一种棉花状纤维支架及其制备方法和用途与流程

本发明属于生物医用复合材料领域，尤其涉及一种棉花状纤维支架及其制备方法和用途。

背景技术：

在日常活动中，因外伤、感染、肿瘤及先天性疾病等原因造成的骨缺损非常常见，骨缺损的治疗和修复是骨科临床常见的难症之一，现有的骨修复材料主要有自体骨、异体骨和人工骨替代品，自体骨存在取用不便，来源有限的问题，异体骨存在组织不兼容性，排斥反应的问题，人工骨替代品在可塑性、组织相容性，生物降解性方面有较高要求，上述条件的限制使得现有技术中得到的人工骨替代品难以满足临床应用的需要。

静电纺丝法是一种常用的制备纤维丝的方法，静电纺丝法得到的纤维尺寸属于纳米级或亚微米级，具有比表面积大、孔隙率高、空间连通性好等优点，因此常被应用于生物组织工程领域。在骨修复方面，静电纺丝纤维具有相当的优势，其优良的柔韧性，能够适合各种形状的骨缺损，充分填充缺损部位，超高的比表面积和孔隙率有利于成骨细胞能够大量迁移至骨缺损中心部位内部，实现全面快速的修复，除此以外，其超高的孔隙率和良好的连通性，不仅有利于成骨细胞的迁移，还能够促进血管的形成，和营养物质的输送。

在骨修复领域，生物活性材料也是一个研究热点，尤其是生物玻璃和β-磷酸三钙(β-tcp)等材料，由于其具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，能够矿化产生与骨组织成分极其相似的羟基磷灰石，且具有优秀的生物降解性，在体内降解产生的ca、p等元素，能够参与并促进了体内新骨的形成，属于一种比较成熟的成骨材料。

聚乳酸(plla)材料具有良好的生物相容性、生物降解性和机械性能，具有易于加工等优点，也是骨组织修复领域的热点材料，但其缺点是生物活性较差，缺少成骨能力，因此，利用静电纺丝技术将生物活性陶瓷颗粒和聚乳酸合成制备的复合材料，理论上能够得到机械性能和生物性能均较优的活性骨修复材料。例如，cn106983910a中公开了一种聚乳酸复合生物玻璃组织修复材料的制备方法，其通过将聚乳酸颗粒溶解于氯仿中，得到聚乳酸溶液，之后，将聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段聚合物溶于乙醇中，向其中加入硅酸乙酯、磷酸三乙酯、硝酸钙和盐酸等组分，得到混合液，将混合液静置粘稠后，与聚乳酸溶液混合，进行静电纺丝，得到所述聚乳酸复合生物玻璃组织修复材料。上述现有技术中的方法，得到的材料多为膜状材料，而且，使用溶胶凝胶法制备生物玻璃再纺丝的过程中并未经过热处理步骤，可能会导致产品中存在大量有机杂质，对人体产生毒害作用，得到的骨植入材料为固定形状，在手术前需要后期加工，操作比较繁琐，在植入后，由于在接缝处会存在一定间隙，使得植入材料与宿主骨无法接触，进而降低骨修复速度。

因此，在现有技术的基础上，本领域的技术人员需要研发出一种能够适应各种骨缺损的具有较高生物活性的生物骨材料及其高效、便捷、环境友好的制备方法，使其具有类似棉花的高压缩性和高回复性，以完美适应各种骨缺损形状，实现受损骨或牙等硬组织的修复。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够适应各种骨缺损的具有较高生物活性的生物骨材料及其高效、便捷、环境友好的制备方法，使其具有类似棉花的高压缩性和高回复性，以完美适应各种骨缺损形状，实现受损骨或牙等硬组织的修复。

为达此目的，本发明的目的之一在于提供一种棉花状纤维支架，所述棉花状纤维支架包括由生物活性材料与聚乳酸共混后纺丝得到的复合纤维，复合纤维之间相互缠绕使得得到的纤维支架具有如棉花一般的可压缩性和较高的压缩回复率。

所述生物活性材料包括生物玻璃、β-磷酸三钙或硫酸钙中的任意一种材料或至少两种材料的混合物。

本发明利用上述生物活性材料得到的棉花状纤维支架结合了生物活性材料的生物相容性、可降解性以聚乳酸材料优良的机械性能，其棉花状的外观以及足够的可压缩性使其在植入体内后能够完美适应各种骨缺损形状，在降解过程中产生成骨元素，促进成骨因子的生成，以实现受损骨或牙等硬组织的修复。

优选地，所述复合纤维中，生物活性材料与聚乳酸的重量比为0.4～1.5:1，例如为0.45:1、0.50:1、0.55:1、0.60:1、0.65:1、0.70:1、0.75:1、0.80:1、0.85:1、0.90:1、0.95:1、1.00:1、1.05:1、1.10:1、1.15:1、1.20:1、1.25:1、1.30:1、1.35:1、1.4:1或1.45:1等，在上述配比下，得到的复合纤维具有较优的力学性能、可压缩性能、回复性能、生物活性、降解性能以及生物相容性，进一步优选为0.65～1:1。

优选地，所述生物活性材料为生物玻璃。

优选地，所述生物玻璃为含有二氧化硅、氧化钙、五氧化二磷和添加物的生物玻璃，所述添加物为氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化铝或氟化钙中的任意一种或至少两种的混合物。

优选地，所述生物玻璃为45s5型、aw型、bioverit型、ceravital型或58s型生物玻璃中的任意一种或至少两种的混合物。

优选地，所述生物玻璃经过球磨处理，粒径为0.5～30μm，例如为0.6μm、0.8μm、1.2μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm、22μm、24μm、26μm、28μm或29μm等，上述粒径范围的生物玻璃具有较优的纺丝成纤能力，生物玻璃的粒径过高难以成纤，粒径过低则容易导致生物玻璃在纺丝得到的复合纤维中分布不均匀，降低复合纤维的力学性能和降解性能。

本领域的技术人员能够根据需求通过适当调整聚乳酸的分子量或静电纺丝的工艺参数获得任意一种直径的复合纤维，优选地，所述复合纤维的直径为1～50μm，例如为2μm、4μm、6μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或48μm等。

优选地，所述聚乳酸的数均分子量为100000～1000000，例如为105000、125000、150000、200000、250000、300000、350000、400000、450000、500000、550000、600000、650000、700000、750000、800000、850000、900000、950000或980000等。

本发明的目的之二在于提供一种所述棉花状纤维支架的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤(1)，将生物活性材料与聚乳酸混合，混合物用有机溶剂溶解，得到纺丝原液；

步骤(2)，使用静电纺丝设备对步骤(1)中得到的纺丝原液进行静电纺丝，静电纺丝产物用醇类收集；

步骤(3)，取出步骤(2)的醇类中的凝固后的复合纤维丝，将其干燥后即得到所述棉花状纤维支架。

优选地，步骤(1)中所述的有机溶剂为氯仿。

优选地，按重量百分数计算，步骤(1)中所述的纺丝原液中聚乳酸的含量为8～14wt％，例如为8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％、10.5wt％、11wt％、11.5wt％、12wt％、12.5wt％、13wt％、13.5wt％或13.8wt％等。

优选地，步骤(2)中所述静电纺丝过程中，静电纺丝设备中纺丝原液的挤出速度为0.05～0.4ml/min，例如为0.08ml/min、0.1ml/min、0.13ml/min、0.15ml/min、0.18ml/min、0.20ml/min、0.25ml/min、0.30ml/min、0.35ml/min或0.38ml/min等。

优选地，步骤(2)中所述静电纺丝的电压为10～30kv，例如为12kv、14kv、16kv、18kv、20kv、22kv、24kv、26kv或28kv等。

优选地，步骤(2)中所述的静电纺丝设备中，纺丝喷嘴与纺丝接收设备之间的距离为5～30cm，例如为6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm或28cm等。

优选地，步骤(2)中所述的醇类为乙醇。

优选地，步骤(3)中所述的干燥在通风橱中进行。

优选地，步骤(3)中所述干燥的温度为室温，干燥的时间为24～48h，例如为25h、27h、29h、31h、33h、35h、37h、39h、41h、43h、45h或47h等。

优选地，所述制备方法包括如下步骤：

步骤(1)，将生物玻璃与乙醇混合，混合物经过球磨处理，经干燥、筛分得到粒径为0.5～30μm的预处理后的生物玻璃，之后将预处理后的生物玻璃与聚乳酸按重量比0.4～1.5:1混合，混合物用氯仿溶解，得到聚乳酸含量为8～14wt％的纺丝原液；

步骤(2)，将步骤(1)中得到的纺丝原液注入静电纺丝设备的注射器中，控制静电纺丝设备的电压为10～30kv，注射器以0.05～0.4ml/min的挤出速度挤出纺丝原液，纺丝喷嘴与纺丝接收设备之间的距离为5～30cm，纺丝接收设备中填充有无水乙醇，用于收集静电纺丝的产物；

步骤(3)，取出步骤(2)中收集到的凝固在纺丝接收设备中的无水乙醇中的复合纤维丝，将其转移至通风橱中，在室温下干燥24～48h，干燥后即得到所述棉花状纤维支架。

本发明的目的之三在于提供一种所述棉花状纤维支架在骨修复或牙齿硬组织修复领域中的应用。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用静电纺丝的方法，能够获得一种压缩率可达45％、回复率可达80％的具有极高适应性的棉花状纤维支架，相较于传统的拉丝方法，本发明制备的棉花状纤维支架中的纤维直径更小、柔性更强且具有较高的孔隙率和比表面积，能够为成骨细胞提供更多的附着点，减短康复时间，适用于各种形状的骨缺损在内部和表面的全面修复。

(2)本发明制备的棉花状纤维支架还具有优良的生物活性、生物相容性和生物可降解性，其中的无机部分可以在体内降解产生钙、磷等成骨所需要的基本营养元素，促进缺损处的骨修复，其中的有机部分聚乳酸具有良好的可降解性和生物相容性，会在体内降解成为乳酸，然后在酶的作用下转化为二氧化碳和水，排出体外，对人体无毒性副作用。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中实施例1得到的棉花状纤维支架1的实物照片。

图2为本发明具体实施方式中实施例2得到的棉花状纤维支架2的实物照片。

图3为本发明具体实施方式中实施例3得到的棉花状纤维支架3的实物照片。

图4为本发明具体实施方式中实施例4得到的棉花状纤维支架4的实物照片。

图5为本发明具体实施方式中实施例5得到的棉花状纤维支架5的实物照片。

图6为本发明具体实施方式中实施例2得到的棉花状纤维支架2在经过生物活性试验后的sem照片。

图7为本发明具体实施方式中实施例1～3得到的棉花状纤维支架1～3在经过生物活性试验后的xrd谱。

图8为本发明具体实施方式中实施例1～4得到的棉花状纤维支架1～4在降解性能实验中各自的失重情况随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明中选用的生物玻璃为市售的45s5型、aw型、bioverit型、ceravital型或58s型生物玻璃中的任意一种或至少两种生物玻璃的混合物，各型生物玻璃的详细组分如表1中所示。

表1各型生物玻璃的详细组分及含量对照表

其中“/”表示不含该组分。

本发明对于各实施例和对照例中得到的棉花状纤维支架的性能测试方法如下：

压缩率和回复率测试：取制得的棉花状纤维支架0.05g，将其置于内径为22mm的玻璃管中，将具有同样直径的圆形玻璃盖(重1g)平置于玻璃管中的棉花状纤维支架之上，测量圆形玻璃盖底至玻璃管底的高度，记为h0，之后，在玻璃盖上放置10g砝码，静置30min后，测试玻璃盖底至玻璃管底的高度，记为h1，最后，将砝码轻轻移除，静置30min后，再次测试玻璃盖底至玻璃管底高度，记为h2，得到待测棉花状纤维支架的压缩率＝[(h0-h1)×100％]/h0，回复率＝[(h2-h1)×100％]/(h0-h1)。

纤维直径测试：利用日本理学株式会社生产的jsm-2100f型扫描电子显微镜(sem)测试制得的棉花状纤维支架的微观形貌，并计算其中纤维的平均直径，记为所述棉花状纤维支架中纤维的直径。

实施例1

通过如下步骤制备棉花状纤维支架1：

步骤(1)，取30g45s5型生物玻璃与10ml研磨液乙醇混合，混合物经过球磨处理，得到粒径为15μm的预处理后的生物玻璃，之后将预处理后的生物玻璃与70g数均分子量为350000的聚乳酸混合，混合物用氯仿溶解，得到聚乳酸含量为12wt％的纺丝原液；

步骤(2)，将步骤(1)中得到的纺丝原液注入静电纺丝设备的注射器中，控制静电纺丝设备的电压为20kv，注射器以0.2ml/min的挤出速度挤出纺丝原液，纺丝喷嘴与纺丝接收设备之间的距离为20cm，纺丝接收设备中填充有无水乙醇，用于收集静电纺丝的产物；

步骤(3)，取出步骤(2)中收集到的凝固在纺丝接收设备中的无水乙醇中的复合纤维丝，得到湿润的棉花状纤维团，将其转移至通风橱中，在室温下干燥24～48h，干燥后即得到所述棉花状纤维支架1(bg/plla＝3/7)。

实施例1中得到的棉花状纤维支架1，经过测试得到其压缩率为35％，回复率为35％，其中纤维的直径为35μm。

实施例2

通过如下步骤制备棉花状纤维支架2：

与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中生物玻璃的加入量为40g，聚乳酸的加入量为60g，且纺丝原液中聚乳酸的含量仍为12wt％。

实施例2得到棉花状纤维支架2(bg/plla＝4/6)，经过测试得到其压缩率为45％，回复率为75％，其中纤维的直径为38μm。

实施例3

通过如下步骤制备棉花状纤维支架3：

与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中生物玻璃的加入量为50g，聚乳酸的加入量为50g，且纺丝原液中聚乳酸的含量仍为12wt％。

实施例3得到棉花状纤维支架3(bg/plla＝5/5)，经过测试得到其压缩率为40％，回复率为80％，其中纤维的直径为40μm。

实施例4

通过如下步骤制备棉花状纤维支架4：

与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中生物玻璃的加入量为60g，聚乳酸的加入量为40g，且纺丝原液中聚乳酸的含量仍为12wt％。

实施例4得到棉花状纤维支架4(bg/plla＝6/4)，经过测试得到其压缩率为20％，回复率为60％，其中纤维的直径为44μm。

实施例5

通过如下步骤制备棉花状纤维支架5：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃替换为β-磷酸三钙。

实施例5得到棉花状纤维支架5，经过测试得到其压缩率为40％，回复率为40％，其中纤维的直径为42μm。

实施例6

通过如下步骤制备棉花状纤维支架6：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃替换为硫酸钙。

实施例6得到棉花状纤维支架6，经过测试得到其压缩率为40％，回复率为45％，其中纤维的直径为38μm。

实施例7

通过如下步骤制备棉花状纤维支架7：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃替换为aw型、bioverit型和ceravital型生物玻璃按重量比1:1:1混合得到的混合物。

实施例7得到棉花状纤维支架7，经过测试得到其压缩率为44％，回复率为72％，其中纤维的直径为40μm。

实施例8

通过如下步骤制备棉花状纤维支架8：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃经过球磨处理，得到粒径为0.5μm的预处理后的生物玻璃，步骤(2)中静电纺丝设备的电压为10kv，注射器以0.4ml/min的挤出速度挤出纺丝原液，纺丝喷嘴与纺丝接收设备之间的距离为30cm，

实施例8得到棉花状纤维支架8，经过测试得到其压缩率为35％，回复率为71％，其中纤维的直径为2μm。

实施例9

通过如下步骤制备棉花状纤维支架9：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃经过球磨处理，得到粒径为28μm的预处理后的生物玻璃，步骤(2)中静电纺丝设备的电压为30kv，注射器以0.08ml/min的挤出速度挤出纺丝原液，纺丝喷嘴与纺丝接收设备之间的距离为5cm，。

实施例9得到棉花状纤维支架9，经过测试得到其压缩率为44％，回复率为55％，其中纤维的直径为50μm。

实施例10

通过如下步骤制备棉花状纤维支架10：

与实施例8的区别仅在于，步骤(1)中的生物玻璃经过球磨处理，得到粒径为0.1μm的预处理后的生物玻璃。

实施例10得到棉花状纤维支架10，经过测试得到其压缩率为20％，回复率为42％，其中纤维的直径为1.5μm。

实施例11

通过如下步骤制备棉花状纤维支架11：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中聚乳酸的数均分子量为1000000，且得到的纺丝原液中聚乳酸的含量为8wt％。

实施例11得到棉花状纤维支架11，经过测试得到其压缩率为48％，回复率为72％，其中纤维的直径为48μm。

实施例12

通过如下步骤制备棉花状纤维支架12：

与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中聚乳酸的数均分子量为100000，且得到的纺丝原液中聚乳酸的含量为14wt％。

实施例12得到棉花状纤维支架12，经过测试得到其压缩率为42％，回复率为68％，其中纤维的直径为36μm。

对上述实施例1～4中得到的棉花状纤维支架1～4进行如下测试，以表征其生物活性和降解性能。

(1)生物活性试验

分别取实施例1～4中得到的棉花状纤维支架1～4各1g，置于100ml模拟体液(sbf溶液)中，以模拟体内环境的作用，浸泡2个月后取出，分别通过sem和x射线衍射仪(xrd)观察棉花状纤维支架1～4的微观结构和矿化能力。

(2)降解性能实验

分别取实施例1～4中得到的棉花状纤维支架1～4各1g，置于100mltris-hcl缓冲溶液中，测试不同时间的失重，以表征棉花状纤维支架1～4的生物降解性能。

图1～5分别为本发明实施例1～5得到的棉花状纤维支架1～5的实物照片，从中可以看出，本发明实施例2和实施例3得到的棉花状纤维支架外观较其他棉花状纤维支架更为蓬松，而且，由生物玻璃和聚乳酸混合得到的棉花状纤维支架1～4外观均较由β-磷酸三钙和聚乳酸混合得到的棉花状纤维支架5蓬松。

图6为本发明实施例2得到的棉花状纤维支架2在经过生物活性试验后的sem照片，图7为本发明实施例1～3得到的棉花状纤维支架1～3在经过生物活性试验后的xrd谱，从中可以明显看出，因其自身含有多种矿化所需的ca、p元素，使得本发明得到的棉花状纤维支架能够在体液环境中自行矿化，矿化后的产物中能够明显看出羟基磷灰石(ha)的生成，而且，当其中的生物活性材料与聚乳酸的重量比为0.65～1:1时，矿化的效果最优。

图8为本发明实施例1～4得到的棉花状纤维支架1～4在降解性能实验中各自的失重情况随时间的变化曲线，从中可以看出，当棉花状纤维支架中生物活性材料的含量越多时，得到的棉花状纤维支架具有更强的降解能力。

综上所述，本发明利用静电纺丝的方法，制备了生物玻璃、β-磷酸三钙或硫酸钙等生物活性材料与聚乳的复合材料，能够获得一种压缩率可达45％、回复率可达80％的具有极高适应性的棉花状纤维支架，相较于传统的拉丝方法，本发明制备的棉花状纤维支架中的纤维直径更小、柔性更强且具有较高的孔隙率和比表面积，能够为成骨细胞提供更多的附着点，减短康复时间，适用于各种形状的骨缺损在内部和表面的全面修复，本发明制备的棉花状纤维支架还具有优良的生物活性、生物相容性和生物可降解性，其中的无机部分可以在体内降解产生钙、磷等成骨所需要的基本营养元素，促进缺损处的骨修复，其中的有机部分聚乳酸具有良好的可降解性和生物相容性，最终降解产物为二氧化碳和水，对人体无毒性副作用，还具有环境友好的优点。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。