蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架及其制备方法.pdf

本发明涉及一种生物医学材料领域的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架及其制备方法。本发明以聚己内酯为基体相，蚕丝丝素纤维为增强相，通过熔融共混和粒子滤出法相结合制备多孔复合材料。将水溶性高分子和无机盐作为复合致孔剂，采用绿色环保的致孔剂滤出技术获得孔洞结构，孔洞大小为100um-300um，孔隙率为52.9％-83.2％。蚕丝纤维增强了材料的力学性能，并且能够缓解聚己内酯降解过程中局部酸性偏大的问题。支架的孔隙率和力学性能可以通过控制材料和致孔剂的配比来调节。整个制备过程没有引入有机溶剂，并且能够使致孔剂充分滤出，避免了因有机溶剂和致孔剂的残留导致支架材料生物相容性下降的问题。

权利要求书
1.  一种蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架，其特征在于：由聚己内酯和蚕丝丝素纤维构成，聚己内酯与蚕丝丝素纤维质量比为85∶15-55∶45，其中聚己内酯为基体相，蚕丝丝素纤维为增强相，具有三维多孔并且孔洞连通的结构，孔隙率为52.9％-83.2％。

2.  如权利要求1所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架，其特征是：所述孔洞大小为100um-300um。

3.  一种蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，蚕丝脱胶：将蚕丝放入Na2CO3溶液中，在90℃-100℃下加热，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后烘干；
第二步，共混：将聚己内酯、蚕丝丝素纤维、水溶性高分子和无机盐熔融共混，将共混得到的物质放入模具中模压，然后保持压力不变室温冷压后脱模；
所述熔融共混中，各物质的质量分数为：聚己内酯7.1％-27.6％，水溶性高分子7.1％-27.6％，无机盐40％-80％，蚕丝丝素纤维1.6％-17.4％；
第三步，滤出致孔剂：将第二步得到的物质浸泡在去离子水中，使聚氧化乙烯和氯化钠全部滤出，冷冻干燥后得到多孔支架。

4、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第一步中，所述Na2CO3溶液，其质量分数为0.5％。

5、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第一步中，所述烘干，是指在70℃-80℃下真空烘干。

6、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第二步中，所述水溶性高分子为聚氧化乙烯，无机盐为氯化钠。

7、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第二步中，所述熔融共混，是指在聚合物混和设备中，140℃熔融共混20min。

8、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第二步中，所述聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为60∶40-40∶60，聚己内酯和蚕丝丝素纤维的质量比为85∶15-55∶45。

9、  根据权利要求8所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，所述聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为50∶50。

10、  根据权利要求3所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，其特征是，第二步中，所述模压，是指在25MPa压力下，140℃模压10min。

说明书蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种生物医学材料技术领域的支架及其制备方法，具体是一种蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架及其制备方法。
背景技术
近年来，随着细胞生物学、材料科学和分子生物学等学科的发展，组织工程概念的提出为器官缺损的修复提供了新的思路。组织工程支架材料是组织工程的关键，目前生物可降解高分子材料特别是脂肪族聚酯越来越受到人们的关注，如聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)，聚己内酯(PCL)以及它们的共混物和共聚物等等。它们都有良好的生物相容性，是植入材料的理想选择。同时，它们还具有良好的热塑性和成型加工性，因而在生物医学领域有着广泛应用。但是作为组织工程支架材料，它们都有着各自的缺点：聚乳酸和聚羟基乙酸的降解速率过快；聚己内酯虽然降解速率较慢，但是力学性能较差。而且上述材料植入后的降解产物会产生局部酸性，可能会引发炎症反应。如何改进这些不足是目前研究工作的重点。
目前已经有将聚己内酯和壳聚糖/羟基磷灰石复合来制备组织工程多孔材料的专利，利用壳聚糖和羟基磷灰石来缓解聚己内酯在降解过程中引起的pH值下降并同时改善力学性能。比如中国专利公开号：CN 101015712A，单该专利制备方法使用了冰醋酸作为聚己内酯的溶剂，有机溶剂的残留可能会使材料的生物相容性受到影响。
蚕丝是一种天然的多肽纤维，由丝胶和丝素两部分组成。其中丝素部分与人体的角质和胶原同为蛋白质，有十分相似的结构，具有良好的生物相容性和生物降解性。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利名称：组织工程支架用多孔材料及其制备方法，授权公告号：CN 1181892C。但该方法所制备的多孔支架力学性能较差。蚕丝丝素纤维强度高，可以用增强可降解高分子来改善力学性能，且在提高力学性能的同时又能保证材料的生物相容性和生物降解性。目前，使用蚕丝纤维来增强高聚物制成多孔材料并作为组织工程支架的应用尚未见报道。
组织工程材料要有高孔隙率，且内部连通的三维结构，从而为细胞生长、养分交换和代谢产物的流通提供足够的空间。为了获得上述结构，已经开发了相分离法、纤维联接法、气体发泡法、粒子滤出法、快速成型法等常用的支架制备方法。然而，这些方法都存在着各自的不足，比如相分离法不可避免的加入了有机溶剂，纤维联接法用于骨组织工程支架时的强度较低，气体发泡法得到的孔洞连通性较差，快速成型方法得到的孔隙率较低，粒子滤出法会有致孔剂残留问题等等。如何更好的利用上述方法的优点，制备出符合要求的组织工程支架，也是人们集中研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的是针对现技术的不足，提供一种蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架及其制备方法，得到的支架有较高的孔隙率并且内部孔洞连通，孔隙率和力学性能可调。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架，由聚己内酯和蚕丝丝素纤维构成，其中聚己内酯为基体相，蚕丝丝素纤维为增强相，具有三维多孔并且孔洞连通的结构，孔隙率为52.9％-83.2％。本发明支架中，聚己内酯与蚕丝丝素纤维质量比为85∶15-55∶45，孔洞大小为100um-300um。
本发明通过蚕丝丝素纤维来增强聚己内酯的力学性能，并且在一定程度上缓解聚己内酯在降解过程中出现局部酸性过大的问题。
本发明所述的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法，是将熔融共混法和粒子滤出法结合，采用绿色环保的致孔剂滤出技术获得孔洞，将水溶性高分子和无机盐作为复合致孔剂，通过水溶性高分子溶解后产生的孔洞使致孔剂完全滤出，解决了粒子滤出法中致孔剂残留的问题。
本发明所涉及的蚕丝纤维增强聚己内酯多孔支架的制备方法包括以下步骤：
第一步，蚕丝脱胶：将蚕丝放入Na2CO3溶液中，在90℃-100℃下加热，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后烘干。
所述Na2CO3溶液，其质量分数为0.5％。
所述加热，其时间为40min。
所述烘干，是指在70℃-80℃下真空烘干。
第二步，共混：将聚己内酯、蚕丝丝素纤维、水溶性高分子(聚氧化乙烯)和无机盐(氯化钠)熔融共混，将共混得到的物质放入模具中模压，然后保持压力不变的情况下室温冷压后脱模。
所述熔融共混中，各物质的质量分数为：聚己内酯7.1％-27.6％，水溶性高分子(聚氧化乙烯)7.1％-27.6％，无机盐(氯化钠)40％-80％，蚕丝丝素纤维1.6％-17.4％。
所述熔融共混，是指在聚合物混和设备中，140℃熔融共混20min。
所述模压，是指在25MPa压力下，140℃模压10min。
所述冷压，其时间为10min。
第三步，滤出致孔剂：将第二步得到的物质浸泡在去离子水中，使聚氧化乙烯和氯化钠全部滤出，冷冻干燥后得到多孔支架。
所述浸泡在去离子水中，其时间为1周。
所述冷冻干燥，其时间为24小时。
制备时保证聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为60∶40-40∶60(其中最优化的比例是50∶50)，聚己内酯和蚕丝丝素纤维的质量比为85∶15-55∶45。
本发明制备的三维多孔组织工程支架中可供细胞培养的孔径大小为100um-300um，孔隙率为52.9％-83.2％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为0.8MPa-7.3MPa。
本发明的优点和积极作用在于：
(1)采用资源丰富的蚕丝纤维作为增强材料和可完全生物降解、生物相容性良好的聚己内酯作为基体，经过熔融共混和粒子滤出后制备成多孔复合材料，工艺简单，也可以适用于其他聚合物或者纤维增强聚合物多孔材料的制备。
(2)在整个支架制备过程中没有引入有机溶剂，不存在因有机溶剂在材料中的残留而导致生物相容性下降的问题。
(3)采用的致孔技术为绿色环保的致孔剂溶出技术，使用水溶性高分子和无机盐类结合作为复合致孔剂，解决了致孔剂在支架中残留的问题，避免了残留的致孔剂对生物相容性的影响。
(4)蚕丝丝素纤维的加入明显改善了聚己内酯的力学性能，保证了支架材料有较高孔隙率的同时仍然保持着一定的力学性能。
(5)蚕丝丝素纤维的加入还可以在一定程度上缓解聚己内酯在降解过程中局部酸性过大的问题，为细胞的培养提供了更好的环境。细胞培养实验表明，骨髓间充质干细胞能够在支架上增殖并且在支架的孔隙中生长良好，无毒副作用。
本发明还可以通过控制致孔剂和纤维的含量来控制支架材料的孔隙率和力学性能，材料成本较低，方法简便，重复性好，在组织修复领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是蚕丝丝素纤维增强聚己内酯组织工程支架的扫描电镜图片。
图2是骨髓间充质干细胞在蚕丝丝素纤维增强聚己内酯组织工程支架上培养8天后的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取16.56g聚己内酯，16.56g聚氧化乙烯，24g氯化钠和2.88g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为27.6％，氯化钠的质量分数为40％，蚕丝丝素纤维的质量分数为4.8％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为85∶15)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为67.8％，而理论的质量损失为67.6％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为60.6％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为5.7MPa，相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为3.1MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能增加。
实施例2
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取14.16g聚己内酯，14.16g聚氧化乙烯，24g氯化钠和7.68g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为23.6％，氯化钠的质量分数为40％，蚕丝丝素纤维的质量分数为12.8％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为65∶35)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为62.8％，而理论的质量损失为63.6％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为55.7％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为6.3MPa，而相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为4.7MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能增加。在生理盐水中浸泡16周后生理盐水的pH值为4.16，而纯聚己内酯经过相同时间降解后生理盐水的pH值为3.48，说明纤维的加入能够缓解聚己内酯在降解过程中局部酸性过大的问题。
实施例3
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取12.78g聚己内酯，12.78g聚氧化乙烯，24g氯化钠和10.44g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为21.3％，氯化钠的质量分数为40％，蚕丝丝素纤维的质量分数为17.4％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为55∶45)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为60.4％，而理论的质量损失为61.3％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为52.9％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为7.3MPa，而相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为5.2MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能增加。
实施例4
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取9.48g聚己内酯，9.48g聚氧化乙烯，36g氯化钠和5.04g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为15.8％，氯化钠的质量分数为60％，蚕丝丝素纤维的质量分数为8.4％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为65∶35)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为75.4％，而理论的质量损失为75.8％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为67.0％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为2.6MPa，而相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为1.8MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能有所增加。
实施例5
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取7.36g聚己内酯，7.36g聚氧化乙烯，64g氯化钠和1.28g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为9.2％，氯化钠的质量分数为80％，蚕丝丝素纤维的质量分数为1.6％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为85∶15)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为89.7％，而理论的质量损失为89.2％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为83.2％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为0.8MPa，而相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为0.4MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能有所增加。
实施例6
将蚕丝放入质量分数为0.5％的Na2CO3溶液中，在90-100℃下加热40min，使蚕丝脱胶，然后把得到的丝素纤维用去离子水冲洗后70-80℃下真空烘干。取5.68g聚己内酯，5.68g聚氧化乙烯，64g氯化钠和4.64g蚕丝丝素纤维在聚合物混和设备中140℃熔融共混20min(其中聚己内酯和聚氧化乙烯的质量比为1∶1，聚己内酯的质量分数为7.1％，氯化钠的质量分数为80％，蚕丝丝素纤维的质量分数为5.8％，聚己内酯与蚕丝丝素纤维的质量比为55∶45)，将共混得到的样品放入模具中用平板硫化仪压成厚度为3mm的薄片，25MPa压力下140℃模压10min，然后保持压力不变的情况下室温冷压10min后脱模，用裁刀裁成直径为25mm的圆片。将得到的样品浸泡在去离子水中1周，冷冻干燥24小时后得到多孔支架。样品浸泡前后的质量损失为87.0％，而理论的质量损失为87.1％，说明致孔剂基本完全滤出，内部孔洞基本完全连通。支架的孔隙率为80.0％，支架被压缩1.5mm时的抗压强度为1.0MPa，而相同条件下制备的纯聚己内酯的抗压强度为0.6MPa，说明加入纤维后，支架的力学性能有所增加。
将上述实施例制备成的多孔支架在扫描电子显微镜下观察其形貌，如图1所示，支架材料中孔径的大小大致为100um-300um。同时，还可以看到孔洞上有聚氧化乙烯溶解后形成的小孔，这些小孔的存在有利于氯化钠的完全滤出。将1月龄新西兰大白兔的骨髓间充质干细胞在上述实施例制备成的多孔支架上培养，图2所示为骨髓间充质干细胞在支架材料上培养8天后的扫描电镜图片，从图中可以看出，细胞能够很好的在支架上粘附和增殖，并且向支架的孔隙中良好的生长。