有序排列壳-芯型高导电纳米材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种有序排列壳‑芯型高导电纳米材料的制备方法，该方法是将一定浓度的PANI和胶原的六氟异丙醇溶液作为芯层溶液、将一定浓度的PANI和PEO的六氟异丙醇溶液作为壳层溶液进行同轴静电纺丝，调控高压电源、壳层溶液推进速率、芯层溶液推进速率、接收距离及接收辊转速，得到有序排列壳‑芯型高导电纳米材料。本发明制得的纤维呈现取向排列，壳‑芯导电纤维表面粗糙，有不规则颗粒，纤维粗细不均匀，且该纤维膜具有一定的导电性能以及良好的力学性能和亲水性能，在组织工程、电子皮肤等领域具有潜在的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种壳-芯型高导电纳米材料的制备方法，尤其涉及一种有序排列壳-芯型高导电纳米材料的制备方法。

背景技术

高生物相容性的导电材料在组织工程具有非常重要的应用，比如心肌组织、神经组织、皮肤组织等。胶原蛋白是一种广泛且大量分布于哺乳动物体内的功能性蛋白，也是细胞外基质的主要成分之一，与神经具有很好的亲和性能，移植后免疫排斥反应低。其中，XIII型胶原可作为损伤性周围神经再生和功能恢复的治疗剂。多孔壳聚/胶原复合支架材料具有良好的细胞相容性、无细胞毒性及力学性能，可以促进施旺细胞的附着、迁移和增殖。(Zainul Z,Heikkinen A,Koivisto H,et al.Collagen XIII is required forneuromuscular synapse regeneration and functional recovery after peripheralnerve injury[J].The Journal of Neuroscience,2018,38(17):4243-4258.Si J Z,YangY H,Xing X L,et al.Controlled degradable chitosan/collagen compositescaffolds for application in nerve tissue regeneration[J].Polymer Degradationand Stability,2019,166:73-85.)

丝素，是一种由蚕丝脱胶制得的天然高分子纤维蛋白。研究表明无丝胶的丝素蛋白(SF)具有良好的机械性能，生物相容性和可降解性能。SF兼具韧性和弹性，可被生物体内的酶降解，在神经、骨、血管、肌腱等组织工程领域中广泛应用。Adrián等表示目前许多研究将天然丝丝和合成重组丝应用于周围神经再生，并对支架材料的物理线索、电信号、神经因子等方面进行研究。Gambari等开发了一种载有GYY4137(一种H

PLGA是美国食品和药物管理局批准的一种合成和高疏水性聚合物，在生物医学领域被作为可生物降解材料广泛使用。根据过去几十年的研究，PLGA具有良好的生物相容性、生物可降解性、低抗原性等生物医学特性，通过不稳定酯键的水解可降解为无毒且生物相容的乳酸和乙醇酸，其降解速率受其分子量、共聚物组成、结晶度和其他结构特性的影响，是制备可降解神经支架的良好材料。此外，PLGA与其他物质混合的支架，能改善其亲水性、机械性能、生物活性、导电性能等，其性能明显优于由单一PLGA制成的支架。(Lv Z J,LiuY,Miao H,et al.Effects of multiwalled carbon nanotubes on electrospun poly(lactide-co-glycolide)-based nanocomposite scaffolds on neural cellsproliferation[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B AppliedBiomaterials,2017,105(5):934-943.Li D,Wang Y,Xia Y.Electrospinning Nanofibersas Uniaxially Aligned Arrays and Layer-by-Layer Stacked Films[J].AdvancedMaterials,2010,16(4):361-366.)。

目前，用于制备导电生物支架的材料主要包括聚吡咯(Ppy)、聚苯胺(PANI)、和聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等导电聚合物，和碳纳米管(CNT)、石墨烯(Gr)及氧化石墨烯(GO)等碳基材料。聚苯胺是一种典型的具有共轭电子体系的导电聚合物，相较于聚吡咯在组织工程中应用较晚，但是对其进行改性处理如改变生物相容性及导电性等较为容易。虽然聚吡咯和聚苯胺在神经修复工程上有很大的潜力，但是其疏水性强、溶解性差，并且在生物体内一般不能降解，在生物体内长期存在容易引起炎症，需要与其他生物材料结合使用以改善其生物性能，故其临床应用受到了很大的限制。(Yslas E I,Cavallo P,Acevedo DF,et al.Cysteine modified polyaniline films improve biocompatibility for twocell lines[J].Materials Science and Engineering:C,2015,51:51-56.)

同轴静电纺制得的纳米纤维，由于其独特壳/芯结构，可用于组织工程支架、药物缓释、载药医用敷料和缝合线等生物医学领域。苏进松等利用同轴体系制备了由有序排列的层粘连蛋白核聚二恶酮/胶原壳纤维组成的仿生基质，为促进神经新生提供了地形和生物化学线索，研究表明有序排列的纤维结构和层粘连蛋白的持续释放能有效地改善和引导神经突的生长和神经源性分化。(Jiang H,Hu Y,Li Y,et al.A facile technique toprepare biodegradable coaxial electrospun nanofibers for controlled releaseof bioactive agents[J].Journal of Controlled Release,2005,108(2-3):237-243.Song S J,Shin Y C,Kim S E,et al.Aligned laminin core-polydioxanone/collagen shell fiber matrices effective for neuritogenesis[J].ScientificReports,2018,8(1):5570.)

本发明通过材料体系精准设计、壳层溶液及芯层溶液的配制、调控导电高分子的浓度，制备了具有良好导电性的纳米材料。

发明内容

本发明提供一种有序排列壳-芯型高导电纳米材料的制备方法，是将一定比例的合成高分子PLGA及天然高分子胶原溶解在六氟异丙醇中，室温下搅拌至完全溶解，制成一定浓度的PLGA/胶原溶液，以此混合溶液作为芯层。将导电高分子PANI加入六氟异丙醇溶液中，搅拌一定时间，超声处理，得到一定浓度的PANI溶液，向其中再加入PEO，在室温中搅拌至完全溶解，配置成一定浓度的PANI/PEO溶液，作为壳层溶液。将配制好的PANI/PEO溶液、PLGA/胶原溶液分别注入注射器中，进行同轴静电纺丝。调控高压电源、壳层溶液推进速率、芯层溶液推进速率、接收距离及接收辊转速。通过控制接收辊的速度控制不同层纤维的取向结构，并通过控制外层溶液中PANI的浓度制备不同电导率的层状纳米纤维膜，在一定温度条件下进行干燥，除去残余溶剂，得到有序排列壳-芯型高导电纳米材料。

本发明采用以下技术方案实现：

一种有序排列壳-芯型高导电纳米材料的制备方法，具体包括如下步骤：

1)将一定量的PLGA和胶原以60/40-80/20的比例加入六氟异丙醇中，室温下搅拌至完全溶解，制成10-14％PLGA/胶原溶液，作为芯层溶液。

2)将PANI加入六氟异丙醇溶液中，搅拌2-4h，超声1-2h，配制浓度为1.8-4.5％的PANI溶液。加入PEO，在室温中搅拌至完全溶解，PEO浓度为1.8-2.2％，得到PANI/PEO溶液，作为壳层溶液。

3)将步骤1)、2)中的PANI/PEO溶液、PLGA/胶原溶液分别注入两个10mL注射器中，通过鲁尔公母头和聚四氟乙烯管将注射器连接到同轴静电纺针头的外管和内管。然后连接12-16kV的电压进行静电纺丝，注射泵的推进速率分别为壳层溶液8-12mm/h、芯层溶液4-6mm/h，接收距离为12-15cm，接收辊转速为600-1200r/min。

4)将步骤3)的壳层及芯层，通过控制接收辊的速度控制不同层纤维的取向结构，并通过控制外层溶液中PANI的浓度制备不同电导率的层状纳米纤维膜。将静电纺丝得到的纳米纤维膜后置于干燥箱中，40-60℃干燥2-4h，除去残余溶剂。

本发明的有益效果在于：

本发明中，纤维呈现取向排列，壳-芯导电纤维表面粗糙，有不规则颗粒，纤维粗细不均匀，且浓度越高，表面越粗糙，纤维粗细不均匀现象越明显，当PANI浓度大于3.5％时，出现极多纳米尺寸的纤维，这是由于壳层溶液中的PANI分布不均匀或者包覆不完整造成的。

本发明中，壳-芯导电纤维膜具有明显的分层现象，不同分层之间纤维直径和纤维取向都有较为明显的差距，这是由于接收辊转速对纤维具有一定的拉伸取向效果。

本发明中，当转速为400r/min、800r/min、1200r/min时，纤维取向度范围分别为20°-180°、60°-180°、60°-140°，表明随着接收辊转速的增大，纤维排列的有序度提高。

本发明中，在PANI浓度相同时，随着转速的升高，纤维的直径分布区间由高向低移动。当转速相同时，随着PANI浓度的增大，纤维的平均直径增大，在浓度≤3.5％，不同PANI浓度的纤维间纤维直径差异较为明显，而PANI浓度较大时，平均直径仍有所增大但无显著差异。

本发明中，随着纤维壳层中PANI含量的增加，壳层导电纤维的孔径分布区间由3.37-9.39μm降低到2.47-5.78μm，芯层导电纤维的孔径分布区间6.00-10.07μm降低到3.38-6.36μm，孔径分布区间降低，区间范围减小。随着PANI含量的增加，无论是壳层纤维还是芯层纤维的平均孔径尺寸都有所下降，且芯层纤维的平均孔径尺寸小于壳层纤维的平均孔径尺寸，但是随着PANI含量的增加两者之间的差距减小。

本发明中，随着PANI含量的增加，导电纤维膜的电导率增加，导电性能增加，这与PANI的结构和性质有关。随着纺丝液中PANI含量的增加，纤维壳层中载流子的数目增多，导电纤维膜导电互联网络的能力增强，为电子的迁移和运输提供了通道，从而较大程度地提高了电导率。

本发明中，与纯PLGA纤维的FTIR-ATR谱图相比，壳-芯型导电纤维在792cm

本发明中，壳-芯型导电纤维膜以PANI/PEO溶液为纤维膜提供一定的导电性能，以PLGA/胶原为芯层溶液为纤维膜提供良好的力学性能和亲水性能，制得的材料具有极好的综合性能。

附图说明

图1是实施例制备的样品的表面的扫描电镜图。

图2是实施例制备的样品的横截面的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1：

将一定量的PLGA和胶原以60/40的比例加入5mL六氟异丙醇中，室温下搅拌24h，制成14％PLGA/胶原溶液，作为芯层溶液。

将PANI加入7mL六氟异丙醇溶液中，搅拌2h并超声1h，配制浓度为2.5％的PANI溶液。加入PEO，在室温中搅拌24h，配置成PEO浓度为1.8％的PANI/PEO溶液，作为壳层溶液。

将配置好的PANI/PEO溶液、PLGA/胶原溶液分别注入两个10mL注射器中，通过鲁尔公母头和聚四氟乙烯管将注射器连接到同轴静电纺针头的外管和内管。然后连接16kV的电压进行静电纺丝，注射泵的推进速率分别为壳层溶液8mm/h、芯层溶液6mm/h，接收距离为15cm，接收辊转速为1200r/min。通过控制接收辊的速度控制不同层纤维的取向结构，并通过控制外层溶液中PANI的浓度制备不同电导率的层状纳米纤维膜。将静电纺丝得到的纳米纤维膜后置于干燥箱中，60℃干燥2h，除去残余溶剂。

实施例2：

将一定量的PLGA和胶原以80/20的比例加入六氟异丙醇中，室温下搅拌12h，制成10％PLGA/胶原溶液，作为芯层溶液。

将PANI加入六氟异丙醇溶液中，搅拌4h并超声2h，配制浓度为4.5％的PANI溶液。加入PEO，在室温中搅拌24h，配置成PEO浓度为2.0％的PANI/PEO溶液，作为壳层溶液。

将配置好的PANI/PEO溶液、PLGA/胶原溶液分别注入两个10mL注射器中，通过鲁尔公母头和聚四氟乙烯管将注射器连接到同轴静电纺针头的外管和内管。然后连接12kV的电压进行静电纺丝，注射泵的推进速率分别为壳层溶液12mm/h、芯层溶液4mm/h，接收距离为12cm，接收辊转速为600r/min。通过控制接收辊的速度控制不同层纤维的取向结构，并通过控制外层溶液中PANI的浓度制备不同电导率的层状纳米纤维膜。将静电纺丝得到的纳米纤维膜后置于干燥箱中，40℃干燥4h，除去残余溶剂。

实施例3：

将一定量的PLGA和胶原以60/40的比例加入六氟异丙醇中，室温下搅拌12h，制成12％PLGA/胶原溶液，作为芯层溶液。

将PANI加入六氟异丙醇溶液中，搅拌3h并超声1h，配制浓度为3.0％的PANI溶液。加入PEO，在室温中搅拌24h，配置成PEO浓度为2.2％的PANI/PEO溶液，作为壳层溶液。

将配置好的PANI/PEO溶液、PLGA/胶原溶液分别注入两个10mL注射器中，通过鲁尔公母头和聚四氟乙烯管将注射器连接到同轴静电纺针头的外管和内管。然后连接14kV的电压进行静电纺丝，注射泵的推进速率分别为壳层溶液10mm/h、芯层溶液5mm/h，接收距离为14cm，接收辊转速为1000r/min。通过控制接收辊的速度控制不同层纤维的取向结构，并通过控制外层溶液中PANI的浓度制备不同电导率的层状纳米纤维膜。将静电纺丝得到的纳米纤维膜后置于干燥箱中，50℃干燥3h，除去残余溶剂。