专利名称：一种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架及其制备方法
技术领域：
本发明属于静电纺组织工程支架及其制备领域，特别涉及一种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架及其制备方法。
背景技术：
器官组织的衰竭、缺损或功能障碍严重威胁着患者的身体健康和生活品质，也为社会的发展增添了沉重的经济负担。组织工程作为一种新兴的组织器官再生技术，有望解决传统治疗方法所存在的供体不足、免疫排斥、疾病传播以及“以伤治伤”等缺点。组织工程支架作为组织工程再生修复成功与否的关键需要为种子细胞的粘附和增殖提供有利的微环境。因此，组织工程支架的构建是组织工程技术的研究热点。静电纺丝技术操作简单、成本低廉、材料选择范围广泛，已成为了超细纤维的常用制备技术。静电纺丝技术所制备的多为亚微米或纳米纤维，其支架具有孔隙率高、孔隙连通、比表面积大等优点。因此，静电纺纳米纤维支架可在形态和结构上模拟人体天然细胞外基质(ECM)，有利于细胞的粘附和增殖，可为组织器官的再生创造有利的条件。但是，直径细小的静电纺纳米纤维极易在支架的后加工过程或组织的再生过程中因外界应力的作用而发生断裂，继而破坏纳米纤维支架的整体结构，从而为组织的再生造成障碍。拉伸力学强度的不足限制了普通静电纺组织工程支架在肌腱、韧带、肌肉等器官再生领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架材料的制备方法，该方法操作简便，成本低廉，能有效提高普通静电纺纳米纤维支架的拉伸断裂强度和孔隙大小，有望应用于肌腱、韧带、肌肉、血管等对拉伸力学要求较高的组织器官再生领域。本发明的一种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架，由纳米纤维和纳米纱组成，微米纳米纤维呈无规排列，直径为800-1300纳米，纳米纱呈平行排列，直径为10-60微米；支架孔径分布范围为6到50微米，大于传统收集方式所制备的静电纺纳米纤维支架，有利于细胞迁移进入支架内部；拉伸断裂强度达到13兆帕，明显高于基于传统方法制备的静电纺纳米纤维膜4. 5兆帕。本发明的一种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，包括(I)按附图I所示搭建装置，选用漏斗状器具作为纳米纱的制备装置，以“十”字状旋转“罗拉”作为纳米纱及纳米纤维的接收装置；将纳米纱制备装置及接收装置分别水平放置，两者的旋转轴位于同一水平面，该水平面位于纺丝喷头下方20厘米处，漏斗状器具的开口距收集装置3-9厘米，并在距离纺丝喷头正下方25cm处设置接地电极；纳米纱制备装置的旋转轴连接于电机A上，“十”字状旋转“罗拉”收集装置的旋转轴连接于电机B上；(2)称取左旋聚乳酸PLLA溶解于六氟异丙醇HFIP中，搅拌过夜后得到浓度为O. 06-0. 10克/毫升的左旋聚乳酸/六氟异丙醇溶液，即为纺丝溶液；
(3)将纺丝溶液加入到注射泵中，开始生成静电纺纤维；(4)启动电机A和电机B，纳米纱制备装置开始将排列于成纱装置和接收装置间的纳米纤维抱合在一起，形成纳米纱；·
(5)纳米纱为“十”字状旋转“罗拉”接收装置所收集，在该步骤中纳米纱被收集于被“十”字状旋转“罗拉”接收装置的a管部分，被收集的纳米纱呈平行排列；而未被抱合的纳米纤维被同时收集于“罗拉”接收装置上，形成纳米纱和纳米纤维复合而成的组织工程支架；(6)纺丝O. 5小时后，将“十”字状旋转“罗拉”接收装置取下，旋转90度后重新连接于电机B上，重复步骤(4)，但在该步骤中纳米纱被平行收集于被“罗拉”接收装置的b管部分，而未被抱合的纳米纤维同时被收集于“罗拉”收集装置上；依次重复步骤(5)及步骤
(6)各6次后，选取非交错部位的静电纺纤维支架即获得纳米纱双向增强的静电纺纤维组织工程支架；(7)省略步骤(5)和(6)，并使用直径为5cm的圆柱状装置收集纳米纱及纳米纤维，静电纺丝6小时后即获得纳米纱单向增强的静电纺纤维组织工程支架材料；(8)将上述材料真空干燥36小时以除去残留溶剂。所述步骤(I)中的漏斗状器具开口直径分别为3厘米、5厘米及7厘米。所述步骤(I)中的“十”字状旋转“罗拉”分为a和b两个管状部分，两部分交错相接形成“十”字形状，a和b两个管状部分的尺寸为长度5cm，直径3cm (如附图2)。所述步骤(I)中的纳米纱制备装置为一个漏斗状筒形铁质物件，在使用过程中，除开口部分外用绝缘材料包裹。所述步骤(2)中的左旋聚乳酸PLLA的分子量为Mw=30万。所述步骤(2)中的搅拌方法为磁力搅拌，搅拌速度为300转/分钟。所述步骤(2)中的静电纺丝液为左旋聚乳酸/六氟异丙醇溶液或聚乳酸聚己内酯共聚物/六氟异丙醇溶液。所述步骤(3)和(4)中的纺丝参数为纺丝喷头选用7号平头医用长针头，注射泵的推进速度设定为I. O毫升/小时，并在纺丝喷头和接地电极间接入12千伏静电直流高压，纳米纱制备装置的旋转速度设定为300-900转/分钟，“十”字状旋转“罗拉”接收装置的转速设定为I转/分钟并以3厘米/小时的速度沿其旋转轴方向作水平运动。所述步骤(5)和(6)中的“十”字状旋转“罗拉”接收装置的重置间隔时间为O. 5小时，重置次数为12次。本发明运用旋转成纱技术，将部分纳米纤维抱合成纱，同时收集的纳米纱和纳米纤维复合在一起形成纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架。非接地的“罗拉”接收装置和纳米纱制备装置会阻碍纳米纤维以及纳米纱中的电荷的快速消散，并产生静电斥力使纤维间的间距变大。接地方式的改变以及微米纤维和纳米纤维的复合结构的存在以及纤维间距的增大促使该种支架具有较大的孔径，更有利于细胞迁移进入支架内部，进而有利于再生组织的生成。。更值得注意的是，复合于纳米纤维支架中的纳米纱可显著提升纳米纤维支架的拉伸断裂强度，相较于同种材料的纳米纤维支架，该支架具有更好的拉伸力学特性，其拉伸断裂强度可提高200%以上，有利于支架在加工过程及组织再生过程中保持完整结构。本发明在血管、食道、韧带、肌腱和肌肉等组织工程再生领域有着广阔的应用前景。
本发明的制备装置由电机、纳米纱制备装置、接收装置、高压电源、推进泵及接地电机等部件组成。纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架的制备包括搭建制备装置、配制左旋聚乳酸/六氟异丙醇静电纺丝溶液、接入高压进行静电纺丝、纳米纤维抱合成纱、纳米纱及纳米纤维的收集等过程。有益.效果(I)该本发明所涉及的纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架，可有效提升传统纳米纤维组织工程的拉伸断裂强度，为静电纺组织工程支架应用于肌腱、韧带、肌肉和血管等组织器官提供了可能；接地方式的改变以及纳米纤维和微米纤维的复合增大了支架的孔隙尺寸，并有利于细胞迁移进入支架内部，有利于再生组织的形成。(2)本发明操作简便，成本低廉，有望应用于大规模生产，在血管、食道、韧带、肌腱和肌肉等组织工程再生领域有着广阔的应用前景。
图I纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架制备示意图纳米纱单向增强的纳米纤维组织工程支架(A)，纳米纱双向增强的纳米纤维组织工程支架(B)；图2 “十”字状旋转“罗拉”接收装置示意图；图3纳米纱单向增强的纳米纤维组织工程支架的数码照片；图4纳米纱双向增强的纳米纤维组织工程支架的扫描电子显微镜照片(放大300倍)；图5纳米纱单向增强的纳米纤维组织工程支架的扫描电子显微镜照片(放大200倍)。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本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申请所附权力要求书所限定的范围。实施例I按照前述制备本发明中纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架材料，包括纺丝液的制备、静电纺丝参数的设定、纳米纱的制备、纳米纱及纳米纤维的收集、接收装置的旋转和真空干燥等步骤，采用以下工艺条件(I)将左旋聚乳酸溶解于六氟异丙醇溶剂中，搅拌过夜后得到浓度为O. 075克/毫升的纺丝溶液。(2)将纺丝溶液注入推进泵，并如附图I (A)搭建制备装置，使用开口直径为9厘米的漏斗状器具作为纳米纱制备装置，以直径为5cm的圆柱状接收装置收集纳米纱及纳米纤维。在纺丝喷头和接地电极施加12千伏的电压，并以I毫升/小时的速率将纺丝溶液推出纺丝喷头。(3)启动电机A和电机B，将纳米纱制备装置的转速设定为300转/分钟，接收装置的转速设定为I转/分钟并以3厘米/小时的速度沿其旋转轴心方向作水平运动。纳米纱制备装置开始将排列于接收装置及其间的纳米纤维抱合在一起形成纳米纱，并为接收装置所收集。而未被抱合成纱的静电纺纳米纤维同时被收集于接收装置上，形成纳米纱和纳米纤维复合而成的新型组织工程支架。(4)纺丝6小时后，将纤维膜从接收装置上取下即可获得纳米纱单向增强的静电纺纤维膜组织工程支架材料。(5)将上述支架真空干燥36小时以除去残留溶剂。实施例2
按照前述制备本发明中纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架材料，包括纺丝液的制备、静电纺丝参数的设定、纳米纱的制备、纳米纱及纳米纤维的收集、接收装置的旋转和真空干燥等步骤，采用以下工艺条件(I)将左旋聚乳酸溶解于六氟异丙醇溶剂中，搅拌过夜后得到浓度为O. 08克/毫升的纺丝溶液。(2)将纺丝溶液注入推进泵，并如附图I (B)搭建制备装置，使用开口直径为9厘米的漏斗状器具作为纳米纱制备装置，以“十”字状旋转“罗拉”(如附图2)作为纳米纱和纳米纤维的接收装置。在纺丝喷头和接地铝箔间施加12千伏的电压，并以I毫升/小时的速率将纺丝溶液推出纺丝喷头。(3)待纺丝喷头稳定后启动电机A和电机B，将漏斗状纳米纱制备装置的转速设定为300转/分钟，“十”字状旋转罗拉”接收装置的转速设定为I转/分钟并以3厘米/小时的速度沿其旋转轴心方向作水平运动。纳米纱制备装置开始将平行排列于接收装置及其间的静电纺纤维抱合在一起形成纳米纱。(4)纳米纱制备装置开始将排列于接收装置及其间的静电纺丝纤维抱合在一起，形成纳米纱，并为“十”字状旋转“罗拉”接收装置所收集，在该步骤中纳米纱被平行接收于被“罗拉”接收装置的a管部分。而未被抱合成纱的静电纺纤维同时被接收于“十”字状旋转“罗拉”接收装置上，形成纳米纱和纳米纤维复合而成的新型组织工程支架。(5)纺丝O. 5小时后，将“十”字状旋转“罗拉”接收装置取下，旋转90度后重新连接于电机上，重复步骤(5)，但在该步骤中纳米纱被平行接收于被“十”字状旋转“罗拉”接收装置的b管部分。(6)重复步骤(4)及步骤(5)各6次后，选取非“十”交错部位的静电纺纤维支架即可获得纳米纱双向增强的静电纺纤维组织工程支架。(7)将上述材料置于干燥箱中真空干燥36小时，除去残留溶剂。
权利要求
1.ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架，其特征在干由纳米纤维和纳米纱组成，纳米纤维呈无规排列，直径为800-1300纳米，纳米纱呈平行排列，直径为10-60微米；支架孔径分布范围为6到50微米；拉伸断裂强度达到13兆帕。
2.根据权利要求I所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，包括 (1)搭建装置，选用漏斗状器具作为纳米纱的制备装置，以“十”字状旋转“罗拉”作为纳米纱及纳米纤维的接收装置；将纳米纱制备装置及接收装置分别水平放置，两者的旋转轴位于同一水平面，该水平面位于纺丝喷头下方20厘米处，漏斗状器具的开ロ距收集装置3-9厘米，并在距离纺丝喷头正下方25cm处设置接地电极；纳米纱制备装置的旋转轴连接于电机A上，“十”字状旋转“罗拉”收集装置的旋转轴连接于电机B上； (2)称取左旋聚乳酸PLLA溶解于六氟异丙醇HFIP中，搅拌过夜后得到浓度为O.06-0. 10克/毫升的左旋聚乳酸/六氟异丙醇溶液，即为纺丝溶液； (3)将纺丝溶液加入到注射泵中，开始生成静电纺纤维； (4)启动电机A和电机B，纳米纱制备装置开始将排列于成纱装置和接收装置间的纳米纤维抱合在一起，形成纳米纱； (5)纳米纱为“十”字状旋转“罗拉”接收装置所收集，在该步骤中纳米纱被收集于被“十”字状旋转“罗拉”接收装置的a管部分，被收集的纳米纱呈平行排列；而未被抱合的纳米纤维被同时收集干“罗拉”接收装置上，形成纳米纱和纳米纤维复合而成的组织工程支架； (6)纺丝O.5小时后，将“十”字状旋转“罗拉”接收装置取下，旋转90度后重新连接于电机B上，重复步骤(4)，但在该步骤中纳米纱被平行收集于被“罗拉”接收装置的b管部分，而未被抱合的纳米纤维同时被收集于“罗拉”收集装置上；依次重复步骤(5)及步骤(6)各6次后，选取非交错部位的静电纺纤维支架即获得纳米纱双向增强的静电纺纤维组织エ程支架； (7)省略步骤(5)和(6)并使用直径为5cm的圆柱状装置收集纳米纱及纳米纤维，静电纺丝6小时后即获得纳米纱单向增强的静电纺纤维组织工程支架材料； (8)将上述材料真空干燥36小时以除去残留溶剤。
3.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中的漏斗状器具开ロ直径分别为3厘米、5厘米及7厘米。
4.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中的“十”字状旋转“罗拉”分为a和b两个管状部分，两部分交错相接形成“十”字形状，a和b两个管状部分的尺寸为长度5cm，直径3cm。
5.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中的纳米纱制备装置为ー个漏斗状筒形铁质物件，在使用过程中，除开口外的其余部分用绝缘材料包裹。
6.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的左旋聚乳酸PLLA的分子量为Mw=30万。
7.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的搅拌方法为磁力搅拌，搅拌速度为300转/分钟。
8.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的静电纺丝液为左旋聚乳酸六氟异丙醇溶液或聚乳酸聚己内酷共聚物六氟异丙醇溶液。
9.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(3)和(4)中的纺丝參数为纺丝喷头选用7号平头医用长针头，注射泵的推进速度设定为I. O毫升/小吋，并在纺丝喷头和接地电极间接入12千伏静电直流高压，纳米纱制备装置的旋转速度设定为300-900转/分钟，“十”字状旋转“罗拉”接收装置的转速设定为I转/分钟并以3厘米/小时的速度沿其旋转轴方向作水平运动。
10.根据权利要求2所述的ー种纳米纱增强的静电纺纤维组织工程支架的制备方法，其特征在于所述步骤(5)和(6)中的“十”字状旋转“罗拉”接收装置的重置间隔时间为O.5小时,重置次数为12次。
全文摘要
本发明涉及一种纳米纱增强的纳米纤维组织工程支架及其制备方法，包括搭建制备装置、配制左旋聚乳酸/六氟异丙醇静电纺丝溶液、接入高压进行静电纺丝、纳米纤维抱合成纱、纳米纱及纳米纤维的收集等过程。本发明的组织工程支架具有较好的拉伸力学性能，有助于支架在材料加工及组织的再生过程中保持完整的结构；该支架具有的较大孔隙可有助于细胞向组织内部迁移。此外，该发明还具有制备方法简单，操作简便的特点，有望应用于工业化生产。该方法操作简便，成本低廉，能有效提高普通静电纺纳米纤维支架的拉伸断裂强度和孔隙大小，有望应用于肌腱、韧带、肌肉、血管等对拉伸力学要求较高的组织器官再生领域。
文档编号A61F2/02GK102973333SQ20121051404
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者莫秀梅, 吴瑃辰, 黄晨 申请人:东华大学