一種靜電輔助的濕法紡絲裝置及濕法紡絲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于濕法紡絲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜電輔助的濕法紡絲裝置及濕法紡絲方法。
【背景技術(shù)】
[0002]組織器官的損傷會危害人類的身心健康，傳統(tǒng)的器官移植則面臨器官資源少、體內(nèi)排斥等問題。支架材料在組織工程中起到組織構(gòu)建的重要作用，細胞在體外環(huán)境下難以自發(fā)形成組織和器官，需要貼附在合適的支架上才能進行增殖擴散，以及之后的一系列細胞行為。
[0003]隨著組織工程研究的深入，具有特定生物學(xué)功能的組織工程支架逐漸成為研究熱點。微納米纖維構(gòu)成的支架或膜管具有比表面積大，孔隙率高等特點。研究表明細胞外的微納米空間結(jié)構(gòu)限定了細胞伸展的幾何形狀，從而影響著細胞與基質(zhì)之間的相互作用。同時微納米結(jié)構(gòu)與天然細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)相近，尤其是特定取向的微納米結(jié)構(gòu)對細胞的形態(tài)與功能有著很強的誘導(dǎo)作用，對組織再生的意義重大。因此制備具有取向結(jié)構(gòu)的微納米纖維一直是組織工程領(lǐng)域的一個具有挑戰(zhàn)性的課題。
[0004]目前世界上大量的研究機構(gòu)和生產(chǎn)單位主要使用的是基于帶電射流在靜電場中作用為原理的靜電紡絲技術(shù)，以及熔融紡絲技術(shù)。靜電紡絲是一種連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法。近十幾年來，靜電紡絲技術(shù)在理論和實驗等方面均取得了不小的進展。由于靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，在過濾、納米復(fù)合材料、傷口敷料以及生物醫(yī)藥等方面具有許多潛在的用途。尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，靜電紡絲超細纖維廣泛用作組織工程支架、藥物傳輸與控制釋放的載體等，這也是國際上的一個研究熱點。而這些方法制備的取向纖維結(jié)構(gòu)主要依賴于接收器和電場的控制。其中典型的例子之一，如靜電紡絲技術(shù)中使用滾筒或飛盤接受器接收，獲得有序排列的纖維結(jié)構(gòu)；或者使用兩個電極進行接收，在兩電極之間形成平行排列的纖維。然而這些成熟的方法在制備有序纖維過程中還存在一定的局限性，具體表現(xiàn)在:①靜電紡絲所需要的電壓很高，安全與節(jié)能方面有待進一步改善提高；②制備有序纖維需要對接受條件進行嚴格的控制，難度較大；③當(dāng)紡絲液介電常數(shù)較大或粘性較大時，難以克服溶液表面張力形成射流；④靜電紡絲技術(shù)在制備纖維的過程中需要較高的靜電電壓，當(dāng)紡絲液中需要共混細胞或具有生物活性的生物因子時，高壓靜電可能對細胞或生物因子造成破壞?，F(xiàn)有靜電紡絲裝置在操作過程中存在的這些問題非常需要采用一種新的制備技術(shù)加以改進以獲得均勻、穩(wěn)定的有序纖維結(jié)構(gòu)的紡絲材料；同時該技術(shù)亦應(yīng)滿足操作條件溫和，工藝可控，制備的纖維材料排列有序，可維持細胞與生物因子活性的要求，作為細胞基底或支架在組織工程中獲得更加廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種靜電輔助的濕法紡絲裝置。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種濕法紡絲方法，該方法利用流體剪切力，輔助以電場力，在二者共同的牽引下將紡絲液牽拉成絲，從而制備具有一定取向的纖維，通過不同的凝固浴可調(diào)節(jié)紡絲液固化的速率從而調(diào)節(jié)纖維膜的孔隙率。本方法可穩(wěn)定獲得定向排列纖維。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述方法制備得到的微納米纖維膜材料。
[0008]本發(fā)明的第四個目的在于提供上述微納米纖維膜材料在組織工程中的應(yīng)用。微納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，在過濾、納米復(fù)合材料、傷口敷料以及生物醫(yī)藥等方面具有許多潛在的用途。尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，微納米纖維廣泛用作組織工程支架、藥物傳輸與控制釋放的載體，同時其取向的纖維結(jié)構(gòu)對細胞形態(tài)和功能具有誘導(dǎo)作用。本方法紡絲條件溫和，可保證纖維中負載的細胞和生長因子的活性。對于制備具有生物活性的組織工程支架有著重要的意義。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]一種靜電輔助的濕法紡絲裝置，包括注射栗、紡絲注射器、靜電發(fā)生器、旋轉(zhuǎn)電機、凝固浴裝置和接受轉(zhuǎn)軸；
[0011]其中，紡絲注射器固定在注射栗上；紡絲注射器的針頭通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器的正極連接，旋轉(zhuǎn)電機與接受轉(zhuǎn)軸連接，帶動接受轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；接受轉(zhuǎn)軸通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器的負極連接；接受轉(zhuǎn)軸的下端位于凝固浴裝置液面以下；紡絲注射器的針頭插入凝固浴裝置液面以下；
[0012]所述的針頭的內(nèi)徑為0.2mm?1mm ；
[0013]所述的針頭與接受轉(zhuǎn)軸的間距為1cm?10cm ；
[0014]所述的針頭插入凝固浴裝置液面以下1cm?10cm ；
[0015]所述的注射栗的推進速度為0.lmL/h?10mL/h ；
[0016]所述的靜電發(fā)生器的電壓為lkV?15kV ;
[0017]所述的旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速為100rad/min?2000rad/min ；
[0018]所述的注射栗優(yōu)選為雙通道或者多通道注射栗；
[0019]所述的針頭優(yōu)選為彎針頭；
[0020]一種靜電輔助的濕法紡絲方法，包含如下步驟:
[0021](1)上述靜電輔助的濕法紡絲裝置的注射栗推動紡絲注射器將紡絲原液注入含有凝固浴的凝固浴裝置中；然后接受轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，帶動凝固浴中的液體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的液體產(chǎn)生剪切作用，紡絲原液在剪切力和靜電力共同作用下逐漸拉長變細，紡絲原液中的溶劑逐漸擴散到凝固浴中，紡絲原液逐漸固化為定向排列纖維，最后被接受轉(zhuǎn)軸接受形成定向排列纖維膜；
[0022](2)將收集到的纖維膜洗干凈后干燥，得到微納米纖維膜材料；
[0023]步驟(1)中所述的紡絲原液的質(zhì)量分數(shù)為5%?25% ;
[0024]步驟(1)中所述的紡絲原液中的溶質(zhì)為聚乳酸(PLA)、聚γ-己內(nèi)酯(PCL)、羥丙基纖維素、海藻酸鈉和聚乙醇酸(PLGA)中的至少一種；
[0025]步驟(1)中所述的紡絲原液的溶質(zhì)-溶劑配伍優(yōu)選為PLA/PCL的二氯甲烷(DCM)溶液、PLGA/PCL的DCM溶液、PLGA的二甲基亞砜(DMS0)溶液、羥丙基纖維素的丙酮溶液、羥丙基纖維素/PCL的DCM溶液或海藻酸鈉/細胞溶液；
[0026]步驟(1)中所述的凝固浴為植物油/正己烷混合溶液、乙醇/水混合溶液、甘油/水混合溶液、DMF/DCM混合溶液或CaCl2水溶液；
[0027]所述的植物油/正己烷混合溶液中植物油和正己烷體積比為5/1?1/5 ;
[0028]所述的乙醇/水混合溶液中乙醇和水體積比為5/1?1/5 ;
[0029]所述的甘油/水混合溶液中甘油和水體積比為5/1?1/5 ；
[0030]所述的DMF/DCM混合溶液中DMF和DCM的體積比為5/1?1/5 ；
[0031 ] 所述的CaCl2水溶液的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?2.5% ;
[0032]步驟⑵中所述的干燥優(yōu)選為真空干燥；所述的真空干燥的時間為3?7天；
[0033]一種微納米纖維膜材料通過上述方法制備得到；
[0034]本發(fā)明通過更換凝固液成份控制纖維固化的速率，從而可獲得不同形貌的纖維，以及不同孔隙率的定向排列纖維膜。
[0035]本發(fā)明通過使用雙通道或者多通道注射栗可同時進行多種聚合物定向排列纖維膜的制備獲得復(fù)合纖維膜。
[0036]本發(fā)明制備得到的微納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，在過濾、納米復(fù)合材料、傷口敷料以及生物醫(yī)藥等方面具有許多潛在的用途。尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，微納米纖維廣泛用作組織工程支架、藥物傳輸與控制釋放的載體，同時其取向的纖維結(jié)構(gòu)對細胞形態(tài)和功能具有誘導(dǎo)作用。本方法紡絲條件溫和，可保證纖維中負載的細胞和生長因子的活性。對于制備具有生物活性的組織工程支架有著重要的意義。
[0037]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0038](1)可簡單制備取向纖維而不依賴外界接受條件和電磁場的影響。
[0039](2)對一些靜電紡絲無法有效處理的介電常數(shù)較大，粘度較大的聚合物溶液，本發(fā)明可以比較方便的制備取向纖維膜，從而擺脫傳統(tǒng)紡絲對聚合物溶液本身特性的要求，具有更廣的應(yīng)用范圍。
[0040](3)紡絲條件較為溫和可以通過紡絲液與細胞和生長因子共混，制備負載細胞的具有生物活性組織工程支架。
【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明靜電輔助的濕法紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖2是實施例2和3制備的微納米纖維膜材料的光學(xué)形態(tài)圖，其中，a:實施例2，b:實施例3。
[0043]圖3是實施例2和3制備的微納米纖維膜材料的掃描電鏡圖，其中a:實施例2，b:實施例3。
[0044]圖4是細胞激光共聚焦圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0046]實施例1
[0047]如圖1所示，一種靜電輔助的濕法紡絲裝置，包括注射栗1、紡絲注射器2、靜電發(fā)生器3、旋轉(zhuǎn)電機4、凝固浴裝置5和接受轉(zhuǎn)軸6 ;
[0048]其中，紡絲注射器2固定在注射栗1上；紡絲注射器2的針頭7通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器3的正極連接，旋轉(zhuǎn)電機4與接受轉(zhuǎn)軸6連接，帶動接受轉(zhuǎn)軸6旋轉(zhuǎn)；接受轉(zhuǎn)軸6通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器3的負極連接；接受轉(zhuǎn)軸6的下端位于凝固浴裝置5液面以下；紡絲注射器2的針頭7插入凝固浴裝置5液面以下；
[0049]所述的針頭7的內(nèi)徑為0.2mm?1mm ；
[0050]所述的針頭7與接受轉(zhuǎn)軸6的間距為1cm?10cm ；
[0051]所述的針頭7插入凝固浴裝置5液面以下1cm?10cm ；
[0052]所述的注射栗1的推進速度為0.lmL/h?10mL/h ；
[0053]所述的靜電發(fā)生器3的電壓為lkV?15kV ;
[0054]所述的旋轉(zhuǎn)電機4的轉(zhuǎn)速為100rad/min?2000rad/min ；
[0055]所述的注射栗1優(yōu)選為雙通道或者多通道注射栗；
[0056]所述的針頭7優(yōu)選為彎針頭；
[0057]—種靜電輔助的濕法紡絲方法，包含如下步驟:
[0058](1)上述靜電輔助的濕法紡絲裝置的注射栗1推動紡絲注射器2將紡絲原液注入含有凝固浴的凝固浴裝置5中；然后接受轉(zhuǎn)軸6在旋轉(zhuǎn)電機4的帶動下旋轉(zhuǎn)，帶動凝固浴中的液體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的液體產(chǎn)生剪切作用，紡絲原液在剪切力和靜電力共同作用下逐漸拉長變細，紡絲原液中的溶劑逐漸擴散到凝固浴中，紡絲原液逐漸固化為定向排列纖維，最后被接受轉(zhuǎn)軸6接受形成定向排列纖維膜；
[0059](2)將收集到的纖維膜洗干凈后干燥，得到微納米纖維膜材料。
[0060]實施例2
[0061](1) 一種