具有核-壳结构的复合多孔纤维及双重孔结构膜制备方法

摘要

本发明公开了以导电聚合物为壳，可降解聚合物为核的具有核-壳结构的高电导率中空多孔复合纤维及其双重孔结构膜的制备方法及其在组织工程方面的应用。该方法包括如下步骤：静电纺丝法制备可降解聚合物具有多孔表面的中空纤维及其双重孔结构膜、原位聚合法制备可降解聚合物/导电高聚物中空多孔复合纤维及其双重孔结构膜、经过清洗干燥即得到具有核-壳结构的高电导率多孔复合纤维及其双重孔结构膜。本发明制备的高电导率的复合微/纳米纤维双重孔结构膜可应用于神经组织工程中，具有电导率高、孔隙率高、孔尺寸大、化学稳定性好的优点，在神经组织工程方面具有实用价值。其制备方法简单可行。

说明书

技术领域

本发明涉及生物工程领域，尤其涉及一种以导电聚合物为壳，可降解聚合 物为核的具有核-壳结构的高电导率复合多孔纤维及其双重孔结构膜的制备方 法。

背景技术

体、内外的试验表明具有电活性的生物材料能够刺激骨细胞和神经细胞的 再生(Biomaterial s2001；22：1055)。到目前为止，聚吡咯、聚苯胺等导电 高聚物是被广泛研究的可以作为衬底的具有电活性的生物材料。尤其是聚吡咯 已经显示出在生物医疗上应用的潜能，它所具有的特有的电活性、导电性和对 哺乳动物细胞的生物相容性，使它成为用于神经修补和引导神经再生的理想的 导向通道材料(J.Biomed.Mater.Res.A 2000，50：574-583)。然而，由 于聚吡咯的脆性、刚性和不可生物降解性，使它很难单独作为神经导管使用。 因此，必须将聚吡咯与柔性的可降解生物材料复合制备复合神经导管。如：张 泽和他的合作者们用等离子激活聚合法制备了聚吡咯涂覆的聚酯纤维 (J.Biomed.Mater.Res.2001；57：63)。张泽等用盐渗出法制备了聚吡咯 涂覆的PDLLA/CL复合纤维膜和神经导管(Artif Organs 2007；31：13)。王 等用相分离法制备了聚乳酸/聚吡咯复合孔结构膜(Wan Y，Wen DJ.2005；246： 193)。

静电纺丝技术已经成为制备用于软体组织移植和硬体组织再生的支架材 料的方法之一。这种方法制备的纤维构成的互相连接的多孔网络是药物、基因 和细胞传递的理想通道，是使组织再生的理想生物医疗支撑物，是酶和催化剂 的良好固定场所。静电纺丝方法可以通过改变聚合物的性能和工艺参数，如： 电场力、喷丝口和接收器的距离，喷丝口的形状和纺丝液的流速等来调节支架 的机械、生物和力学性能。大多数生物细胞外基质是由随机定向的纳米级胶 原组成的，电纺纤维的形态结构与其很相似，具有的高孔隙率特性为细胞生长 提供了良好的生长空间，有利于支架和环境之间的营养交换及新陈代谢，成为 理想的组织工程支架材料。但静电纺丝法在控制支架孔的大小，尤其是像几百 微米大的孔的控制上存在一定的困难(Biomaterials 2005，26：3165-3172)。 虽然李和他的合作者用静电纺丝技术和原位聚合法制备了用于神经组织工程 的聚吡咯涂覆的电纺聚乳酸共聚乙醇酸纳米纤维，并且他们所获得的纳米纤维 不是多孔纤维，纤维与纤维交织而成的空隙也较小，并且电导率也不高 (Biomaterials 2009；30：4325)。因此，目前尚未见到将静电纺丝技术和原 位聚合法相结合，制备由具有核-壳结构的复合纤维交织而成的大空隙的电活 性聚乳酸/聚吡咯复合微/纳米纤维双重孔结构膜的相关报道。

发明内容

本发明提供一种以导电聚合物为壳，可降解聚合物为核的具有核-壳结构 的多孔复合纤维交织而成的电导率高、空隙大的复合微/纳米纤维双重孔结构 膜的制备方法。

一种具有核-壳结构的多孔复合纤维交织而成的高电导率的复合微/纳米 纤维双重孔结构膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，用静电纺丝法制备可降解聚合物中空多孔纤维及双重孔结构膜 把可降解聚合物母粒溶解到挥发性溶剂中配成纺丝液，把该纺丝液装入注 射器中进行静电纺丝。注射器针尖下方放置一片铝泊用来接收纺出的可降解聚 合物中空纤维双重孔结构膜。然后把它从铝箔中剥离下来。

所述的可降解聚合物为聚乳酸，挥发性溶剂为二氯甲烷。

所述的纺丝液浓度为8-12wt％，磁力搅拌时间为5小时以上。

所述的静电纺丝所加的电压为12kV，纺丝液流速1mL/h，环境温度为 5-20℃，相对湿度为20-80％，纤维接收距离为10-25cm。接收到的可降解聚合 物微/纳米中空多孔纤维双重孔结构膜在铝箔中的停留时间至少为24小时。

所述的可降解聚合物微/纳米中空多孔纤维双重孔结构膜具有由微/纳米 纤维上的孔和由纤维交织而成的空隙组成的双重孔结构。

所述的可降解聚合物微/纳米中空多孔纤维双重孔结构膜，纤维上的孔呈 椭圆形，其长轴平均为250nm-2μm，短轴为125-467nm，纤维与纤维之间的空 隙为25-255μm，孔隙率为45％-90％、膜厚为14-52μm。

步骤二，由具有核-壳结构的复合多孔纤维交织而成的可降解聚合物/导电 高聚物复合微/纳米纤维双重孔结构膜的制备

先将氧化剂和导电高聚物单体分别溶解于稀酸水溶液中，然后将尺寸为 55mm×235mm×0.45mm的步骤一制得的可降解聚合物微/纳米中空多孔纤维双 重孔结构膜，浸入导电高聚物单体的稀酸水溶液中，超声处理30min，使可降 解聚合物微/纳米中空多孔纤维双重孔结构膜充分吸附导电高聚物单体后呈透 明状态。逐滴滴入氧化剂稀酸溶液，于0-5℃，反应3-5小时，取出复合纤维 膜，依次用去离子水和丙酮清洗。再将其浸没于去离子水中24h后，继续用 去离子水冲洗至洗液清洁透明，充分除去未反应的导电高聚物单体。真空干燥。

所述的高聚物单体(如：吡咯或苯胺)与氧化剂(如：过硫酸铵或三氯化 铁)的摩尔比为1。

所述的稀酸(如：盐酸)的浓度为1M。

所述的逐滴滴入氧化剂稀酸溶液，必须边滴边用超声分散。

所述的导电高聚物的聚合反应是以可降解聚合物微/纳米中空多孔纤维双 重孔结构膜为膜板的。

所述的用于清洗的去离子水和丙酮，每次用量分别为30ml，共洗3次。

所述的真空干燥的温度为50℃，干燥的时间为24h以上。

所述的复合纤维膜用去离子水和丙酮清洗后，必须再将其浸没于去离子水 中24h后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明为止。

所述的可降解聚合物/导电高聚物复合微/纳米纤维双重孔结构膜具有由 微/纳米纤维上的孔和由纤维交织而成的空隙组成的双重孔结构，其中的复合 纤维还具有以导电聚合物为壳，可降解聚合物为核的核-壳结构。

所述的可降解聚合物/导电高聚物复合微/纳米纤维双重孔结构膜，纤维 上的孔呈椭圆形，长轴平均为125nm-1.5μm，短轴为93-407nm，纤维与纤维之 间的空隙为20-250μm，孔隙率为25％-45％，膜厚为19-58微米。

制得的可降解聚合物/导电高聚物复合微/纳米纤维双重孔结构膜按如下 方法进行电导率的测试。

用四探针电导率测试仪测量可降解聚合物/导电高聚物复合微/纳米纤维 双重孔结构膜的电阻率，再由此计算出试样的电导率。

所述的复合纤维膜电导率的测试温度是室温。

所述的测试电导率的复合纤维膜的尺寸为55mm×235mm×0.45mm。

所述的电导率的测试方法测得复合纤维膜的电导率为120-179.0S/cm。

本发明采用静电纺丝技术和原位聚合相结合的方法，将具有电活性的导电 高聚物牢固地涂覆于可降解聚合物微/纳米纤维双重结构膜上。

本发明方法可广泛适用于由不同导电高聚物和可降解聚合物微/纳米中空 多孔纤维双重孔结构膜的制备。其步骤简单、产品质量稳定，所制备的复合膜 具有大的空隙，高的空隙率和高的电导率等优点，并可通过调节聚合时间和聚 合反应的温度等调控复合纤维膜空隙的大小、空隙率的高低及电导率的大小， 具有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明制得的聚乳酸中空纤维及其双重孔结构膜；图1中“1”指 向聚乳酸中空纤维上的“孔”，“2”指向聚乳酸中空多孔纤维交织而成的“空 隙”；

图2是本发明制得的聚乳酸微/纳米中空多孔纤维双重孔结构膜截面电镜 图；图中“1”指向聚乳酸中空纤维中的“空心”部分；

图3是本发明制得的聚乳酸/聚吡咯复合微/纳米纤维双重孔结构膜低倍 电镜图；图3中“1”指向多孔复合纤维交织而成的“空隙”；

图4是本发明制得的聚乳酸/聚吡咯复合微/纳米纤维双重孔结构膜高倍 电镜图；图中“2”指向多孔复合纤维上的“孔”。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以聚吡咯为壳，聚乳酸为核的具有核-壳结构的多孔复合纤维交织而成的 聚乳酸/聚吡咯一维微/纳米复合纤维双重孔结构膜的制备

步骤一聚乳酸纺丝原液的配制

先称取一定量的二氯甲烷置于具塞锥形烧瓶中，然后再将一定量的PLLA 切片加入其中，室温磁力搅拌5h，制备质量分数为12％的纺丝溶液。

步骤二静电纺丝法制备聚乳酸中空多孔纤维及双重孔结构膜

将配置好的溶液倒入溶液储存器(20mL注射器)中，采用削平的注射针 头作为喷射细流的毛细管，连接高压电源的正极，接收器连接负极，溶液挤出 量由微量注射泵控制，打开电源进行静电纺丝。静电纺丝所加的电压为12kV， 纺丝液流速2mL/h，环境温度为5-20℃，相对湿度为20-80％，纤维接收距离 为12cm。

步骤三具有核-壳结构的复合纤维交织而成的聚乳酸/聚吡咯复合微/纳 米纤维双重孔结构膜的制备

将1.220g过硫酸铵(APS)溶于40mL稀硫酸水溶液中，然后将聚乳酸微/ 纳米纤维双重孔结构膜样品，放入吡咯单体的稀硫酸水溶液中(0.335g吡咯 溶解于40mL稀硫酸水溶液中)，超声处理30min，使纤维膜充分吸附吡咯单体， 纤维膜吸附吡咯单体后呈透明状态。超声环境下逐滴滴入APS溶液后，0-5℃ 下反应5h，取出复合纤维膜，依次用去离子水和丙酮清洗。再将其浸没于去离 子水中24h后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明，50℃真空烘干24h。将 所得的聚乳酸/聚吡咯复合微/纳米纤维双重孔结构膜进行扫描电镜的观察、电 导率的测试和空隙率的测试，操作参数和测试结果见图1-图3和表1。

表1聚乳酸/聚吡咯复合微/纳米纤维双重孔结构膜的微观结构和性能

实施例2

以聚苯胺为壳，聚乳酸为核的具有核-壳结构的复合多孔纤维交织而成的 聚乳酸/聚苯胺复合微/纳米纤维双重孔结构膜制备

步骤一聚乳酸纺丝原液的配制

先称取一定量的二氯甲烷置于具塞锥形烧瓶中，然后再将一定量的PLLA 切片加入其中，室温磁力搅拌5h，制备质量分数为12％的纺丝溶液。

步骤二静电纺丝法制备聚乳酸中空多孔纤维及双重孔结构膜

将配置好的溶液倒入溶液储存器(20mL注射器)中，采用削平的注射针头 作为喷射细流的毛细管，连接高压电源的正极，接收器连接负极，溶液挤出量 由微量注射泵控制，打开电源，进行静电纺丝。静电纺丝所加的电压为12kV， 纺丝液流速2mL/h，环境温度为5-20℃，相对湿度为20-80％，纤维接收距离为 12cm。

步骤三具有核-壳结构的复合多孔纤维交织而成的聚乳酸/聚苯胺复合微 /纳米纤维双重孔结构膜制备

将1.220g APS溶于40mL稀硫酸水溶液中，然后将聚乳酸微/纳米纤维双 重孔结构膜样品，放入苯胺单体的稀硫酸水溶液中(0.528g苯胺溶解于40mL 稀硫酸水溶液中)，超声处理30min，使纤维膜充分吸附苯胺单体，纤维膜吸 附苯胺单体后呈透明状态。超声环境下逐滴滴入APS溶液后，0-5℃下反应5h， 取出复合纤维膜，依次用去离子水和丙酮清洗。再将其浸没于去离子水中24h 后，继续用去离子水冲洗至洗液清洁透明，50℃真空烘干24h。将所得的聚乳 酸/聚苯胺复合微/纳米纤维双重孔结构膜进行扫描电镜的观察、电导率的测试 和孔隙率的测试，操作参数和测试结果见表2。

表2聚乳酸/聚苯胺复合微/纳米纤维双重孔结构膜的微观结构和性能