至完全溶解；将0.02克P(LLA-CL)溶于1ml HFIP，磁力搅拌至完全溶解；待二者完全溶解后均匀混合，磁力搅拌混合均匀得到壳聚糖/P(LLA-CL)的体积比为1∶1，总浓度为2％的混合纺丝溶液2ml。将混合溶液吸入注射器中，控制微量注射泵推进速度为0.5ml/h，选用9号不锈钢针头并与20KV高压相连，用已接地的铝箔在距针尖20cm处接收纤维丝。4小时后铝箔上接收到由无序纳米纤维薄膜。此方案中，用HFIP/FA(V/V，9/1)得到的壳聚糖溶液黏度大，混合溶液纺丝过程中有少数液滴。
实施例4
取0.12克鱿鱼骨壳聚糖溶于2ml HFIP/TFA(V/V，9/1)混合溶剂中，磁力搅拌至完全溶解；将0.12克P(LLA-CL)溶于2ml HFIP，磁力搅拌至完全溶解；待二者完全溶解后均匀混合，磁力搅拌混合均匀得到壳聚糖/P(LLA-CL)的体积比为1∶1，总浓度为6％的混合纺丝溶液4ml。将混合溶液吸入注射器中，控制微量注射泵推进速度为1ml/h，选用6号不锈钢针头并与20KV高压相连，用接地的滚轴在针头正下方20cm处接收纤维丝，2.5小时后从滚轴壁上可取下内径2mm，壁厚0.3mm，长5cm的壳聚糖-P(LLA-CL)纳米纤维管状支架。
Claims (4)
1、一种含壳聚糖的纳米纤维组织修复支架的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将壳聚糖溶于六氟异丙醇/三氟乙酸或六氟异丙醇/甲酸的混合溶液，完全溶解得到质量体积百分比为2％-10％的溶液；
(2)将聚乳酸-聚己内酯的共混物溶于六氟异丙醇，完全溶解得到质量体积百分比为2％-10％的溶液；
(3)将步骤(1)和步骤(2)所制得的溶液混合，使壳聚糖占总溶质的质量分数为10％-90％，聚乳酸-聚己内酯的共混物占总溶质的质量分数的90％-10％，总溶质占溶剂的质量体积百分比为2％-10％，搅拌均匀，得到用于静电纺制备纳米纤维的纺丝溶液；
(4)将得到的纺丝溶液加入静电纺装置中，调解电压为5-30KV，注射速度为0.5-2ml/h，接受距离为10-30cm，得到所述的支架。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸-聚己内酯的共混物为P(LLA-CL)。
3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的壳聚糖为鱿鱼骨壳聚糖或蟹壳壳聚糖。
4、一种如权利要求所述的纳米纤维组织修复支架的应用，其特征在于：用作皮肤、软骨、血管、神经组织修复支架。
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