專利名稱：一種三維電紡纖維支架的制備裝置及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料和組織工程支架系統(tǒng)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種三維電紡纖維支架的制備裝置及制備方法。
背景技術(shù)：
組織工程的原理是誘導(dǎo)和促進(jìn)種子細(xì)胞在體外或體內(nèi)的生長、遷移以及增殖等一系列生理活動，最終形成具有三維結(jié)構(gòu)的器官或組織。但是在傳統(tǒng)電紡纖維平面膜上體外培養(yǎng)的細(xì)胞缺乏向有利于形成具有解剖學(xué)形狀的組織三維方向生長的能力，它們會自由地生長、遷移，形成一個二維的細(xì)胞層，而這種二維的細(xì)胞層并不能滿足組織工程的需求。對于組織工程所必需的三維組織，需要將細(xì)胞種植在具有三維多孔結(jié)構(gòu)的支架上引導(dǎo)其生長，最終形成所需的三維組織結(jié)構(gòu)。三維多孔結(jié)構(gòu)的支架可以為細(xì)胞的附著、遷移和增殖提供理想的環(huán)境。組織工程的三大要素包括種子細(xì)胞、支架材料及生長因子。支架材料是具有三維結(jié)構(gòu)的框架，它起到模擬細(xì)胞外基質(zhì)的作用，使細(xì)胞能在這種三維結(jié)構(gòu)上黏附、遷移、增殖，最終使組織得以重建。組織工程支架的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)決定了重建的組織和器官的最終形狀和結(jié)構(gòu)。因此，支架是組織工程重要的組成部分。(HU Xudong, WANG Guanglin.Research Progress of Tissue Engineering Scaffold in Nerve Tissue Engineering.Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, September.2010，24(9): 1133-1137)
在過去10年中，納米科技的飛速發(fā)展已使越來越多的研究者把仿生納米纖維應(yīng)用于組織工程。在制備納米纖維的各種方法(如自組裝、相分離、靜電紡絲等)中，靜電紡絲方法具有簡便快捷、成本低廉、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)納米纖維工業(yè)化生產(chǎn)的一種技術(shù)，有望成為理想的組織工程仿生支架的制備方法。(ZHAO Sh1-Fang, YUANHu1-Huaj ZHANG Yan-Zhongj Progress in Electrospun 3D Macroporous NanofibrousScaffolds for Tissue Engineering.Chinese Journal of Biomedical Engineering.2012，31 (I): 129-140)
然而，由于傳統(tǒng)的靜電紡支架的纖維排列緊密、纖維之間的空隙過小，使細(xì)胞難以長入，無法構(gòu)建出令人滿意的三維組織。動物細(xì)胞的大小一般為10-100 μ m，而靜電紡纖維直徑通常在500 nm左右的無紡布的孔徑是小于10 μ m。為應(yīng)對這一難題，近年來研究者使用了各種方法提高靜電紡納米纖維支架的孔隙尺寸。例如利用在電紡支架中摻雜微米微粒，鹽類以及可溶性纖維材料等材料，通過后期的處理獲得具有一定孔隙率和孔隙直徑的電紡纖維支架。然而，這些方法也只能得到片狀納米纖維材料，并且獲得的孔隙之間并不貫通。因而，嚴(yán)格意義上這些電紡支架并不適用于細(xì)胞的三維立體培養(yǎng)。(Honglin Chen,Jin Huang, Jiahui Yua, et al.Electrospun chitosan-graft-poly (caprolactone)/poly (caprolactone) cationic nanofibrous mats as potential scaffolds for skintissue engineering.Biological Macromolecules 2011, 48:13-19.)
有研究學(xué)者在(Nanotechnology and Precision Engineering2012, 10(5):390 394.)上，公開一種用機(jī)械應(yīng)力得到三維支架材料的方法，該方法主要是通過以高度和位置可調(diào)的探針陣列為靜電紡絲收集器，制備所需的三維納米纖維結(jié)構(gòu)。但其空間形貌與組織工程支架標(biāo)準(zhǔn)尚有一段距離，無法滿足較高的組織工程要求，并非真正意義上的三維生物支架。目前，制備具有三維結(jié)構(gòu)纖維組織工程支架的方法較為復(fù)雜，因此需要進(jìn)一步的改進(jìn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維電紡纖維支架的制備裝置及制備方法。所述制備方法工藝簡單，裝置簡易，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。使用不同的紡絲材料可直接制備得到不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維電紡纖維。本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
一種三維電紡纖維支架的制備裝置，包括紡絲柜和高壓電源，紡絲柜上方設(shè)有微量推進(jìn)泵，紡絲柜上頂面留有開口，微量推進(jìn)泵連接有注射器，注射器通過紡絲柜上頂面的開口伸入紡絲柜內(nèi)部；紡絲柜內(nèi)設(shè)有容杯，容杯位于注射器下方，容杯內(nèi)裝有接收溶液，紡絲柜內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電層，容杯壓在導(dǎo)電層上方；注射器下方連接有金屬針頭，高壓電源的正極通過正極導(dǎo)線與金屬針頭相連，高壓電源的負(fù)極通過負(fù)極導(dǎo)線與導(dǎo)電層相連接。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述注射器的金屬針頭與接收溶液液面的距離為4cnT20cm。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料為錫膜。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述容杯的杯口直徑大于15cm，以防止電紡纖維附著于容器口周圍；所述容杯高度為5-15cm，可根據(jù)需要制備的纖維的量以及材料選擇，使其更易形成高孔隙率的三維支架。

在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述接收溶液為乙醇、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷中的一種或兩種以上的混合。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述金屬針頭上2飛cm處設(shè)有一個絕緣薄片，安裝此絕緣薄片，有助于穩(wěn)定并集中電場，防止纖維飄散。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述高壓電源的負(fù)極同時作接地處理，接地處理可以避免制備過程中產(chǎn)生靜電，提高纖維制備的安全性。在上述三維電紡纖維支架的制備裝置中，作為一種優(yōu)選方案，所述容杯在接收電紡纖維時加以2-lOHz的小幅機(jī)械震動，可促進(jìn)纖維迅速進(jìn)入接收溶液，不會滯留于液面。利用上述裝置制備三維電紡纖維支架的方法，包括如下步驟:
(O紡絲溶液的制備:將高聚物溶于溶劑中，密閉攪拌，得到紡絲溶液；
(2)紡絲過程:將步驟(I)所得紡絲溶液置于注射器中，調(diào)節(jié)高壓電源電壓值在1(Γ20千伏之間，調(diào)節(jié)微量推進(jìn)泵的推進(jìn)速度0.5^1.5毫升/小時，開始三維纖維的制備；
(3)分離紡絲纖維:將容杯中的纖維團(tuán)轉(zhuǎn)移入裝有超純水的燒杯中，置換出纖維團(tuán)接收溶液成分，重復(fù)若干次直到纖維團(tuán)中的接收溶劑除盡；
(4)將含超純水的纖維團(tuán)放入_80°C冰箱冷凍；
(5)將步驟(4)所得冷凍樣品放入凍干機(jī)進(jìn)行凍干處理，最終得到三維纖維支架材料。在上述方法中，作為一種最優(yōu)選方案，步驟(3)所述纖維團(tuán)應(yīng)用漏勺轉(zhuǎn)移，最大程度保持所得纖維三維空間形貌。分離容杯中的纖維團(tuán)時，用力要適中，以免纖維材料粘連破壞其三維結(jié)構(gòu)。在上述方法中，所述高聚物為殼聚糖、海藻酸鈉、聚乙烯醇、膠原、蛋白質(zhì)、聚乳酸、聚極內(nèi)酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚乳酸-羥基乙酸共聚物中的一種或兩種以上復(fù)合物。本發(fā)明所述的高聚物，為本領(lǐng)域常用的生物材料，根據(jù)選用不同種類的生物材料，可以得到不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性和降解性能的三維電紡纖維支架。作為一種優(yōu)選方案，所述高聚物優(yōu)選為聚ε-己內(nèi)酯(PCL)或左旋聚乳酸(PLLA)。PCL是一種半結(jié)晶型聚合物，具有良好的柔韌性和可加工性，同時具有良好的生物相容性，與淀粉等物質(zhì)混合可制得完全生物降解材料；PLLA是最早應(yīng)用的生物降解型高分子材料，組織相容性好，但機(jī)械強(qiáng)度相對較低且其降解產(chǎn)物呈酸性，易引起體內(nèi)的炎癥反應(yīng)，可通過復(fù)合透明質(zhì)酸等物質(zhì)改善不良反應(yīng)。在上述方法中，作為一種最優(yōu)選方案，所述容杯在接收電紡纖維時加以2-lOHz的小幅機(jī)械震動，可促進(jìn)纖維迅速進(jìn)入接收溶液，不會滯留于液面。在上述方法中，作為一種最優(yōu)選方案，步驟(I)中，所述紡絲溶液的濃度優(yōu)選為重量 6% (wt%) ο在上述方法中，所得到的具有三維結(jié)構(gòu)的電紡纖維組織工程支架，所述電紡纖維支架具有內(nèi)部貫通的孔隙，孔隙直徑50 μ πΓ300 μ m，孔隙率大于90%，纖維直徑為50nm 10 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡單，促使 三維結(jié)構(gòu)的電紡纖維支架在靜電紡的過程中直接形成。本發(fā)明所述制備方法工藝簡單，成本較低，適于用不同的紡絲材料制備不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維電紡纖維支架，并且可以通過靜電紡絲的方法直接制備大量三維電紡纖維支架；
所述三維電紡纖維支架可促使種子細(xì)胞能夠順利地進(jìn)入支架的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)種子細(xì)胞的體外立體培養(yǎng)及組織工程修復(fù)，有利于細(xì)胞的黏附生長和營養(yǎng)物質(zhì)輸送及代謝廢物的排泄，提高細(xì)胞的存活率及繁殖速度，促進(jìn)種子細(xì)胞在支架中的增殖、生長與分化；為細(xì)胞生長和增殖提供了良好的代謝環(huán)境，有利于細(xì)胞的繁殖和組織的愈合，適用于細(xì)胞三維立體培養(yǎng)，在組織工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值。所述電紡纖維支架具有優(yōu)越的仿生結(jié)構(gòu)即內(nèi)部貫通的孔隙、極高的孔隙率、可控的孔隙直徑，可促使種子細(xì)胞能夠順利地進(jìn)入支架內(nèi)部繁殖，實(shí)現(xiàn)種子細(xì)胞高度模擬體內(nèi)環(huán)境培養(yǎng)及組織工程修復(fù)，有利于細(xì)胞的黏附、遷移、及生長因子與代謝物的輸送，提高細(xì)胞的繁殖速度及存活率；同時還具有良好的生物相容性、機(jī)械性能和生物可降解性能，為細(xì)胞外基質(zhì)建立提供良好的環(huán)境，有利于細(xì)胞的繁殖和組織的愈合，有望推動組織工程領(lǐng)域在模擬體內(nèi)環(huán)境發(fā)展。


圖1為實(shí)施例1三維電紡纖維支架的制備裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2為實(shí)施例1所得電紡絲纖維支架實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步解釋本發(fā)明，但實(shí)施例并不對本發(fā)明作任何形式的限定。如圖1所示，一種三維電紡纖維支架的制備裝置，包括紡絲柜I和高壓電源2，紡絲柜I上方設(shè)有微量推進(jìn)泵3，紡絲柜I上頂面留有開口，微量推進(jìn)泵3連接有注射器6，注射器6通過紡絲柜I上頂面的開口伸入紡絲柜I內(nèi)部；紡絲柜I內(nèi)設(shè)有容杯4，容杯4位于注射器6下方，容杯4內(nèi)裝有接收溶液5，紡絲柜I內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電層10，容杯4壓在導(dǎo)電層10上方；注射器6下方連接有金屬針頭7，高壓電源2的正極通過正極導(dǎo)線8與金屬針頭7相連，高壓電源2的負(fù)極通過負(fù)極導(dǎo)線9與導(dǎo)電層10相連接。注射器6的金屬針頭7與接收溶液5液面的距離為4cnT20cm。導(dǎo)電層10的導(dǎo)電材料為錫膜。容杯4的杯口直徑大于15cm，以防止電紡纖維附著于容器口周圍；所述容杯4高度為5-15cm，可根據(jù)需要制備的纖維的量以及材料選擇，使其更易形成高孔隙率的三維支架。金屬針頭7上2飛cm處設(shè)有一個絕緣薄片11，安裝此絕緣薄片，有助于穩(wěn)定并集中電場，防止纖維飄散。高壓電源2的負(fù)極同時作接地處理，接地處理可以避免制備過程中產(chǎn)生靜電，提高纖維制備的安全性。實(shí)施例1:以PLLA作為原材料來制備三維納米纖維組織工程支架
1.紡絲溶液的制備:稱取60毫克PLLA(分子量=20萬道爾頓)，溶于lml(9:1，CH2Cl2/DMF, v/v )溶劑中，制得6% (wt%,下同)PLLA溶液，用封口膜封口，磁力攪拌3小時，待用。2.紡絲過程:調(diào)節(jié)微量推進(jìn)泵參數(shù)，容量0.2毫升，推進(jìn)速度0.5毫升/小時，運(yùn)行。容杯中盛入500ml乙醇，調(diào)節(jié)液面距離針頭10cm。打開高壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為15千伏，開始紡絲。3.分離紡絲 纖維:將乙醇中的PLLA纖維團(tuán)轉(zhuǎn)移到裝有超純水的燒杯中，將接收溶液各成分置換出三維電紡纖維，重復(fù)若干次除盡三維纖維中的乙醇等雜質(zhì)。4.將含超純水的三維電紡纖維團(tuán)放入_80°C冰箱冷凍直到完全結(jié)冰。5.將所得冷凍樣品放入凍干機(jī)進(jìn)行凍干處理，最終得到PLLA三維纖維支架材料。所得三維電紡纖維支架材質(zhì)輕盈蓬松，外觀呈海綿狀均一絲團(tuán)，孔隙直徑為50 μ πΓ300 μ m,纖維直徑為0.5^2 μ m。所得電紡絲纖維支架實(shí)物圖如圖2所示。實(shí)施例2:以PCL作為原材料來制備三維納米纖維組織工程支架
1.紡絲溶液的制備:稱取60毫克PCL(分子量=8萬道爾頓)，溶于I毫升(9:1，CH2Cl2/DMF, v/v)溶劑中，制得6%PCL溶液，用封口膜封住菌種瓶瓶蓋與瓶體之間的缺口，磁力攪拌3小時左右，待用。2.紡絲過程:調(diào)節(jié)微量推進(jìn)泵參數(shù)，容量0.2毫升，推進(jìn)速度0.5毫升/小時，運(yùn)行。打開旋轉(zhuǎn)裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)動穩(wěn)定。打開高壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為15千伏，開始紡絲。3.分離紡絲纖維:將乙醇中的PCL纖維團(tuán)轉(zhuǎn)移到裝有超純水的燒杯中，將接收溶液各成分置換出三維電紡纖維，重復(fù)若干次除盡三維纖維中的乙醇等雜質(zhì)。此過程需要謹(jǐn)慎操作，用力過猛可能導(dǎo)致纖維形貌改變。4.將含超純水的三維電紡纖維團(tuán)放入_80°C冰箱冷凍直到完全結(jié)冰。5.將所得冷凍樣品放入凍干機(jī)進(jìn)行凍干處理，最終得到PCL三維纖維支架材料。所得三維電紡纖維支架材質(zhì)輕盈蓬松，外觀呈海綿狀均一絲團(tuán)，孔隙直徑為 50 μ m 300 μ m,纖維直徑為0.5 2 μ m。
權(quán)利要求
1.種三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于包括紡絲柜(I)和高壓電源(2)，紡絲柜(I)上方設(shè)有微量推進(jìn)泵(3 )，紡絲柜(I)上頂面留有開口，微量推進(jìn)泵(3 )連接有注射器(6)，注射器(6)通過紡絲柜(I)上頂面的開口伸入紡絲柜(I)內(nèi)部；紡絲柜(I)內(nèi)設(shè)有容杯(4)，容杯(4)位于注射器(6)下方，容杯(4)內(nèi)裝有接收溶液(5)，紡絲柜(I)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電層(10)，容杯(4)壓在導(dǎo)電層(10)上方；注射器(6)下方連接有金屬針頭(7)，高壓電源(2)的正極通過正極導(dǎo)線(8)與金屬針頭(7)相連，高壓電源(2)的負(fù)極通過負(fù)極導(dǎo)線(9)與導(dǎo)電層(10)相連接。
2.按權(quán)利要求1所述的三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于，所述注射器(6)的金屬針頭(7)與接收溶液(5)液面的距離為4cm~20Cm。
3.按權(quán)利要求1所述的三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電層(10)的導(dǎo)電材料為錫膜。
4.按權(quán)利要求1所述的三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于，所述容杯(4)的杯口直徑大于15cm ;所述容杯(4)高度為5_15cm。
5.按權(quán)利要求1所述的三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于，所述接收溶液(5)為乙醇、乙醚、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷中的一種或兩種及以上的混合。
6.按權(quán)利要求1所述的三維電紡纖維支架的制備裝置，其特征在于，所述金屬針頭(7)上2飛cm處設(shè)有一個絕緣薄片(11)。
7.用權(quán)利要求1所述裝置制備三維電紡纖維支架的方法，其特征在于包括如下步驟: (O紡絲溶液的制備:將高聚物溶于溶劑中，密閉攪拌，得到紡絲溶液； (2)紡絲過程:將步驟(I)所得紡絲溶液置于注射器(6)中，調(diào)節(jié)高壓電源電壓值在10~20千伏之間，調(diào)節(jié)微量推進(jìn)泵(3)的推進(jìn)速度0.5~1.5毫升/小時，開始三維纖維的制備; (3)分離紡絲纖維:將容杯(4)中的纖維團(tuán)轉(zhuǎn)移入裝有超純水的燒杯中，置換出纖維團(tuán)接收溶液成分，重復(fù)若干次直到纖維團(tuán)中的接收溶劑除盡； (4)將含超純水的纖維團(tuán)放入_80°C冰箱冷凍； (5)將步驟(4)所得冷凍樣品放入凍干機(jī)進(jìn)行凍干處理，最終得到三維電紡纖維支架。
8.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述高聚物為殼聚糖、海藻酸鈉、聚乙烯醇、膠原、蛋白質(zhì)、聚乳酸、聚極內(nèi)酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚乳酸-羥基乙酸共聚物中的一種或兩種及以上復(fù)合物。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述容杯(4)在接收電紡纖維時加以2-lOHz的機(jī)械震動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維電紡纖維支架的制備裝置及制備方法，包括紡絲柜和高壓電源，紡絲柜上方設(shè)有微量推進(jìn)泵，紡絲柜上頂面留有開口，微量推進(jìn)泵連接有注射器，注射器通過紡絲柜上頂面的開口伸入紡絲柜內(nèi)部；紡絲柜內(nèi)設(shè)有容杯，容杯位于注射器下方，容杯內(nèi)裝有接收溶液，紡絲柜內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電層，容杯壓在導(dǎo)電層上方；注射器下方連接有金屬針頭，高壓電源的正極通過正極導(dǎo)線與金屬針頭相連，高壓電源的負(fù)極通過負(fù)極導(dǎo)線與導(dǎo)電層相連接。所述制備方法工藝簡單，裝置簡易，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。使用不同的紡絲材料可直接制備得到不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維電紡纖維。
文檔編號D01D13/00GK103088452SQ201310026760
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者馮章啟, 任卓卓, 靳林, 蔣慶 申請人:中山大學(xué)