明胶基微纳米纤维膜材料及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明属于生物材料中的无纺布领域，特别涉及无针电纺制备的明胶基微纳米纤维膜材料及应用，以及该明胶基微纳米纤维膜材料的制备方法，和用于制备明胶基微纳米纤维膜材料的静电纺丝机。
【背景技术】
[0002]在高压电场的作用下，带电的聚合物溶液或熔融体会形成一个锥体，这就是所谓的“泰勒锥”(Taylor cone);继续增加电场强度，聚合物溶液或熔融体会从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高压电场的作用下发生震荡，产生频率极高的不规则螺旋运动，导致喷射流被快速拉细，溶剂迅速挥发，最终形成直径在微纳米级的纤维并以随机的方式散落在收集装置上，形成微纳米纤维膜，或者在移动/旋转的收集装置上，形成一定纤维取向的微纳米纤维膜，所得到的微纳米纤维膜称为无纺布。静电纺丝技术首先是由Zeleny (Phys.Rev.1914.3:69 ?91)发明的，Formhals (US Patant, I, 975，504.1934)对其申请了专利。目前，静电纺丝技术已被用于各个领域。从整体来看，对静电纺丝的研究可分为两个方面:第一方面集中在对静电纺丝材料及纺丝产物性质用途的探索，第二方面则是聚焦在对静电纺丝装置本身的改革与工艺创新。对于第一方面，传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm的纤维；而静电纺丝则能纺出超细的纤维，直径最小可至lnm。由于超细纤维的优良性能，人们对其制备方法、适用原料、产品性能等进行了深入的研究。众多微纳米纤维相互堆积成微纳米纤维膜材料，这种材料从结构上讲，其具有明显的小尺寸效应，大的比表面积和超分子的排列效果，无纺布纤维表面所形成的很多微小的二次结构与细胞外基质的结构类似，更接近于生物体的结构尺寸；从性能上讲，由于其特殊的微纳米结构，因此无纺布具有很强的吸附力、良好的过滤性、阻隔性、粘合性、保湿性、良好的生物相容性及生物可降解性。迄今为止，超过100种高分子被开发出来制备微纳米纤维膜材料。天然高分子因在生物相容性和可降解性方面比合成高分子具有更大的优势，更适合生物医疗方面的应用，受到国内外学者的普遍青睐，明胶更是天然生物分子中性质优良的典型。明胶是以动物的皮、骨为原料，通过分类、洗浸、脱脂、中和、水解、过滤、浓缩、凝胶、烘干、粉碎等十几道工序制成，为一种无味、半透明、坚硬的薄片、颗粒或粉末。明胶的主要组成是与氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽分子混合物，分子量一般在几万至十几万。由于明胶具有良好的生物相容性、可降解性、在体温下良好的水溶性；同时经静电纺丝制备的微纳米纤维膜具有与细胞外基质胶原蛋白类似的结构，因此，在医药领域具有巨大的应用前景，可广泛用于止血材料、止血敷料、组织工程支架材料、牙齿修复材料、药物缓释材料、人造皮肤材料、人造血管材料、软骨修复材料、生物膜材料、创口包覆材料、美容保健材料等方面。目前已有几十篇关于明胶有针电纺的文献和专利。对于第二方面的静电纺丝装置本身的改革与工艺创新而言，目前无论是科研单位还是利用静电纺丝技术生产微纳米纤维的企业，其中绝大部分静电纺丝技术和工艺都是以带有微喷射系统的针筒式静电纺丝装置为基础；与此同时，其它一些新式的静电纺丝装置相继被开发出来。然而，将新型的无针静电纺丝技术应用在明胶等生物高分子的微纳米纤维膜材料的加工，目前还未见报道。
[0003]另外，明胶静电纺丝技术发展至今，仍面临以下几个方面的局限性。第一个方面，通过现有技术制备的明胶纤维普遍存在直径较粗(一般在微米级以上)、分布不均、抗潮湿性差、易变形、易破碎、易吸水；第二个方面，纯明胶的水溶液常温下呈胶体状态，难以通过针筒式静电纺丝装置纺成微纳米纤维，并且明胶不易溶于有机溶剂。目前，有限的几篇文献报道都集中在一些含氟有机溶剂，例如三氟乙醇、六氟异丙醇等，然而这种方法存在着溶剂昂贵，有机溶剂毒性大，残留的有机溶剂难以清除完全，溶剂回收困难等缺点(Journalof Funct1nal Polymers, 2008,21 (3),312-316 ;Journal of B1medical MaterialsResearch Part A, 2009，90 (3)，671-679);第三个方面，目前的静电纺丝机多采用针头喷丝的方式，针头易堵塞且纺丝效率低。这些都限制了明胶基微纳米纤维膜的广泛应用。
[0004]本发明通过将明胶与其它生物分子进行混纺时加入添加剂等，并进一步使用交联剂进行可控交联，来克服上述第一个方面所述的缺陷；通过寻找合适的溶剂，调节静电纺丝时的温度、湿度来克服明胶电纺的上述第二个方面所述的缺陷；通过采用螺片式出丝方式、弹簧式出丝方式、滚筒式出丝方式、螺杆式出丝方式、转轴式出丝方式或齿轮式出丝方式，可极大的提高静电纺丝出丝的速度，并做到连续的纺丝运转以克服上述第三个方面所述的缺陷。经过这些改进，本发明不仅能够简化明胶静电纺丝的程序、节约成本，并且可以大量的制备出性能优良的明胶基微纳米纤维膜材料。这种材料可以普遍用于做止血材料、止血敷料、组织工程支架材料、牙齿修复材料、药物缓释材料、人造皮肤材料、人造血管材料、软骨修复材料、生物膜材料、创口包覆材料、美容保健材料等方面。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一是提供通过无针静电纺丝制备得到的明胶基微纳米纤维膜材料。
[0006]本发明的目的之二是提供无针电纺进行制备明胶基微纳米纤维膜材料的方法。
[0007]本发明的目的之三是提供明胶基微纳米纤维膜材料的用途。
[0008]本发明的目的之四是提供用于制备明胶基微纳米纤维膜材料的静电纺丝机。
[0009]本发明是以明胶为主要基体制备微纳米纤维膜材料，利用螺片式静电纺丝机、弹簧式静电纺丝机、滚筒式静电纺丝机、螺杆式静电纺丝机、转轴式静电纺丝机或齿轮式静电纺丝机进行含有明胶的溶液与含有其它生物分子的溶液的静电共纺丝，或将明胶溶液与其它生物分子等混合后进行静电共混纺丝，实现了明胶的快速、便捷、大规模的静电纺丝，简便快捷规模化地制备出不同组成和不同尺寸的明胶基微纳米纤维膜材料，经过一系列的后处理，为明胶基微纳米纤维膜材料的进一步大规模的推广实用提供了基础。
[0010]本发明的明胶基微纳米纤维膜是通过无针静电纺丝制备得到的，构成明胶基微纳米纤维膜的微纳米纤维的成分是由明胶、其它生物分子、添加剂、乳化剂和药物组成；其中:明胶的含量为2?98wt%(优选范围为30?80wt%)，其它生物分子的含量为2?98wt%(优选范围为10?50wt%)，添加剂的含量为O?40wt% (优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt% (优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt% (优选范围为0.01?20wt%)；
[0011]或
[0012]构成明胶基微纳米纤维膜的微纳米纤维的成分分别由明胶、添加剂、乳化剂和药物组成，及由其它生物分子添加剂、乳化剂和药物组成；其中由明胶、添加剂、乳化剂和药物组成的微纳米纤维中明胶的含量为2?100wt%(优选范围为30?80wt%)，添加剂的含量为O?40wt% (优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt% (优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt% (优选范围为0.01?20wt%);由其它生物分子添加剂、乳化剂和药物组成的微纳米纤维中其它生物分子的含量为2?100wt% (优选范围为10?50wt%)，添加剂的含量为O?40wt% (优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt% (优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt% (优选范围为0.01?20wt%)。
[0013]所述的明胶基微纳米纤维膜是由横向排列的微纳米纤维膜层与纵向排列的微纳米纤维膜层相互交替覆盖层层叠加构成的(即由一层横向排列的微纳米纤维膜为底层，叠加一层纵向排列的微纳米纤维膜层，之后再覆盖一层横向排列的微纳米纤维膜层，以此类推，交替覆盖，层层叠加)。
[0014]所述的相互交替覆盖层层叠加构成的明胶基微纳米纤维膜，其相邻层的微纳米纤维膜层是由相同成分的微纳米纤维构成，或由不同成分的微纳米纤维构成。
[0015]所述的明胶基微纳米纤维膜的膜厚为50nm?5cm,优选范围为I μ m?3cm。
[0016]所述的明胶基微纳米纤维膜中的微纳米纤维的直径为20nm?100 μ m。
[0017]所述的明胶基纳米纤维膜中的微纳米纤维的交联度为0〈交联度< 100%，优选范围为5?80%ο
[0018]本发明的明胶基微纳米纤维膜材料的制备方法包括以下步骤:
[0019](I)将明胶溶于溶剂中，搅拌至完全溶解后加入其它生物分子、添加剂、乳化剂和药物，继续搅拌(一般搅拌的时间为0.1?48小时)至形成均匀流体溶液后得到纺丝液，纺丝液中明胶的含量为2?98wt% (优选范围为30?80wt%)，其它生物分子的含量为2?98wt% (优选范围为10?50wt%)，添加剂的含量为O?40wt% (优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt% (优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt% (优选范围为
0.01?20wt%);然后将纺丝液分别装载于静电纺丝机的以偶数设置(如2，4，6，8，10-----)
的两个以上的液槽中，且相邻的液槽中所装载的纺丝液的成分组成相同或不相同，准备纺丝；
[0020]或
[0021]将明胶溶于溶剂中，搅拌至完全溶解，得到明胶溶液；将其它生物分子溶于溶剂中，搅拌至完全溶解，得到其它生物分子溶液；然后向明胶溶液中加入添加剂、乳化剂和药物，继续搅拌(一般搅拌的时间为0.1?48小时)至形成均匀流体溶液后得到含有明胶的纺丝液，向其它生物分子溶液中加入添加剂、乳化剂和药物，继续搅拌(一般搅拌的时间为0.1?48小时)至形成均匀流体溶液后得到含有其它生物分子的纺丝液；其中含有明胶的纺丝液中明胶的含量为2?100wt%(优选范围为30?80wt%)，添加剂的含量为O?40wt%(优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt% (优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt% (优选范围为0.01?20wt%);含有其它生物分子的纺丝液中其它生物分子的含量为2?100wt% (优选范围为10?50wt%)，添加剂的含量为O?40wt% (优选范围为I?15wt%)，乳化剂的含量为O?40wt%(优选范围为O?8wt%)，药物的含量为O?40wt%(优选范围为0.01?20wt%);然后将含有明胶的纺丝液和含有其它生物分子的纺丝液分别依次装载于静电纺丝机的以偶数设置(如2，4，6，8，10——)的两个以上的相邻的液槽中，准备纺丝；
[0022]所述的静电纺丝机为螺片式静电纺丝机、弹簧式静电纺丝机、滚筒式静电纺丝机、螺杆式静电纺丝机、转轴式静电纺丝机或齿轮式静电纺丝机；所述的相邻的液槽中的静电纺丝机的纺丝头是一个液槽中放置一个纵向方向的纺丝头，一个液槽中放置一个横向方向的纺丝头的交替方式放置(如图7所示);所述的纺丝头是螺片式静电纺丝机的螺片、弹簧式静电纺丝机的弹簧、滚筒式静电纺丝机的滚筒、螺杆式静电纺丝机的螺杆、转轴式静电纺丝机的转轴或齿轮式静电纺丝机的齿轮；
[0023]通过螺片式静电纺丝机、弹簧式静电纺丝机、滚筒式静电纺丝机、螺杆式静电纺丝机、转轴式静电纺丝机或齿轮式静电纺丝机进行静电纺丝，以表面附有铝箔或布的滚筒、平板、罗带等为接收器；其中，纺丝的条件为:
[0024]a)纺丝液的给料速率为0.001?50ml/min ；
[0025]b)环境温度为30?90°C ;
[0026]c)电压为 I ?200kv ；
[0027]d)纺丝头与接收器之间的距离为3?10cm ；
[0028]e)纺丝头的绕轴旋转的转速为0.001?10rpm ；
[0029]f )滚筒接收器的旋转转速为0.001?5000rpm，或平板及罗带接收器的线速度为0.00005 ?250m/min ；
[0030]g)接收器的干燥风温度为I?100°C ；
[0031]h)液槽的温度为30?90°C ；
[0032](2)将步骤(I)静电纺丝完成后在接收器上得到的由纵横交替的微纳米纤维构成的明胶基微纳米纤维膜材料的半成品取下并浸泡于含有质量百分浓度为O?60%交联剂的水中或浸泡于乙醇溶液中进行交联(一般浸泡的时间为I?168小时),进行交联时的温度为O?30°C ；
[0033]或
[0034]将步骤(I)静电纺丝完成后在接收器上得到的由纵横交替的微纳米纤维构成的明胶基膜微纳米纤维膜材料的半成品取下置于含有质量百分浓度为O?60%交联剂水溶液所挥发的蒸汽中进行交联(一般进行交联的时间为I?168小时)或置于乙醇溶液所挥发的蒸汽中进行交联(一般进行交联的时间为I?168小时)；进行交联时的温度为15?40°C ；
[0035]交联完成后用去离子水洗涤，直至在使用交联剂的情况下使明胶基微纳米纤维膜材料的半成品上的残余的交联剂完全清洗掉，干燥；