基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种匀质精控涂层技术制备高效功能化纤维技术领域，特别是涉及一种基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料及其制备方法。

背景技术

生物功能纤维材料在心血管领域临床器械相关产品中应用广泛。其中与血液接触的器械产品如：心脑血管支架、人工瓣膜、人工血管、心脏封堵器、心室辅助装置等，都面临着出血、感染、血栓形成、增生、钙化等问题；尤其是诸如人工血管器械，与血液接触面积大、移植后具有激活血液原有稳态而引起凝血或溶血，同时，作为外源性异物，这些器械也极易引起感染。因此，在血液相容性等方面面临着极大的挑战，长期应用受到很大的制约，甚至会导致患者死亡。目前，在提高医疗器械的血液相容性、抗菌性、细胞相容性等方面，主要还是以器械材料表/界面功能化改性为主，希望以此降低医疗器械植入初期的不良反应，使长期应用的并发症减少。然而，现有功能涂层技术的有效性和长效性并不能够满足现有器械植入的要求。

静电纺丝技术制备的纤维材料力学性能可控、易于成型、可功能化改性，能够作为人工血管、心血管支架覆膜、心脏瓣膜、心脏封堵器等器械的基底材料，但相关器械产品仍面临血液相容性等问题。以小口径人工血管为例，其可用于外周血管替换、心脏搭桥、动静脉瘘建立等手术。尽管具有广阔的应用前景，但受纤维材料抗凝血、抗钙化等功能化技术缺陷等因素的限制，该类产品至今未能实现商业化。涤纶和聚四氟乙烯等材料目前已广泛应用于大口径人工血管研发生产领域，并取一定效果，但上述产品的五年通畅率也只有39％左右，应用在小口径血管移植方面更不现实。因此对人工血管材料进行长效功能化改性处理尤其紧迫。目前，表面修饰、涂层技术和物理混合杂化技术是常用改性技术。通过物理混合进行杂化有很多弊端，如组分混合不均匀对器械力学性能和杂化组分活性释放特性有影响。

而化学修饰法的不足是容易导致支架材料降解，影响其本体性能，另外，反应条件严苛，如温度高也容易导致活性分子失活，还会伴随副反应带来生物毒性。物理涂覆的效果不稳定，且难涂层难以有效贴附在界面。因此，通过同轴电纺技术精控制备纤维涂层，在医疗器械及其材料领域具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料及其制备方法；本发明基于喷气-同轴电纺的匀质精控涂层技术制备高效功能化纤维，以克服现有功能化涂层技术用于生物医用纤维材料功能化改造后抗凝血、抗钙化、抗菌等效果不佳的缺陷。

本发明提供的基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料，包括位于内部的芯层，芯层成分是力学和分子量可调控的生物医用高分子材料；围设于芯层外侧的皮层，所述皮层由包括生物相容性极好的水溶性高分子基体、均匀分布在该基体中的功能性化合物分子及绿色交联剂制备所得。

所述芯层和皮层为同轴结构，该基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料由作为皮层材料的生物相容性极好的水溶性高分子基体/功能性化合物分子/绿色交联剂共混物和作为芯层材料的高品质生物医用高分子经过溶液同轴纺丝法制备而成。

本发明的目的具体地，通过以下技术方案来实现的：

第一方面：

本发明提供一种基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料，所述基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料包括位于内部的芯层和围设于芯层外侧的皮层；

所述芯层的材料包括可降解聚氨酯(BPU)、可降解聚酯(BPE)中的至少一种；

所述皮层的材料包括水溶性高分子基体、功能性化合物分子、交联剂；

所述功能性化合物分子包括抗凝、抗钙化、抗氧化、抗增生、抗感染中的至少一种化合物分子。

所述功能性化合物分子为肝素。

所述水溶性高分子基体为重均分子量40～60万的聚环氧乙烷(PEO)和/或重均分子量8～20万的聚乙烯醇(PVA)。

所述功能性化合物分子与水溶性高分子基体的质量比为0.1:100～10:100。

所述交联剂与功能性化合物分子的质量比为0.1:10～0.1:1。

芯层直径与生物活性功能纤维直径之比为1:25～1:100。

所述交联剂为绿色交联剂。

所述绿色交联剂包括原花青素、姜黄素、单宁酸、儿茶酚、没食子酸、绿原酸中的至少一种。

第二方面：

本发明还提供一种基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、芯层溶液的制备：将制备芯层的材料溶解于溶剂中，制备成芯层溶液；

S2、皮层溶液的制备：将水溶性高分子基体、功能性化合物分子、分散剂进行共混，搅拌均匀后制备成皮层溶液；

S3、静电-喷气同轴纺丝：在静电纺丝装置上，将芯层溶液和皮层溶液分别装在推进器中，皮层溶液推进速度为0.6～1.5mL/h，芯层推进速度为0.8～1.2mL/h，喷嘴处气流速度范围在20～110m/s，然后分别经过推进泵推进、计量，再对纺丝针头进行直流电加压，铝质接收装置接收喷射出的纤维，得到皮芯结构初生纤维；

S4、纤维后处理：将步骤S3所得皮芯结构初生纤维立即在交联剂(交联剂可采用绿色交联剂)稀溶液中浸泡；浸泡后的皮芯结构纤维经水洗干净后再预冻、真空冷冻干燥，获得所述基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料。

本发明研究中发现，只有严格控制芯层纺丝溶液的浓度、皮层溶液的浓度、皮层溶液推进速度，芯层推进速度，喷嘴处气流速度，才能稳定纺制出皮芯结构均匀、皮层和芯层厚度可控、纤维直径分布均匀的功能性纤维支架。

步骤S1中，芯层溶液的浓度(w/v)为6％～20％；

步骤S2中，皮层溶液的浓度(w/v)为0.5％～5％。

更优选地，步骤S2中所述推进器为10mL针管，针头末端与接收装置之间距离为8～20cm，针头处直流电压为6～20kV，接收纤维的装置为铝箔、涂层超润滑剂的316L不锈钢棒中的一种。

更优选地，S4中所述绿色交联剂稀溶液为原花青素、姜黄素、单宁酸、儿茶酚、没食子酸、绿原酸的乙醇溶液中的一种，溶液的浓度(溶质质量：溶剂体积)为0.1％～3.5％。得到的功能性纤维支架能够保持较高的生物安全性和高效抗凝血、抗钙化、抗菌等效果。

更优选地，步骤S4中所述预冻的温度为-80～-20℃，预冻24～72小时，真空冷冻干燥的温度为-120～-96℃，真空冷冻干燥24～72小时。保证得到的功能性纤维支架不会坍塌、形貌如初始设计，使用时力学顺应性才能得到保障。

优选地，静电纺丝装置的纺丝喷头为静电-喷气同轴针头。

第三方面

本发明还提供一种基于静电-喷气结合的同轴电纺匀质精控涂层技术的高效功能化纤维在制备心血管领域纤维基临床器械产品中应用。

本发明的关键之处在于所使用的同轴针头为可控喷丝速度的静电-喷气同轴针头；通过静电-喷气同轴，而不是现有技术常用的普通的静电纺同轴针头或熔喷纺丝用的喷气针头；将通过普通同轴针头纺制的纤维、通过常规化学浸渍后功能化的纤维、通用非超润滑模具脱模获得的纤维，比较研究发现，只有本申请所述的通过溶液静电-喷气同轴纺的匀质精控涂层高效功能化纤维才能达到高效抗凝血、抗钙化、抗菌等效果，这是因为：

1)只有通过溶液静电-喷气结合的同轴电纺匀质精控涂层技术制备的高效功能化纤维，才具备均匀的纤维结构和稳定的仿生细胞外基质的三维结构；

2)只有在制备过程中控制功能性化合物分子与水溶性高分子基体的质量比为0.1:100～10:100，绿色交联剂与功能性化合物分子的质量比为0.1:10～0.1:1；生物活性功能纤维中芯层直径与纤维直径之比为1:25～1:100，才能获得形貌均匀、结构稳定、生物相容性良好的，在移植手术时对人体无超敏反应，同时与人体内的血液及周边组织具有亲和力的功能性纤维支架；

3)只有采用匀质共混技术配制纺丝溶液，再通过静电-喷气同轴纺丝喷头纺制形貌均匀的皮芯结构纤维，再经过绿色交联剂稀溶液浸泡、超声水洗、预冻、真空冷冻干燥，才能获得精控涂层的高效功能化纤维；且纤维皮层中均匀分布的功能性化合物分子，释放周期明确，在纤维表面分布均匀，起到抗凝血、抗钙化、抗菌等效果。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种匀质涂层的心血管器械产品用高效功能化纤维的制备方法；以溶液静电-喷气结合的同轴电纺匀质精控涂层技术为依托制备长效功能化的纤维，该纤维芯层为高品质生物医用高分子组分，组分明确、降解周期明确，起到力学支撑；

2、皮层主要为水溶性高分子基体/功能性化合物分子/绿色交联剂共混三组分；皮层中均匀分布的功能性化合物分子，释放周期明确，在纤维表面分布均匀，起到抗凝血、抗钙化、抗菌等效果；

3、其制备工序简单高效，形貌均匀、结构稳定、生物相容性良好的，在移植手术时对人体无超敏反应，同时与人体内的血液及周边组织具有亲和力，适用心脑血管疾病治疗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为用溶液静电-喷气同轴针头纺制功能性纤维示意图；

图2为本发明制备的高效功能化纤维的横截面示意图，其中1为芯层，2为水溶性高分子基体/功能性化合物分子/绿色交联剂共混物，3为水溶性高分子基体，4为功能性化合物分子；

图3为本发明中所用静电-喷气同轴针头的结构示意图；

图4为本发明制备的肝素涂层的高效抗凝纤维的透射电镜图；

图5为本发明制备的匀质精控涂层纤维样品，其中B为匀质精控涂层的肝素化心脏瓣膜用纤维膜片，A为匀质精控涂层的肝素的6mm口径人工血管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供一种基于静电-喷气同轴纺的匀质涂层纤维材料，所述纤维材料包括位于内部的芯层和围设于芯层外侧的皮层。

图1为用溶液静电-喷气同轴针头纺制功能性纤维示意图；

图2为本发明制备的高效功能化纤维的横截面示意图，其中1为芯层，2为水溶性高分子基体/功能性化合物分子/绿色交联剂共混物，3为水溶性高分子基体，4为功能性化合物分子；

图3为本发明中所用静电-喷气同轴针头的结构示意图；所述静电-喷气同轴针头包括芯层材料出口和围设于芯层材料出口的皮层材料出口，形成同轴结构；

本发明下述实施例和对比例中使用的推进泵的喷头带有多个喷气孔；所述针头安装于喷头上，形成静电-喷气同轴结构。

实施例1

1、芯层溶液制备：将重均分子量为1.0×10

2、皮层溶液制备：将单宁酸、肝素、重均分子量为40万的PEO按照质量比0.1:10:10000水溶液；磁力搅拌溶液至澄清为止，配制成浓度(w/v)为0.5％的皮层纺丝溶液；

3、将配置的芯层溶液和皮层溶液分别装注在10mL针管中，在静电纺丝装置上分别设置皮层溶液推进速度为0.6mL/h，芯层溶液推进速度为0.8mL/h，喷嘴处气流速度范围在20m/s，然后分别经过推进泵推进、计量，再对纺丝针头进行直流电加压至15kV，纺丝温度为25℃，环境湿度设定为20％，平板铝质接收装置接收喷射出的纤维，得到皮芯结构初生纤维；

4、将皮芯结构初生纤维立即浸泡在浓度(w/v)为0.1％单宁酸乙醇溶液中；浸泡30分钟，再经超声水洗5分钟，-80℃下预冻24小时后立即真空冷冻(-96℃)干燥24小时，获得所述匀质精控涂层的肝素化心脏瓣膜用纤维膜片。

采用本实施例制得的肝素化心脏瓣膜用纤维膜片如图5中B所示，纤维膜片保持了良好的力学性能。其中B为匀质精控涂层的肝素化心脏瓣膜用纤维膜片，A为匀质精控涂层的肝素的6mm口径人工血管。

实施例2

1、芯层溶液制备：将重均分子量为9.5×10

2、皮层溶液制备：将原花青素、肝素、重均分子量为20万的PVA按照质量比为0.1:1:10配制浓度(w/v)为3.5％的水溶液，磁力搅拌溶液至澄清为止，配制皮层纺丝溶液；

3、将配制的芯层溶液和皮层溶液分别装注在10mL针管中，在静电纺丝装置上分别设置皮层溶液推进速度为1.5mL/h，芯层溶液推进速度为1.2mL/h，喷嘴处气流速度范围在110m/s，然后分别经过推进泵推进、计量，再对纺丝针头进行直流电加压至15kV，纺丝温度为25℃，环境湿度设定为20％，直径6mm的涂层PTFE的316L不锈钢棒接收装置接收喷射出的纤维，得到皮芯结构初生纤维。

4、然后将所得皮芯结构初生纤维立即浸泡在1％的原花青素乙醇溶液重；浸泡10分钟，再经超声水洗5分钟，-20℃下预冻72小时后立即真空冷冻(-120℃)干燥72小时，获得所述匀质精控涂层的肝素的人工血管。采用本发明制得的6mm口径的肝素化人工血管如图5A所示，人工血管具有均一的外观形貌。

采用本实施例制得的肝素化心脏瓣膜用纤维膜片如图4所示，纤维膜片保持了良好的力学性能。

对比例1

本对比例与实施例2的区别在于，芯层溶液中重均分子量为1.0×10

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于皮层溶液不同，具体如下：

皮层溶液制备：将单宁酸、肝素、重均分子量为40万的PEO按照质量比为0.1:10:10000配制浓度(w/v)为2％的水溶液，磁力搅拌溶液至澄清为止，配制皮层纺丝溶液。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于，将肝素替换为苄丙酮香豆素。

对比例4

本对比例与实施例1的区别在于，皮层纺丝溶液浓度(w/v)从0.5％调整为6％就不能可稳定纺丝。

对比例5

本对比例与实施例1的区别在于，绿色交联剂稀溶液浓度(w/v)从0.1％调整为4％后处理，纺制初生纤维就不具有稳定的皮芯结构且芯层直径与纤维直径之不在1:25～1:100范围内。

对比例6

本对比例与实施例2的区别在于，制备方法的步骤S3中皮层中溶液推进速度为1.6mL/h、芯层推进速度为1.3mL/h，纺制的纤维呈现皮芯结构且芯层直径与纤维直径之就不在1:25～1:100范围内。

对比例7

本对比例与实施例1的区别在于，制备方法的步骤S3中喷嘴处气流速度为120m/s，纺制的纤维呈现皮芯结构且芯层直径与纤维直径之比不在1:25～1:100范围内。

对比例8

本对比例与实施例2的区别在于，制备方法采用未涂层PTFE的316L不锈钢棒接收装置接收喷射出的纤维，纺制在316L不锈钢棒上的纤维管不能完整脱模。

性能测试

分别对各实施例和对比例的肝素释放周期测试、血小板粘附密度测试内皮覆盖率进行测试。

1、肝素释放周期测试

测试方法：将重量为2g的负载肝素的纤维支架浸于2mL的PBS溶液中，放置摇床中37℃恒温水浴缓释。在12小时、1、3、5、7、10和14天时间点将2mL的PBS溶液全部取出，并加入等体积的新的PBS溶液。将取出的PBS溶液和2mL的甲苯胺蓝溶液(0.04wt％甲苯胺蓝，0.01NHCl，0.2wt％NaCl)混合，温和摇动反应4h，然后用1000r/m离心10min后用PBS溶液冲洗1～2次，然后溶解在5mL的无水乙醇和0.1N NaOH的混合溶液。用紫外分光光度计测试其在530nm下的吸光度值，确定溶液中的肝素量。

2、血小板粘附密度测试

测试方法:用含3.2％柠檬酸钠溶液的塑料真空采血管(2.7mL，美国BectonDickinson)，按9：1(v/v)从健康新西兰大白兔耳缘静脉抽取兔血。通过1200rpm离心10分钟得到富含血小板的血液(PRP，每毫升含2×10

3、内皮覆盖率测试

测试方法：取HUVECs细胞悬浮液以1.0×10

结果见表1。

表1

如表1或图4可见：只有严格按照发明内容中纺丝溶液的配置参数、严格遵从纺丝参数和后处理参数，通过静电-喷气同轴纺丝针头，才能纺制形貌均匀的皮芯结构纤维。再经过绿色交联剂稀溶液浸泡、超声水洗、预冻、真空冷冻干燥，才能获得精控涂层的高效功能化纤维。且纤维皮层中均匀分布的功能性化合物分子，释放周期持久，抗血小板粘附性能明显、高效快速促进内皮细胞覆盖。

对比分析实施例1、2和对比例1-8中制备的样品其缓释周期、抗血小板粘附能力和促内皮快速覆盖能力性能测试结果可知，严格按照发明内容中纺丝溶液的配置参数、严格遵从纺丝参数和后处理参数，纺制的这种基于溶液静电-喷气同轴纺的匀质精控涂层高效功能化纤维，其对肝素的最高释放周期可以达到6.3天，血小板粘附量可最低控制在504个/mm

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。