一种兼具磁电效应的生物材料及其制备方法

potential of mesenchymal stromal cells in vascular tissue engineering[j].sci technol adv mater,2021,22(1):461-80.)
[0004]
基于生物电、磁场刺激对器官、组织和细胞的影响，为了更好地刺激器官、组织和细胞，将电活性材料和磁性材料结合使用形成磁电复合材料，是当今生物材料的热点，如何将电活性材料和磁性材料更好地合二为一发挥作用是众多研究者的研究方向。
[0005]
现有的电活性材料和磁性材料都只是在电信号刺激或磁场刺激下调控细胞的增殖、分化和迁移等行为，单一电活性材料或磁性能材料并不具备同时为细胞提供电信号刺激与磁场刺激的功能。尽管目前已有报道将生物电活性材料与磁性材料复合，例如lu liu等人将fe3o4和batio3纳米颗粒包覆在螺旋藻的表面，制备出一种微型电机[参照liu l,chen b,liu k,et al.wireless manipulation of magnetic/piezoelectric micromotors for precise neural stem-like cell stimulation[j].advanced functional materials,2020,30(11)]。但是，在材料的设计方面，磁电复合材料中的磁性材料仅起到靶向定位或提供动力的作用，并没有对电活性材料的电信号产生起到促进或扩大的作用。因此，本质上，磁电复合材料的作用仍然是电活性材料与磁性材料的功能各自独立，并无融合；从功能上讲，磁电复合材料的设计还存在磁、电作用分离的不足。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种兼具磁电效应的生物材料及其制备方法，以解决现有磁电复合材料中电活性材料与磁性材料的功能依然各自独立的技术问题。
[0007]
本发明采用的技术方案如下：
[0008]
一种兼具磁电效应的生物材料，所述生物材料包括具有压电性质的电活性材料和既具有磁性、又具有在外磁场作用下尺度会发生变化的磁致伸缩材料。
[0009]
作为优选地，所述压电性质的电活性材料为钛酸钡、钛酸铅、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯以及左旋聚乳酸材料中的一种或多种。
[0010]
更为优选地，所述电活性材料为聚偏二氟乙烯。
[0011]
作为优选地，所述磁致伸缩性材料为tb-fe、dy-fe、sm-fe、fe
100-x
ga
x
(0＜x＜100)、fe
85
ga
15-y
aly(0＜y＜15)、fe
80
ga
20-z
alz(0＜z＜20)、fe
100-m
alm(0＜m＜100)、confe
3-n
o4(0＜n＜3)材料中的一种或多种。
[0012]
更为优选地，所述磁致伸缩性材料为cofe2o4。
[0013]
兼具磁电效应的生物材料的制备方法采用高压静电纺丝法，包括如下步骤：
[0014]
(1)制备磁致伸缩性材料悬浮液；
[0015]
(2)将电活性材料在溶剂中分散，形成分散液；
[0016]
(3)将磁致伸缩性材料悬浮液和电活性材料分散液混合，非磁力搅拌2～8h，得到静电纺丝前驱液；
[0017]
(4)对静电纺丝前驱液纺丝操作，纺丝电压8～22kv、注射泵推进速率15～35ml/h、收集距离15cm，将收集到的薄膜置于温度为60℃的鼓风干燥箱内烘干24h，即得到兼具磁电效应的生物材料。
[0018]
综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点及益效果：
[0019]
本发明将具有电信号刺激以及压电性质的电活性材料与在外磁场刺激下尺度能够发生伸长或缩短的磁致伸缩材料复合，使复合材料既具有电信号刺激功能，同时在外磁场作用下，磁致伸缩材料尺度沿磁化方向发生伸长或缩短，出现磁致伸缩效应，电活性材料因磁致伸缩效应发生电位极化，其压电效应增强，使得该材料能通过外磁场调控产生电信号刺激，从而提高现有压电电活性材料的压电性能，解决了现有压电电活性材料仅受机械刺激而难以调控的问题。
附图说明
[0020]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0021]
图1为磁电效应生物材料的组分设计与磁场促进电信号示意图，图中标号为：
①
电活性材料；
②
磁致伸缩材料。
[0022]
图2为cofe2o4磁致伸缩性材料的磁致伸缩应变曲线图，磁致伸缩应变曲线是由新科高测bkt2600磁学特性测量仪测量描绘，该曲线反映了磁致伸缩材料cofe2o4的长度的伸长量与长度的比值λ随外磁场h增大的变化曲线。
[0023]
图3为pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的力电耦合测试曲线，力电耦合测试曲线由线性马达测量系统与labview计算机数据收集系统测试得出，每组样品测试时间均为25s，测试次数大于5次。
[0024]
图4为pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数直方图。压电系数直方图由图3测得的极化电荷值与压力值作商获得。
[0025]
图5(a)、(b)和(c)分别为cofe2o
4-pvdf磁电复合材料、fe3o
4-pvdf与pvdf在外磁场大小为273oe时的应力模拟结果图。该模拟结果图由计算机模拟计算软件abaqus根据图2与图3的数据结果模拟计算获得。按照图片左侧的云图图例，图上颜色为白色，说明材料在外磁场中受到应力；图上颜色为黑色，说明材料在外磁场中未受到应力。由于压电效应是指在材料受应力时内部出现电荷极化并通过累加导致材料两表面分别出现正、负极化电荷的现象，因此，该图的黑、白颜色变化可反映出材料在273oe磁场下产生电信号的能力。图上显示白色，则证明材料出现应力变化，具有产生电信号的能力；图上显示黑色，则证明材料未出现应力变化，不具有产生电信号的能力。
[0026]
图6为cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在273～1000oe连续变化的外磁场中的压电系数变化模拟曲线。该模拟结果曲线由计算机模拟计算软件abaqus根据图2、3与图5数据结果模拟计算获得。该图说明：cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数随外磁场的增大而增大，证明了cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场作用下可以产生电信号。
[0027]
图7为cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在不同磁场大小下的压电系数直方图。该图由说明书附图6中曲线取点绘制，柱状图上方数值表示cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在该磁场大小下的压电系数。该图说明：cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数随外磁场的增大而增大，证明了cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场作用下可以产生电信号。
[0028]
图8为cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在不同大小的外磁场中所产生的电荷量。
具体实施方式
[0029]
本发明提供的兼具磁电效应的生物材料，所述生物材料包括具有压电性质的电活
性材料和既具有磁性、又具有在外磁场作用下尺度会发生变化的磁致伸缩材料，其中电活性材料具有压电性质，磁致伸缩材料既具有磁性、又能在外磁场作用下会发生尺度变化，其制备方法以高压静电纺丝法为例，包括如下步骤：
[0030]
(1)制备磁致伸缩性材料悬浮液；
[0031]
(2)将电活性材料在溶剂中分散，形成分散液；
[0032]
(3)将磁致伸缩性材料悬浮液和电活性材料分散液混合，非磁力搅拌2～8h，得到静电纺丝前驱液；
[0033]
(4)对静电纺丝前驱液纺丝操作，纺丝电压8～22kv、注射泵推进速率15～35ml/h、收集距离15cm，将收集到的薄膜置于温度为60℃的鼓风干燥箱内烘干24h，即得到兼具磁电效应的生物材料。
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中实施例1为本发明的具体实施方式，对比例1/2为对照组。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，比如电活性材料不限于聚偏二氟乙烯，只要具有压电性能即可，比如为钛酸钡、钛酸铅、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯以及左旋聚乳酸材料中的一种或多种；磁致伸缩性材料也不局限于cofe2o4，只要既具有磁性、又能在外磁场作用下会发生尺度变化就可以满足要求，比如铽铁(tb-fe)、镝铁(dy-fe)、钐铁(sm-fe)、fe
100-x
ga
x
(0＜x＜100)、fe
85
ga
15-y
aly(0＜y＜15)、fe
80
ga
20-z
alz(0＜z＜20)、fe
100-m
alm(0＜m＜100)、confe
3-n
o4(0＜n＜3)材料中的一种或多种。
[0035]
实施例1
[0036]
本实施例提供了一种利用电活性材料聚偏二氟乙烯、磁致伸缩性材料cofe2o4制备的兼具磁电效应的生物材料，其制备方法包括如下步骤：
[0037]
s1.分别称量六水硝酸钴、九水硝酸铁和一水柠檬酸36.3793g、100.9990g和72.0463g，分别溶解于250ml、500ml和250ml的蒸馏水中。配制成0.5mol/l的硝酸钴、0.5mol/l的硝酸铁和1.5mol/l的柠檬酸水溶液；
[0038]
s2.分别取硝酸钴、硝酸铁和柠檬酸溶液100ml、200ml和120ml，混合，制成硝酸钴、硝酸铁和柠檬酸摩尔比为1:2:3.6的混合水溶液。在温度为80℃的条件下，将混合溶液磁力搅拌至暗红色粘稠状，收集凝胶；
[0039]
s3.将暗红色凝胶置于鼓风干燥箱内，温度为80℃条件下干燥24h，得到干燥的暗红色凝胶块；
[0040]
s4.使用玛瑙研钵将干燥的暗红色凝胶块研磨成粉，通过目数为200目的标准筛，筛选出粒径小于0.075mm的凝胶粉末。使用酒精灯加热凝胶粉，至棕黑色，得到柠檬酸铁与柠檬酸钴混合物；
[0041]
s5.使用箱式烧结炉将10g柠檬酸铁与柠檬酸钴的混合物在空气气氛中烧结，烧结温度600℃、升温速率5℃/min、保温60min，随炉冷却至室温，得到cofe2o4磁致伸缩性材料；
[0042]
s6.表面改性cofe2o4分散性。称量2g cofe2o4，倒入400ml无水乙醇中，70℃加热超声30min。机械搅拌，搅拌速度500r/min，搅拌温度70℃。搅拌过程中逐滴加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷，滴加体积16ml；
[0043]
s7.静置，沉淀。使用无水乙醇洗涤沉淀3次，收集沉淀；
[0044]
s8.将收集的沉淀置于鼓风干燥箱内，温度为60℃条件下干燥24h，得到表面接枝3-氨基丙基三甲氧基硅烷的cofe2o4磁致伸缩材料；
[0045]
s9.将0.8g表面接枝3-氨基丙基三甲氧基硅烷的cofe2o4磁致伸缩性材料加入2ml的n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散4h，得到cofe2o4的悬浮液；
[0046]
s10.将8g聚偏二氟乙烯与42ml n,n-二甲基甲酰胺混合，先使聚偏二氟乙烯溶胀24h，然后磁力搅拌12h，制成浓度为16wt.％的聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液；
[0047]
s11.将s9中超声后的cofe2o4悬浮液倒入s10中的聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液，非磁力搅拌4h，制成静电纺丝前驱液；
[0048]
s12.将纺丝前驱液注入型号为20ml的注射器中，并配备21g注射针头，使用wz-50c6型微量注射泵和高压直流电源装置对纺丝前驱液进行高压电纺；
[0049]
s13.注射针头与收集板间的电压为16kv、注射泵推进速度为30ml/h、注射针头与收集板间距离为15cm，相对空气湿度为70％；
[0050]
s14.经高压电纺后，将收集到的复合材料置于鼓风干燥箱内，在温度为80℃的条件下干燥24h，获得cofe2o
4-pvdf磁致伸缩性材料-电活性材料。
[0051]
如图1所示，为本实施例磁电效应生物材料的组分设计与磁场促进电信号示意图。材料包括电活性材料
①
和磁致伸缩材料
②
。在有外磁场作用材料时，随磁场强度的增大，磁致伸缩材料
②
的尺寸会沿磁化方向发生伸长，产生机械信号，由此具有压电性质的电活性材料
①
的电位发生极化，产生电信号，因此，从材料设计上，磁电效应生物材料不需要连接电极、导线和外接电源就能产生电信号刺激。电活性材料
①
因磁致伸缩材料
②
产生的磁致伸缩效应发生电位极化，其压电效应增强，使得该材料能通过外磁场调控产生电信号刺激，从而提高压电性能。
[0052]
对比例1
[0053]
本对比例提供了一种利用电活性材料聚偏二氟乙烯、fe3o4制备的生物材料，其制备方法包括如下步骤：
[0054]
s1.分别称量六水硝酸铁和四水硝酸亚铁6.7572g和4.9701g分别溶解于500ml的蒸馏水中。分别配制成0.5mol/l的硝酸铁与硝酸亚铁的水溶液。
[0055]
s2.分别取20ml硝酸铁溶液和40ml硝酸亚铁溶液混合，搅拌加热至80℃。
[0056]
s3.将浓度为25～28％的氨水逐滴滴加到s2中的混合溶液中，调节溶液ph值至11时，停止滴加氨水，陈化30min。
[0057]
s4.倾去上清液，使用蒸馏水反复洗涤，至溶液ph值约为7时停止洗涤并离心。离心转速为5000r/min，离心时间20min，收集沉淀。
[0058]
s5.将收集的沉淀置于鼓风干燥箱内，温度为80℃条件下干燥24h，得到fe3o4。
[0059]
s6.表面改性fe3o4分散性。称量2g fe3o4，倒入400ml无水乙醇中，70℃加热超声30min。机械搅拌，搅拌速度500r/min，搅拌温度70℃。搅拌过程中逐滴加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷，滴加体积16ml。
[0060]
s7.静置，沉淀。使用无水乙醇洗涤沉淀3次，收集沉淀。
[0061]
s8.将收集的沉淀置于鼓风干燥箱内，温度为60℃条件下干燥24h，得到表面接枝3-氨基丙基三甲氧基硅烷的fe3o4。
[0062]
s9.将0.8g的fe3o4加入2ml的n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散4h，得到fe3o4的悬浮
液。
[0063]
s10.将8g聚偏二氟乙烯与42mln,n-二甲基甲酰胺混合，先使聚偏二氟乙烯溶胀24h，然后磁力搅拌12h，制成浓度为16wt.％的聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液。
[0064]
s11.将s9中超声后的fe3o4悬浮液倒入s10中的聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液，非磁力搅拌4h，制成静电纺丝前驱液。
[0065]
s12.将纺丝前驱液注入型号为20ml的注射器中，并配备21g注射针头，使用wz-50c6型微量注射泵和高压直流电源装置对纺丝前驱液进行高压电纺
[0066]
s13.注射针头与收集板间的电压为16kv、注射泵推进速度为30ml/h、注射针头与收集板间距离为15cm，相对空气湿度为70％。
[0067]
s14.经高压电纺后，将收集到的复合材料置于鼓风干燥箱内，在温度为80℃的条件下干燥24h，获得fe3o
4-pvdf复合材料。
[0068]
对比例2
[0069]
本对比例提供了一种pvdf压电材料，其制备方法包括如下步骤：
[0070]
s1.将8g聚偏二氟乙烯与42ml n,n-二甲基甲酰胺混合，先使聚偏二氟乙烯溶胀24h，然后磁力搅拌12h，制成浓度为16wt.％的聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液；
[0071]
s2.将聚偏二氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液注入型号为20ml的注射器中，并配备21g注射针头，使用wz-50c6型微量注射泵和高压直流电源装置对纺丝前驱液进行高压电纺；
[0072]
s3.注射针头与收集板间的电压为16kv、注射泵推进速度为30ml/h、注射针头与收集板间距离为15cm，相对空气湿度为70％；
[0073]
s4.经高压电纺后，将收集的复合材料置于鼓风干燥箱内，在温度为80℃的条件下干燥24h，获得pvdf压电材料。
[0074]
实施例对比：
[0075]
1、cofe2o4磁致伸缩性材料的磁致伸缩应变性能
[0076]
由新科高测bkt2600磁学特性测量仪测量描绘cofe2o4磁致伸缩性材料的磁致伸缩应变曲线，该曲线反映了磁致伸缩材料cofe2o4的长度的伸长量与长度的比值λ随外磁场h增大的变化曲线。如图2所示，磁致伸缩应变曲线证明了cofe2o4磁性材料具有磁致伸缩特性，其长度会随外磁场的增大或减小出现伸长或缩短的现象。
[0077]
2、磁电复合材料的力电耦合性能
[0078]
该性能由线性马达测量系统与labview计算机数据收集系统测试得出，其结果如图3所示，其中图a1、b1和c1分别是测量所得的pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的极化电荷量随时间变化的曲线；a2、b2和c2分别是测量所得的pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压力随时间变化的曲线，极化电荷量与压力的比值，即为材料的压电系数。
[0079]
由图3测得的极化电荷值与压力值作商获得压电系数，最终得到pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数直方图如图4所示。
[0080]
最后，对实施例1、对比例1和2的极化电荷量、压力、压电系数进行汇总，其结果如表1所示。
[0081]
表1 pvdf、fe3o
4-pvdf和cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的极化电荷量、压力及压电系
数
[0082][0083]
对比例1为fe3o
4-pvdf复合材料，由于fe3o4不具有磁致伸缩特性，掺入fe3o4会破坏pvdf的压电效应，因此对比例1的压电系数低于对比例2单纯pvdf的压电系数，仅为5.5pc/n。实施例1为cofe2o
4-pvdf磁电复合材料，由于cofe2o4具有磁致伸缩特性，因此其压电系数最大，达到49.3pc/n，分别与fe3o
4-pvdf复合材料和pvdf复合材料存在极显著性差异。
[0084]
3、在外磁场下的磁电复合材料产生电信号
[0085]
以图2、3和4提供的磁致伸缩应变数据以及压电系数等为模拟基础，结合计算机模拟法计算磁电复合材料在外磁场中积累电荷量的结果。
[0086]
具体模拟思路方法如下：
[0087]
依托计算机模拟计算软件abaqus，首先，依据图2cofe2o4磁致伸缩性材料的磁致伸缩应变曲线图，取其纵坐标伸长量比值，标记为l；依据图3(c2)cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的力电耦合测试曲线，取其纵坐标压力，标记为f。由此可得模拟计算出cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的受力f与其伸长量比值l的关系，记作：
[0088][0089]
因模拟计算思路是模型构建，因此，本思路方法中的关系仅为逻辑关系，不存在具体的数学表达式，下同。实际的模拟计算过程，是为计算机提供图2、3和4的数据结果。以上数据均为实际、重复测量所得，具有科学性与真实性。因此，最终的模拟计算结果可靠性高。
[0090]
同时，图2cofe2o4磁致伸缩性材料的磁致伸缩应变曲线图本身反映出外磁场h与cofe2o4的伸长量比值l之间的关系，记作：
[0091][0092]
其次，图3(a1)与(a2)pvdf的力电耦合测试曲线本身反映出pvdf在单位面积所产生的极化电荷量q与单位面积受到压力f之间的关系，记作：
[0093][0094]
此时，将(关系1)与(关系3)联立，可抵消压力f，得到伸长量l与极化电荷q之间的关系，记作：
[0095][0096]
再次，将(关系1)与(关系4)联立，可抵消伸长量l，得到压力f与极化电荷q之间的关系，记作：
[0097][0098]
最后，将(关系1)、(关系2)与(关系5)联立，得到磁场h与极化电荷q之间的关系，记作：
[0099][0100]
即计算出实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场中所产生的电信号大小。
[0101]
按照上述模拟思路方法，分别模拟实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料、对比例1 fe3o
4-pvdf和对比例2 pvdf在外磁场大小为273oe时，材料出现的应力情况。图5(a)、(b)和(c)分别是实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料、对比例1 fe3o
4-pvdf和对比例2 pvdf的应力模拟结果。根据云图图例，图上颜色为白色时，说明材料在外磁场中出现应力变化；图上颜色为黑色时，说明材料在外磁场中未受出现应力变化。图5(b)和(c)的材料均显示黑色，证明pvdf与fe3o
4-pvdf材料在外磁场中无任何应力，因此两者在外磁场中不产生电信号。图5(a)的材料出现黑、白相间的变化，证明cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场中由于cofe2o4出现磁致伸缩效应，复合材料产生应力变化，因此在外磁场中产生电信号。
[0102]
按照上述模拟思路方法，模拟计算实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在273～1000oe连续变化的外磁场中的压电系数。获得实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数随外磁场增大的变化曲线，见图6。由图6中的曲线变化趋势可得：实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数随外磁场的增大而增大，证明实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场作用下可以产生电信号。
[0103]
根据图6，分别选取实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在外磁场为273oe、400oe、500oe、600oe、700oe、800oe、900oe和1000oe的压电系数，绘制出实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在不同磁场大小下压电系数直方图，见图7，柱状图上方的数值表示实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在该磁场大小下的压电系数值。由图7可得出：实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料的压电系数随外磁场的增大而增大。
[0104]
图6与7的压电系数结果是以图3(c1)和(c2)中实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在受到大小为12n压力所产生的极化电荷量为依据模拟计算获得。因此，按照图7中的实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料压电系数与图3(c1)实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料所受压力大小，可以计算出实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料在不同大小的外磁场作用时，所产生的电荷量。结果见图8。由图8可得到：外磁场越大，实施例1 cofe2o
4-pvdf磁电复合材料所产生的的电荷量越多。
[0105]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。