电纺PLGA明胶组织工程支架和药物载体的制备与性能研究

哈尔滨工程大学 博士学位论文电纺PLGA/明胶组织工程支架和药物载体的制备与性能研究 姓名：孟昭旭 申请学位级别：博士 专业：材料学 指导教师：郑玉峰 2011-09-25 电纺明胶组织工程支架和药物载体的制备与生能研究 摘 要 静电纺丝法是制备微纳米级连续纤维的有效手段，其独特优势在于，所制备出的纤维膜比表面积大、孔隙小且孔隙率高，不但与细胞外基质的结构相似，而且能够装载药物，因此在生物医学领域具有广泛的应用前景。本论文采用静电纺丝法制各了聚乙丙交酯（）明胶复合纳米纤维，并对其在组织工程支架、表面矿化、表面修饰及药物控释等方面开展系统研究工作。具体研究内容包括以下几个方面： 首先，利用静电纺丝法成功制备出具有非定向和定向结构的明胶纳米纤维膜，通过扫描电子显微镜、衰减全反射傅立叶变换红外光谱、吸水率实验、拉伸实验对戊二醛交联前后的纤维的表面形貌、化学结构、亲水性及力学性能等进行表征。研究发现，随着明胶含量的增加，非定向纤维的直径呈现先降后升的趋势，直径分布范围变宽，纤维膜亲水性提高，纤维膜的弹性模量和拉伸强度呈现出先升后降的趋势。交联后纤维膜亲水性下降，但拉伸性能有所提高。与非定向纤维膜相比，定向纤维膜的纤维直径、孔隙率和吸水率略低，但拉伸强度显著提高。神经干细胞培养结果表明，明胶的加入显著改善了纤维膜的细胞相容性，纤维的定向结构更有利于细胞的黏附与增殖。 其次，采用浓缩模拟体液法、过饱和法和交替矿化法在和明胶电纺纤维的表面进行矿化沉积。三种方法都使矿化速率显著提高，其中浓缩模拟体液法和交替矿化法都在短时间内将大量矿化物沉积到纤维表面，而过饱和法的矿化物产量相对较低，但纤维膜中的大量孔隙却得以保留。由于明胶对十离子具有吸附作用，因此会促进矿化物的形核过程，导致矿化物在明胶纤维表面沉积速度大于纤维。由三种矿化方法得到的钙磷矿化物都包含透钙磷灰石（）、磷酸八钙（）和羟基磷灰石（），浓缩模拟体液法形成矿化物以为主，而过饱和法和交替矿化法中的含量有所增加。细胞培养结果显示，矿化后的纤维膜对骨细胞的黏附、增殖和分化均有良好的促进作用，因此矿?宋诠亲橹嘌靶薷捶矫婢哂星痹谟眉壑怠?再次，采用表面截留法对电纺纤维支架进行表面修饰。通过考察三氟乙醇水溶液浓度、溶胀时间和截留大分子溶液浓度对截留效果的影响，确定了截留的最佳工艺条件，获得表面截留明胶的电纺纤维以及表面截留接枝海藻酸钠明胶的电纺纤维。表面形貌与红外光谱的结果证实，天然大分子是通过截留而非黏附固定在纤维表面。经过截留修饰的纤维膜产生的收缩现象增加了纤维膜单位面积上的纤维密度，从而使纤维膜的力学性能提高。经过表面修饰的电纺纤维的亲水性和细胞相容性大大提高，其中海藻酸钠明胶截留接枝的纤维的亲水性和细胞相容性要高于明胶截留的纤维，显示了双层大分子修饰的优势。采用表面截留方宣宣 哈尔滨工程大学博士学位论文法不仅改善电纺纤维的亲水性和细胞相容性，而且提高其力学性能，充分拓展了其在生物医学领域中的用途。 最后，分别采用静电纺丝法和溶液浇注法制备装载药物芬布芬的明胶电纺纤维膜和浇注薄膜。芬布芬在纤维中呈无定形态，而在薄膜中以结晶态存在，从而导致纤维膜的药物释放速率高于薄膜。载药体中明胶含量增加导致载体溶胀率增大，从而使药物释放速率增大，而交联处理降低了纤维膜的溶胀率，从而使药物释放速率随交联时间延长而降低。与非定向纤维膜相比，定向纤维膜由于纤维排列紧密阻碍了药物的扩散，从而使药物释放速率略有降低。在不同值缓冲液中，基体的玻璃化转变温度发生变化，导致药物释放速率随值增加而增大。通过研究甲硝唑芬布芬双药载体的药物释放性能，发现双层结构载药纤维膜适合作双药载体，因为每种药物可以：；虫立装载 与释放，两种药物的释放不产生相互干扰，而且其含量可由载药纤维的层厚进行调节。在药物释放过程中，采用外裹。纤维的方法可以有效缓解药物释放初期的突释现 象。 关键词：静电纺丝；明胶；组织工程；药物释放 电纺明胶组织工程支架和药物载体的制备与性能研究 ， ， ， ， （，）（） ， ， ： ， ， ， （）， （）， ?椋猓澹? ， ， ， ， ， ， ， ： （ ）， 纣， ， ， 哈尔滨工程大学博士学位论文；二； ， ， ， ， ? ： ，一 ， 皿 ， ， ，（）一 ， ， ， ，、 ， 疋? ， ， ， ：； ； 第章绪论 第章绪论引言 自二十世纪八十年代以来，纳米科学技术的不断发展使纳米材料的相关研究迅速兴起，成为倍受关注的前沿领域之一。所谓纳米材料，是指尺寸结构小于的材料。由于材料尺寸小、比表面积大，因而呈现出独特的效应，如小尺寸效应，表面和界面效应等，从而赋予纳米材料全新的功能和更广阔的应用前景。纳米材料通常包括零维纳米材料（纳米颗粒）、一维纳米材料（纳米纤维）、二维纳米材料（纳米薄膜）和三维纳米材料（大量纳米颗粒组成的块体材料），其中维度数是指材料在三维某一方向上尺寸超出范围的数目， 纳米纤维是纳米材料的分支，是指纤维直径在以内，通常也泛指直径在几百纳米左右的纤维。纳米纤维的制备方法有很多，包括原纤化方法、相分离法、白组装法、静电纺丝法、分子喷丝板法等】。迄今为止，在这些方法中，只有静电纺丝法是制备连续长纤维的简单有效的方法。 静电纺丝技术已有近年的发展历程。年美国人发明了可以通过静电场力制备聚合物人造丝的仪器并取得专利【】。专利中描述采用半浸于纺丝液的旋转齿轮作为纺丝头，利用静电力将细丝喷射到旋转的圆板侧面或传送带进行收集。随后在至年间，他相继申请几项相关发明专利【。，采用金属喷嘴代替齿轮作为喷丝头，并加装喷气辅助装置等（图），看上去与现今应用的设备有几分接近，静电纺丝技术的雏形初步形成。年发明了制备超细无纺布的静电纺丝设备，电源正电极浸在聚合物纺丝液中，负电极与收集无纺布的传送带连接，而且还采用其他不同样式的收集板得到不同形式的纤维毡。年设计了静电纺丝设备并使用其进行丙烯酸纤维的制备，得到了直径范围在的超细丙烯酸纤维眩。通过高速相机照片，发现纤维从金属毛细管悬垂的带电液滴喷射出，计算结果显示喷射速度可能达到甚至超过声速。 自八十年代起，随着纳米科技的兴起，作为能够制备直径范围在几十纳米至几微米的纤维的技术，静电纺丝法吸引了越来越多的关注，各领域的研究者相继参与进来，使静电纺丝的研究与开发迅速发展壮大，成为当今的前沿热门之一。静电纺丝技术从初期的各种材料的开发，电纺工艺参数的摸索，到装置的改进，再到应用的研究，取得的成就越来越多，所涉及的领域也越来越广泛。 例如，在纤维聚集体的结构方面，等研究了获得定向纤维的新方法】。他们采用两块平行排列的硅片做收集板，使纤维跨越硅片间隙进行平行排布。另外，他们还在绝缘材料上镶嵌不同排列的金电极对，使所获得的纤维膜具有不同纤维取向的层状结构。 哈尔滨工程大学博士学位论文； 中科院上海硅酸盐研究所常江等：采用三维棒状组合式模具成功制备了具有连通交叉等形式的电纺纤维空心管状物，为制备复杂血管、气管等组织工程支架提供了一条新途径】 在生物医学检测方面，等制备了复合电纺纤维膜用二于葡萄糖传感器，结果显示其检测效果灵敏、稳定性较高，天后活性仍然保持左右【】。 国家纳米科技中心蒋兴宇课题组将聚碳酸酯电纺纤维应用于微流控芯片检测病毒， 与商品化聚碳酸酯微孔膜相比，不但检测灵敏度大大提高，而且检测时间和试剂的使用 量降低，对重大疾病早期诊断提?诵峦揪丁荆?。 在绿色能源方面，等制备纳米纤维用于锂离子电池【】，等制备复合纤维膜用于甲醇燃料电池 ，纤维膜高比表面积和高孔隙率有效提高 了转化效率。 图 设计早期静电纺丝装置示意图 静电纺丝是一项使用高压静电场力进行超细纤维制备的技术。静电纺丝设备如图 所示，主要由产生高压静电场的高压静电发生器、储存聚合物纺丝液的注射器、毛 细喷嘴、推动注射器使溶液匀速流出毛细喷嘴的注射泵、以及接地的纤维收集装置等。 第章绪论随着研究的深入进行，研究者们对装置各部分进行了一系列改进，以便实现不同的用途，如改变接收装置来获得不同取向或不同形状的纤维，改进喷丝头获得不同功能的纤维等。 图静电纺丝装置示意图 静电纺丝开始后，注射泵缓慢推动注射器使聚合物纺丝液在毛细喷嘴处形成液滴，由于高压发生器输出端与纺丝液相连，将电荷引入纺丝液使纺丝液带电，因此在高压电场作用下，带电液滴产生的静电力使液滴产生向纤维收集板方向移动的趋势。由于纺丝液的表面张力与静电力方向相反，因此在电场强度较低的情况下会阻止这一趋势的产生。随着电场强度不断提高，纺丝液滴表面电荷相互排斥产生剪切力，使液滴不断变形延长，最终形成圆锥形状，被称为“泰勒锥”。电场强度继续上升达到临界点后，静电力超过表面张力，力的平衡被破坏，带电液滴形成射流从锥顶端喷射而出，向纤维收集板方向飞去，飞行过程中溶剂挥发，最终形成超细纤维落在纤维收集板上。 射流在飞行过程中存在三个不稳定现象，这些不稳定现象影响着纤维的尺寸和几何形状。第一个不稳定现象主要出现在射流初始的直线轨迹阶段，称为雷利不稳定现象。它发生在电场强度较低或者纺丝液黏度较低的情况下，会导致射流断裂和连珠状纤维的形成。这是由于低黏度聚合物溶液中分子链缠结密度较低，不足以抵御电场力的拉伸，因此聚合物分子链相互分离并收缩，形成连珠状纤维，。采用高强度电场或较高浓度的纺丝液会抑制雷利不稳定现象的发生。在射流经历初始阶段的直线轨迹后，伴随而来的是另外两种不稳定现象弯曲和鞭动不稳定现象。在较高的电场强度下，射流主要由轴对称的弯曲不稳定和非轴对称的鞭动不稳定所控制，造成射流以反锥形轨迹行进并 哈尔滨工程大学博士学位论文；二；不断变细伸长，在此过程中溶剂挥发，最终射流形成固态纤维落在收集装置上。这两种现象主要是由射流中剩余电荷之间的相互排斥造成的。 ，静电纺丝影响因素 静电纺丝过程受到诸多因素的影响，总结归纳为：纺丝液参数，包括纺丝液浓度、分子量、表面张力、电荷密度等；过程参数，包括电场强度、流速、接收距离等。以上各种参数对纤维形貌产生重要影响，因此电纺中适当控制这些参数会得到理想的纤维形貌和直型。除此之外，环境因素包括温度和湿度也会对纤维形貌产生一定影响。 纺丝液参数 纺丝液浓度是静电纺丝中的重要参数。静电纺丝过程中，纤维的形成需要纺丝溶液浓度保持在一定范围内。研究发现，在溶液浓度较低情况下，会出现连珠状纤维，而随着浓度的不断提高，珠状物会从圆形逐渐转变为纺锤形直至成为直径均匀的纤维【乩， 而当浓度超过一定范围时，纤维无法形成。研究人员试图找出纺丝液浓度与纤维直径 大小的关系，通过实验证明，在合适的浓度范围内，纤维直径随纺丝液浓度增加而增大 ：！，】 聚合物分子量是静电纺丝中影响纤维形貌的又一重要参数。聚合物分子量与聚合物 分子链在溶液中的缠结程度成比。分子量越高，其分子链在溶液中缠结程度越高，黏 度越大。一般情况下，聚合物分子量与纤维直径成正比。实验表明，分子量低的聚合物 所制备的纤维会形成许多珠状物，而高分子量聚合物形成的纤维直径均匀。等采 用分子量在的研究了分子量对纤维形貌的影响，发现随聚合物 分子量增大，珠状物和?旱问肯陆怠玻常矗薄叻肿恿康模校蹋蹋寥芤杭词乖诘团仁比钥?以制备出均匀光滑的纤维【。另外，研究者还通过电纺磷脂纤维的实验【 ，证实了足够 的分子链缠结度是制备纤维的直接条件。由于电纺中采用聚合物通常为线性聚合物，分 子量越大，分子链越长，分子链之间的缠结度越高，因此聚合物分子量成为了影响静电 纺丝工艺的参数。 表面张力在静电纺丝中起着不可忽视的作用，降低溶液的表面张力会减少纤维中珠 状物的数量。不同的溶剂对表面张力的贡献不同（表）。一般来说，表面张力越高静 电纺丝越困难，而相对较低的表面张力可以使溶液在较低电场强度下产生纤维。然而 表面张力并不是越低越好，在其他条件固定情况下表面张力存在一定范围【】。 溶液的电导率对纤维直径产生重要影响。电导率主要由聚合物种类、使用的溶剂和 溶液中存在的盐离子浓度决定。聚合物溶液中的电荷数对纤维的形成起重要影响。研究 发现，随溶液中电导率的增加，静电牵引力增大，电纺纤维直径下降。反之溶液电导率 越低，静电牵引力越小，射流拉伸不充足，容易产生珠状物。等通过研究发现， 第幸绪论具有较高电导率的聚合物溶液射流在强电场下弯曲不稳定程度极大，导致极大的纤维直径分布引。等通过向溶液中加入盐离子来研究其对电纺纤维形貌和直径的影响，结果发现、和等的加入不但阻止了珠状物的产生，并且使纤维直径更加细小，分布范围在 之间。原因是加入盐后纺丝液电荷导电性增加，相同电压下静电牵引力增大，电荷间排斥力也相应增大，从而使射流拉伸作用更强，导致珠状物减少，纤维直径下降。这种像纺丝液，盐的方法同样可以用于其他聚合物，例如，尼龙等。 表各溶剂表面张力一览 溶剂 表面张（ 三氟乙酸 孓 乙醇 二氯甲烷 甲酸 乙酸 甲醇 水 丙酮 三氟乙醇 四氢呋喃 六氟异丙醇 二甲基甲酰胺 氯仿 过程参数 在静电纺丝过程中所施加的电压是控制纺丝过程的一个重要参数。施加的电压不仅产生了纺丝所需要的电场，而且将电荷引入到纺丝液中。当电压达到一定的闽值时，射流才会产生，从而使纤维生成。电压对纤维直径的影响说法不一，有些研究人员发现高电压的使用能够带动更多聚合物溶液，从而导致纤维直径增加【，。而等人的研究却发现电压的变化对纤维的直径影响不大【。在大多数情况下，高电压使用加剧了射流的拉伸，从而使纤维直径下降，但与所应用的纺丝液浓度、接收距离等也有 哈尔滨工程大学博士学位论文一定关系。 注射泵推进速度，即纺丝液流速也是控制电纺纤维的重要参数之一。静电纺丝过程中所设置的纺丝液流速必须与纺丝电压相匹配，流速过小会使纺丝液供给不足，从而导致纤维不连续且直径大小不一。而流速过大则会使射流过粗，导致溶剂挥发不.