專(zhuān)利名稱(chēng)：一種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靜電紡組織工程支架及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架及其制備方法。
背景技術(shù)：
器官組織的衰竭、缺損或功能障礙嚴(yán)重威脅著患者的身體健康和生活品質(zhì)，也為社會(huì)的發(fā)展增添了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。組織工程作為一種新興的組織器官再生技術(shù)，有望解決傳統(tǒng)治療方法所存在的供體不足、免疫排斥、疾病傳播以及“以傷治傷”等缺點(diǎn)。組織工程支架作為組織工程再生修復(fù)成功與否的關(guān)鍵需要為種子細(xì)胞的粘附和增殖提供有利的微環(huán)境。因此，組織工程支架的構(gòu)建是組織工程技術(shù)的研究熱點(diǎn)。靜電紡絲技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低廉、材料選擇范圍廣泛，已成為了超細(xì)纖維的常用制備技術(shù)。靜電紡絲技術(shù)所制備的多為亞微米或納米纖維，其支架具有孔隙率高、孔隙連通、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。因此，靜電紡納米纖維支架可在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上模擬人體天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)，有利于細(xì)胞的粘附和增殖，可為組織器官的再生創(chuàng)造有利的條件。但是，直徑細(xì)小的靜電紡納米纖維極易在支架的后加工過(guò)程或組織的再生過(guò)程中因外界應(yīng)力的作用而發(fā)生斷裂，繼而破壞納米纖維支架的整體結(jié)構(gòu)，從而為組織的再生造成障礙。拉伸力學(xué)強(qiáng)度的不足限制了普通靜電紡組織工程支架在肌腱、韌帶、肌肉等器官再生領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架材料的制備方法，該方法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，能有效提高普通靜電紡納米纖維支架的拉伸斷裂強(qiáng)度和孔隙大小，有望應(yīng)用于肌腱、韌帶、肌肉、血管等對(duì)拉伸力學(xué)要求較高的組織器官再生領(lǐng)域。本發(fā)明的一種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架，由納米纖維和納米紗組成，微米納米纖維呈無(wú)規(guī)排列，直徑為800-1300納米，納米紗呈平行排列，直徑為10-60微米；支架孔徑分布范圍為6到50微米，大于傳統(tǒng)收集方式所制備的靜電紡納米纖維支架，有利于細(xì)胞遷移進(jìn)入支架內(nèi)部；拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到13兆帕，明顯高于基于傳統(tǒng)方法制備的靜電紡納米纖維膜4. 5兆帕。本發(fā)明的一種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，包括(I)按附圖I所示搭建裝置，選用漏斗狀器具作為納米紗的制備裝置，以“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”作為納米紗及納米纖維的接收裝置；將納米紗制備裝置及接收裝置分別水平放置，兩者的旋轉(zhuǎn)軸位于同一水平面，該水平面位于紡絲噴頭下方20厘米處，漏斗狀器具的開(kāi)口距收集裝置3-9厘米，并在距離紡絲噴頭正下方25cm處設(shè)置接地電極；納米紗制備裝置的旋轉(zhuǎn)軸連接于電機(jī)A上，“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”收集裝置的旋轉(zhuǎn)軸連接于電機(jī)B上；(2)稱(chēng)取左旋聚乳酸PLLA溶解于六氟異丙醇HFIP中，攪拌過(guò)夜后得到濃度為O. 06-0. 10克/毫升的左旋聚乳酸/六氟異丙醇溶液，即為紡絲溶液；
(3)將紡絲溶液加入到注射泵中，開(kāi)始生成靜電紡纖維；(4)啟動(dòng)電機(jī)A和電機(jī)B，納米紗制備裝置開(kāi)始將排列于成紗裝置和接收裝置間的納米纖維抱合在一起，形成納米紗；·
(5)納米紗為“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置所收集，在該步驟中納米紗被收集于被“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的a管部分，被收集的納米紗呈平行排列；而未被抱合的納米纖維被同時(shí)收集于“羅拉”接收裝置上，形成納米紗和納米纖維復(fù)合而成的組織工程支架；(6)紡絲O. 5小時(shí)后，將“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置取下，旋轉(zhuǎn)90度后重新連接于電機(jī)B上，重復(fù)步驟(4)，但在該步驟中納米紗被平行收集于被“羅拉”接收裝置的b管部分，而未被抱合的納米纖維同時(shí)被收集于“羅拉”收集裝置上；依次重復(fù)步驟(5)及步驟
(6)各6次后，選取非交錯(cuò)部位的靜電紡纖維支架即獲得納米紗雙向增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架；(7)省略步驟(5)和(6)，并使用直徑為5cm的圓柱狀裝置收集納米紗及納米纖維，靜電紡絲6小時(shí)后即獲得納米紗單向增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架材料；(8)將上述材料真空干燥36小時(shí)以除去殘留溶劑。所述步驟(I)中的漏斗狀器具開(kāi)口直徑分別為3厘米、5厘米及7厘米。所述步驟(I)中的“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”分為a和b兩個(gè)管狀部分，兩部分交錯(cuò)相接形成“十”字形狀，a和b兩個(gè)管狀部分的尺寸為長(zhǎng)度5cm，直徑3cm (如附圖2)。所述步驟(I)中的納米紗制備裝置為一個(gè)漏斗狀筒形鐵質(zhì)物件，在使用過(guò)程中，除開(kāi)口部分外用絕緣材料包裹。所述步驟(2)中的左旋聚乳酸PLLA的分子量為Mw=30萬(wàn)。所述步驟(2)中的攪拌方法為磁力攪拌，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘。所述步驟(2)中的靜電紡絲液為左旋聚乳酸/六氟異丙醇溶液或聚乳酸聚己內(nèi)酯共聚物/六氟異丙醇溶液。所述步驟(3)和(4)中的紡絲參數(shù)為紡絲噴頭選用7號(hào)平頭醫(yī)用長(zhǎng)針頭，注射泵的推進(jìn)速度設(shè)定為I. O毫升/小時(shí)，并在紡絲噴頭和接地電極間接入12千伏靜電直流高壓，納米紗制備裝置的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為300-900轉(zhuǎn)/分鐘，“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為I轉(zhuǎn)/分鐘并以3厘米/小時(shí)的速度沿其旋轉(zhuǎn)軸方向作水平運(yùn)動(dòng)。所述步驟(5)和(6)中的“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的重置間隔時(shí)間為O. 5小時(shí)，重置次數(shù)為12次。本發(fā)明運(yùn)用旋轉(zhuǎn)成紗技術(shù)，將部分納米纖維抱合成紗，同時(shí)收集的納米紗和納米纖維復(fù)合在一起形成納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架。非接地的“羅拉”接收裝置和納米紗制備裝置會(huì)阻礙納米纖維以及納米紗中的電荷的快速消散，并產(chǎn)生靜電斥力使纖維間的間距變大。接地方式的改變以及微米纖維和納米纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)的存在以及纖維間距的增大促使該種支架具有較大的孔徑，更有利于細(xì)胞遷移進(jìn)入支架內(nèi)部，進(jìn)而有利于再生組織的生成。。更值得注意的是，復(fù)合于納米纖維支架中的納米紗可顯著提升納米纖維支架的拉伸斷裂強(qiáng)度，相較于同種材料的納米纖維支架，該支架具有更好的拉伸力學(xué)特性，其拉伸斷裂強(qiáng)度可提高200%以上，有利于支架在加工過(guò)程及組織再生過(guò)程中保持完整結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在血管、食道、韌帶、肌腱和肌肉等組織工程再生領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的制備裝置由電機(jī)、納米紗制備裝置、接收裝置、高壓電源、推進(jìn)泵及接地電機(jī)等部件組成。納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架的制備包括搭建制備裝置、配制左旋聚乳酸/六氟異丙醇靜電紡絲溶液、接入高壓進(jìn)行靜電紡絲、納米纖維抱合成紗、納米紗及納米纖維的收集等過(guò)程。有益.效果(I)該本發(fā)明所涉及的納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架，可有效提升傳統(tǒng)納米纖維組織工程的拉伸斷裂強(qiáng)度，為靜電紡組織工程支架應(yīng)用于肌腱、韌帶、肌肉和血管等組織器官提供了可能；接地方式的改變以及納米纖維和微米纖維的復(fù)合增大了支架的孔隙尺寸，并有利于細(xì)胞遷移進(jìn)入支架內(nèi)部，有利于再生組織的形成。(2)本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，成本低廉，有望應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，在血管、食道、韌帶、肌腱和肌肉等組織工程再生領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖I納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架制備示意圖納米紗單向增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架(A)，納米紗雙向增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架(B)；圖2 “十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置示意圖；圖3納米紗單向增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架的數(shù)碼照片；圖4納米紗雙向增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架的掃描電子顯微鏡照片(放大300倍)；圖5納米紗單向增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架的掃描電子顯微鏡照片(放大200倍)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容后，本技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)力要求書(shū)所限定的范圍。實(shí)施例I按照前述制備本發(fā)明中納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架材料，包括紡絲液的制備、靜電紡絲參數(shù)的設(shè)定、納米紗的制備、納米紗及納米纖維的收集、接收裝置的旋轉(zhuǎn)和真空干燥等步驟，采用以下工藝條件(I)將左旋聚乳酸溶解于六氟異丙醇溶劑中，攪拌過(guò)夜后得到濃度為O. 075克/毫升的紡絲溶液。(2)將紡絲溶液注入推進(jìn)泵，并如附圖I (A)搭建制備裝置，使用開(kāi)口直徑為9厘米的漏斗狀器具作為納米紗制備裝置，以直徑為5cm的圓柱狀接收裝置收集納米紗及納米纖維。在紡絲噴頭和接地電極施加12千伏的電壓，并以I毫升/小時(shí)的速率將紡絲溶液推出紡絲噴頭。(3)啟動(dòng)電機(jī)A和電機(jī)B，將納米紗制備裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為300轉(zhuǎn)/分鐘，接收裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為I轉(zhuǎn)/分鐘并以3厘米/小時(shí)的速度沿其旋轉(zhuǎn)軸心方向作水平運(yùn)動(dòng)。納米紗制備裝置開(kāi)始將排列于接收裝置及其間的納米纖維抱合在一起形成納米紗，并為接收裝置所收集。而未被抱合成紗的靜電紡納米纖維同時(shí)被收集于接收裝置上，形成納米紗和納米纖維復(fù)合而成的新型組織工程支架。(4)紡絲6小時(shí)后，將纖維膜從接收裝置上取下即可獲得納米紗單向增強(qiáng)的靜電紡纖維膜組織工程支架材料。(5)將上述支架真空干燥36小時(shí)以除去殘留溶劑。實(shí)施例2
按照前述制備本發(fā)明中納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架材料，包括紡絲液的制備、靜電紡絲參數(shù)的設(shè)定、納米紗的制備、納米紗及納米纖維的收集、接收裝置的旋轉(zhuǎn)和真空干燥等步驟，采用以下工藝條件(I)將左旋聚乳酸溶解于六氟異丙醇溶劑中，攪拌過(guò)夜后得到濃度為O. 08克/毫升的紡絲溶液。(2)將紡絲溶液注入推進(jìn)泵，并如附圖I (B)搭建制備裝置，使用開(kāi)口直徑為9厘米的漏斗狀器具作為納米紗制備裝置，以“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”(如附圖2)作為納米紗和納米纖維的接收裝置。在紡絲噴頭和接地鋁箔間施加12千伏的電壓，并以I毫升/小時(shí)的速率將紡絲溶液推出紡絲噴頭。(3)待紡絲噴頭穩(wěn)定后啟動(dòng)電機(jī)A和電機(jī)B，將漏斗狀納米紗制備裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為300轉(zhuǎn)/分鐘，“十”字狀旋轉(zhuǎn)羅拉”接收裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為I轉(zhuǎn)/分鐘并以3厘米/小時(shí)的速度沿其旋轉(zhuǎn)軸心方向作水平運(yùn)動(dòng)。納米紗制備裝置開(kāi)始將平行排列于接收裝置及其間的靜電紡纖維抱合在一起形成納米紗。(4)納米紗制備裝置開(kāi)始將排列于接收裝置及其間的靜電紡絲纖維抱合在一起，形成納米紗，并為“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置所收集，在該步驟中納米紗被平行接收于被“羅拉”接收裝置的a管部分。而未被抱合成紗的靜電紡纖維同時(shí)被接收于“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置上，形成納米紗和納米纖維復(fù)合而成的新型組織工程支架。(5)紡絲O. 5小時(shí)后，將“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置取下，旋轉(zhuǎn)90度后重新連接于電機(jī)上，重復(fù)步驟(5)，但在該步驟中納米紗被平行接收于被“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的b管部分。(6)重復(fù)步驟(4)及步驟(5)各6次后，選取非“十”交錯(cuò)部位的靜電紡纖維支架即可獲得納米紗雙向增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架。(7)將上述材料置于干燥箱中真空干燥36小時(shí)，除去殘留溶劑。
權(quán)利要求
1.ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架，其特征在干由納米纖維和納米紗組成，納米纖維呈無(wú)規(guī)排列，直徑為800-1300納米，納米紗呈平行排列，直徑為10-60微米；支架孔徑分布范圍為6到50微米；拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到13兆帕。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，包括 (1)搭建裝置，選用漏斗狀器具作為納米紗的制備裝置，以“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”作為納米紗及納米纖維的接收裝置；將納米紗制備裝置及接收裝置分別水平放置，兩者的旋轉(zhuǎn)軸位于同一水平面，該水平面位于紡絲噴頭下方20厘米處，漏斗狀器具的開(kāi)ロ距收集裝置3-9厘米，并在距離紡絲噴頭正下方25cm處設(shè)置接地電極；納米紗制備裝置的旋轉(zhuǎn)軸連接于電機(jī)A上，“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”收集裝置的旋轉(zhuǎn)軸連接于電機(jī)B上； (2)稱(chēng)取左旋聚乳酸PLLA溶解于六氟異丙醇HFIP中，攪拌過(guò)夜后得到濃度為O.06-0. 10克/毫升的左旋聚乳酸/六氟異丙醇溶液，即為紡絲溶液； (3)將紡絲溶液加入到注射泵中，開(kāi)始生成靜電紡纖維； (4)啟動(dòng)電機(jī)A和電機(jī)B，納米紗制備裝置開(kāi)始將排列于成紗裝置和接收裝置間的納米纖維抱合在一起，形成納米紗； (5)納米紗為“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置所收集，在該步驟中納米紗被收集于被“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的a管部分，被收集的納米紗呈平行排列；而未被抱合的納米纖維被同時(shí)收集干“羅拉”接收裝置上，形成納米紗和納米纖維復(fù)合而成的組織工程支架； (6)紡絲O.5小時(shí)后，將“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置取下，旋轉(zhuǎn)90度后重新連接于電機(jī)B上，重復(fù)步驟(4)，但在該步驟中納米紗被平行收集于被“羅拉”接收裝置的b管部分，而未被抱合的納米纖維同時(shí)被收集于“羅拉”收集裝置上；依次重復(fù)步驟(5)及步驟(6)各6次后，選取非交錯(cuò)部位的靜電紡纖維支架即獲得納米紗雙向增強(qiáng)的靜電紡纖維組織エ程支架； (7)省略步驟(5)和(6)并使用直徑為5cm的圓柱狀裝置收集納米紗及納米纖維，靜電紡絲6小時(shí)后即獲得納米紗單向增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架材料； (8)將上述材料真空干燥36小時(shí)以除去殘留溶剤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的漏斗狀器具開(kāi)ロ直徑分別為3厘米、5厘米及7厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”分為a和b兩個(gè)管狀部分，兩部分交錯(cuò)相接形成“十”字形狀，a和b兩個(gè)管狀部分的尺寸為長(zhǎng)度5cm，直徑3cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的納米紗制備裝置為ー個(gè)漏斗狀筒形鐵質(zhì)物件，在使用過(guò)程中，除開(kāi)口外的其余部分用絕緣材料包裹。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的左旋聚乳酸PLLA的分子量為Mw=30萬(wàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的攪拌方法為磁力攪拌，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的靜電紡絲液為左旋聚乳酸六氟異丙醇溶液或聚乳酸聚己內(nèi)酷共聚物六氟異丙醇溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(3)和(4)中的紡絲參數(shù)為紡絲噴頭選用7號(hào)平頭醫(yī)用長(zhǎng)針頭，注射泵的推進(jìn)速度設(shè)定為I. O毫升/小吋，并在紡絲噴頭和接地電極間接入12千伏靜電直流高壓，納米紗制備裝置的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為300-900轉(zhuǎn)/分鐘，“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定為I轉(zhuǎn)/分鐘并以3厘米/小時(shí)的速度沿其旋轉(zhuǎn)軸方向作水平運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種納米紗增強(qiáng)的靜電紡纖維組織工程支架的制備方法，其特征在于所述步驟(5)和(6)中的“十”字狀旋轉(zhuǎn)“羅拉”接收裝置的重置間隔時(shí)間為O.5小時(shí),重置次數(shù)為12次。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米紗增強(qiáng)的納米纖維組織工程支架及其制備方法，包括搭建制備裝置、配制左旋聚乳酸/六氟異丙醇靜電紡絲溶液、接入高壓進(jìn)行靜電紡絲、納米纖維抱合成紗、納米紗及納米纖維的收集等過(guò)程。本發(fā)明的組織工程支架具有較好的拉伸力學(xué)性能，有助于支架在材料加工及組織的再生過(guò)程中保持完整的結(jié)構(gòu)；該支架具有的較大孔隙可有助于細(xì)胞向組織內(nèi)部遷移。此外，該發(fā)明還具有制備方法簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，有望應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。該方法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，能有效提高普通靜電紡納米纖維支架的拉伸斷裂強(qiáng)度和孔隙大小，有望應(yīng)用于肌腱、韌帶、肌肉、血管等對(duì)拉伸力學(xué)要求較高的組織器官再生領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A61F2/02GK102973333SQ20121051404
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者莫秀梅, 吳瑃辰, 黃晨 申請(qǐng)人:東華大學(xué)