为生物材料提供结合表面的纤维集合体制造方法及利用该方法制备的纤维集合体与流程

1.本发明涉及纤维集合体制造方法，具体地，涉及为生物材料提供结合表面的纤维集合体制造方法及利用该方法制备的为生物材料提供结合表面的纤维集合体。


背景技术：

2.人们不断研究将各种生物材料固定于结构物的研究，固定有生物材料的结构物在材料工程、生命工程、医学等多种领域广泛使用。
3.将生物材料固定于结构物的方法中，由于其工艺上的便利性以往最多用的是利用物理吸附或表面电荷差异的离子结合法。但是这种结合方法具有由于结合力低而无法将生物材料稳定地结合在结构物上而容易从结构物脱离的致命缺陷。
4.另一方面，以往作为将生物材料固定的结构物多使用有孔小珠(bead)，尤其是考虑到使用后的回收利用问题而使用磁性小珠。但是磁性小珠的表面积不大，能够固定生物材料的量有限。
5.此外，还有在作为结构物而要结合生物材料的容器的表面直接涂覆生物材料进行固定的方法，但是通过简单涂覆固定会导致生物材料经常脱离。且，根据提供用于生物材料涂覆的表面的容器材质，涂覆可能并没有那么容易，对于在这种材质上涂覆的生物材料而言，存在可能更加加速脱离的隐患。还有，生物材料的脱离还会导致利用生物材料的应用(application)，例如利用生物材料测定标记物时的分析灵敏度、准确性、精密度、稳定性等的降低的问题。进而，生物材料没有具体取向地在表面聚集从而随机取向时，由于空间阻碍而存在降低在表面的结合效率或结合能力的问题。此外，容器表面而言限于在裸露的表面积负载生物材料，因此增加生物材料含量受限。
6.从而继续研究出一种具有能够稳定、高集成化的结合表面的结构物。


技术实现要素：

7.发明目的
8.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种能够为生物材料提供结合表面的纤维集合体的制造方法及利用该方法制备的为生物材料提供结合表面的纤维集合体，其能够尽可能引入更多生物材料，并能够稳定地固定所引入的生物材料而能够防止脱离，同时能够有利于使引入的生物材料的功能完整的发挥。
9.技术方案
10.为了实现上述目的，本发明提供一种为生物材料提供结合表面的纤维集合体的制造方法，其包括如下步骤：1)准备蓄积多个纤维的纤维集合体的步骤；及2)对纤维表面进行改性从而在纤维表面具备羧基，进而与生物材料中具备的胺基反应的步骤。
11.根据本发明的一实施例，所述纤维包括选自由聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚酯,聚酰胺、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙醇酸、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯和聚醚砜
(pes)组成的组中的1种或2种以上的混合物，或它们的2种以上共聚而成的共聚物。
12.此外，所述步骤2还可以包括以下步骤：2-1)纤维集合体表面用ph 12.0以上的碱溶液处理的步骤；及
13.2-2)将用碱溶液处理的纤维集合体表面用包含含羧基化合物的溶液进行处理的步骤。
14.此外，所述含羧基化合物可以包括含有至少3个以上羧基的化合物。此时，所述含羧基化合物可以是柠檬酸(citric acid)。
15.此外，所述纤维集合体包含聚丙烯腈纤维，所述含羧基化合物可以是柠檬酸。
16.此外，所述2-1)步骤和2-2)步骤分别独立地在50～70℃温度实施24小时以上。
17.此外，所述含羧基化合物的溶液的溶剂可以是选自由碳原子数为3～10的醇及水中的任意1种以上。此时，作为一例，所述溶剂可以是水和醇1:0.2～1.8重量比的混合物。
18.此外，所述含羧酸化合物溶液中所述含羧基化合物的浓度可以是8～15m。
19.此外，本发明还提供一种为生物材料提供结合表面的纤维集合体，其特征在于，该纤维集合体由与本发明的生物材料上具有的胺基反应的羧基通过根据本发明的制造方法在表面上具备的多个纤维形成。
20.根据本发明一实施例，所述纤维包括聚丙烯腈纤维，所述羧基可以是源自柠檬酸。
21.此外，所述羧基的平均直径不足1μm。
22.此外，提供一种固定有生物材料的纤维集合体，所述集合体包括：根据本发明的纤维集合体；及具备至少1个胺基，所述胺基能够与纤维集合体内纤维表面上具备的羧基形成共价键，从而能够结合于纤维表面上的生物材料。
23.根据本发明一实施例，所述生物材料包括含有至少1个胺基或改性成能够具有至少1个胺基的酶、生物体信号分子和生物分子中的任意1种以上。所述酶包括选自由碳酸脱水酶、糖氧化酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、木瓜蛋白酶、嗜热菌蛋白酶、脂肪酶、过氧化物酶、、酰基转移酶、内酯酶、蛋白酶、酪氨酸酶、漆酶、纤维素酶、木聚糖酶、有机聚碳水解酶、胆碱酯酶、甲酸脱氢酶、乙醛脱氢酶、醇脱氢酶、葡萄糖脱氢酶及葡萄糖异构酶组成的组中的1种以上；所述生物体分子可以是选自由趋化因子、细胞因子、细胞生存因子、细胞增殖因子及细胞分化因子组成的组中的1种以上；所述生物分子可以是选自由白蛋白、胰岛素、胶原蛋白、抗体、抗原、蛋白a、蛋白g、亲和素、链霉亲和素、中性亲和素、生物素、核酸、肽、植物凝血素(lectin)、糖基化蛋白、细胞和碳水化合物组成的组中的1种。
24.发明效果
25.根据本发明的为生物材料提供结合表面的纤维集合体的制造方法能够将生物材料容易且高含量地引入到纤维集合体。且，显著减少在生物材料引入过程中生物材料之间的结合或通过物理吸附等附着的生物材料，从而在利用生物材料的应用中由于高精密度和可信度而能够利用生物材料。此外，由于能够使得生物材料脱离最小化或者防止，因此在利用生物材料的应用中能够使得生物材料引起的特定改变最小化。从而，根据本发明的纤维集合体表面固定的生物材料能够应用于材料工程、生命工程、医学等各种领域。
附图说明
26.图1示出根据本发明一实施例和对比例的ftir图谱。
具体实施方式
27.下面通过本发明的实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员能够容易实施本发明。本发明可以通过多种不同形态实现，并不限于下面说明的实施例。
28.根据本发明的为生物材料提供结合表面的纤维集合体的制造方法，包括：1)准备蓄积多数纤维的纤维集合体的步骤；及2)对纤维表面进行改性从而在纤维表面具备羧基，而与生物材料中具备的胺基反应的步骤。
29.首先，实施作为步骤1)的准备蓄积多个纤维的纤维集合体的步骤。
30.由纤维构成的纤维集合体的功能是作为支撑体用于支撑将引入的生物材料。所述生物集合体可以是多个纤维以高度方向随机蓄积形成，由此而具有3维网状结构，从而可以具有不均匀的表面形态。纤维集合体的表面实质上为各个纤维外表面的集合，因此具有相比相同体积的非多孔性支撑体，能够负载生物材料的比表面积显著增加的优点。
31.所述纤维集合体可以是统称为纤维网的东西，因此其制造方法可以按照通常的纤维网制造方法制备，本发明对制造纤维集合体的具体方法不进行特别限定。
32.但是，为了实现更加优异的比表面积，根据本发明一实施例的纤维集合体由平均直径为2μm以下，更优选为径不足1μm的纤维形成。具有这种直径的纤维可以是通过用海岛丝通过溶体纺丝后经减量工序制造的超细纤维的通常制造方法制造，或通过静电纺丝制造。利用静电纺丝时可以在用于浸渍生物材料的容器内收容空间表面上，通过纺丝直接形成纤维集合体能够省略将支撑体附着于容器的工序，从而具有简化制造工序、缩短制造时间的优点。
33.所述静电纺丝可以是直接采用公知的静电纺丝设备和通常的静电纺丝条件或者适当进行变更而实施。具体地，可以根据纺丝的纺丝溶液内包含的纤维形成成分的材质、含量、溶解其的溶剂种类、所需的纤维直径等，适当调整静电纺丝时施加的电压强度、空气间隙的高度、空气间隙内湿度、温度等。
34.此外，形成纤维的纤维形成成分考虑到纤维制造方法、耐化学性、机械强度、柔韧性行等所需物性可以选用合适的公知的纤维形成成分。作为一例，所述纤维形成成分选自由聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙醇酸、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯及聚醚砜(pes)组成的组中的1种高分子化合物或它们的2种以上的混合物或它们中的2种以上共聚而成的共聚物。优选，所述纤维形成成分是聚丙烯腈，其优点是相比其他种类的纤维形成成分，通过其能够将后述的生物材料以更高含量负载到纤维集合体上。
35.此外，所述纤维集合体的基重作为一例可以是1～100g/
㎡
，根据需求可以适当进行调整。
36.接着是根据本发明的步骤2)，实施对纤维集合体的改性使羧基负载到纤维表面的步骤。
37.所述羧基是用于将生物材料固定于纤维集合体的结合用功能团，更具体而言是用于与生物材料内的胺基形成酰胺的功能团。
38.所述羧基可以通过公知的改性方法负载到纤维表面。但是，优选为包括：2-1)将纤维集合体表面用碱溶液处理的步骤；及2-2)用碱溶液处理的纤维集合体表面用包含含羧基化合物的溶液处理的步骤，从而负载到纤维表面。
39.所述2-1)步骤是将纤维集合体表面，具体地是将纤维表面与碱溶液接触的步骤，通过此可以在纤维表面形成羟基。作为所述碱溶液的一例可以是氢氧化钠溶液，此时碱溶液的浓度为1～20m，优选为5～10m。此外，所述碱溶液可以是ph值为12.0以上或优选为13.0以上，更优选为13.5以上。此外，所述碱溶液的处理方法具体可以为浸渍。此外，所述碱溶液的处理温度可以为50～70℃。此外，所述碱溶液的处理时间可以为处理1分钟～30小时，优选为15小时以上，更优选为24小时以上。如果碱溶液的处理时间不够充分时，可能无法实现引入到纤维集合体的生物材料的量的显著增加。
40.接着，作为步骤2-2)，可以是按照将用碱溶液处理的纤维集合体表面用含有含羧基化合物的溶液处理的步骤来实施。此时，步骤2-2)实施之前还可以经过对碱溶液处理的纤维集合体的水洗工序，但不限于此。
41.所述含羧基化合物是包含至少3个以上的羧基的化合物，作为一例，可以是选自由柠檬酸、丙烯酸-马来酸共聚物、聚丙烯酸、苯乙烯磺酸马来酸共聚物、苯乙烯马来酸共聚物组成的组中的1种以上。如果含羧基化合物中含有的羧基为2个的时候，可能存在引入到纤维集合体的生物材料的量显著减少的问题。
42.所述含羧基化合物优选柠檬酸，相比使用聚丙烯酸等聚合物形态的化合物的情况，优点是可以增加生物材料的引入量，防止生物材料的非特异性引入，能够使得引入生物材料的功能完全发挥出来。
43.所述含有含羧基化合物的溶液的溶剂可以是包含选自由直链或支链的碳原子数为1～10，优选为碳原子数为3～10的醇、水中的任意1种以上。更优选为所述溶剂还包含丙醇和异丙醇中的任意1种以上，从而具有进一步增加羧基引入量的优点。
44.此外，更优选，所述溶剂包含水和醇1:0.2～1.8重量比，通过此在步骤2-2)反应时间延长的时候溶液的气化最小化啊，从而具有能够更加稳定地将羧基负载到纤维表面的优点。此外所述溶液内含羧基化合物浓度可以为1～20m，优选为8～15m，通过是可以负载充分量的羧基，同时存在能够使得引入的生物材料的功能完全发挥的优点。如果所述溶液内含羧基化合物的浓度超出优选范围以高浓度包含时，负载的羧基的量的增加甚微，生物材料具有多个胺基的时候一个生物材料与多个羧基结合，从而引起生物材料变形或功能低下等问题。
45.且，所述步骤2-2)可以在50～70℃温度条件下实施1分钟内～30小时，优选实施15小时以上，更优选实施24小时以上。如果包含含羧基化合物的溶液的处理和反应时间不充分时，引入到纤维集合体的生物材料的量无法实现显著增加。
46.另一方面，本发明使用纤维表面改性方法以使羧基裸露于表面，相比将含羧基化合物加入到纺丝溶液中进行纺丝的方法，具有能够将结合于纤维集合体的生物材料的量显著增加的优点。这与从含羧基化合物的ft-ir数据能够预测结果是全然不同的非常特异性的效果。具体地，参照图1可以知道，将含羧基化合物包含于纺丝溶液中进行纺丝的纤维集合体的比较例1，相比将纤维集合体用碱溶液处理后再用包含含羧基化合物的溶液处理进行表面改性的实施例1，在对应羧基的1740
㎝-1
处的峰值显著高。但是后述的表1可以知道，比较例1中作为生物材料一例的链霉素亲和素引入量对应的生物素的量而言，相比实施例1仅以不足1/100的水平引入了亲和素，这与能够通过ft-ir数据预测的结果是相反的，因此可以知道根据本发明的纤维素集合体具有能够引入非常大量的生物材料的能力。
47.此外，本发明通过上述制造方法能够实现为生物材料提供结合表面的纤维集合体，其由在表面负载有羧基的纤维形成，所述羧基能够与生物材料含有的胺基反应。
48.此时，优选所述纤维包含聚丙烯腈纤维，所述羧基可以是源自柠檬酸，通过其具有能够以显著增加的量将生物材料引入到纤维集合体中。
49.此外，本发明还提供固定有生物材料的生物集合体，包括：根据本发明的纤维集合体；及具有至少1个胺基，所述胺基能够与纤维集合体内的纤维表面上具有的羧基形成共价键，从而结合到纤维表面上的生物材料物质。
50.所述生物材料可以是用于材料工程、生命工程或医学领域的公知物质，可以是生物体内存在的物质或不存在于生物体内的物质，只要是生物学反应中可使用的物质即可。所述生物材料可以是有机物或无机物，有机物的一例为碳水化合物、蛋白质、核酸、脂质或形成这些物质的低分子形态。所述生物材料的一例可以是含有至少1个胺基或能够含有至少1个胺基的改性酶、生物体信号分子和生物分子中的任意一种以上。
51.所述酶如果是公知的酶就可以并没有特别限制，作为具体例可以是选自由碳酸脱水酶、糖氧化酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、木瓜蛋白酶、嗜热菌蛋白酶、脂肪酶、过氧化物酶、酰基转移酶、内酯酶、蛋白酶、酪氨酸酶、漆酶、纤维素酶、木聚糖酶、有机聚碳水解酶、胆碱酯酶、甲酸脱氢酶、乙醛脱氢酶、醇脱氢酶、葡萄糖脱氢酶及葡萄糖异构酶组成的组中的1种以上。
52.此外，所述生物体信号分子可以使用公知的不受特别限制，作为一例可以是选自由趋化因子、细胞因子、细胞生存因子、细胞增殖因子及细胞分化因子组成的组中的1种。
53.此外，所述生物分子可以是选自由白蛋白、胰岛素、胶原蛋白、抗体、抗原、蛋白a、蛋白g、亲和素、链霉亲和素、中性亲和素、生物素、核酸、肽、植物凝血素(lectin)、糖基化蛋白、细胞及碳水化合物组成的组中的1种以上。
54.此外，所述生物材料还可以包含能够识别生物材料的额外的标记物，所述标记物可以是荧光物质、荧光物质结合蛋白、发光物质、发光物质结合蛋白或酶等，可以选择公知的适当标记物质，本发明对此并不进行特别限定。
55.此外，所述生物材料可以通过公知方法结合在纤维集合体上，作为一例，可以通过edc或edc/nhs耦合反应引入到纤维表面。
56.根据本发明的为生物材料提供结合表面的纤维集合体可以应用于检测、诊断、分析中使用的各种试剂盒、设备、生物传感器、用于细胞或组织培养的支撑体、生物电池等多种应用中，可以在各种产业中广泛使用。
57.实施例
58.通过以下实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是以下实施例并不是限定本发明范围，而是用于帮助理解本发明。
59.实施例1
60.准备了平均直径300μm、基重30g/
㎡
的聚丙烯腈(pan)纳米纤维网。将准备的纳米纤维网在浓度为5m、60℃的氢氧化钠水溶液中浸渍24小时，进行了碱溶液处理。之后将碱溶液处理的纳米纤维网在含10m浓度柠檬酸的丙醇溶液中，在60℃浸渍24小时反应，从而制备了在纤维表面负载羧基的纤维集合体。
61.实施例2
62.按照与实施例1相同的方式制备，不同的是代替使用纤维集合体的平均直径为500μm、集中为基重30g/
㎡
的聚偏二氟乙烯纳米纤维网，从而制备纤维表面负载羧基的纤维集合体。
63.实施例3
64.按照与实施例1相同的方式制备，不同的是代替使用纤维集合体的平均直径为600μm、基重30g/
㎡
的聚氨酯/聚偏二氟乙烯纳米纤维网，从而制备纤维表面负载羧基的纤维集合体。此时，所述纳米纤维网可以使用聚氨酯和聚偏二氟乙烯乙5:5重量比混合的纺丝溶液制备。
65.比较例1
66.为了制备纺丝溶液，首先将聚丙烯腈36g加入到二甲基乙酰胺/丙酮114.8g/49.2g中，在80℃使用磁搅拌条搅拌6小时进行溶解从而制备混合溶液。接着，将所收混合溶液冷却到常温之后，在混合溶液200ml中混合柠檬酸1.8g制备了纺丝溶液。将制备的静电纺丝溶液设备投入到溶液罐中，以15μl/分钟/孔的速度吐出，制备了平均直径300μm,基重25g/
㎡
的纳米纤维网纤维集合体。此时，纺丝区间的温度为28℃、湿度维持40％，接收板(collector)和纺丝喷嘴之间的距离为18cm。之后，按照与实施例1相同的方法，将制备的纤维集合体用含有碱溶液的溶液进行处理，从而制备了纤维表面上负载羧基的纤维集合体。
67.比较例2
68.按照与比较例1相同方法制备，纺丝溶液中使用聚偏二氟乙烯代替聚丙烯腈，制备了平均粒径500μm,基重30g/
㎡
的纳米纤维网纤维集合体，通过此制备了表面负载羧基的纤维集合体。
69.比较例3
70.按照与比较例1相同方法制备，纺丝溶液中使用聚氨酯和聚偏二氟乙烯3:7重量比的混合物代替聚丙烯腈，制备了平均粒径500μm,基重30g/
㎡
的纳米纤维网纤维集合体，通过此制备了表面负载羧基的纤维集合体。
71.实验例1
72.实施例1至3和比较例1至3制备的表面负载羧基的纤维集合体，制备横竖分别为1
㎝
,5
㎝
的试片。接着将试片浸渍于ph6、15mm脂肪酸甲酯磺酸钠(mes)中，之后混合25mg/2.5ml 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(edc)(溶于mes)，反应约30分钟后去除上澄液，添加4mg的stav/5ml(溶于mes)，将链霉亲和素(stav)引入纤维集合体。之后，利用ph 2的洗脱缓冲液进行洗脱后，用pbst 5ml洗涤3次，利用fitc-生物素(thermo fisher公司)按照制造商的说明书和实验方案来评价结合能力，并将其结果示于下表1中。
73.试剂盒：
74.【表1】
75.76.通过表1可以确认，相比将含羧基化合物包含于纺丝溶液中从而在表面负载羧基的比较例的纤维集合体，实施例的纤维集合体具有能够以非常优异的量引入生物材料的能力。
77.实施例4
78.按照与实验例1相同的方法制造，不同的是将碱溶液处理时间变更为1分钟，从而制造表面负载羧基的纤维集合体。
79.比较例4
80.按照与实施例1相同的方法制备聚丙烯腈(pan)纳米纤维网，没有进行改性处理。
81.实验例2
82.对实施例1、实施例4、比较例1、比较例4的纤维集合体，利用拉曼光谱仪(labram aramis ir2)确认了ft-ir图谱，将其结果示于图1中。
83.参照图1可以确认，将含羧基化合物包含于纺丝溶液中进行纺丝的纤维集合体的比较例1，相比将纤维集合体用碱溶液处理后再用包含含羧基化合物的溶液处理进行表面改性的实施例1，在对应羧基的1740
㎝-1
处的峰值显著高。
84.但是从表1种可以确认，比较例1中作为生物材料一例的链霉素亲和素引入量对应的生物素的量而言，相比实施例1仅以不足1/100的水平引入了亲和素，这与能够通过ft-ir数据预测的结果是相反的，因此可以知道根据本发明的纤维素集合体具有能够引入非常大量的生物材料的能力。
85.实施例5
86.按照与实施例1相同的方式制备，不同的是代替使用纤维集合体的平均直径为300μm、基重30g/
㎡
的聚丙烯腈(pan)纳米纤维网，碱溶液浓度变更为10m的氢氧化钠溶液，碱溶液和包含含羧基化合物的溶液的处理时间分别变更为8小时，从而制备了纤维表面上负载羧基的纤维集合体。
87.实施例6
88.按照与实施例1相同的方式制备，不同的是代替使用纤维集合体的平均直径为300μm、基重30g/
㎡
的聚丙烯腈(pan)纳米纤维网，碱溶液浓度变更为10m的氢氧化钠溶液，碱溶液和包含含羧基化合物的溶液的处理时间分别变更为24小时，从而制备了纤维表面上负载羧基的纤维集合体。
89.实验例3
90.按照与实验例1相同的方法实施制备了固定有链霉亲和素的纤维集合体，通过相同方法评价了结合能力，并将其结果示于下表2中。
91.【表2】
[0092][0093]
通过表2可以确认，用碱溶液和含羧基化合物溶液处理24小时的实施例6，相比实施例5引入了显著多的量的生物材料，单位处理时间的引入量而言，可以知道实施例6制备出能够达到从实施例5可预测水平的3倍以上显著的结合量的纤维集合体。
[0094]
以上对本发明的一实施例进行了说明，本发明的宗旨并不限于说明书中记载的实施例，本领域技术人员应当理解的是在本发明的思想范围内可以进行构成要素的附加、变更、删除、追加等而容易想到其他实施例，这些也属于本发明的保护范围。