具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法，其解决了现有材料的电学特征与天然细胞外基质特征的匹配性差、材料的修复效果受限的技术问题，本发明专利技术提供一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜主要由铁电聚合物基体和压电活性纤维填料构成。本发明专利技术通过调节压电活性纤维的长径比、含量以及复合膜的厚度，可以实现膜材料的柔性和仿生细胞外基质电学拓扑特征，组织贴附性好，具有良好的电学适配性，临床可操作性强。

Charged composite membrane with electrical topological characteristics of extracellular matrix and its preparation method

The invention relates to a charged composite membrane with electrical topological characteristics of extracellular matrix and a preparation method thereof, which solves the technical problems of poor matching of electrical characteristics of existing materials with those of natural extracellular matrix and limited repair effect of materials, and provides a band with electrical topological characteristics of extracellular matrix. The composite membrane is mainly composed of ferroelectric polymer matrix and piezoelectric active fiber filler. By adjusting the length-diameter ratio, content and thickness of the composite membrane of the piezoelectric active fiber, the invention can realize the flexibility of the membrane material and the electrical topological characteristics of the bionic extracellular matrix, has good tissue adhesion, good electrical adaptability and strong clinical operability.

【技术实现步骤摘要】
具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法
本专利技术涉及骨科及口腔外科修复材料
，特别涉及一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法。
技术介绍
植入修复是目前治疗大范围组织缺损的主要手段。人工修复材料由于来源广泛、性能可控及成本低，在组织修复材料中受到广泛关注。根据仿生原理，皮肤创伤愈合、神经修复、骨缺损修复等均存在损伤电位，大量研究证实损伤电位对组织修复具有重要作用，因此，对于组织修复材料而言，使得材料带电将有利于促进组织快速愈合和功能修复。近年来电活性材料成为研究热点和趋势，也是组织修复材料设计的新思路。然而，目前所用的电活性材料不具备天然细胞外基质纤维网络样电学拓扑结构特征，使得材料的电学特征与天然细胞外基质特征的匹配性差，导致材料的修复效果受限。
技术实现思路
本专利技术针对材料的电学特征与天然细胞外基质特征的匹配性差、材料的修复效果受限的技术问题，提供一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法。为此，本专利技术提供一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜由高分子聚合物和压电纤维填料构成。优选的，高分子聚合物的材质为铁电高分子聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)或聚偏氟-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))的一种或其复合物；优选的，压电纤维填料为压电活性纤维材料，所述压电活性纤维材料为钛酸钡纤维、氧化锌纤维、铌酸钾钠纤维等的一种或多种复合物。优选的，所述带电复合膜为薄膜材料，其中所述带电复合膜的厚度为10μm～500μm。优选的，所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜是一种薄膜状材料，膜厚为30-300μm，所述钛酸钡纤维在带电复合膜中的体积含量为5-15vol％。本专利技术所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的制备方法，所述铁电聚合物基体与压电纤维填料的复合成膜过程通过浇铸或流延法完成。具体的说，包括以下步骤：(1)取一定量的冰醋酸和乙酰丙酮混合均匀，搅拌5min，制备冰醋酸与乙酰丙酮的混合溶剂，将醋酸钡加入到冰醋酸与乙酰丙酮的混合溶剂中，搅拌1小时，加入与醋酸钡相同摩尔量的钛酸四丁酯，搅拌15min，然后加入与醋酸钡质量比为9:32的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌3h。(2)制备钛酸钡纳米纤维将步骤(1)所得混合溶液注入注射器内，在电压10kV～16kV条件下，利用静电纺丝技术，获得直径为50nm～500nm的钛酸钡纳米纤维；(3)将步骤(2)所得钛酸钡纳米纤维加入到0.01～0.1mol/L的多巴胺水溶液中，形成浓度范围为0.01～0.1g/mL的溶液，在40℃～80℃下搅拌6h～12h，然后再超声震荡1min～15min，离心洗涤3～5次，然后在功率为180W的条件下超声1～10min，分别得到长径比为8～20的钛酸钡纳米纤维填料；(4)取步骤(3)所得钛酸钡纳米纤维填料，加入有机溶剂中，超声振荡并搅拌1h～3h，得到纤维填料分散液；有机溶剂选自氮氮二甲基甲酰胺(DMF)；本步骤所得纤维填料在有机溶剂中的质量百分比范围为1.5％～30％。(5)称取铁电高分子聚合物，加入到有机溶剂DMF中，搅拌3h～6h至完全溶解，得到聚合物溶液；所得溶液的浓度为0.14g/ml，所述铁电高分子聚合物为P(VDF-TrFE)或PVDF。(6)将步骤(4)中所得分散液加入步骤(5)所得聚合物溶液中，使得钛酸钡纤维填料在聚合物基体中的体积含量范围为1～20vol％，搅拌6h～12h使得纤维填料均匀分散在聚合物基体中，得到含有陶瓷纤维填料的聚合物混合液；(7)取步骤(6)所得混合液于流延机中流延，将所得流延膜置于40℃～100℃温度下烘干，得到一种复合膜材料，膜厚为10μm～500μm；(8)将步骤(7)所得膜材料经过极化处理，极化参数为：极化电压为1kV～30kV，极化距离为0mm～50mm，极化温度为25℃～150℃，极化时间为1min～60min，得到一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜。优选的，步骤(1)所述冰醋酸与乙酰丙酮的混合溶剂中，冰醋酸与乙酰丙酮的体积质量比为9:1.34ml/g。优选的，步骤(1)所述醋酸钡与冰醋酸的投料质量体积比为1.701:9g/ml。铁电聚合物如聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)、聚偏氟-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))等因具有内在的自发极化性能和生物相容性，目前广泛用于生物医用研究领域，同时具有良好的柔韧性和可加工性，使其具备良好的临床可操作性，成为当前带电生物医用材料的主要来源。为使材料具有天然细胞外基质纤维网络样电学拓扑结构特征，本专利技术将压电陶瓷钛酸钡纳米纤维无规则掺入实现材料与细胞/组织的电学适配。本专利技术的有益效果为：针对现有技术不足，本专利技术提供了一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法。(1)本专利技术采用铁电聚合物和压电活性纤维填料为主要成分，形成的膜材料结构均一、纤维填料分布各向异性、性能稳定，具有良好柔性，临床可操作性强，详见附图1和附图2。(2)本专利技术所制得的膜材料由于材料内在的自发极化特性，经过极化处理后可使膜材料表面带有一定的极化电荷，并可保持良好电学稳定性，而且由于纤维填料的结构特性和电势分布特征，使得复合膜表面具备天然细胞外基质电学拓扑特征，详见附图3和附图4(3)本专利技术所制得的带电复合膜材料植入骨缺损后具有良好的诱导骨修复性能。详见附图6。(4)本专利技术所采用的制备工艺简单，产率较高，可操作性强，能用于工业化生产。综上所述，本专利技术所提供的一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜在宏观性能和微观结构上均具有良好的性能，在骨修复过程中，不仅可为骨缺损补偿适宜的电学微环境，而且可与宿主细胞和组织形成良好的电学适配性，促进新骨生成，同时不会发生组织粘连，避免材料残留，在临床适应性和诱导成骨适配性两方面得到双重改善。附图说明图1是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的实物照片。图2是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的表面形貌扫描电镜照片。图3是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的断面形貌扫描电镜照片。图4是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的电学稳定性结果。图5是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的表面电势分布模拟分析结果。图6是实施例1所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜作用大鼠骨髓间充质干细胞12小时后粘附和铺展情况的激光共聚焦显微镜照片。图7是实施例1所述带电复合膜修复大鼠颅骨缺损试验试验组与空白对照组的Micro-CT照片。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权力要求书中所描述的本专利技术。实施例1(1)取9ml冰醋酸和1.340g乙酰丙酮，混合搅拌5min后加入1.703g醋酸钡，搅拌1h，加入2.266g钛酸四丁酯，搅拌15min，然后加入0.45g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌3h；(2)将步骤(1)所得混合溶液注入注射器内，在电压14kV条件下，利用静电纺丝技术，获得直径为200nm的钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜由高分子聚合物和压电纤维填料构成。

【技术特征摘要】
1.一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜由高分子聚合物和压电纤维填料构成。2.根据权利要求1所述的一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述高分子聚合物的材质为铁电高分子聚偏氟乙烯或聚偏氟-三氟乙烯的一种或其复合物。3.根据权利要求2所述的一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述压电纤维填料为压电活性纤维材料，所述压电活性纤维材料为钛酸钡纤维、氧化锌纤维、铌酸钾钠纤维等的一种或多种复合物。4.根据权利要求1所述的一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述带电复合膜为薄膜材料，其中所述带电复合膜的厚度为10μm～500μm。5.根据权利要求3所述的一种具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜，其特征是，所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜是一种薄膜状材料，膜厚为30-300μm，所述钛酸钡纤维在带电复合膜中的体积含量为5-15vol％。6.权利要求1～5任意一项权利要求所述具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜的制备方法，其特征是，所述带电复合膜制备过程通过有机溶剂分散、溶解以及流延法完成，包括以下步骤：(1)取冰醋酸和乙酰丙酮混合均匀，搅拌5min，制备冰醋酸与乙酰丙酮的混合溶剂，将醋酸钡加入到冰醋酸与乙酰丙酮的混合溶剂中，搅拌1小时，加入与醋酸钡相同摩尔量的钛酸四丁酯，搅拌15min，然后加入与醋酸钡质量比为9:32的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌3h；(2)将步骤(1)所得混合溶液注入注射器内，在电压10kV～16kV条件下，利用静电纺丝技术，获得直径为50nm～500nm的钛酸钡纳米纤维；(3)将步骤(2)所得钛酸钡纳米纤维加入到0.01～0.1mol/L的多巴胺水溶液中，形成浓度范围为0.01～0.1g/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓旭亮，白云洋，张学慧，
申请(专利权)人：北京大学口腔医学院，
类型：发明
国别省市：北京,11