一種新的靜電紡絲複合支架及其製備方法

2023-10-08 16:07:04

專利名稱：一種新的靜電紡絲複合支架及其製備方法
技術領域：
本發明涉及組織工程與再生醫學領域，具體地說，涉及的是一種新型靜電紡絲複合支架及其製備方法，適用於組織工程領域。
背景技術：
納米纖維支架應用於組織工程具有顯著的優勢，其直徑尺寸非常接近於細胞外的複合纖維，其相對較大的比表面積有助於細胞粘附和生物活性因子載荷，與同種材料光滑的膜對比，其生物相容性更好。靜電紡絲作為獲得納米纖維支架的最常用的一種方法，具有簡單有效，方便經濟 等優點，得到的纖維具有連續長度，多孔，超細直徑和高比表面積等特性，但同時具有機械性能不足，在液體環境中不規則，易打卷等缺點限制了靜電紡絲在組織工程和再生醫學領域的進一步應用。目前利用靜電紡絲技術製備納米纖維支架的材料有聚乙醇酸(poly-glycolide,PGA),左旋聚乳酸(poly-L-lactide, PLLA)，聚己內酯(poly-caprolactone, PCL),右旋聚乳酸(poly-D-lactide，PDLA)及其他們的共聚物等，所製備的支架厚度為200nm 7 μ m(Alberto Di Martino et. al.，2011)。這些靜電紡絲支架(如專利申請號200710134505. 7)，由於其特有的仿ECM結構使其具有更好的細胞相容性，易於加工，生物可降解性好，且能夠更好的支持細胞粘附、增殖。作為組織工程支架適用於細胞的生長，但其支架彈性模量相比於皮膚和軟骨要出許多，而最終斷裂伸長卻相對較小。故急需一種技術可加強納米纖維的機械強度，同時不損失納米纖維固有的優勢，以運用於組織工程與再生醫學領域。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種新的靜電紡絲複合支架，生物可完全降解，可應用於組織工程領域。本發明所述的靜電紡絲複合支架由底膜層和支架層兩部分組成。底膜層為實心的膜結構，具有較好機械性能。支架層是在該底膜基礎上利用靜電紡絲方法噴塗一層直徑均勻的納米纖維，具有典型的三維空間結構，利於細胞的粘附和增殖。所述的複合支架的底膜層和支架層部分，均採用可降解的高分子材料製成，如聚乳酸，乳酸和己內酯的共混物，乳酸-己內酯共聚物或者其他的可降解高分子材料，但優先選擇乳酸-己內酯共聚物。所述的底膜層，為表面光滑的實心的高分子膜片，厚度為0. 02-0. 1mm。所述的支架層，為靜電紡絲組成的具有多孔結構的三維支架，厚度為0. 01-0. Imm,其靜電紡絲的直徑為200-900nm。本發明的另一目的是提供上述靜電紡絲複合支架的製備方法，具體包括如下步驟
I)將高分子材料溶解於二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A ;2)將步驟I)中的溶液A倒入玻璃皿中，加蓋自然揮發，形成底膜；3)將高分子材料溶解於二氯甲烷與N- 二甲基醯胺混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B ；4)將步驟2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上；將步驟3)中的有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜，即所述靜電紡絲複合支架。所述的有機相A中高分子材料的濃度範圍為O. 5_10%(g/100ml)，有機相B中高分子材料的濃度為3-8%(g/10mL)。

所述的靜電紡絲過程中，針尖與接收裝置距離為10-20cm，注射速率在O. 3-lmL/h，推進量範圍為O. 5-2mL。本發明製備方法具有如下優點(I)複合膜為生物可完全降解的高分子材料製備，具有好的生物相容性。(2)與傳統的靜電紡絲支架相比較，複合膜具有良好的機械性能，在液體環境中不易打卷變形，有更好的規定形態。(3)製備工藝簡單，設備要求低，製備成本低廉，製備時間短。


圖I為本發明製備的複合膜結構示意圖。圖2為靜電紡絲裝置示意圖。圖3為拉伸力實驗結果對比圖。圖4為底膜層表面的掃描電子顯微鏡形貌圖。圖5為支架層表面的掃描電子顯微鏡形貌圖。圖6為複合支架橫截面的掃描電子顯微鏡形貌圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖I所示，為靜電紡絲複合支架示意圖，由底膜層I和支架層2兩部分組成，其中所述底膜層I為實心的膜結構，具有較好機械性能；所述支架層2是在該底膜層上利用靜電紡絲方法噴塗的一層直徑均勻的納米纖維，具有典型的三維空間結構，利於細胞的粘附和增殖；所述底膜層和支架層均採用可降解的高分子材料製成。如圖2所示，為以下實施例中採用的靜電紡絲裝置示意圖，圖中1-高壓電源2-靜電紡絲泵3-注射器4-針頭5-接收裝置6-底膜。實施例I具體操作如下(I)稱取O. 25g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於IOmL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A。
(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋，置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚O. 02±0· Olmm0(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3) (V/V)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為O. 3mL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，圖3為拉伸力實驗結果對比圖，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 03±0. 02mm，經掃描電子顯微鏡結 果顯示絲的直徑為335±10nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。圖4為底膜層表面的掃描電子顯微鏡形貌圖。圖5為支架層表面的掃描電子顯微鏡形貌圖。圖6為複合支架橫截面的掃描電子顯微鏡形貌圖。實施例2具體操作如下(I)稱取0.25g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於IOmL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A.(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋，置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚O. 03±0· 02mm。(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為O. 6mL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 02±0. 01mm，掃描電子顯微鏡結果顯示絲的直徑為450±20nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。實施例3具體操作如下(I)稱取O. 3g左旋聚乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於12mL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A.(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋,置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度O. 04±0· 02mm。(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為ImL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 02±0. Olmm,掃描電子顯微鏡結果顯不絲的直徑565±25nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。
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實施例4具體操作如下(I)稱取O. 35g左旋聚乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於14mL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A.(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋,置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度為O. 06±0· Olmm0(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為15cm，注射速率為0.3mL/h，注射量0.5mL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 01mm，掃描電子顯微鏡結果顯示絲的直徑約為420±15nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。實施例5具體操作如下(I)稱取O. 5g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於20mL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A.(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋，置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度為O. I±0. 02mm。
(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為O. 3mL/h，注射量2mL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描 電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 1±0. 02mm，掃描電子顯微鏡結果顯示絲的直徑約為200±5nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。實施例6具體操作如下(I)稱取O. 25g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於IOmL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A.(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋,置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度為O. 03±0· 02mm。(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL) O. 15g、0. 45g，將其置於IOml 二氯甲烷與N- 二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為
O.3mL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 03±0. 01mm，掃描電子顯微鏡結果顯示絲的直徑為620±25nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。實施例7具體操作如下(I)稱取O. 25g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於IOmL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A。(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋，置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度為
O.04±0· 02mm。(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。
(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為20cm，注射速率為
O.3mL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。其中經遊標卡尺測量得支架厚度為O. 02±0. 01mm，掃描電子顯微鏡結構顯示絲的直徑約為400-900nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。實施例8具體操作如下

(I)稱取O. 5g左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)，將其置於IOmL 二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A。(2)將溶液倒入直徑為6cm的玻璃皿中使得鋪滿整個底部，加蓋，置於通風櫥中48小時，令其自然揮發，形成底膜，底膜外觀光滑透明。經遊標卡尺測量，底膜厚度為
O.I±0. Olmnin(3)分別稱取左旋乳酸-已內酯共聚物(PLLA-CL)和外消乳酸-已內酯共聚物(PDLLA-CL)各O. 3g，將其置於IOml 二氯甲烷與N-二甲基醯胺(7:3)混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B。(4)搭建噴射臺，將(2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上。將有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，針尖與接收裝置距離為12cm，注射速率為
O.3mL/h，注射量lmL。利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。將所得底膜，支架層和複合膜分別進行拉伸試驗，結果表明複合膜的拉伸強度比底膜或支架層的拉伸強度大，體現出複合膜具有綜合的性能優勢。通過掃描電子顯微鏡觀察複合膜，為兩層不同的結構，一層為光滑的底膜，一層為支架狀的靜電紡絲結構。經遊標卡尺測量，支架厚度為O. 05±0. 02mm，掃描電子顯微鏡結果顯示絲的直徑約為520±40nm。通過NIH/3T3細胞檢測所製備的複合膜具有良好的生物相容性。以上為本發明優選實施例,應當指出的是,變換上述實施例中的參數範圍或者可降解的高分子材料，本發明也是可以實現的，並不限於上述的實施例。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種靜電紡絲複合支架，其特徵在於，由底膜層和支架層兩部分組成，其中所述底膜層為實心的膜結構，具有較好機械性能；所述支架層是在該底膜層上利用靜電紡絲方法噴塗的一層直徑均勻的納米纖維，具有典型的三維空間結構，利於細胞的粘附和增殖；所述底膜層和支架層均採用可降解的高分子材料製成。
2.根據權利要求I所述的靜電紡絲複合支架，其特徵在於，所述可降解的高分子材料為聚乳酸，聚乳酸和聚己內酯的共混物或乳酸-己內酯共聚物。
3.根據權利要求2所述的靜電紡絲複合支架，其特徵在於，所述可降解的高分子材料為乳酸-己內酯共聚物。
4.根據權利要求I所述的靜電紡絲複合支架，其特徵在於，所述的底膜層為表面光滑的實心的高分子膜片，厚度為O. 02-0. 1mm。
5.根據權利要求1-4任一項所述的靜電紡絲複合支架，其特徵在於，所述的支架層為靜電紡絲組成的具有多孔結構的三維支架，厚度為O. 01-0. 1mm。
6.根據權利要求5所述的靜電紡絲複合支架，其特徵在於，所述的支架層採用靜電紡絲法噴塗製備，絲的直徑為200-900nm。
7.—種如權利要求I所述的靜電紡絲複合支架的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 1)將高分子材料溶解於二氯甲烷溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機相A ; 2)將步驟I)中的溶液A倒入玻璃皿中，加蓋自然揮發，形成底膜； 3)將高分子材料溶解於二氯甲烷與N-二甲基醯胺混合溶劑中，在室溫下放置於磁力攪拌器上攪拌直至共聚物完全溶解，形成有機相B ； 4)將步驟2)中得到的底膜固定在金屬板上，將金屬板搭置於支架上；將步驟3)中的有機相B裝入到噴霧裝置中的注射器中，利用靜電紡絲技術在底膜上噴塗靜電紡絲支架層，最終形成複合膜。
8.根據權利要求7所述的靜電紡絲複合支架的製備方法，其特徵在於，所述有機相A中高分子材料的濃度範圍為2. 5-5% (g/100ml)。
9.根據權利要求7所述的靜電紡絲複合支架的製備方法，其特徵在於，所述有機相B中高分子材料的濃度為3-8%(g/100mL)。
10.根據權利要求7-9任一項所述的靜電紡絲複合支架的製備方法，其特徵在於，所述靜電紡絲過程參數為針尖與接收裝置距離為12-20cm，注射速率在O. 3-lmL/h，推進量範圍為 O. 5-2mL。
全文摘要
本發明公開一種靜電紡絲複合支架及其製備方法，可應用於組織工程。首先採用溶劑揮發沉膜法製備底膜；再利用靜電紡絲的先進技術在底膜上噴塗一層紡絲支架層。所述底膜層為實心的膜結構，具有較好機械性能；所述支架層是在該底膜層上利用靜電紡絲方法噴塗的一層直徑均勻的納米纖維，具有典型的三維空間結構，利於細胞的粘附和增殖；所述底膜層和支架層均採用可降解的高分子材料製成。與傳統的靜電紡絲膜相比，本發明的複合膜具有更強的機械性能，同時具有良好的生物相容性。本法製備工藝較簡單，製備成本頗低廉，利於推廣。
文檔編號D01D5/00GK102836015SQ201210269929
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者馬夢佳, 魏岱旭, 鍾建, 閆志強, 餘震, 何丹農 申請人:上海交通大學, 上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司