TWI738192B

TWI738192B - 奈米纖維及其製備方法與用途

Info

Publication number: TWI738192B
Application number: TW109102427A
Authority: TW
Inventors: 陳華偉; 林旻峰
Original assignee: 國立宜蘭大學
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-09-01
Also published as: TW202128232A

Abstract

本發明係有關一種奈米纖維及其製備方法與用途，於靜電紡織製程後，進一步浸泡於醇類中，藉由醇類與聚己內酯的反應使奈米纖維比以往的纖維更具有延展性。奈米纖維並以此延展特性來改善傳統敷材於關節處傷口容易脫落或位移的問題。

Description

奈米纖維及其製備方法與用途

本發明係有關一種纖維，尤其是一種奈米纖維及其製備方法與用途。

皮膚指的是身體表面包在肌肉外面的組織，是人體最大的器官，主要承擔著保護身體、排汗、感覺冷熱和壓力的功能。且皮膚覆蓋全身，它使體內各種組織和器官免受物理性、機械性、化學性和病原微生物性的侵襲，其他功能為避免水分流失、溫度調節、免疫的監控、自我癒合能力、抵禦化學物質與有害物質的侵襲和自外線輻射。因此皮膚往往會直接受到各種化學、機械、熱和微生物的影響。

皮膚損傷是人類歷史上最為常見的物理性損傷的問題，傷口大致上被分類為急性或慢性兩個主要的臨床問題：(1).急性傷口，是指健康的組織被外來傷害造成損傷，可自行癒合的傷口，如：擦傷、燒傷及外科手術傷口等；(2).慢性傷口，是指急性傷口在傷口癒合過程中被強行停止或順序被強行阻斷，需要長時間的慢慢治療才能癒合的傷口，如：腫瘤生長、潰傷、褥瘡、皮膚潰傷與開放傷口等。

以往傷口癒合過程包括四個不同的階段，分別為：止血期、發炎期、增生期和成熟期。(1).止血期，會於皮膚組織損傷後立刻開始，體內的凝血機制會啟動，傷口組織周圍會聚集血小板並釋放凝血因子，促進凝血作用來阻止任何出血發生；(2).發炎期，通常發炎期與止血期會同時發生。當傷口遭到外來的細菌感染時，嗜中性白血球、淋巴細胞、巨噬細胞和肥大細胞會被激活，來傷口組織周圍破壞細菌、並消除垂死細胞和受損基質中的碎片。

(3).增生期，為傷口形成的3~12天，嗜中性白血球、巨噬細胞、肌成纖維、成纖維細胞、膠原蛋白、內皮細胞和新生血管會形成暫時性肉芽組織，同時上皮細胞和巨噬細胞也會開始覆蓋所有受損區域，上皮細胞會透過改變形狀來分裂增生並遷移到傷口上面，當上皮細胞移至傷口上，會使細胞恢復原來的樣子。成纖維細胞也會產生出細胞外基質(ECM)與膠原蛋白，使傷口開始縮合並修復，而新生血管則會提供細胞代謝所需要的氧氣與營養，使皮膚恢復結構與功能，為期約十天。

(4).成熟期，此時期位於傷口收口癒合後，此時，多餘的微血管會開始退化與萎縮，膠原組織會拉長並排列整齊，使疤痕變得平淡；但若受到干擾，使膠原細胞排列不整齊，就容易產生難看的疤痕。此階段須保護新生的皮膚組織，並做好預防疤痕的工作，能以防肥厚性疤痕增生，期間為兩周至六個月。

而根據衛福部國民健康署的統計，全國約有200多萬名糖尿病的病友，且每年以25000名的速度持續增加，據統計每50個糖尿病住院病人，就有40幾個有傷口問題，且九成以上皆是慢性傷口所引起的問題。可見，隨著老年人口及慢性病患者的增加，有慢性傷口問題的人愈來愈多。因此，更應該重視慢性傷口癒合的問題。

目前市面上有許多不同的創傷敷材用於各種傷口，各醫院對慢性傷口的照顧也很多元。傳統敷材如：紗布和不織布，具吸收性有利於傷口清創與癒合，但缺點是新生長的肉芽及上皮細胞容易在換藥時被破壞且易引起疼痛、耗時、耗人力，且傷口容易過度乾燥致細胞脫水壞死。且，傳統的敷材(例如繃帶)在關節傷口面臨相當大的問題，由於頻繁的運動和彎曲下，傳統敷材容易脫落或位移，使患者感到極大地不適和不便。

故，研發更加適用於關節傷口之敷材，並在提升敷材之延伸性時，保有其親膚性及抗菌性，為本領域技術人員所欲解決的問題。

本發明之主要目的係提供一種奈米纖維及其製備方法與用途，藉由將絲素蛋白、聚己內酯及幾丁聚醣經靜電紡織製程處理後，再浸泡於醇類中，來藉此提升奈米纖維之延伸性，並保有其親膚性及抗菌性。

為了達到上述目的及功效，本發明揭示了一種奈米纖維之組成物，其包含：一絲素蛋白；一聚己內酯；一幾丁聚醣；以及一醇類；其中該醇類係選自由一甲醇、一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合。

又，本發明揭示了一種奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維包含一絲素蛋白、一聚己內酯、一幾丁聚醣以及一醇類，該醇類係選自由一甲醇、一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合，該奈米纖維係置於一傷口上，形成一敷料。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於維持皮膚纖維母細胞之生長。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於抑制金黃色葡萄球菌之生長。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於抑制大腸桿菌之生長。

又，本發明揭示了一種奈米纖維之製備方法，其包含步驟：取一絲素蛋白、一聚己內酯及一幾丁聚醣進行一電紡製程，電紡形成一電紡絲；取該電紡絲浸泡於一醇類，反應形成一紡絲；以及烘乾該紡絲形成一奈米纖維；其中該醇類係選自由一甲醇、一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維之製備方法，其中於進行一電紡織製程，電紡形成一電紡絲之步驟中，該電紡製程係一靜電紡織製程。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維之製備方法，其中於進行一電紡織製程，電紡形成一電紡絲之步驟中，進一步包含步驟：藉由一田口實驗設計法調整一電紡參數。

本發明提供一實施例，其內容在於奈米纖維之製備方法，其中該電紡參數進一步包含一電壓數值、一工作距離以及一推進速率。

S1~S3:步驟流程

第1圖：其係本發明之一實施例之實驗流程圖。

為使貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：有鑑於傳統敷材於關節傷口處容易脫落或位移，使患者感到極大地不適和不便的影響。據此，本發明遂提出一種奈米纖維及其製備方法與用途，以解決習知技術所造成之問題。

以下將進一步說明本發明之奈米纖維及其製備方法與用途其包含之特性、所搭配之結構及方法：首先請參閱第1圖，其係本發明之一實施例之實驗流程圖。如圖所示，一種奈米纖維之製備方法，其包含步驟：S1：取絲素蛋白、聚己內酯及幾丁聚醣進行電紡製程，電紡形成電紡絲；S2：取電紡絲浸泡於醇類，反應形成紡絲；以及S3：烘乾紡絲形成奈米纖維。

如步驟S1所述，取一絲素蛋白(簡稱為SF)、一聚己內酯(簡稱為PCL)及一幾丁聚醣(簡稱為CS)進行一電紡製程(係一靜電紡織製程)，電紡形成一電紡絲，其中本發明之該靜電紡織製程係藉由一田口實驗設計法來調整出最佳之一電紡參數，該電紡參數進一步包含一電壓數值、一工作距離以及一推進速率。

其中於本發明之較佳實施例之該電壓數值為25kV、該工作距離為15公分以及該推進速率為0.2mL/hr。而於本發明中該絲素蛋白與該聚己內酯之比例1：2，且該幾丁聚醣之添加量為0.5%。

接續如步驟S2所示，取該電紡絲浸泡於一醇類中進行交聯處理，反應形成一紡絲，其中該醇類係選自由一甲醇、一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合。

本發明之較佳實施例係取該電紡絲浸泡於95%之該乙醇中24小時進行交聯處理，反應形成該紡絲。本發明係將該乙醇作為擴鏈劑(Chain extender)接枝(Grafting)在該聚己內酯之結構上，進一步提升該聚己內酯之結晶度，使本發明之一奈米纖維作為一敷料之延伸性提高約30%。且，以線性結構之該乙醇作為擴鏈劑(Chain extender)進行改質處理，也可以使該絲素蛋白轉變成穩定的結構，進而提高該奈米纖維之拉伸強度與延伸性。

最後，如步驟S3所述，取該紡絲在40℃真空環境下烘乾24小時，形成該奈米纖維。並將本發明之該奈米纖維作為該敷料係設置於一傷口上。

又，本發明之該絲素蛋白係由蠶絲蛋白純化而來，其步驟如下：將蠶繭放入0.02M Na₂CO₃水溶液中煮沸1小時，使蠶繭中的絲膠蛋白溶於水中。再以蒸餾水沖洗30分鐘，以去除殘留的Na₂CO₃水溶液。再以去離子水潤洗30分鐘，去除殘留的絲膠蛋白。將取得之該絲素蛋白在80℃下乾燥，並放入40%的CaCl₂水溶液，在100℃下溶解。再利用抽氣過濾去除溶液中雜質。最後，利用MWCO12-14kDa透析膜在室溫下透析3天，每天換水2次，將小分子雜質和CaCl₂析出水溶液中，取得純化之該絲素蛋白(以冷凍乾燥處理，儲存備用)。

接續，為本發明之延伸性測試，係利用薄膜拉力機(Inston4469)進行測試，依ASTM D882試驗方法來探討本發明之該奈米纖維之拉伸強度、延伸性與拉伸模數之變化。其步驟如下：將該奈米纖維以啞鈴型裁刀裁切成試片(試片規格：GB/T 528 3型標準啞鈴型試片)。靜置一天以消除裁切時所產生之應力，之後將試片固定於拉力機夾具上，最後進行拉伸測試條件：其拉伸速率為10mm/min。

其結果如下表1所示，與未改質之奈米纖維(單純該絲素蛋白、該聚己內酯、該幾丁聚醣，並未浸漬該醇類，簡稱為SF/PCL/CS)相比經過該甲醇(Methanol)或該乙醇(Ethanol)或該丙二醇(Propylene glycol)之浸漬處理，延伸性都有顯著提升的現象，其中又以經過該乙醇浸泡處理後的機械性質最好，延伸性提升了約30%。

其延伸性提升，主要是因為該乙醇本身為線性結構，當該乙醇與該聚己內酯接枝(Grafting)後，形成線性無側鏈(Side chain)之結構，並且該乙醇做為擴鏈劑(Chain extender)，其具有成核劑(Nucleating agent)的能力。因而有利於該聚己內酯之結晶度提高，因此，提升該奈米纖維的延伸性。而拉伸強度的提高，主要原因是經過該乙醇處理後，該絲素蛋白轉變成較穩定的Silk II(β-摺疊)結構，係增強該奈米纖維之拉伸強度。

而該丙二醇其延伸性亦提升了約20%，該丙二醇同該乙醇一樣有利於該聚己內酯之結晶度提高，但因為該丙二醇在二號碳有羥基，因此會導致該丙二醇與該聚己內酯接枝(Grafting)時，有一部分的會接在二號碳上，形成有側鏈(Side chain)之結構，造成延伸性會略為降低。

故，可知當該醇類為一元醇時，與該聚己內酯接枝(Grafting)後，該奈米纖維之拉伸強度與延伸性都有提升的現象；而當該醇類為多元醇時，與該聚己內酯接枝(Grafting)，則會形成空間位阻效應(Steric effect)，造成拉伸強度與延伸性提升程度不高。

接續為本發明之該奈米纖維之生物相容性測試，選擇L929纖維母細胞並使用ISO10993-12的方式來測試，利用材料的萃取液來培養皮膚纖維母細胞，並藉由MTT測試與觀察皮膚纖維母細胞的型態和增生狀態來得知支架是否具有生物相容性。

分別以溶劑對照組(Blank，簡稱為B)、陽性對照組(Positive control，簡稱為PC)、陰性對照組(Negative control，簡稱為NC)以及本發明之該奈米纖維作為試驗組(Test sample extract，簡稱為S)來進行檢測，其中陽性對照組為DMSO(Dimethyl sulfoxide)，而陰性對照組為高密度聚乙烯(Polyethylene)。

其結果如下表2，B、NC、PC與S的吸光度在570nm分別為0.504±0.011、0.502±0.005、0.064±0.002與0.288±0.020，經存活率公式計算後，得知皮膚纖維母細胞存活率(Viability，%)分別為100%、100%、13%與57%及細胞死亡率(Mortality，%)分別為0%、0%、87%與43%，其存活率公式為(OD_570e/OD_570b)*100%，OD_570e是測試樣品的吸光度平均值，OD_570b是測量背景值(B)的吸光度平均值。

由上表2可知，雖該聚己內酯具有疏水性及低生物活性從而降低了細胞的親和力與組織再生率，會造成該奈米纖維之細胞存活率較低。但藉由該絲素蛋白和該幾丁聚醣的添加，仍使該奈米纖維保有56%的細胞存活率。

主要原因是該絲素蛋白具有可以增強表皮細胞和纖維母細胞的黏附、擴散及增殖的特性，且該絲素蛋白的結構上存在醯胺基(-CONH)和羥基(-OH)基團，可以提高該奈米纖維之親水性，而且該幾丁聚醣其本身結構上具有許多的氨基(-NH₂)和羥基(-OH)，因而也會提升了該奈米纖維之生物相容性。

由上述可以證明，本發明之該奈米纖維係能維持皮膚纖維母細胞之生長，進而達到促進傷口癒合的效果。

接續為本發明之該奈米纖維之抗菌活性測試，細菌在培養皿中會快速生長，利用藥物在瓊脂中擴散使其周圍出現一個顯著的抑菌圈，可以藉由抑菌圈的大小來判定藥物的抗菌能力，若抑菌圈的直徑較大，代表著藥物的抗菌活性較好；反之則代表著藥物的抗菌活性較差。本發明係透過測量革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)的細菌生長抑制量來研究該奈米纖維之抗菌活性。

依據該幾丁聚醣之添加量(0.25、0.50、0.75與1.00wt%)編號為樣品組0.25、0.50、0.75與1.00，而未添加該幾丁聚醣之組別為控制組，依據瓊脂擴散法標準程序進行抗菌活性試驗。可以發現該幾丁聚醣對於金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)與大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)均具有明顯的抑菌圈形成，代表本發明之該奈米纖維中該幾丁聚醣能夠有效地抑制金黃色葡萄球菌與大腸桿菌之生長。

但，隨著該幾丁聚醣濃度增加，抑菌圈的大小並沒有顯著的提高，由下表3得知，顯示在添加濃度為0.25wt%以上之該幾丁聚醣就能有效抑制金黃色葡萄球菌與大腸桿菌之生長。故本發明之該奈米纖維中之該幾丁聚醣之添加量選用0.50wt%。

由上表3可知，本發明之該奈米纖維之該幾丁聚醣大腸桿菌之抑菌圈明顯比對金黃色葡萄球菌之抑菌圈大，主要原因是由於大腸桿菌是屬於革蘭氏陰性菌，革蘭氏陰性細菌是磷酸鹽和焦磷酸鹽的脂多醣組成，其表面上產生的負電荷高於革蘭氏陽性密度，使革蘭氏陰性細菌的細胞膜帶負電荷，而在酸性環境下，該幾丁聚醣之胺基會質子化而具正電荷(NH₃ ⁺)，會與大腸桿菌之細胞膜表面產生交互作用，增加細胞膜通透性，使得細胞質流失因而抑制大腸桿菌之生長。

而金黃色葡萄球菌之抗菌機制是因為該幾丁聚醣具有許多的胺基團，能有效的吸附金屬離子。因此，該幾丁聚醣會與金黃色葡萄球菌細胞膜上的正電荷產生螯合作用，形成金黃色葡萄球菌吸收養分的屏障，造成金黃色葡萄球菌的營養吸收不足，間接造成金黃色葡萄球菌死亡，因而達到抗菌活性。

故，由上述實驗可知，本發明之奈米纖維(將絲素蛋白、聚己內酯及幾丁聚醣經由電紡製程後，再浸漬於醇類(一元醇效果最好)所形成)具有良好之延伸性、良好之生物相容性(可維持皮膚纖維母細胞之生長)、良好之抗菌活性(抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌之生長)。本發明之奈米纖維作為傷口癒合之敷料更可適用於關節之部位。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

S1~S3:步驟流程

Claims

一種奈米纖維之組成物，其包含：一絲素蛋白；一聚己內酯；一幾丁聚醣；以及一醇類，該醇類係透過交聯處理接枝該聚己內酯；其中該醇類係選自由一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合，該奈米纖維之製備係由一田口實驗設計法進行調整。
一種奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維包含一絲素蛋白、一聚己內酯、一幾丁聚醣以及一醇類，該醇類係選自由一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合，該奈米纖維係置於一傷口上，形成一敷料，且該絲素蛋白、該聚己內酯以及該幾丁聚醣所形成之一電紡絲進一步浸泡於該醇類中進行交聯處理，該奈米纖維之製備係由一田口實驗設計法進行調整。
如申請專利範圍第2項所述之奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於維持皮膚纖維母細胞之生長。
如申請專利範圍第2項所述之奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於抑制金黃色葡萄球菌之生長。
如申請專利範圍第2項所述之奈米纖維作為傷口癒合之敷料的用途，其中該奈米纖維係用於抑制大腸桿菌之生長。
一種奈米纖維之製備方法，其包含步驟：取一絲素蛋白、一聚己內酯及一幾丁聚醣以一田口實驗設計法進行一電紡製程並調整一電紡參數，電紡形成一電紡絲；取該電紡絲浸泡於一醇類，進行交聯處理，使該醇類接枝該聚己內酯，並反應形成一紡絲；以及烘乾該紡絲形成一奈米纖維；其中該醇類係選自由一乙醇及一丙二醇所組成之群組之其中之一或其組合。
如申請專利範圍第6項所述之奈米纖維之製備方法，其中於進行一電紡織製程，電紡形成一電紡絲之步驟中，該電紡製程係一靜電紡織製程。
如申請專利範圍第6項所述之奈米纖維之製備方法，其中該電紡參數進一步包含一電壓數值、一工作距離以及一推進速率。