一种多尺度纤维负泊松比三维导电熔喷非织造布心肌补片

1.本发明涉及一种多尺度纤维负泊松比三维导电熔喷非织造布心肌补片。


背景技术：

2.心肌梗死严重威胁着人类的健康与生命，给社会和家庭带来了沉重的负担。而目前对于心肌梗死的治疗方式并不理想。心肌梗死发生后，受损的心肌细胞发生不可逆的死亡，进而被致密的胶原瘢痕组织所替代，而幸存的心肌细胞无法通过自身的增殖、分化补充损失的细胞，只能通过代偿性的肥大，最终引发左心室的重塑和扩大，导致心力衰竭的发生。心肌组织在长轴和短轴方向的结构和性能不同，具有各向异性的结构，长轴和短轴方向均呈现负泊松比效应。因此，通过再生医学手段重建功能性心肌替代癒痕组织将是有效恢复心功能的理想途径。
3.通过工程化心肌补片用于治疗心肌梗死是一种很有前景的方式。补片需要能够模仿天然心肌的结构并具有一些功能，比如诱导心肌细胞附着和生长，促进在体外的心肌功能化，并且可以修复体内梗死部位。理想的心肌补片应该具有如下特性：1、支架材料具有良好的弹性、可延展性、稳定性、可塑性和有一定的机械强度，不会因必肌细胞的跳动损坏支架。2、具有良好的生物相容性，在体内不引起炎症反应、毒性反应和免疫排斥反应。3、心肌补片具有同步收缩的能力和良好的导电性能进行生物电传导并避免移植体内后发生严重的心率失常。
4.熔喷法是20世纪50年代发展起来，其生产工艺是采用较高熔融指数的聚合物切片，经过螺杆挤压加热熔融成为流动性能很好的高温熔体后，利用高温高速的热空气流将从喷丝板喷出的熔体细流吹散成很细的纤维，在接收装置上聚集成纤网、并利用自身余热相互粘合缠结成布的过程。
5.熔体在这种高温、高速气流的作用下会被牵伸成细度只有1
‑
5μm的细丝，同时，这些纤细的纤维丝被牵伸气流拉断为40
‑
70mm的短纤维。然后再牵伸气流的引导下这些短纤维落在成网机上由本身的余热在成网机上互相黏合，形成一张连续的纤维网。在成网机上形成连续的纤维网后经过卷绕机的卷绕成卷、分切机分切，最终形成熔喷无纺布产品。
6.熔喷非织造技术是目前制造纳米纤维材料的一种重要手段，其具有工艺流程短、设备简单、纤维细(纤维直径达微米级甚至亚纳米级)的显著特点。熔喷法非织造布主要用作复合材料、过滤材料、保温材料、卫生用品、吸油材料及洁净布(擦布)、电池隔膜等，广泛应用于如医疗卫生、汽车工业、过滤材料、环境保护等领域。在国外，熔喷法非织造布主要用作两步法sms材料和医疗卫生用材料及包覆材料，另外擦拭和吸收材料、过滤及阻隔材料也是熔喷布的重要用途。
7.利用高速热空气喷吹方法可以制备空气过滤用熔喷纳/微米非织造布，纤维直径为200nm
‑
10μm。通过高速热空气强拉伸可以使纤维直径迅速减小，制备出多尺度纤维。在气流拉伸过程中，纤维优先排列在md方向，形成有序结构。通过调控纤维排列、孔隙及层状结构，呈现各向异性变化，可以实现非织造布负泊松比效应，在5％单向应变条件下，γ为
‑
0.80
±
0.3，符合心肌补片负泊松比变形需求，具有减少壁应力及减轻肥厚的显著作用。
8.构建组织工程心肌补片的支架应具备高孔隙率、良好的力学性能、生物可降解性、生物相容性以及可提供类似细胞外基质的微环境。构建组织工程心肌补片的材料则包括天然材料(胶原、纤维蛋白，壳聚糖，天然ecm，多肽等)和人工合成材料(如pcl)。通过熔喷加工方法可以制备出纳微米纤维非织造布，但其应用领域主要为过滤分离、防护服、口罩等，目前尚未见有心肌组织修复应用领域的熔喷非织造布补片的技术报道。


技术实现要素：

9.本发明提供一种多尺度纤维负泊松比三维导电熔喷非织造布心肌补片。
10.本发明采用的方案如下：
11.一种多尺度纤维负泊松比三维导电熔喷非织造布心肌补片，由热塑性生物聚氨酯tpu和苯胺单体ani进行原位聚合所得的聚合物为原材料，制备得到纳米级纤维及微米级纤维按特定方式分布的非织造布心肌补片，所述非织造布电导率为5
×
10
‑5‑
1.6
×
10
‑3s/cm，模量为200
‑
500kpa，硬度为0.02
‑
0.50mpa，在不同应变10
‑
20％下的负泊松比为
‑
1.1～
‑
0.5，能够模拟心肌组织。所述的纳微米纤维排列具有一定方向性，纤维沿纵向取向排列，呈现各向异性，与心肌组织的长轴和短轴方向的层状结构、ecm的有序排列及各向异性结构吻合。
12.所述的多尺度纤维负泊松比三维导电熔喷非织造布心肌补片的制备方法包括如下步骤：
13.1)将热塑性生物聚氨酯tpu和苯胺单体ani进行原位聚合反应制备具有导电功能的形状记忆聚合物pani/tpu；所用掺杂酸为h2so4，浓度为0.5mol/l，氧化剂硫酸铵浓度为0.2mol/l，ani与tpu比例为1：2，反应时间为60min，得到弹性导电高聚物。
14.2)调控熔喷工艺参数，利用高速气流熔融喷吹方法，气缝宽度为0.1mm，螺杆三区的温度分别为170℃，230℃，260℃，模头温度为240℃，采用0.02mm喷丝孔直径的微型熔喷试验机，螺杆长径比l/d＝28:1，螺杆转速为60r/min，热空气温度为320℃、热空气压力为0.6mpa及接收距离为20cm来制备熔喷非织造布；
15.3)所述非织造布心肌补片由多层纤网叠合，每层纤网由纳微米混合尺度的纤维组成，且控制纤维直径为200nm
‑
4μm，多层纤网叠合的厚度为200
‑
400μm，其中构成非织造布的所有纤维均同向排布，且偏差不超过10
°
。
16.本发明利用高速气流拉伸实现纤维直径的精准调控；通过提升接收辊距离及转速参数来调控纤维的取向分布，增加空气压力工艺来制备纳微米多尺度混合分布熔喷纤维。通过调控接收辊距离及转速、空气压力参数制备纳微米纤维熔喷非织造布，使得纤维在熔喷非织造布纵向(md)呈现取向排列，呈现各向异性结构特征。
17.本发明通过设计材料体系，利用聚氨酯和苯胺单体(ani)进行原位聚合反应制备具有导电功能的形状记忆聚合物，可以形成心梗区的电机械信号通路，并通过结构设计，利用导电功能的形状记忆聚合物纤维，可以与心肌组织细胞外基质的有序排列结构吻合，与心肌组织的层状厚度匹配；能够模拟心肌组织细胞外基质的纳微米纤维网络结构。通过设计熔喷非织造布纵向的取向纤维排列程度，在纵向和横向方向纤维排列状态不同，呈现各向异性结构特征。在拉伸时，不同应变条件下，熔喷布纵向和横向的两个方向的性能不同，
呈现各向异性的性能变化，在10
‑
20％应变下的熔喷非织造布的负泊松比为
‑
1.1～
‑
0.5。熔喷非织造布的力学性能和导电性能均是各向异性变化。
18.本发明制得的非织造布各项性能都能达到心肌组织理论范围，其弹性变形能够较好的模拟心肌收缩和舒张的变形需求，非织造布的模量及硬度能够提供很好的力学强度，起到支撑效果，此外通过不同应变的负泊松比调控，能够与心肌组织收缩和舒张的负泊松比变形吻合。
19.本发明利用导电功能的形状记忆聚合物促进心梗区电信号传导及提高导电性，通过调控熔喷非织造布制备工艺的高速气流牵伸过程，采用高速热空气对初生丝进行拉伸，使纤维直径达到纳米尺度及微米尺度的混合范围，制备纳微米纤维熔喷非织造布，模拟心梗区ecm的纤维网络结构，重建仿生微环境。本发明制备的熔喷非织造布中的纳微米纤维及方向性排列、多层纤网叠合结构、纵向与横向的各向异性比、良好的导电性及稳定信号传导、弹性变形、力学性能及负泊松比效应在模拟ecm结构同时，能够与心肌组织的层状结构吻合，模拟心肌组织的各向异性结构特征，保持正常心肌收缩和舒张的变形需求，提供心肌组织的力学强度，起到支撑效果，在不同应变下能够与心肌组织收缩和舒张的负泊松比变形吻合，促进梗死区电信号传导，重建心肌功能。
附图说明
20.图1为实施例1的纳微米熔喷非织造布三维负泊松比变形结构心肌补片示意图；
21.图2为实施例1的纳微米熔喷非织造布的二维负泊松比变形结构心肌补片示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。
23.实施例1
24.将热塑性生物聚氨酯tpu和苯胺单体ani进行原位聚合反应制备具有导电功能的形状记忆聚合物pani/tpu；所用掺杂酸为h2so4，浓度为0.5mol/l，氧化剂硫酸铵浓度为0.2mol/l，ani与tpu比例为1：2，反应时间为60min，得到弹性导电高聚物。
25.调控熔喷工艺参数，利用高速气流熔融喷吹方法，气缝宽度为0.1mm，螺杆三区的温度分别为170℃，230℃，260℃，模头温度为240℃，采用0.02mm喷丝孔直径的微型熔喷试验机，螺杆长径比l/d＝28:1，螺杆转速为60r/min，热空气温度为320℃、热空气压力为0.6mpa及接收距离为20cm的熔喷非织造布。
26.所述熔喷非织造布的纤维直径为200nm
‑
4μm，多层纤网叠合的厚度为200
‑
400μm，其中构成非织造布的所有纤维均沿纵向取向排列。电导率为5
×
10
‑5‑
1.6
×
10
‑3s/cm，模量为200
‑
500kpa，硬度为0.02
‑
0.50mpa，在不同应变10
‑
20％下的负泊松比为
‑
1.1～
‑
0.5，能够模拟心肌组织及各向异性变形。
27.实施例2
28.将热塑性生物聚氨酯tpu和苯胺单体ani进行原位聚合反应制备具有导电功能的形状记忆聚合物pani/tpu；所用掺杂酸为h2so4，浓度为0.5mol/l，氧化剂硫酸铵浓度为0.2mol/l，ani与tpu比例为1：2，反应时间为60min，得到弹性导电高聚物。
29.调控熔喷工艺参数，当不采用高速气流拉伸时，所得熔喷布的纤维直径远远大于4
μm，无法较好模拟心肌组织细胞外基质的超细纤维网络结构特征，不能有效起到心肌梗死治疗的功能重建作用。
30.实施例3
31.将热塑性生物聚氨酯tpu和苯胺单体ani进行原位聚合反应制备具有导电功能的形状记忆聚合物pani/tpu；所用掺杂酸为h2so4，浓度为0.5mol/l，氧化剂硫酸铵浓度为0.2mol/l，ani与tpu比例为1：2，反应时间为60min，得到弹性导电高聚物。
32.调控熔喷工艺参数，当接收辊转速小于60rpm时，纤维在纵向的排列状态是随机的，无法较好实现取向排列，此时熔喷布接近各向同性的性能变化，不具备各向异性要求，不符合心肌补片的变形需要。
33.实施例4
34.采用热塑性生物聚氨酯tpu，调控熔喷工艺参数，利用高速气流熔融喷吹方法，气缝宽度为0.1mm，螺杆三区的温度分别为170℃，230℃，260℃，模头温度为240℃，采用0.02mm喷丝孔直径的微型熔喷试验机，螺杆长径比l/d＝28:1，螺杆转速为60r/min，热空气温度为320℃、热空气压力为0.6mpa及接收距离为20cm的熔喷非织造布。采用该实施例制备的熔喷非织造布具有良好的弹性变形，但不具备导电性，无法起到信号传导的效果，不能实现心肌功能重建目的。
35.实施例5
36.当采用苯胺单体进行熔喷加工的实验时，因为该导电聚合物的不熔特征，无法进行单一组分的熔喷加工，所以不能形成熔喷非织造布，更无法模拟心肌组织。