本發(fā)明涉及生物材料，具體涉及一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，電刺激已被研究證明可有效促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，為骨再生和修復(fù)提供了新的策略。盡管各種電刺激器已被商業(yè)化用于治療骨折。然而，外部電刺激器的效果有限，而植入的設(shè)備依賴(lài)于經(jīng)皮電線和不可降解的電池，這些缺點(diǎn)限制了電刺激結(jié)合組織工程的臨床應(yīng)用。因此在不依賴(lài)外部電源的情況下可支持生物過(guò)程和電刺激功能的自供電可植入材料在組織工程和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并顯示出巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力。其中，包括pvdf在內(nèi)的壓電材料在外力作用下具有發(fā)電能力，已被廣泛應(yīng)用于骨組織工程中，利用身體運(yùn)動(dòng)或外部機(jī)械振動(dòng)來(lái)提供電刺激，有效地促進(jìn)骨生長(zhǎng)。然而在臨床實(shí)踐中，通常使用石膏固定骨折區(qū)域，防止移位，促進(jìn)骨修復(fù)，同時(shí)保持骨折的原始對(duì)齊，這種方法可能會(huì)阻礙壓電材料獲得足夠的壓力來(lái)產(chǎn)生刺激所需的電荷。此外，在骨折期間進(jìn)行額外的體力活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致患者疼痛。因此，迫切需要一種能夠遠(yuǎn)程控制壓電材料變形以產(chǎn)生電荷的策略。

2、當(dāng)前使可植入壓電材料帶電的方法主要有植入前極化帶電、磁場(chǎng)遙控、超聲遙控。以極化方式使壓電材料帶電的方法在植入體內(nèi)后，壓電材料表面電勢(shì)會(huì)下降，難以長(zhǎng)期維持生理電學(xué)微環(huán)境。以磁場(chǎng)遙控驅(qū)動(dòng)的方法需要在材料中添加鐵磁性填料，鐵、鈷離子的持續(xù)釋放不可避免地使機(jī)體承擔(dān)生物相容性的風(fēng)險(xiǎn)。以超聲遙控驅(qū)動(dòng)的方法需要考慮超聲對(duì)周?chē)M織的傷害，即使低劑量的超聲也是潛在的致癌和致畸因素。

3、基于此，本發(fā)明提供了一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)了一種將壓電pvdf電紡膜與熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)pnipam水凝膠相結(jié)合，可以通過(guò)近紅外(nir)輻射控制產(chǎn)生電荷的新壓電材料體系，將具有良好光熱性能的多巴胺聚合后包覆在鈦酸鋇納米粒子上。

2、當(dāng)暴露在近紅外輻射下時(shí)，pvdf電紡膜含有顆粒的一側(cè)會(huì)升溫，由于整個(gè)pvdf電紡膜被熱響應(yīng)的pnipam水凝膠包裹，受熱一側(cè)會(huì)導(dǎo)致水凝膠收縮，水凝膠的變形進(jìn)一步導(dǎo)致pvdf電紡膜變形，產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)可植入的壓電材料壓電性能的遠(yuǎn)程可控。

3、本發(fā)明提供一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，步驟包括：

4、（1）制備電紡絲前驅(qū)液：將p(vdf-trfe)與鈦酸鋇納米顆粒溶于n，n-二甲基甲酰胺溶液和丙酮的混合溶液中，得到前驅(qū)液1；將?p(vdf-trfe)與聚多巴胺包裹的鈦酸鋇納米顆粒溶于n，n-二甲基甲酰胺溶液和丙酮的混合溶液中，得到前驅(qū)液2；

5、（5）制備p(vdf-trfe)壓電復(fù)合膜：將前驅(qū)液1和前驅(qū)液2先后置于注射泵中，使用單軸靜電紡絲工藝制備得到雙層的壓電復(fù)合膜；

6、（6）配置水凝膠前驅(qū)液：將海藻酸鈉和無(wú)水氯化鈣溶于去離子水中，加熱攪拌得到溶液a；將n-異丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺溶于溶液a中，得到溶液b；將過(guò)硫酸銨溶于溶液b中得到溶液c；

7、制備壓電熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠支架：將所述雙層壓電復(fù)合膜轉(zhuǎn)移至玻璃片上，將所述溶液c滴加到雙層壓電復(fù)合膜上，溶液c完全浸透復(fù)合膜后，用另外一塊玻璃片蓋在上面，放入培養(yǎng)皿中，靜置過(guò)夜，得到壓電熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠支架。

8、進(jìn)一步地，所述聚多巴胺包裹的鈦酸鋇納米顆粒的制備方法包括：將鈦酸鋇納米顆粒與聚多巴胺混合加入到tris?hcl中，磁力攪拌，避光過(guò)夜后將溶液收集到離心管中離心，棄上清，沉淀用去離子水洗三遍后烘干，得到聚多巴胺包裹的鈦酸鋇納米顆粒。

9、進(jìn)一步地，所述步驟（1）中p(vdf-trfe)、鈦酸鋇納米顆粒、n，n-二甲基甲酰胺溶液和丙酮的用量比為：（1-3）g：（1-2）g：（5-7）ml：（3-5）ml。

10、進(jìn)一步地，所述步驟（2）中靜電紡絲的條件為：電壓10-20?kv，流速為0.04-0.06ml/min，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速500?-700rpm，電紡距離10-20cm。

11、進(jìn)一步地，所述步驟（2）前驅(qū)液1和前驅(qū)液2靜電紡絲的時(shí)間均為3-5?h。

12、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中海藻酸鈉、無(wú)水氯化鈣和去離子水的用量比為（1-3）g：（0.1-0.3）g：（80-120）ml。

13、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中n-異丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺和所述溶液a的用量比為（0.8-1.2）g：（0.4-0.6）g：（8-12）ml。

14、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中過(guò)硫酸銨和溶液b的用量比為（0.01-0.03）g：（8-12?）ml。

15、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中攪拌的溫度為50-70℃。

16、進(jìn)一步地，所述鈦酸鋇納米顆粒、聚多巴胺和tris?hcl的用量比為（1-3）g：（1-2）g：（40-60）ml。其中tris?hcl的ph為8.5，濃度為1m。

17、本發(fā)明的有益效果在于：

18、（1）將壓電pvdf電紡膜與熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)n-異丙基丙烯酰胺水凝膠相結(jié)合，可以通過(guò)近紅外輻射控制產(chǎn)生電荷；由于本發(fā)明中的整個(gè)pvdf電紡膜被熱響應(yīng)的pnipam水凝膠包裹，受熱一側(cè)會(huì)導(dǎo)致水凝膠收縮，水凝膠的變形進(jìn)一步導(dǎo)致pvdf電紡膜變形，因此可在水凝膠植入體內(nèi)后使用近紅外輻射遠(yuǎn)程控制產(chǎn)生電荷。在組織工程領(lǐng)域應(yīng)用，可在植入后用近紅外調(diào)控，長(zhǎng)期維持骨缺損修復(fù)所需的電學(xué)微環(huán)境，從而促進(jìn)骨再生。

19、（2）將海藻酸鈉引入到水凝膠體系中，形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善力學(xué)性能。在溶液中，海藻酸鈉和鈣離子相互作用，形成了第一個(gè)通過(guò)牢固的離子鍵連接在一起的網(wǎng)絡(luò)。隨后，n-異丙基丙烯酰胺與丙烯酰胺單體發(fā)生自由基聚合，通過(guò)共價(jià)鍵形成二次網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)拉伸雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠時(shí)，離子鍵將優(yōu)先斷裂，耗散能量并增加應(yīng)力承重區(qū)，從而保護(hù)共價(jià)鍵。而雙網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建保護(hù)了n-異丙基丙烯酰胺與丙烯酰胺單體形成的共價(jià)鍵，維持水凝膠的穩(wěn)定性，防止n-異丙基丙烯酰胺單體析出，大大降低材料的生物毒性。

技術(shù)特征：

1.一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述聚多巴胺包裹的鈦酸鋇納米顆粒的制備方法包括：將鈦酸鋇納米顆粒與聚多巴胺混合加入到tris?hcl中，磁力攪拌，避光過(guò)夜后將溶液收集到離心管中離心，棄上清，沉淀用去離子水洗三遍后烘干，得到聚多巴胺包裹的鈦酸鋇納米顆粒。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（1）中p(vdf-trfe)、鈦酸鋇納米顆粒、n，n-二甲基甲酰胺溶液和丙酮的用量比為：（1-3）g：（1-2）g：（5-7）ml：（3-5）ml。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中靜電紡絲的條件為：電壓10-20?kv，流速為0.04-0.06?ml/min，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速500?-700rpm，電紡距離10-20cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（2）前驅(qū)液1和前驅(qū)液2靜電紡絲的時(shí)間均為3-5?h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（3）中海藻酸鈉、無(wú)水氯化鈣和去離子水的用量比為（1-3）g：（0.1-0.3）g：（80-120）ml。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（3）中n-異丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺和所述溶液a的用量比為（0.8-1.2）g：（0.4-0.6）g：（8-12）ml。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（3）中過(guò)硫酸銨和溶液b的用量比為（0.01-0.03）g：（8-12）ml。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述步驟（3）中攪拌的溫度為50-70℃。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，其特征在于，所述鈦酸鋇納米顆粒、聚多巴胺和tris?hcl的用量比為（1-3）g：（1-2）g：（40-60）ml。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種近紅外遙控自供電電紡納米纖維水凝膠支架制備方法，步驟包括：（1）制備電紡絲前驅(qū)液；（2）制備P(VDF?TrFE)壓電復(fù)合膜：將前驅(qū)液置于注射泵中，使用單軸靜電紡絲工藝制備得到雙層的壓電復(fù)合膜；（3）配置水凝膠前驅(qū)液（4）制備壓電熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠支架：將所述雙層壓電復(fù)合膜轉(zhuǎn)移至玻璃片上，將前驅(qū)液滴加到雙層壓電復(fù)合膜上，前驅(qū)液完全浸透復(fù)合膜后，用另外一塊玻璃片蓋在上面，放入培養(yǎng)皿中，靜置過(guò)夜，得到壓電熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠支架。本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)了一種將壓電PVDF電紡膜與熱響應(yīng)雙網(wǎng)絡(luò)PNIPAM水凝膠相結(jié)合，可以通過(guò)近紅外(NIR)輻射控制產(chǎn)生電荷的新壓電材料體系。

技術(shù)研發(fā)人員：張晨光,劉雯雯,蔡虞挺,黨鵬瑞,魏菱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)附屬口腔醫(yī)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6