表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜及其制备方法和应用。所述制备方法包括：步骤(1)将丝素蛋白与聚己内酯溶于六氟异丙醇中，在室温下搅拌溶解，制成混和液；步骤(2)将混合液进行静电纺丝，制备聚己内酯丝素蛋白混纺膜；步骤(3)聚己内酯丝素蛋白混纺膜真空干燥后，与PCL单体、辛酸亚锡催化剂在氮气保护下进行加热反应，制备得到聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜。所述制备方法得到的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜具有表层片状微纳米结构纤维形貌，比表面积和纤维直径大大增加，增加电纺膜由疏水性向亲水性转变的可能性，大大提高了纤维比表面积，空间维持能力、动态力学性能和降解性能大幅度提高。

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种表面具有连续片 层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜及其制备方法和应 用。

背景技术

在认识到引导组织再生膜技术重要意义后，聚四氟乙烯膜 (ePTFE)首先被用于引导骨再生研究领域中，但ePTFE膜在使用过 程中存在一系列并发症，且需要二次手术取出。而可吸收膜可调控降 解速度，无需二次手术取出，方便术者操作，减小患者痛苦并缩短愈 合期，减少膜暴露和感染等并发症。大量动物实验对可吸收膜运用于 引导骨组织再生(GBR)技术进行了研究，主要包括两类：①人工合 成的脂类聚酯，如聚乳酸(PLA)和聚乙醇(PGA)聚合膜。②动物 源胶原膜。二者生物学特征和效用也不尽相同。但现有的人工合成的 脂类聚酯膜，具有各种缺点，如发挥功能时间较短，降解速度过快， 不可调控，影响GBR治疗效果。

聚己内酯(PCL)的半结晶型高分子结构，其热稳定性较好，具有 较缓慢的降解速率和良好的生物相容性。PCL降解产物为CO₂和H₂O， 无细胞毒性，且具有良好的分子透过性，可用作可吸收医用材料。因 此，能够将聚己内酯与生物蛋白通过静电纺丝工艺制成聚己内酯丝素 蛋白混纺膜。

虽然聚己内酯蛋白混纺膜具备了可吸收膜的大部分优点，但由于 制备过程的影响，分子量大大低于制备前，从而导致其机械性能和降 解能力较差，成为其生物医学应用的最大阻碍。因此，对聚己内酯蛋 白混纺膜进行合成及改性研究具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种表面具有连续片层状微 纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜及其制备方法和应用。本发 明制备方法对聚己内酯丝素蛋白混纺膜进行改性，形成新的亚微米、 纳米级表层片状结构纤维形貌，比表面积和纤维直径大大增加。

本发明的技术方案如下：一种表面具有连续片层状微纳米结构的 聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)将丝素蛋白与聚己内酯溶于六氟异丙醇中，在室温 (15～30℃)下搅拌溶解，制成混和液；

步骤(2)将混合液进行静电纺丝，制备聚己内酯丝素蛋白纳米、 亚微米混纺膜；

步骤(3)聚己内酯丝素蛋白混纺膜真空干燥后，与聚己内酯单 体、辛酸亚锡催化剂在氮气保护下进行加热反应，制备得到表面具有 连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜。

本发明原理是：聚己内酯(PCL)具有能够开环聚合的性质，聚 己内酯(PCL)单体和聚己内酯共聚物结构中都存在着酯基和亚甲基， 二者在辛酸亚锡催化下发生链增长，由环状结构形成链状长分子，直 接决定材料的力学和降解能力，从而影响混纺膜的物理性能。

步骤(1)所述丝素蛋白的制备方法为：将天然蚕丝放于 0.4wt％～0.8wt％碳酸氢钠水溶液中煮沸25～35min后取出，使用去离 子水反复漂洗2～3次，再重复煮沸和漂洗2～3次，得到丝素蛋白，将 丝素蛋白置于35～45℃真空干燥40～50h。

步骤(1)丝素蛋白与聚己内酯的质量比为1：1～3；所述聚己内 酯的聚合度为600～800，分子量为70000～90000。

步骤(2)静电纺丝在室温(15～30℃)下进行，静电纺丝参数为： 纺丝距离为15～20cm；纺丝电压为15～30kV；流速为1.0～5.0ml/h。

步骤(3)所述聚己内酯丝素蛋白混纺膜、聚己内酯单体和辛酸 亚锡的摩尔比为900～1100：900～1100：1。

步骤(3)辛酸亚锡催化反应体系中，温度是影响混纺膜中聚己 内酯(PCL)开环聚合的主要因素之一。

将聚己内酯丝素蛋白混纺膜、聚己内酯单体与辛酸亚锡以2～4℃ 的速率升温至40～170℃反应，反应时间为3～5h，通过交联改性反应 制得表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维 膜。

作为优选，将聚己内酯丝素蛋白混纺膜、聚己内酯单体与辛酸亚 锡催化剂以2～4℃的速率升温至70～100℃反应，在优选温度下，聚己 内酯丝素蛋白电纺纤维膜的纤维结构较规整，表面规则，可见大量的 表层为亚微米、微纳米片状结构纤维。原有三维空间结构消失，形成 大量新的空间网状结构，具有较好的比表面积。另外，在优选温度下， 产率较高，可以达到70％以上。

本发明还提供所述制备方法制得的表面具有连续片层状微纳米 结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜。

反应温度为40～170℃，制备的表面具有连续片层状微纳米结构 的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜分子量为2000～9000，分子量是决定 表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜物 理性质重要因素之一，影响高聚物的机械性能，二者呈一定的正相关 性。

在反应温度为70～100℃下，本发明制备的表面具有连续片层状 微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜分子量为6000～8000。

所述表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺 纤维膜的空间维持能力、动态力学性能和降解性能大幅度提高。

化学聚合交联改性后的力学测试表明，改性电纺膜断裂力值随反 应温度升高而提高，相同规格及厚度的改性电纺膜比未改性的混纺膜 具有更好强的抗拉伸能力，表现出更大的断裂力值，对于提高可吸收 膜的机械性能有着显著的积极作用。

本发明还提供所述表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯 丝素蛋白电纺纤维膜在制备组织诱导再生膜或组织工程支架中的应 用。

本发明还提供所述表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯 丝素蛋白电纺纤维膜在电池工业中的应用。

本发明提供的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜具有亚微米、微纳米 表层片状结构纤维形貌，比表面积和纤维直径大大增加，增加电纺膜 由疏水性向亲水性转变的可能性，提高了纤维表面积，经交联改性后 的聚己内酯丝素蛋白电纺膜是一种优良的细胞粘附性纳米新型材料， 能够作为可降解组织诱导再生膜，并可作为制备其他需要较大比表面 积的材料中。

本发明具有以下有益效果：本发明采用辛酸亚锡对聚己内酯丝素 蛋白混纺膜进行改性，操作简单，环保无污染，产率较高。本发明提 供的表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维 膜具有表层片状结构纤维形貌，比表面积和纤维直径大大增加，增加 电纺膜由疏水性向亲水性转变的可能性，提高了纤维表面积，空间维 持能力、动态力学性能和降解性能大幅度提高。

附图说明

图1在反应温度为40℃制作的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜， 用电子扫描显微镜在不同放大倍数下观察纤维形貌的扫描图；

图2在反应温度为60℃制作的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜， 用电子扫描显微镜在不同放大倍数下观察纤维形貌的扫描图；

图3在反应温度为80℃制作的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜， 用电子扫描显微镜在不同放大倍数下观察纤维形貌的扫描图；

图4在反应温度为100℃制作的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜， 用电子扫描显微镜在不同放大倍数下观察纤维形貌的扫描图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例使用的主要实验材料和试剂的规格和生产厂家如表1所 示。

表1

实施例

步骤(1)将天然蚕丝放于碳酸氢钠(0.5wt％)水溶液中煮沸30 min后取出，去离子水反复漂洗3次，重复以上步骤3次。将脱胶后 的蚕丝置于真空干燥箱内40℃真空干燥48h；

将处理后的0.3g蚕丝和0.7g聚己内酯颗粒溶于10ml六氟异丙醇 溶剂中，室温下匀速搅拌6小时，直至蚕丝和聚己内酯完全溶解，得 到混合液；

步骤(2)将混合液置于20ml注射器中，排尽空气，固定于双通 道微量注射泵上，设置速率2.0ml/h，注射器金属针头连接于高压静 电场中，室温下进行静电纺丝，静电纺丝参数为：纺丝距离15～20cm； 纺丝电压18～20kV；助推泵流速1.8～2.2ml/h，于室温下对混合液进行 静电纺丝，可观察到均匀连续的超细白丝，连续电纺8小时，用铜网 收集各组样本，得到聚己内酯丝素蛋白混纺膜；

步骤(3)将聚己内酯丝素蛋白混纺膜置于真空干燥箱中40～50℃ 干燥24小时，称重至重量不再变化为止。取4份干燥处理后厚度较 均匀的混纺膜于4个50ml圆底烧瓶中，分别加入PCL单体及辛酸亚 锡催化剂，聚己内酯丝素蛋白混纺膜、单体和辛酸亚锡摩尔比为1000： 1000：1，用水式循环真空泵将烧瓶内空气抽尽后，向瓶内充入氮气， 将烧瓶浸于装有硅油的恒温油浴箱中加热，4个反应体系分别以2～4℃ /分钟的升温速率升至40℃、60℃、80℃、100℃进行反应。在真空氮 气保护环境下恒温上述温度反应4小时，继续在真空氮气保护环境下 冷却至室温，得到表面具有连续片层状微纳米结构的聚己内酯丝素蛋 白电纺纤维膜。反应结束后，取4个反应温度下制备的产物，分别进 行扫描电镜扫描、分子量检测和力学性能检测。分子量检测、力学性 能检测和产率如表2所示。

表2

分子量 断裂力值(N) 产率(％)

40℃ 2000 3.0 38 60℃ 3200 3.7 47 80℃ 6500 5.6 70 100℃ 7800 9.6 90

(1)扫描电镜表征

首先将各组待测样本依次放置于30％，50％，70％，85％，90％ 酒精中脱水15min，之后放置于100％无水酒精中脱水10min，共2 次。常温下干燥24小时后喷金，FEI-Quanta200型扫描电镜对各组样 本纤维的表面形态进行表征，发现所述聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜 表面具有连续片层状微纳米结构。

反应温度40℃，电子扫描显微镜观察表面具有连续片层状微纳 米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜的纤维形貌，结果如图1所示。 纤维结构有些混乱，表面有点不规整，原有三维空间结构消失。

反应温度60℃，电子扫描显微镜观察表面具有连续片层状微纳 米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜的纤维形貌，结果如图2所示， 所述聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜表面具有连续片层状微纳米结构。

反应温度80℃，电子扫描显微镜观察聚己内酯丝素蛋白电纺纤 维膜的纤维形貌，结果如图3所示，纤维结构较规整，表面规则，可 见大量的表层片状结构纤维。原有三维空间结构消失，但大量新的空 间网状结构形成。

反应温度100℃，电子扫描显微镜观察表面具有连续片层状微 纳米结构的聚己内酯丝素蛋白电纺纤维膜的纤维形貌，结果如图4所 示，纤维结构有点混乱，原有三维空间结构完全消失。

分子量测定

各组样本干燥脱水处理，参照GB/T21864-2008聚苯乙烯的平均 分子量和分子量分布检测标准方法和高效体积排阻色谱法。经四氢呋 喃溶解体系处理后，对获得样品溶液进行精馏除尘，并经过0.2μm 超滤膜过滤。将处理后的流动相溶剂以恒定的流速流入色谱柱(流量 误差<0.01mL/min)。将激光散射与凝胶色谱仪联用，从而计算出试样 的分子量。

力学性能测试

首先选取厚度接近Bio-Gide膜的各组待测试样本(误差不超过 0.01mm)，裁剪为长15mm，宽5mm尺寸薄膜，各组样本分别放置 于SJX-500型电动单柱测试机台上，使用数显式推拉力计，设定拉伸 速度10mm/min，室温20℃，测试样本断裂力值，断裂力值表明力学 性能越好。