一种微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架及其制备方法

本发明涉及生物医用材料，尤其涉及一种微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架及其制备方法。

背景技术：

1、在过去的几十年里，科学和技术的进步催生了很多创新的单一或复合型组织支架用作药物载体、填充材料、引导材料等，以实现损伤组织的快速愈合和再生修复。水凝胶具有良好的亲水性和生物相容性，能够及时吸收伤口渗出物从而为伤口愈合提供一个稳定的湿润环境，有利于维持细胞活力并促进细胞增殖、迁移和分化。常见的水凝胶支架可以与创面柔性贴合，通过接触渗透的方式将水凝胶中运载的药物成分作用于创伤组织，所需时间较长且有效药用只存在于接触表面。将水凝胶制备成微针形态，可以实现药物的深层次持续释放及递送并且以微创的方式刺入皮肤，不会引起明显痛觉与不可逆损伤，大幅提高创伤修复效率。

2、静电纺丝微纳米纤维，在收集过程中会形成相互堆叠的网格状结构，这种结构与天然的细胞外基质等生物结构非常相似，在纤维尺度、形态和结构、性能方面可以在很大程度上模拟天然细胞外基质的固有蛋白质纤维，其比表面积和孔隙率可直接影响细胞黏附和增殖，已有大量文章证明微纳米纤维膜的平均孔径越小，比表面积越大，并且微纳米纤维能够明显促进细胞增殖和分化、细胞外基质沉积和重塑，以及新组织再生。所以纳米纤维的研究被广泛的应用于生物支架。

3、cn113797156a公开一种水凝胶微针的制备方法，属于水凝胶微针技术领域。该水凝胶微针的制备方法，包括以下步骤：s1、将羧甲基壳聚糖、mtgase酶和丝素肽粉末分别溶解于pbs缓冲液中得到三种溶液；s2、将步骤s1的三种溶液混合在40-45℃下进行搅拌反应，之后在90-100℃下继续搅拌得到羧甲基壳聚糖-丝素肽复合材料；s3、将所述羧甲基壳聚糖-丝素肽复合材料和氧化普鲁兰多糖混合得到水凝胶；s4、将所述水凝胶倒入模具中，之后脱模制得水凝胶微针。

4、cn108159493a一种海藻酸盐-水凝胶纳米纤维支架的制备方法，包括以下步骤：配制聚己内酯溶液；配制海藻酸钠溶液；采用双喷嘴静电纺丝系统进行静电纺丝，得聚己内酯-海藻酸钠纳米纤维膜；将聚己内酯-海藻酸钠纳米纤维膜完全浸泡于氯化钙溶液中，然后用乙醇水溶液充分洗涤，冷冻干燥，然后用氯仿浸泡洗涤，最后用乙醇和蒸馏水依次洗涤，冷冻干燥，即得所述的海藻酸盐-水凝胶纳米纤维支架。

5、cn 108175874 a公开了一种基于静电纺丝纱线和水凝胶的复合支架材料及其制备方法。该复合支架材料的制备方法，包括如下步骤：配制i型胶原蛋白溶液；提供静电纺丝纱线，将所述静电纺丝纱线置于所述i型胶原蛋白溶液中，然后待所述i型胶原溶液成凝胶后，得复合支架材料。

6、由上述专利技术不难发现，目前的水凝胶支架尽管从结构、组成和功能上具备了仿生天然组织，具有较好的生物相容性，能够进细胞增殖和分化、细胞外基质沉积和重塑，以及新组织再生，但是与水凝胶微针相结合的纤维膜或纤维其功能仍然存在一些影响支架生物性能的缺陷。虽然水凝胶的载药能力强，载药效率高，但水凝胶支架的力学性能有限并且外界屏障作用较差，在外力作用下，水凝胶会出现裂纹导致细菌入侵。因此，如何在现有水凝胶微针支架的基础上，获得平均孔径小，比表面积大的微纳米纤维膜，提高水凝胶微针的力学性能、赋予其外界屏障能力，同时还能够兼顾微纳米纤维膜较高的比表面积和孔隙率，对水凝胶微针支架在细胞增殖和分化以及受损组织或器官的修复、再生的过程中起到辅助促进作用，成为了生物支架医疗领域技术人员亟待解决的一个难题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种比表面积和孔径可调控、力学性能和外界屏障能力增强，能够有效提高细胞增殖和分化以及受损组织或器官的修复、再生效果的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架，所述微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架由通过静电纺丝工艺获得的微纳米纤维膜与由微针成型工艺获得的水凝胶微针复合得到；所述微纳米纤维膜是由分布均匀的微米级纤维与分布均匀的纳米级纤维交替堆叠形成的多孔膜结构，该多孔膜结构厚度为50-100μm，平均孔径为2.4-3.6μm，微米级纤维直径范围为1-3μm；纳米级纤维直径范围为50-1000nm，微纳米纤维膜断裂伸长率≥1.2％，拉伸强度为5.1-7mpa，杨氏模量为1313.2-2442.6mpa，所述水凝胶微针包括基底层以及与基底层一体形成的微针阵列层，所述微纳米纤维膜与水凝胶微针的基底层贴覆静置成型。

3、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架，所述微纳米纤维膜中纳米级纤维的原料为a聚合物制备的a浓度的纺丝液，微米级纤维的原料为a聚合物制备的b浓度的纺丝液，所述a浓度纺丝液的质量百分比为2％-10％，b浓度纺丝液的质量百分比为20％。

4、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架，所述水凝胶微针由b聚合物和c聚合物制备的微针溶液,通过微针模具离心获得,所述b聚合物的质量百分比为10％，c聚合物的质量百分比为2％。

5、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架，所述a聚合物为聚己内酯、聚乙烯醇、聚丙烯吡咯烷酮、聚乙交酯-丙交酯、聚乳酸、聚丙交酯-乙交酯中的任意一种。

6、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架，所述b聚合物和c聚合物为聚乙烯醇、壳聚糖、透明质酸、聚乙醇酸、聚乙烯吡咯烷酮、丝素蛋白、聚苯乙烯、聚己内酯中的一种或几种。

7、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型支架，所述水凝胶微针的基底层直径为15mm，针长为820μm，微针底部直径为360μm，针尖距离为800μm。

8、一种的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架的制备方法，包括如下步骤：

9、一、制备微纳米纤维膜：

10、(1)、配制由a聚合物制备的质量百分比为2％-10％的a浓度纺丝液，以及质量百分比为20％的b浓度纺丝液，备用；

11、(2)、将上述配制好的纺丝液分别连接静电纺设备的两个纺丝喷头，高压静电发生器的正负极分别与相连两个纺丝喷头，开启高压静电发生器分别为两个纺丝喷头提供相反的高压静电，在一定的纺丝电压、接收距离、纺丝液挤出速度条件下进行纺丝；

12、(3)、利用接收滚筒收集两个纺丝喷头分别在接收滚筒两侧形成的微纳米纤维，获得微米级纤维和纳米级纤维分布均匀的微纳米纤维膜；

13、二、制备水凝胶微针：

14、(4)、配制由质量百分比为10％的b聚合物和质量百分比为2％的c聚合物制备微针溶液，备用；

15、(5)、将聚合物溶液放置在微针模具上以离心的方式在微针模具上形成完整和均匀的水凝胶微针；

16、三、成型：

17、(6)、将步骤(3)所得的微纳米纤维膜覆在步骤(4)所得的水凝胶微针表面，静置48-72h使其成型，获得微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架。

18、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架的制备方法，所述步骤(2)中，在纺丝电压为-12kv-﹢12kv，接收距离为16cm，纺丝液挤出速度为0.8ml/h，纺丝温度为20℃，相对湿度为40％。

19、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架的制备方法，所述步骤(3)中，接收滚筒转速为300rpm。

20、上述的微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架的制备方法，所述步骤(5)中，离心转速为2000rpm，离心时间为15min。

21、本发明微纳米纤维/水凝胶复合型生物支架及其制备方法的优点是：将由a聚合物制备的a浓度的纺丝前驱体以及由该聚合物制备的b浓度的纺丝前驱体在改进的静电纺丝装置中制成的微纳米纤维膜，通过覆在由b聚合物在微针模具上离心得到的水凝胶的微针阵列表面后制备而成；其中，通过随时调控a聚合物的a浓度以及b浓度，可随时调控微纳米纤维膜中微米级纤维和纳米级纤维的分布，从而调控微纳米纤维膜的比表面积。通过纺丝工艺制备的微纳米纤维膜结合微针成型技术制得的水凝胶的微针阵列，以获取比表面积可调控、力学性能和外界屏障能力增强，且技术简单灵活，纺丝过程容易控制。本发明特殊结构的微纳米纤维膜，弥补了传统单一水凝胶支架力学性能有限且外界屏障作用较差的缺陷，能够实现微纳米纤维的高方向性纤维结构堆叠。微米级纤维与纳米级纤维结合的手段，从电镜照片来看，相当于纳米纤维填充了微米纤维之间的空隙减小了微米纤维间的孔径，增大了微纳米纤维膜的比表面积，同时提高了力学性能和外界屏障能力，达到了比表面积和力学性能都能够平衡的双重效果。