一种磁电纤维的制备方法、磁电纤维及其应用

1.本发明属于生物医用组织修复材料技术领域，尤其涉及一种磁电纤维的制备方法、磁电纤维及其应用。


背景技术：

2.目前，腱-骨组织损伤在日常生活中十分常见，且随着全民健身的推广和社会老龄化的加剧，腱-骨损伤疾病的发生量也在逐年增加；其不仅影响患者的正常生活、给家庭带来额外的经济负担、也给社会及医疗系统带来巨大压力。当前，鉴于腱-骨组织损伤后的自然愈合十分困难，车祸或重大运动损伤后的肌骨疾病等都需要进行外科手术治疗，可以采用自体移植物、异体移植物、人工支架以及缝合线等材料进行组织修复治疗。其中，由于自/异体移植物存在来源有限、机体排异和伦理道德等诸多问题，人工支架材料在腱-骨组织修复中广泛应用。然而，临床常用的人工支架材料仅能为腱-骨组织修复提供承力功能，在生物活性方面作用较弱，导致腱-骨组织难以生物性愈合，远期疗效不佳，因此极大地制约了腱-骨组织的临床治疗效果。
3.为了提高腱-骨组织的修复效果，研究者们已经在功能支架上进行了很多探索，主要可以概括为以下两方面：一是将生长因子、细胞等生物活性物质引入到支架中，细胞实验及动物实验结果表明，负载这些生物活性物质的支架可以有效促进受损腱-骨组织的愈合；然而，结合体内相关组织愈合的多元性、特异性和复杂性，当前这些生物活性物质存在半衰期短，其最佳作用剂量、最佳配比等重要影响因素尚不明确，因此难以真正实现临床应用；另一种方法是将钙磷类无机材料在支架表面进行区域特异性修饰，该方案仍然存在以下两个主要问题:(i)这类支架在修复早期是否能够提高腱-骨组织的力学和生物学性能尚有待进一步商榷；(ii)涂层服役稳定性问题，涂层与支架之间的力学不匹配性可能导致涂层脱落，诱发炎症，阻碍组织愈合。
4.现有技术中的方法多是通过调控组织周围生物或化学信号来促进组织愈合，事实上越来越多的研究表明物理信号对组织愈合同样至关重要，近年来也受到相关学者的高度关注。众所周知，腱-骨组织为承力组织，相关运动医学研究也表明，早期锻炼可对组织产生力学刺激，从而促进组织愈合。然而，在实际场景中，施加外界力学刺激达到腱-骨组织修复的目的仍然面临巨大挑战；包括(1)力学刺激精确性问题，如何准确把握早期锻炼的强度，以使其在修复过程中不会造成组织的再撕裂；(2)力学刺激可行性问题，例如一些行动不便的老年患者也难以进行早期锻炼，从而无法促进早期愈合。除了力刺激以外，腱-骨组织也被证明是电信号敏感组织，已有学者通过实验揭示了电刺激对于正向调控细胞行为和促进腱-骨组织修复的有益效果，但目前的方法往往需要通过外接电刺激设备，操作不便且存在安全隐患。
5.基于此，亟需开发新的能够自发产生力、电等物理信号的生物功能纤维及其支架材料来解决腱-骨组织难以愈合的重大临床问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁电纤维的制备方法、磁电纤维及其应用。利用本发明的方法制备得到的磁电纤维为原料制备的纤维支架能对腱-骨组织提供有效的物理信号刺激，从而调控细胞行为、促进组织愈合；同时通过优化设计，该支架能够具有良好的拉伸强度和多级仿生结构，满足腱-骨组织修复与再生的需求。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
8.本发明提供了一种磁电纤维的制备方法，所述磁电纤维主要由磁响应纳米材料和压电聚合物制备而成。
9.优选的，所述磁响应纳米材料包括铁氧体、铁合金和稀土金属合金中的一种或几种。
10.优选的，所述铁氧体包括四氧化三铁和铁酸钴；所述铁合金包括铁-铝合金、铁-钴合金和铁-镓合金；所述稀土金属合金包括稀土-铁合金和稀土-锌合金。
11.优选的，所述压电聚合物包括合成压电材料和/或天然压电材料。
12.优选的，所述合成压电材料包括聚偏氟乙烯及其共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯共聚物和聚乳酸；所述天然压电材料包括纤维素、胶原和壳聚糖。
13.优选的，所述磁响应纳米材料的质量分数为0.1wt％～20wt％。
14.优选的，所述磁电纤维主要由磁响应纳米材料和压电聚合物通过静电纺丝、静电纺纱、湿法纺丝或熔融纺丝的方法制备而成。
15.本发明还提供上述的制备方法制备得到的磁电纤维。
16.本发明还提供了一种纤维支架，主要由上述的磁电纤维制备而成。
17.本发明还提供了上述的磁电纤维在制备促进组织修复和再生纤维支架中的应用。
18.与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
19.1.本发明基于磁响应纳米材料与压电聚合物构建了磁电纤维，并基于磁电纤维构建了磁-力-电多重耦合纤维支架，无需引入任何生长因子、细胞等难以控制的生物活性材料，也无需外接力刺激、电刺激等设备，仅在简单的外加磁场作用下，便可对腱-骨组织产生磁-力-电多重物理场耦合作用，从而安全有效地调控细胞行为，促进腱-骨组织的再生与重建；同时以该支架材料为核心，可形成相应临床使用规范和治疗策略，根据患者病情定制适配康复方案，为腱-骨组织的术后修复增加新的操作窗口；
20.2.本发明制备的纤维支架具有优异的可设计性和可控性，既可以根据不同组织需求进行支架形态个性化定制，又可以保障腱-骨组织修复所需的力学强度，并构建仿生胶原纤维与孔结构，为组织修复提供更好的微环境；
21.3.本发明的磁电纤维/支架有望用于促进其它组织的修复与再生，且其制备过程简单可控，可通过对现有技术的改进、集成，实现连续化制备，具有良好的规模化生产的前景。
附图说明
22.图1为实施例1中磁电纤维膜的电镜图；
23.图2为实施例1中所制备的支架在磁铁靠近和远离过程中的输出电压。
具体实施方式
24.本发明提供了一种磁电纤维的制备方法，所述磁电纤维主要由磁响应纳米材料和压电聚合物制备而成。
25.本发明提供的磁电纤维由磁响应纳米材料与压电聚合物杂化纺丝制得，在外加磁场作用下，纤维中的磁响应纳米材料产生伸缩效应，对组织产生力刺激，并作用于压电聚合物产生自供电电刺激。
26.在本发明中，所述磁响应纳米材料优选包括铁氧体、铁合金和稀土金属合金中的一种或几种。其中，所述铁氧体优选包括四氧化三铁和铁酸钴；所述铁合金优选包括铁-铝合金、铁-钴合金和铁-镓合金；所述稀土金属合金优选包括稀土-铁合金和稀土-锌合金。
27.在本发明中，所述磁响应纳米材料的质量分数优选为0.1wt％～20wt％，更优选为2wt％～18wt％。
28.在本发明中，所述压电聚合物优选包括合成压电材料和/或天然压电材料。其中，所述合成压电材料优选包括聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物(p(vdf-trfe)、p(vdf-tree-cfe))、3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯共聚物(phbv)和聚乳酸(plla)；所述天然压电材料优选包括纤维素、胶原和壳聚糖。
29.在本发明中，所述磁电纤维主要由磁响应纳米材料和压电聚合物通过静电纺丝、静电纺纱、湿法纺丝或熔融纺丝的方法制备而成。
30.在本发明中，所述静电纺丝的方法优选包括：将优选的压电聚合物溶于纺丝溶剂中，搅拌至充分溶解；然后加入磁响应纳米材料使其均匀分散；利用静电纺丝机，通过调节纺丝电压、接收距离、纺丝速率、滚筒转速等参数得到静电纺丝薄膜；然后将纤维膜卷成细长纤维。
31.在本发明中，所述静电纺纱的方法优选包括：配置静电纺丝液；然后以天然或合成微米纤维为增强芯纱，利用静电纺纱技术将磁电纳米纤维直接包缠在芯纱上，通过调节电压、喷头间距、纺丝速度、卷绕速度等参数，得到纳米纤维-微米纤维包芯结构的磁电纱线。
32.在本发明中，所述湿法纺丝的方法优选包括：将压电聚合物溶于纺丝溶剂中；待完全溶解后，向其中加入磁响应纳米材料，并使其均匀分散获得纺丝液；再选择合适的凝固浴进行湿法纺丝，调控凝固时间和牵伸倍数，获得磁电纤维。
33.在本发明中，所述熔融纺丝的方法优选包括：将磁响应纳米材料与压电聚合物经双螺杆挤出机熔融共混、切片造粒；然后将制得的共混母粒与压电聚合物母粒以一定比例投料，利用纳米复合纤维熔纺成型试验设备进行熔融纺丝，通过调节纺丝温度和卷绕速度得到磁电初生纤维；最后对所获得的初生纤维进行热牵伸处理，通过调节牵伸温度、牵伸倍数、热定型温度等参数获得磁电纤维。
34.本发明还提供上述的制备方法制备得到的磁电纤维。
35.在本发明中，所述磁电纤维的组成单元优选为单一微米纤维、单一纳米纤维或微米纤维与纳米纤维的结合体。
36.本发明还提供了一种纤维支架，主要由上述的磁电纤维制备而成。
37.在本发明中，所述纤维支架优选根据支架的修复部位对支架进行设计，以所述的磁电纤维为原料，利用机织、针织或编织等可控纺织成型技术制备支架；然后经清洗、干燥、灭菌处理获得纤维支架。
38.在本发明中，所述纤维支架优选包括圆柱型、带型、片型、单层或多层等三维几何结构，用于肌腱和骨头部分的纤维为织造态或取向游离态/织造态双相结构，孔径根据组织修复需求在0μm～1000μm范围内梯度可调，初始断裂强度＞50mpa，在外加磁场刺激下能产生1mv～1000mv的压电电压，循环测试5000次后的电压输出保持率＞95％。
39.本发明还提供了上述的磁电纤维在制备促进组织修复和再生纤维支架中的应用。
40.本发明所述的纤维支架可用于肌腱、韧带以及骨组织的再生和重建。
41.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
42.实施例1
43.一种促进腱-骨组织修复的磁-力-电多重耦合纤维支架的制备方法，包括如下步骤：
44.步骤1：以四氧化三铁(fe3o4)为磁响应材料、聚偏氟乙烯(pvdf)为压电聚合物，通过静电纺丝工艺制备取向fe3o4/pvdf磁电纳米纤维膜，然后将纤维膜卷绕成细长型磁电纤维；具体地：
①
将pvdf溶于体积比为3:2的dmf：丙酮溶液中，浓度为15wt％；
②
充分搅拌后将fe3o4纳米粒子加入其中，继续搅拌超声分散得到均匀的纺丝液，其中fe3o4的质量为pvdf质量的15wt％；
③
进行静电纺丝获得磁电静电纺丝膜，纺丝电压为16kv，推注速度为1ml/h，滚筒接收距离为18cm，滚筒转速为1800rpm，纺丝环境温度为25℃，相对湿度为30％～40％；
④
将静电纺丝膜卷绕成直径为500μm的细长型磁电纤维；
45.步骤2：以步骤1中得到的磁电纤维为纬纱、肌腱组织工程领域常用聚合物聚己内酯pcl纱线为经纱(直径为300μm)，通过机织成型方式制备片状纤维支架，经纱密度为160根/10cm，纬纱密度为120根/10cm；
46.步骤3：用75％的乙醇或丙酮溶液对所得到的支架进行清洗，并于37℃下干燥，然后利用环氧乙烷对支架进行灭菌处理，灭菌时间为24h，最终得到用于腱-骨组织修复的新型纤维支架。
47.孔径测试：首先利用体式显微镜对支架样品进行拍照，然后利用adobe photoshop软件测量孔径，每个孔分别测量6次后取平均值作为该孔的孔径；
48.拉伸性能测试：利用多功能强力仪测试支架的拉伸性能。具体参数设置如下：初始隔距为20mm，拉伸速度为20mm/min。拉伸至材料断裂后，根据公式σ＝f/s(σ：断裂强度，mpa；f：断裂强力，n；s：横截面积，mm2)计算支架的断裂强度。
49.压电信号测试：首先将支架材料夹在两个铜电极之间制备压电测试样品，电极片连接铜导线，然后利用pet材料封装测试样品以防止其暴露在空气中。将铜导线引出用于连接压电测试装置进行压电测试。
50.细胞实验方法：选用l929作为细胞模型来评估支架对细胞行为的影响。具体步骤如下：将支架材料平铺于24孔板中，然后将l929以2
×
104个/孔的密度种植在材料上，每孔加1ml的细胞培养液，于37℃，5％co2浓度的细胞培养箱中进行细胞培养，每48h更换一次培养液。待到预设培养时间点，按照标准方法进行cck-8测试，并对细胞进行荧光染色以观察其在支架表面的粘附。
51.上述制备的支架孔径为300μm～400μm；拉伸断裂强度为89.7mpa；将强磁铁靠近支架可产生512.7mv的输出电压，循环测试5000次后，输出电压保持率为98.7％，可为腱-骨组
织提供可靠的无源电刺激；体外细胞实验结果表明，与对照样聚酯支架相比，所制备的磁-力-电多重耦合机织纤维支架有效促进了细胞的粘附与增殖，且呈现出更好的细胞铺展性，有望促进腱-骨组织的再生与重建。
52.实施例2
53.一种促进腱-骨组织修复的磁-力-电多重耦合纤维支架的制备方法，包括如下步骤：
54.步骤1：以cofe2o4为磁致伸缩材料、壳聚糖为压电聚合物，通过湿法纺丝工艺制备cofe2o4/壳聚糖磁电微米纤维；具体地：
①
将壳聚糖以4wt％的浓度溶于2wt％的乙酸溶液中；
②
加入0.8wt％的cofe2o4使其均匀分散；
③
以5wt％的naoh溶液为凝固浴进行湿法纺丝，制备得到cofe2o4/壳聚糖磁电微米纤维；
55.步骤2：以步骤1中得到的cofe2o4/壳聚糖磁电微米纤维为编织纱，通过编织成型方式制备圆柱形纤维支架；
56.步骤3：用75％的乙醇或丙酮溶液对所得到的支架进行清洗，并于37℃下干燥，然后利用环氧乙烷对支架进行灭菌处理，灭菌时间为24h，最终得到用于腱-骨组织修复的新型纤维支架。
57.测试方法同实施例1，上述制备的支架两端为编织态、中间为未编织的取向游离态，两端孔径为150μm～200μm；拉伸断裂强度为357.4mpa；将强磁铁靠近支架可以产生102.1mv的输出电压，循环测试5000次后，输出电压保持97.4％，可为腱-骨组织提供可靠的无源电刺激；体外细胞实验结果表明，与对照样聚酯支架相比，所制备的磁-力-电多重耦合编织支架有效促进了细胞的粘附与增殖，且呈现出更好的细胞铺展性，有望促进腱-骨组织的再生与重建。
58.实施例3
59.一种促进腱-骨组织修复的磁-力-电多重耦合支架的制备方法，包括如下步骤：
60.步骤1：以铁酸镍(nife2o4)为磁响应材料、左旋聚乳酸(plla)为压电聚合物，通过熔融纺丝工艺制备nife2o4/plla磁电微米纤维；具体地：
①
将nife2o4的纳米粉体与plla纺丝母粒以10:90的比例加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、切片造粒，共混温度为210℃；
②
将制得的共混母粒和plla母粒以20:80的投料比，利用纳米复合纤维熔纺成型试验设备进行熔融纺丝，制备nife2o4/plla磁电初生纤维，纺丝温度为240℃，卷绕速度为2500m/min；
③
对nife2o4/plla磁电初生纤维进行热牵伸处理，牵伸温度为70℃，牵伸倍数为3倍，热定型温度为110℃，最终获得nife2o4/plla磁电微米纤维；
61.步骤2：以步骤1中得到的nife2o4/plla磁电微米纤维为材料，通过针织成型方式制备纤维支架；
62.步骤3：用75％的乙醇或丙酮溶液对所得到的支架进行清洗，并于37℃下干燥，然后利用环氧乙烷对支架进行灭菌处理，灭菌时间为24h，最终得到用于腱-骨组织修复的新型支架材料。
63.测试方法同实施例1，上述制备的支架孔径为800μm～1000μm；拉伸断裂强度为481.2mpa；将强磁铁置于支架附近可以产生182.1mv的输出电压，循环测试5000次后，输出电压保持99.1％，可为腱-骨组织提供可靠的无源电刺激；体外细胞实验结果表明，与对照样聚酯支架相比，所制备的磁-力-电多重耦合针织支架有效促进了细胞的粘附与增殖，且
呈现出更好的细胞铺展性，有望促进腱-骨组织的再生与重建。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。