一种取向的串晶纤维的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用组织工程技术领域，具体的说，涉及一种取向的串晶纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]骨科临床常见的问题是骨缺损和骨折不愈合，组织工程学为骨缺损修复所需的骨源提供了新思路。聚乳酸和聚己内酯具有良好的生物相容性和可降解性，是已经通过美国食品药品管理局(FDA)批准用于人体的生物医用材料。聚己内酯和聚乳酸具有良好的力学性能且有与骨组织再生相匹配的降解速率，在骨修复和软骨修复方面具有广阔的应用前景[Rajzer 1.Journal of Materials Science，2014,49:5799-5807]。但是该类聚合物作为人工合成高分子，缺乏细胞结合位点，这一缺陷极大地限制了它们在组织工程支架领域的应用。
[0003]目前，改善人工合成聚合物性能方面已取得一定的进展，主要是通过物理涂层、物理共混和化学接枝手段将细胞相容性好的天然聚合物如胶原、明胶和壳聚糖等引入到聚乳酸和聚己内酯体系中[Ren X.K., et al.Chemistry Society Reviews , 2015 ,44, 5680-5742]改善聚乳酸和聚己内酯支架的细胞相容性和生物降解性能。然而，上述方法虽然能从宏观上调节该类支架的性能，但是制备出的支架不能从微观结构上仿生骨组织，从而不能周期性诱导羟基磷灰石在支架表面的沉淀。且除了支架的组成，且表面微观拓扑结构也是影响细胞在指甲上的生长行为的一个重要影响因素，已有研究表明支架表面上纳米级别的拓扑结构会对成骨细胞的生长产生积极的影响，其中包括成骨细胞粘附、繁殖及细胞分化，其主要原因是该特殊结构有益于蛋白质的吸附如层粘连蛋白及玻连蛋白[Woo K.M.,etal.Journal of B1medical Materials Research,Part A,2003，67A:531-537]。
[0004]静电纺丝技术是制备组织工程支架常用的技术，且制得的纤维多孔支架能够很好的模拟仿生细胞外基质，在组织工程领域具有广泛的应用。李育人课题组通过采用静电纺丝纤维诱导聚合物分子在其表面周期性排列从而形成规整的串晶结构(shish-kebab)，该结构与传统意义上的在拉伸流场中的聚合物熔体中形成的串晶结构相似，该结构在传感器、纳米电子、催化剂及增强聚合物基体材料等领域具有广泛的应用[Li C.Y.,etal.Macromolecules,2008,41:9516-9521 ]。郑国强课题组基于串晶形成原理，以尼龙66纺丝纤维作为shish，在其表面分别诱导高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)结晶制备分别制备出了PA66/HDPE和PA66/PP杂化串晶结构[Han ff.J.,et al.Colloid and PolymerScience,2011,7:843-848,Liang Y.Y.,et al,Materials Letters，2011,65:653-656]。此夕卜，李育人课题组还通过采用聚己内酯(PCL)纺丝纤维诱导己内酯(CL)单体和丙烯酸(AA)单体的嵌段共聚物在纤维表面结晶从而形成了亲水性良好的串晶纤维，该纤维在模拟体液中可以羟基磷灰石在其表面周期性沉淀，从而可以很好的模拟仿生骨组织中的胶原结构[Li C.Y.et al.ACS Nano，2013，7:8251-8257]。然该方法虽然在微观上模拟了胶原的结构，但值得的支架表面依然缺乏细胞的结合位点。值得一提的是经过研究发现，PCL串晶结构的独特表面结构有利于多种细胞在其表面的粘附和生长[Wa n g X.F.etal.B1macromolecules,2013,14:3557-3569，Jing X.’Polymer,2014，55:5396-5406]。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于:提供一种功能化的取向的串晶纤维的制备方法，使得制备出的支架具有如下特征:不仅支架中的串晶结构提供粗糙的表面利于细胞的粘附，而且表面附着的天然高分子可以为细胞的粘附提供结合位点。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种取向的串晶纤维的制备方法，包括如下步骤:通过静电纺丝法制得取向的纳米纤维，再通过接枝共聚法得到接枝共聚物，最后通过静电纺丝制得的纳米纤维诱导接枝共聚物结晶法得到取向的串晶纤维。
[0008]一种取向的串晶纤维的制备方法，包括如下步骤:
[0009](1)纺丝溶液的配置:将配置纺丝溶液用聚合物溶解于有机溶剂中，溶解后配置成纺丝溶液；
[0010](2)取向的纳米纤维的制备:将步骤(1)制得的纺丝溶液置于静电纺丝装置中，采用平行板收集装置，电纺后制备获得取向的纳米纤维；
[0011](3)接枝共聚物的合成:a.将壳聚糖溶解于甲磺酸中制得壳聚糖溶液，将聚合物单体加入壳聚糖溶液中，生成带有磺酸基的接枝共聚物;b.将步骤a得到的产物置于磷酸二氢钾与氢氧化钠的0°C冷溶液中，然后进行离心、洗涤、冷冻干燥得到接枝共聚物；
[0012](4)接枝共聚物稀溶液的配置:将步骤(3)得到的接枝共聚物溶解到有机溶剂中，配置成接枝共聚物稀溶液；
[0013](5)诱导结晶:将步骤(2)得到的取向的纳米纤维放入步骤(4)得到的接枝共聚物稀溶液中结晶；
[0014](6)得到取向的串晶纤维:将诱导结晶后的取向的纳米纤维取出，洗涤干燥后制备出取向的串晶纤维。
[0015]步骤(1)中，配置纺丝溶液用聚合物为聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)等，有机溶剂为氯仿、四氢呋喃或三氟乙醇中的一种或几种，溶解温度为25?60°C，纺丝溶液的质量百分浓度为10?20%。
[0016]步骤(2)中，电纺条件为:温度20?40°C，电压为15?30kV，接收距离为10?25cm;
平行板收集装置为放置在铝箔纸上的不锈钢垫圈。
[0017]步骤(3)中，干燥的壳聚糖溶解于甲磺酸中，壳聚糖与甲磺酸的质量体积比例为30?60mg/ml，在40?60°C下氩气保护下充分搅拌直至壳聚糖完全溶解;然后将蒸馈后的聚合物单体加入壳聚糖溶液中，聚合物单体与壳聚糖的摩尔当量比例为6?36，45°C下反应5?10h;聚合物单体为半结晶型聚合物;壳聚糖的脱乙酰度为80% ;磷酸二氢钾与氢氧化钠的摩尔浓度分别为0.2mo 1 /L和10mo 1 /L。
[0018]步骤(4)中，接枝共聚物在40?60°C恒温条件下溶解到有机溶剂中，接枝聚合物稀溶液的质量百分浓度为0.01?0.1 %。
[0019]步骤(5)中，结晶条件为室温下恒温结晶3?10分钟;步骤(6)中，洗涤液为稀醋酸，干燥方式为真空干燥。
[0020]步骤(2)中，电纺后制得取向的纳米纤维的直径为200?800nm。
[0021 ]聚合物单体为聚乳酸或聚己内酯。
[0022]获得的取向的串晶纤维为呈现在微观结构上和功能上仿生骨组织的支架材料。
[0023]本发明的原理是:一种取向的串晶纤维的制备方法，特别是半结晶性聚合物，如聚己内酯和聚乳酸，该制备方法为:首先配置静电纺丝用聚合物纺丝溶液，然后采用平行板收集装置制备取向的纳米纤维。将亲水性聚合物与聚合物单体进行接枝共聚制备接枝共聚物，以制备好的取向的纳米纤维作为shish来诱导接枝共聚物在其表面进行结晶最终形成具有串晶结构的取向纤维。该特殊结构不仅可以结合不同聚合物的性能来改善静电纺丝纤维的亲水性和细胞相容性，而且可以达到在微观上达到模拟骨组织结构的目的。
[0024]总的说来，本发明具有如下优点:
[0025](1)通过本发明方法可以制备出大量的形貌可控的PCL/CS-g-PCL串晶纤维结构(详见附图2)，由此可见，壳聚糖可以很好的固定在纤维支架表面，鉴于壳聚糖良好的亲水性，因此，制得的串晶纤维支架亲水性良好。
[0026](2)通过本发明制备的PCL/CS-g-PCL串晶纤维结构，可以不用经过化学处理引入活性基团达到接枝天然高分子的目的，仅通过诱导接枝共聚物在纤维表面结晶引入壳聚糖，可以不损害支架的力学性能，且形成的串晶结构可以很好的模拟仿生骨组织的微观结构。
[0027](3)通过本发明制备的PCL/CS-g-PCL串晶纤维结构，由于接枝共聚物中PCL端在PCL纳米纤维周围有序排列，而鉴于PCL与壳聚糖间物理化学性能的差异，使得接枝共聚物中壳聚糖端被暴露在外，导致串晶纤维支架表面富含细胞结合位点，有利于细胞的粘附和生长。
[0028](4)通过本发明制备的PCL/CS-g-PCL串晶纤维结构，可以使得支架的亲水性提高，在模拟体液中加速羟基磷灰石的沉淀，达到在功能上仿生骨组织微观结构的目的。
[0029](5)本发明相对现在的改善PCL或PLA支架细胞相容性的方法，可以不影响PCL或PLA支架的力学性能，且形成的串晶结构可以使得壳聚糖被暴露在外，使得支架亲水性提高，且细胞在支架上粘附性得到改善。
【附图说明】
[0030]图1是本发明实施例一中制备的纳米级PCL纤维的扫描电镜图。
[0031]图2是本发明实施例二中制备的聚己内酯纳米纤维/壳聚糖-g_聚己内酯串晶纤维的扫描电镜图。
[0032]文中，PCL为聚己内酯，shish为静电纺丝制得的PCL纳米纤维，CS-g-PCL为壳聚糖与己内酯的接枝共聚物，CS为壳聚糖，PCL/CS-g-PCL为PCL纳米纤维诱导CS-g-PCL结晶制备的串晶纤维，PLA为聚乳酸。
【具体实施方式】
[0033]下面来对本发明做进一步详细的说明。
[0034]实施例一
[0035]本实施例是一种聚己内酯纳米纤维/壳聚糖-g-聚己内酯串晶纤维的制备方法，该制备方法的详细步骤如下:
[0036](1)将PCL 6500在45°C下溶解于氯仿与二甲基甲酰胺的混合有机溶剂中，溶解后配成质量百分浓度为14%的PCL纺丝溶液;优选的，PCL相对分子质量为16万克/摩尔;氯仿与二甲基甲酰胺的体积比为6比4;
[0037](2)将步骤(1)得到的PCL纺丝溶液利用静电纺丝装置，在温度为20°C，纺丝电压为15kV，接收距离为15cm，接收装置为放置在铝箔纸上的不锈钢垫圈，电纺制备PCL纳米纤维；
[0038](3)合成CS-g-PCL接枝共聚物:(a)将脱乙酰度为80%的壳聚糖在40°C下溶解于甲磺酸中，壳聚糖与甲磺酸的质量体积比例为30mg/mL，然后将与壳聚糖摩尔当量比为12的己内酯单体加入到壳聚糖溶液中，45°C下反应5h; (b)将反应产物置于磷酸二氢钾与氢氧化钠的0°C冷溶液中，然后进行离心、洗涤、冷冻干燥得到CS-g-PCL接枝共聚物，其中磷酸二氢钾与氢氧化钠的摩尔浓度分别为分别为0.2mo 1 /L和1 Omo 1 /L ；
[0039](4)称取CS-g-PCL接枝