一種用于靜電紡絲的接收器、靜電紡絲裝置、具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于靜電紡絲的接收器，所述接收器包括內(nèi)凹的殼體，所述殼體的內(nèi)表面分布有多根金屬針；所述殼體采用絕緣材料制成。本發(fā)明還公開了包括上述接收器的靜電紡絲裝置。本發(fā)明還公開了具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：(1)將聚己內(nèi)酯溶于溶劑中，經(jīng)攪拌和靜置得到均一且無氣泡的紡絲溶液；(2)將步驟(1)得到的紡絲溶液置于注射器中，進(jìn)行靜電紡絲，得到具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有效解決了靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于組織工程支架的二維平面限制，所得多級孔結(jié)構(gòu)不僅可以起到支撐細(xì)胞生長的作用，而且有利于細(xì)胞順利進(jìn)入支架內(nèi)部。
【專利說明】
一種用于靜電紡絲的接收器、靜電紡絲裝置、具有多級孔的三 維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及靜電紡絲，特別涉及一種用于靜電紡絲的接收器、靜電紡絲裝置、具有 多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，組織工程已經(jīng)發(fā)展成為一種新的方法來修復(fù)人體組織，通過使用生物可 吸收多孔合成支架來支撐和指導(dǎo)體外新組織的形成并進(jìn)一步植入體內(nèi)。為了促進(jìn)新生組織 的發(fā)展，所制備的支架應(yīng)該模擬細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)，這是一種具有開口孔隙率的多孔三維納 米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并為發(fā)展中的組織提供結(jié)構(gòu)支持。在過去的10年中，研究者花費大量的精力用 來探索仿生支架的功能，并發(fā)展各種納米制造技術(shù)用于制備三維結(jié)構(gòu)。在這些技術(shù)中，靜電 紡絲（以下簡稱"電紡"）是一種簡單和通用的技術(shù)，能夠產(chǎn)生由類似于ECM中纖維組成的高 孔隙支架（S.Agarwal，J. H.Wendorff and A .Greiner，Adv .Mater ·，2009，21，3343-3351) 〇 聚己內(nèi)酯(PCL)是一種得到roA批準(zhǔn)的生物材料，具有良好的生物相容性和生物可降解性。 電紡PCL納米纖維已被用于創(chuàng)傷敷料、藥物釋放載體和組織工程支架等，其中，PCL納米纖維 材料作為細(xì)胞培養(yǎng)支架的研究最為深入。對PCL進(jìn)行電紡獲得纖維支架，用于細(xì)胞培養(yǎng)能夠 促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與支架的相互作用，從而提高組織的再生能力。
[0003] 然而，傳統(tǒng)的電紡技術(shù)只能制備平面纖維薄膜，且纖維與纖維之間的排列過于緊 密，導(dǎo)致細(xì)胞很難進(jìn)入支架內(nèi)部進(jìn)行生長和增殖，限制了其在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前， 電紡支架存在兩個非常重要的問題。第一，由直徑約為200~lOOOnm的纖維無規(guī)沉積形成的 微小孔徑，使得細(xì)胞難以進(jìn)入支架內(nèi)部。第二，一些組織應(yīng)用需要mm-到cm-厚度的支架，但 是在電紡技術(shù)中，由于已經(jīng)沉積纖維和隨后電紡纖維間的靜電排斥，使得這一厚度很難達(dá) 到。
[0004] 迄今為止，已經(jīng)有一些方法實現(xiàn)了電紡三維結(jié)構(gòu)。（1)連續(xù)電紡或多層電紡。在這 種方法中，可以獲得具有一定厚度的電紡纖維薄膜，厚度可達(dá)幾百微米并變成三維纖維結(jié) 構(gòu)，但是這種方法需要花費較長時間（例如，從20min到20h)直至生長成充分的三維結(jié)構(gòu)。 (2)后處理電紡纖維，首先從接收器上剝離薄膜，然后彎曲/折疊或堆疊纖維層成為管狀或 厚墊的三維纖維結(jié)構(gòu)。（3)通過改良接收器也可以獲得三維纖維結(jié)構(gòu)，例如，用三維收集模 板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維平板接收器。使用液體接收和去除納米纖維間的微球填充物也已經(jīng)被報 道，但是需要后處理來干燥已經(jīng)制備的三維結(jié)構(gòu)或者處理制孔劑。（4)通過控制電紡過程中 的一些參數(shù)(如溶液濃度/粘度、電場和相對濕度），不需要任何其他的輔助就可以獲得三維 纖維微米結(jié)構(gòu)的迅速生長(或自組裝）。
[0005] 孔徑問題可以通過使用犧牲模板（M .C. Phipps，W.C.Clem，J.M.Grunda, G.A.Clines and S · L · Bel 1 is , Biomate rials ,2012,33,524-534)或組織電紡納米纖維 (D.Li，G.0uyang，J.T.McCann and Y.Xia,Nano Lett. ,2005,5,913-916)來解決。但是，這 些方法帶來了額外的復(fù)雜性。近來，Deitzel等(J.M.Deitzel，J.Kleinmeyer，D.Harris and N.C.Beck Tan,Polymer,2001,42,261-272)僅使用簡單的、未改良的電紡過程，通過纖維的 自組裝得到了聚氧化乙烯納米纖維的蜂巢狀結(jié)構(gòu)，并且他們已經(jīng)觀察到了許多其他聚合物 的這一結(jié)構(gòu)。但是，自組裝的機(jī)制和發(fā)生條件仍然不清楚。
[0006] 當(dāng)支架達(dá)到幾百微米后，支架厚度被靜電電荷限制，且將排斥后續(xù)的電紡纖維。目 前為止，只有少量文章已經(jīng)報道了厚支架的發(fā)展，如密度非常低的疏松、無序纖維網(wǎng)格 (B.A.Blakeney,A.Tambralli,J.M.Anderson,A.Andukuri,D.-J.Lim,D.R.Dean and H.-W. Jun, Biomaterials, 2011,32,1583 -1590)或幾個二維薄膜堆疊（R. Tzezana ,E · Zussman and S.Levenberg,Tissue Eng·,Part C,2008,14,281-288)。但是，這些支架沒有力學(xué)性能 表征，并且植入體內(nèi)可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌或分層。因此，如何利用電紡這一簡單的技術(shù)得到 滿足組織再生中多級結(jié)構(gòu)要求的支架材料，是急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于靜電紡絲 的接收器，可以使電紡支架實現(xiàn)真正意義上的三維結(jié)構(gòu)。
[0008] 本發(fā)明的目的之二在于提供一種靜電紡絲裝置。
[0009] 本發(fā)明的目的之三在于提供一種具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，有 效地實現(xiàn)了在不同區(qū)域具有不同纖維取向和孔徑的多級孔結(jié)構(gòu)。
[0010] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0011 ] -種用于靜電紡絲的接收器，所述接收器包括內(nèi)凹的殼體，所述殼體的內(nèi)表面分 布有多根金屬針;所述殼體采用絕緣材料制成。
[0012] 所述接收器為半球殼體，所述多根金屬針沿徑向插于半球殼體的內(nèi)表面;所述多 根金屬針均勾分布于半球殼體的內(nèi)表面;所述多根金屬針通過金屬絲相互電連接。
[0013] 所述殼體由聚四氟乙烯制成。
[0014] 所述金屬針為不銹鋼針。
[0015] 所述金屬絲為銅絲。
[0016] -種靜電紡絲裝置，其包括權(quán)利所述的用于靜電紡絲的接收器。
[0017] 所述的靜電紡絲裝置，包括注射器、平口針頭、高壓電源和接收器;所述平口針頭 位于接收器正上方;所述注射器與平口針頭相連接通;所述高壓電源的一端連接平口針頭， 另一端連接多根金屬針。
[0018] 所述的具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：
[0019] (1)將聚己內(nèi)酯溶于溶劑中，經(jīng)攪拌和靜置得到均一且無氣泡的紡絲溶液；
[0020] (2)將步驟（1)得到的紡絲溶液置于注射器中，進(jìn)行靜電紡絲，得到具有多級孔的 三維納米纖維結(jié)構(gòu)。
[0021] 所述紡絲溶液的濃度為5~10% (w/v)。
[0022] 步驟(2)所述靜電紡絲的具體條件為：
[0023] 推進(jìn)速度1~2ml/h，接收距離8~12cm，外加正壓12~18kV，外加負(fù)壓-1~_3kV，接 收時間0.5~3h，溫度30~35 °C，相對濕度40~45 %。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：
[0025] (1)采用本發(fā)明的接收器，一步即可得到可達(dá)厘米尺度的三維纖維結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的 接收器利用均勻分布的不銹鋼針"點陣"改變接收電場的分布，使得纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同區(qū)域 的纖維排列和孔徑大小均不同。
[0026] (2)本發(fā)明的具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，無需采用犧牲模板或 電紡后處理，避免了其他復(fù)雜技術(shù)或程序的使用，改善了多級納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，突 破了電紡三維結(jié)構(gòu)的限制。
[0027] (3)本發(fā)明制備得到三維納米纖維結(jié)構(gòu)，具有多級孔結(jié)構(gòu)，密致區(qū)域可以起到支撐 作用，疏松區(qū)域可以促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入支架內(nèi)部，這將有利于細(xì)胞增殖及組織再生。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的實施例1的靜電紡絲裝置的示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明的實施例1的用于靜電紡絲的接收器的示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明的實施例2制備得到的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域的正交纖維電 鏡圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明的實施例2制備得到的平行纖維電鏡圖。
[0032]圖5為本發(fā)明的實施例3三維納米纖維結(jié)構(gòu)的顯微計算機(jī)掃描圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。 [0034] 實施例1
[0035]如圖1所示，本實施例的靜電紡絲裝置，包括注射器1、平口針頭2、高壓電源3和本 實施例的接收器4;所述平口針頭位于接收器正上方;所述注射器與平口針頭相連接通。 [0036]如圖2所示，本實施例的用于靜電紡絲的接收器，包括半球殼體41，所述半球殼體 41的內(nèi)表面均勻分布有多根不銹鋼針42,多根不銹鋼針42沿徑向插于半球殼體41的內(nèi)表 面，通過細(xì)銅絲相互電連接。本實施例的半球殼體內(nèi)徑8cm，外徑10cm。不銹鋼針的總長度為 3.5cm，直徑為0.15cm，尖端長度為0.3cm，露出殼體內(nèi)表面的不銹鋼針的長度為1.5cm。不銹 鋼針連接高壓電源的一端，高壓電源的另一端連接平口針頭。
[0037]本實施例的接收器的制造方法如下：
[0038] a、制備具有良好絕緣性的聚四氟乙烯(PTFE)半球殼體；
[0039] b、對半圓球狀殼體的底面圓周進(jìn)行八等分，對穿過半球殼體底面中心和底面圓周 的等分點的半圓周進(jìn)行八等分，在半圓球狀殼體上的各等分點上轉(zhuǎn)孔；
[0040] c、將長度和直徑相同的數(shù)根不銹鋼針的一端進(jìn)行打磨，得到均勻的尖端；
[0041 ] d、將具有均勻尖端的不銹鋼針插入半球殼體的轉(zhuǎn)孔內(nèi)，得到分布均勻的點陣接收 器。
[0042] 實施例2
[0043]采用實施例1的電紡裝置制備具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)：
[0044] 稱取0.8g純PCL溶解于10ml六氟異丙醇中，得到10ml PCL溶液。常溫下，經(jīng)磁力攪 拌器攪拌過夜，使PCL完全溶解，得到澄清的均一溶液。室溫下，靜置PCL溶液15min，得到均 一無氣泡的電紡溶液。將自制半球接收器與傳統(tǒng)電紡設(shè)備的高壓負(fù)極連接，完成接收器的 替代，并開啟機(jī)器預(yù)熱。使用l〇ml的一次性塑料注射器裝載電紡溶液，并將注射器與栗前管 的一段相連，栗前管另一端與20#不銹鋼平口針頭相連。在推進(jìn)速度lml/h，接收距離10cm， 外加正壓15kV，外加負(fù)壓-2kV，接收時間3h，溫度35°C，相對濕度45%的條件下進(jìn)行電紡。紡 絲結(jié)束后，用鑷子小心取下并收集三維納米纖維結(jié)構(gòu)，真空干燥并保存。
[0045]圖3為本實施例制備得到的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域的正交纖維電鏡圖，由 圖可知，該區(qū)域的纖維呈現(xiàn)十字交叉取向，且具有連通孔。圖4為本實施例制備得到的三維 納米纖維結(jié)構(gòu)的平行纖維電鏡圖，由圖可知，該區(qū)域的纖維取向基本一致，呈平行排列。
[0046] 本實施例的接收器內(nèi)不銹鋼針位置處纖維的沉積密度較大，形成三維致密區(qū)，而 不銹鋼針之間區(qū)域纖維的沉積密度較小，形成三維疏松區(qū)。這是由于不銹鋼針的陣列分布 改變了接收器內(nèi)的電場分布，從而影響纖維的沉積方式。
[0047] 本實施例得到的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域與采用普通的平板接收器電紡后 形成的二維薄膜的參數(shù)見表1。
[0048] 表 1
[0049]
[0050] 實施例3
[0051]采用實施例1的靜電紡絲裝置制備具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)：
[0052] 稱取0.8g純PCL溶解于10ml六氟異丙醇中，得到8%(w/v)PCL有機(jī)溶液。稱取 0.005g羅丹明6G染料溶解于5ml無水乙醇中，得到0.1 % (w/v)的染料溶液。常溫下，經(jīng)磁力 攪拌器攪拌過夜，分別使PCL和羅丹明6G完全溶解，得到兩種澄清的均一溶液。之后，使用移 液槍抽取20ul羅丹明6G溶液，并將其混入PCL溶液。磁力攪拌90min，使兩種溶液混合均勻。 室溫下，靜置混合溶液15min，得到均一無氣泡的電紡溶液。將自制半球接收器與傳統(tǒng)電紡 設(shè)備的高壓負(fù)極連接，完成接收器的替代，并開啟機(jī)器預(yù)熱。使用l〇ml的一次性塑料注射器 裝載電紡溶液，并將注射器與栗前管的一段相連，栗前管另一端與20#不銹鋼平口針頭相 連。在推進(jìn)速度lml/h，接收距離10cm，外加正壓15kV，外加負(fù)壓-2kV，接收時間3h，溫度35 °C，相對濕度45%的條件下進(jìn)行電紡。紡絲結(jié)束后，用鑷子小心取下并收集三維納米纖維結(jié) 構(gòu)，真空干燥并保存。
[0053]圖5是本實施例制備得到的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的顯微計算機(jī)掃描圖，由圖可知，三 維納米纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)建與接收器的結(jié)構(gòu)相符，且呈現(xiàn)"帽子狀"結(jié)構(gòu)。
[0054]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合及簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于靜電紡絲的接收器，其特征在于，所述接收器包括內(nèi)凹的殼體，所述殼體的 內(nèi)表面分布有多根金屬針;所述殼體采用絕緣材料制成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于靜電紡絲的接收器，其特征在于，所述接收器為半球殼 體，所述多根金屬針沿徑向插于半球殼體的內(nèi)表面;所述多根金屬針均勾分布于半球殼體 的內(nèi)表面;所述多根金屬針通過金屬絲相互電連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于靜電紡絲的接收器，其特征在于，所述殼體由聚四氟乙烯 制成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于靜電紡絲的接收器，其特征在于，所述金屬針為不銹鋼 針。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于靜電紡絲的接收器，其特征在于，所述金屬絲為銅絲。6. -種靜電紡絲裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1~5任一項所述的用于靜電紡絲的 接收器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的靜電紡絲裝置，其特征在于，包括注射器、平口針頭、高壓電源 和接收器;所述平口針頭位于接收器正上方;所述注射器與平口針頭相連接通;所述高壓電 源的一端連接平口針頭，另一端連接多根金屬針。8. 基于權(quán)利要求7所述的靜電紡絲裝置的具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方 法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將聚己內(nèi)酯溶于溶劑中，經(jīng)攪拌和靜置得到均一且無氣泡的紡絲溶液； (2) 將步驟（1)得到的紡絲溶液置于注射器中，進(jìn)行靜電紡絲，得到具有多級孔的三維 納米纖維結(jié)構(gòu)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所 述紡絲溶液的濃度為5~10% (w/v)。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有多級孔的三維納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于， 步驟(2)所述靜電紡絲的具體條件為： 推進(jìn)速度1~2ml/h，接收距離8~12cm，外加正壓12~18kV，外加負(fù)壓-1~-3kV，接收時 間0.5~3h，溫度30~35 °C，相對濕度40~45 %。
【文檔編號】D01F6/62GK106087078SQ201610459700
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】王迎軍, 宋菊青, 施雪濤, 李南穎
【申請人】華南理工大學(xué)