具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架及其制备方法与应用与流程

本发明属于支架材料技术领域，特别涉及一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架及其制备方法和应用。

背景技术：

静电纺技术操作简单、可纺材料广泛，所制备的纤维多为纳米或者亚微米级，因其能够从结构和功能上仿生人体细胞外基质，被广泛用于组织工程等生物医学领域。然而，传统的静电纺丝纳米纤维生物支架多由纳米纤维组成，受其固有的尺寸影响，支架孔径较小。此外，传统静电纺支架多为二维薄膜状结构，纤维致密堆叠，导致纤维间孔隙尺寸多为亚微米级或纳米级，远远小于细胞本身的尺寸。因此，细胞只能在此类支架的表面生长，难以渗透至支架内部。这极大地限制了静电纺支架在皮肤、骨、血管、肌腱等方面的实际应用。

针对这方面的问题，已有的报道通过以下几种方法来增大孔径。包括：改进静电纺收集装置，无机盐粒子混入纺丝液，利用气体使静电纺薄膜膨胀，混入可溶性纤维并在其后的工序中溶解，制备纳米纤维气凝胶等。例如专利cn102586901a报道了一种利用转盘静电纺丝技术获得的三维静电纺支架材料，纺丝过程中纤维上所带的电荷难以消除，所产生的静电斥力使得支架呈现三维蓬松状态；专利cn103820943a报道了一种大孔三维有序取向性丝素蛋白纳米纤维支架及其制备方法，在收集装置上添加乙醇溶液，利用乙醇的低表面张力，使得纺出的纳米纤维浸润扩散，从而导致丝与丝之间的间隙扩大以获得三维支架材料。尽管这些方法有效地将静电纺支架材料的内部孔径扩大到了理想的尺寸，但所获的结构存在稳定性不足的缺陷，纤维间的大孔在反复受力，如牵伸或压缩等过程中极易垮塌，难以满足实际应用需求。相比而言，微米纤维支架具有良好的力学性能，而传统微米纤维构成的支架，虽具有较大的孔径，但该微米结构无法仿生细胞外基质，导致生物相容性不足。传统静电纺纳米纤维基人工支架材料由于其纤维较细，结构致密，导致其支架孔径较小，限制了细胞渗透及迁徙，不利于新组织的再生。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种表面具有取向纳米结构的三维静电纺微米纤维支架及其制备方法。本发明制备方法简单，原料易得；这种纳/微结构的三维支架不仅很好的解决了细胞在纳米三维支架中的渗透问题，同时，微米纤维的固有特性使得支架的大孔结构较为稳定，在组织工程等生物医学领域具有应用潜力。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将可降解聚合物溶于由高挥发性、低挥发性溶剂构成的溶剂体系中，室温下搅拌静置，得到纺丝液；

步骤2：将步骤1所得纺丝液进行静电纺丝，纺丝参数为：电压为10～20kv，接收距离为10～20cm，纺丝液流速为2～10ml/h，纺丝时间为1～5h，环境温度为20～30℃，相对湿度为45±5％，干燥后得到具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架。

优选地，所述步骤1中的可降解聚合物为聚乳酸、纤维素及其衍生物等可降解材料中的一种。

优选地，所述步骤1中的纺丝液中聚合物的质量浓度为20～40wt％。

优选地，所述步骤1中溶剂体系为二氯甲烷与n,n-二甲基甲酰胺，配比为二氯甲烷：n,n-二甲基甲酰胺的体积比≥3.5:1。

本发明还提供了上述方法制备的具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架。

优选地，所述的表面纳米结构为平行连续沟槽结构，沟槽宽度为200～400nm。

优选地，所述三维静电纺微米纤维支架材料的纤维直径为3.5～10.0μm，孔径为11～40μm。

本发明还提供了上述方法制备的有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架在骨修复、软骨修复、肌腱再生、血管再生及皮肤再生等组织工程领域中作为支架材料的应用。

本发明的原理在于：本发明的纺丝液采用了高挥发性、低挥发性溶剂构成的溶剂体系，在纺丝过程中，高挥发性溶剂快速挥发，与环境中的水汽(微小的水滴)发生交换，这些水汽在纤维表面形成孔洞，而此时，纤维中的低挥发性溶剂未挥发，使得纤维仍具流动性，因此这些孔洞在静电场的牵伸作用下，被拉伸成了沿纤维轴向方向取向排列的沟槽纳米结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明使用静电纺丝技术制备了一种具有表面纳米结构的三维微米纤维支架，其表面的纳米凹槽可以增加纤维的表面积，并从结构上模拟细胞外基质，利于细胞的黏附。所获得的纤维平均直径达到4μm以上，鉴于纤维支架中，直径与孔径呈正相关(即纤维越粗，孔径越大)，该微米尺度纤维将支架的平均孔径扩大到了11μm以上，所形成的蓬松结构稳定、不易垮塌，能够给细胞向内渗透生长提供空间。与现有大孔静电纺支架相比，这种因纤维直径增大而形成的三维支架稳定性更高，有望应用于骨修复、软骨修复、肌腱再生、血管再生及皮肤再生等组织工程领域。

(2)目前尚无报道在不经过额外处理方法的情况下，一步法将可降解静电纺纤维平均直径扩大到4μm以上，同时具有取向纳米凹槽结构，与传统静电纺纳米纤维支架相比，微米纤维支架具有更大的孔径；而与普通微米纤维支架相比，本发明的微米纤维表面具有类似纳米纤维的沟槽结构，因此本发明所制备的三维支架兼具了纳米纤维支架的高生物相容性，以及微米纤维支架的大孔径优势。

(3)本发明通过静电纺丝技术一步制备了同时具备纳米结构和大孔径的三维静电纺支架，所得支架具有稳定的大孔结构，并且具有一定的强度，有效结合了纳米纤维和微米纤维作为支架材料的优势。

(4)本发明制备方法简单，原料易得等优点；本发明纳/微结构的三维支架不仅很好的解决了细胞在纳米三维支架中向内生长的问题，同时，纤维表面的纳米结构有效地保证了细胞的黏附行为，在组织工程中将发挥巨大的潜力，在临床上有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为同等原料、纺丝量情况下具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架与传统纳米纤维皮肤再生支架的对比图；其中a为具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架材料，b为传统纳米纤维支架；

图2为具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的纤维sem图；

图3为具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的孔径分布图；

图4为传统纳米静电纺支架材料的孔径分布图；

图5为同等原料、纺丝量、堆叠层数情况下，该复合支架与传统纳米纤维复合骨支架的压缩回弹性曲线。

具体实施方式

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而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之后，本领域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利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例提供了一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：配制聚乳酸静电纺丝溶液：

将1.25g聚乳酸(pla)颗粒加入4ml二氯甲烷和1mln,n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中。常温下静置24h，得到质量百分浓度为25wt％的pla纺丝溶液；

步骤2：将步骤1所得纺丝液进行静电纺丝，使用5ml注射器，21g不锈钢针头，施加电压为15kv，接收距离为20cm，纺丝液流速为2ml/h，纺丝时间为3h，环境温度为25℃，相对湿度为45±5％，于真空干燥箱中静置干燥24小时后得到具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架，支架厚度为360μm。

纺丝过程中，高挥发性溶剂快速挥发，与环境中的水汽(微小的水滴)发生交换，这些水汽在纤维表面形成孔洞，而此时，纤维中的低挥发性溶剂未挥发，使得纤维仍具流动性，因此这些孔洞在静电场的牵伸作用下，被拉伸成了沿纤维轴向方向取向排列的沟槽纳米结构。

图1为同等原料、纺丝量情况下具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维皮肤再生支架与传统纳米纤维皮肤再生支架的对比照片，其中a为具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架，b为传统纳米纤维支架；从图中可以看出，本发明的三维静电纺微米纤维皮肤再生支架具有良好的蓬松性能。这主要是由于粗纤维有效地将支架内部孔径扩大，粗纤维的固有属性让这种大孔结构保持稳定、不易垮塌，使得本发明中的支架比传统静电纺支架要蓬松。

图2所示的具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的纤维sem照片，从图中可以看出，所得支架的纤维平均直径达到4μm以上，孔径尺寸范围为11～40微米，这种结构可以使细胞通过粗纤维组成的大孔结构渗透到支架内部，同时纤维表面形成很多平行的纳米凹槽，有利于细胞黏附于纤维上。对比图3和图4两种支架材料可以看出，本发明所制备的三维静电纺微米纤维支架的孔径尺寸远远大于传统纳米静电纺支架。

实施例2

本实施例提供了一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的制备方法，其制备方法与实施例1的区别在于，在步骤2中，纺丝过程的纺丝液流速为3ml/h，所得的支架厚度为510μm。

实施例3

本实施例提供了一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的制备方法，其制备方法与实施例1的区别在于，在步骤2中，纺丝过程纺丝时间为5h，所得的支架厚度为560μm。

实施例4

本实施例提供了一种具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：配制聚乳酸静电纺丝溶液：

将1.25g聚乳酸(pla)颗粒加入4ml二氯甲烷和1mln,n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中。常温下静置24h，得到质量百分浓度为25wt％的pla纺丝溶液；

步骤2：将步骤1所得纺丝液进行静电纺丝，使用5ml注射器，21g不锈钢针头，施加电压为15kv，接收距离为20cm，纺丝液流速为2ml/h，纺丝时间为3h，环境温度为25℃，相对湿度为45±5％，于真空干燥箱中静置干燥24小时后得到具有表面纳米结构的三维静电纺微米纤维支架。

步骤3：选取步骤2所得支架20个进行堆叠复合，获得更为蓬松的三维静电纺微米纤维骨支架。

图5为同等原料、纺丝量、堆叠层数情况下，该复合支架与传统纳米纤维复合骨支架的压缩回弹性曲线。从图中可以看出，该支架具有良好的压缩回弹性，不会因为在使用过程中反复牵伸和压缩而导致内部孔径更为稳定而不易崩塌。