明膠基微納米纖維膜材料及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物材料中的無紡布領域，特別涉及無針電紡制備的明膠基微納米纖維膜材料及應用，以及該明膠基微納米纖維膜材料的制備方法，和用于制備明膠基微納米纖維膜材料的靜電紡絲機。
【背景技術】
[0002]在高壓電場的作用下，帶電的聚合物溶液或熔融體會形成一個錐體，這就是所謂的“泰勒錐”(Taylor cone);繼續增加電場強度，聚合物溶液或熔融體會從“泰勒錐”中噴出。噴射流在高壓電場的作用下發生震蕩，產生頻率極高的不規則螺旋運動，導致噴射流被快速拉細，溶劑迅速揮發，最終形成直徑在微納米級的纖維并以隨機的方式散落在收集裝置上，形成微納米纖維膜，或者在移動/旋轉的收集裝置上，形成一定纖維取向的微納米纖維膜，所得到的微納米纖維膜稱為無紡布。靜電紡絲技術首先是由Zeleny (Phys.Rev.1914.3:69 ?91)發明的，Formhals (US Patant, I, 975，504.1934)對其申請了專利。目前，靜電紡絲技術已被用于各個領域。從整體來看，對靜電紡絲的研究可分為兩個方面:第一方面集中在對靜電紡絲材料及紡絲產物性質用途的探索，第二方面則是聚焦在對靜電紡絲裝置本身的改革與工藝創新。對于第一方面，傳統的紡絲方法很難紡出直徑小于500nm的纖維；而靜電紡絲則能紡出超細的纖維，直徑最小可至lnm。由于超細纖維的優良性能，人們對其制備方法、適用原料、產品性能等進行了深入的研究。眾多微納米纖維相互堆積成微納米纖維膜材料，這種材料從結構上講，其具有明顯的小尺寸效應，大的比表面積和超分子的排列效果，無紡布纖維表面所形成的很多微小的二次結構與細胞外基質的結構類似，更接近于生物體的結構尺寸；從性能上講，由于其特殊的微納米結構，因此無紡布具有很強的吸附力、良好的過濾性、阻隔性、粘合性、保濕性、良好的生物相容性及生物可降解性。迄今為止，超過100種高分子被開發出來制備微納米纖維膜材料。天然高分子因在生物相容性和可降解性方面比合成高分子具有更大的優勢，更適合生物醫療方面的應用，受到國內外學者的普遍青睞，明膠更是天然生物分子中性質優良的典型。明膠是以動物的皮、骨為原料，通過分類、洗浸、脫脂、中和、水解、過濾、濃縮、凝膠、烘干、粉碎等十幾道工序制成，為一種無味、半透明、堅硬的薄片、顆粒或粉末。明膠的主要組成是與氨基酸組成相同而分子量分布很寬的多肽分子混合物，分子量一般在幾萬至十幾萬。由于明膠具有良好的生物相容性、可降解性、在體溫下良好的水溶性；同時經靜電紡絲制備的微納米纖維膜具有與細胞外基質膠原蛋白類似的結構，因此，在醫藥領域具有巨大的應用前景，可廣泛用于止血材料、止血敷料、組織工程支架材料、牙齒修復材料、藥物緩釋材料、人造皮膚材料、人造血管材料、軟骨修復材料、生物膜材料、創口包覆材料、美容保健材料等方面。目前已有幾十篇關于明膠有針電紡的文獻和專利。對于第二方面的靜電紡絲裝置本身的改革與工藝創新而言，目前無論是科研單位還是利用靜電紡絲技術生產微納米纖維的企業，其中絕大部分靜電紡絲技術和工藝都是以帶有微噴射系統的針筒式靜電紡絲裝置為基礎；與此同時，其它一些新式的靜電紡絲裝置相繼被開發出來。然而，將新型的無針靜電紡絲技術應用在明膠等生物高分子的微納米纖維膜材料的加工，目前還未見報道。
[0003]另外，明膠靜電紡絲技術發展至今，仍面臨以下幾個方面的局限性。第一個方面，通過現有技術制備的明膠纖維普遍存在直徑較粗(一般在微米級以上)、分布不均、抗潮濕性差、易變形、易破碎、易吸水；第二個方面，純明膠的水溶液常溫下呈膠體狀態，難以通過針筒式靜電紡絲裝置紡成微納米纖維，并且明膠不易溶于有機溶劑。目前，有限的幾篇文獻報道都集中在一些含氟有機溶劑，例如三氟乙醇、六氟異丙醇等，然而這種方法存在著溶劑昂貴，有機溶劑毒性大，殘留的有機溶劑難以清除完全，溶劑回收困難等缺點(Journalof Funct1nal Polymers, 2008,21 (3),312-316 ;Journal of B1medical MaterialsResearch Part A, 2009，90 (3)，671-679);第三個方面，目前的靜電紡絲機多采用針頭噴絲的方式，針頭易堵塞且紡絲效率低。這些都限制了明膠基微納米纖維膜的廣泛應用。
[0004]本發明通過將明膠與其它生物分子進行混紡時加入添加劑等，并進一步使用交聯劑進行可控交聯，來克服上述第一個方面所述的缺陷；通過尋找合適的溶劑，調節靜電紡絲時的溫度、濕度來克服明膠電紡的上述第二個方面所述的缺陷；通過采用螺片式出絲方式、彈簧式出絲方式、滾筒式出絲方式、螺桿式出絲方式、轉軸式出絲方式或齒輪式出絲方式，可極大的提高靜電紡絲出絲的速度，并做到連續的紡絲運轉以克服上述第三個方面所述的缺陷。經過這些改進，本發明不僅能夠簡化明膠靜電紡絲的程序、節約成本，并且可以大量的制備出性能優良的明膠基微納米纖維膜材料。這種材料可以普遍用于做止血材料、止血敷料、組織工程支架材料、牙齒修復材料、藥物緩釋材料、人造皮膚材料、人造血管材料、軟骨修復材料、生物膜材料、創口包覆材料、美容保健材料等方面。

【發明內容】

[0005]本發明的目的之一是提供通過無針靜電紡絲制備得到的明膠基微納米纖維膜材料。
[0006]本發明的目的之二是提供無針電紡進行制備明膠基微納米纖維膜材料的方法。
[0007]本發明的目的之三是提供明膠基微納米纖維膜材料的用途。
[0008]本發明的目的之四是提供用于制備明膠基微納米纖維膜材料的靜電紡絲機。
[0009]本發明是以明膠為主要基體制備微納米纖維膜材料，利用螺片式靜電紡絲機、彈簧式靜電紡絲機、滾筒式靜電紡絲機、螺桿式靜電紡絲機、轉軸式靜電紡絲機或齒輪式靜電紡絲機進行含有明膠的溶液與含有其它生物分子的溶液的靜電共紡絲，或將明膠溶液與其它生物分子等混合后進行靜電共混紡絲，實現了明膠的快速、便捷、大規模的靜電紡絲，簡便快捷規模化地制備出不同組成和不同尺寸的明膠基微納米纖維膜材料，經過一系列的后處理，為明膠基微納米纖維膜材料的進一步大規模的推廣實用提供了基礎。
[0010]本發明的明膠基微納米纖維膜是通過無針靜電紡絲制備得到的，構成明膠基微納米纖維膜的微納米纖維的成分是由明膠、其它生物分子、添加劑、乳化劑和藥物組成；其中:明膠的含量為2?98wt%(優選范圍為30?80wt%)，其它生物分子的含量為2?98wt%(優選范圍為10?50wt%)，添加劑的含量為O?40wt% (優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt% (優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt% (優選范圍為0.01?20wt%)；
[0011]或
[0012]構成明膠基微納米纖維膜的微納米纖維的成分分別由明膠、添加劑、乳化劑和藥物組成，及由其它生物分子添加劑、乳化劑和藥物組成；其中由明膠、添加劑、乳化劑和藥物組成的微納米纖維中明膠的含量為2?100wt%(優選范圍為30?80wt%)，添加劑的含量為O?40wt% (優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt% (優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt% (優選范圍為0.01?20wt%);由其它生物分子添加劑、乳化劑和藥物組成的微納米纖維中其它生物分子的含量為2?100wt% (優選范圍為10?50wt%)，添加劑的含量為O?40wt% (優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt% (優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt% (優選范圍為0.01?20wt%)。
[0013]所述的明膠基微納米纖維膜是由橫向排列的微納米纖維膜層與縱向排列的微納米纖維膜層相互交替覆蓋層層疊加構成的(即由一層橫向排列的微納米纖維膜為底層，疊加一層縱向排列的微納米纖維膜層，之后再覆蓋一層橫向排列的微納米纖維膜層，以此類推，交替覆蓋，層層疊加)。
[0014]所述的相互交替覆蓋層層疊加構成的明膠基微納米纖維膜，其相鄰層的微納米纖維膜層是由相同成分的微納米纖維構成，或由不同成分的微納米纖維構成。
[0015]所述的明膠基微納米纖維膜的膜厚為50nm?5cm,優選范圍為I μ m?3cm。
[0016]所述的明膠基微納米纖維膜中的微納米纖維的直徑為20nm?100 μ m。
[0017]所述的明膠基納米纖維膜中的微納米纖維的交聯度為0〈交聯度< 100%，優選范圍為5?80%ο
[0018]本發明的明膠基微納米纖維膜材料的制備方法包括以下步驟:
[0019](I)將明膠溶于溶劑中，攪拌至完全溶解后加入其它生物分子、添加劑、乳化劑和藥物，繼續攪拌(一般攪拌的時間為0.1?48小時)至形成均勻流體溶液后得到紡絲液，紡絲液中明膠的含量為2?98wt% (優選范圍為30?80wt%)，其它生物分子的含量為2?98wt% (優選范圍為10?50wt%)，添加劑的含量為O?40wt% (優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt% (優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt% (優選范圍為
0.01?20wt%);然后將紡絲液分別裝載于靜電紡絲機的以偶數設置(如2，4，6，8，10-----)
的兩個以上的液槽中，且相鄰的液槽中所裝載的紡絲液的成分組成相同或不相同，準備紡絲；
[0020]或
[0021]將明膠溶于溶劑中，攪拌至完全溶解，得到明膠溶液；將其它生物分子溶于溶劑中，攪拌至完全溶解，得到其它生物分子溶液；然后向明膠溶液中加入添加劑、乳化劑和藥物，繼續攪拌(一般攪拌的時間為0.1?48小時)至形成均勻流體溶液后得到含有明膠的紡絲液，向其它生物分子溶液中加入添加劑、乳化劑和藥物，繼續攪拌(一般攪拌的時間為0.1?48小時)至形成均勻流體溶液后得到含有其它生物分子的紡絲液；其中含有明膠的紡絲液中明膠的含量為2?100wt%(優選范圍為30?80wt%)，添加劑的含量為O?40wt%(優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt% (優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt% (優選范圍為0.01?20wt%);含有其它生物分子的紡絲液中其它生物分子的含量為2?100wt% (優選范圍為10?50wt%)，添加劑的含量為O?40wt% (優選范圍為I?15wt%)，乳化劑的含量為O?40wt%(優選范圍為O?8wt%)，藥物的含量為O?40wt%(優選范圍為0.01?20wt%);然后將含有明膠的紡絲液和含有其它生物分子的紡絲液分別依次裝載于靜電紡絲機的以偶數設置(如2，4，6，8，10——)的兩個以上的相鄰的液槽中，準備紡絲；
[0022]所述的靜電紡絲機為螺片式靜電紡絲機、彈簧式靜電紡絲機、滾筒式靜電紡絲機、螺桿式靜電紡絲機、轉軸式靜電紡絲機或齒輪式靜電紡絲機；所述的相鄰的液槽中的靜電紡絲機的紡絲頭是一個液槽中放置一個縱向方向的紡絲頭，一個液槽中放置一個橫向方向的紡絲頭的交替方式放置(如圖7所示);所述的紡絲頭是螺片式靜電紡絲機的螺片、彈簧式靜電紡絲機的彈簧、滾筒式靜電紡絲機的滾筒、螺桿式靜電紡絲機的螺桿、轉軸式靜電紡絲機的轉軸或齒輪式靜電紡絲機的齒輪；
[0023]通過螺片式靜電紡絲機、彈簧式靜電紡絲機、滾筒式靜電紡絲機、螺桿式靜電紡絲機、轉軸式靜電紡絲機或齒輪式靜電紡絲機進行靜電紡絲，以表面附有鋁箔或布的滾筒、平板、羅帶等為接收器；其中，紡絲的條件為:
[0024]a)紡絲液的給料速率為0.001?50ml/min ；
[0025]b)環境溫度為30?90°C ;
[0026]c)電壓為 I ?200kv ；
[0027]d)紡絲頭與接收器之間的距離為3?10cm ；
[0028]e)紡絲頭的繞軸旋轉的轉速為0.001?10rpm ；
[0029]f )滾筒接收器的旋轉轉速為0.001?5000rpm，或平板及羅帶接收器的線速度為0.00005 ?250m/min ；
[0030]g)接收器的干燥風溫度為I?100°C ；
[0031]h)液槽的溫度為30?90°C ；
[0032](2)將步驟(I)靜電紡絲完成后在接收器上得到的由縱橫交替的微納米纖維構成的明膠基微納米纖維膜材料的半成品取下并浸泡于含有質量百分濃度為O?60%交聯劑的水中或浸泡于乙醇溶液中進行交聯(一般浸泡的時間為I?168小時),進行交聯時的溫度為O?30°C ；
[0033]或
[0034]將步驟(I)靜電紡絲完成后在接收器上得到的由縱橫交替的微納米纖維構成的明膠基膜微納米纖維膜材料的半成品取下置于含有質量百分濃度為O?60%交聯劑水溶液所揮發的蒸汽中進行交聯(一般進行交聯的時間為I?168小時)或置于乙醇溶液所揮發的蒸汽中進行交聯(一般進行交聯的時間為I?168小時)；進行交聯時的溫度為15?40°C ；
[0035]交聯完成后用去離子水洗滌，直至在使用交聯劑的情況下使明膠基微納米纖維膜材料的半成品上的殘余的交聯劑完全清洗掉，干燥；