静电纺丝之您想知道的系列——PCL(聚己内酯)

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目录 

1.PCL材料的性质

2.静电纺PCL在生物医药领域的应用

3.静电纺PCL实验参数

4.常见纺丝问题及解决方法

 

1.PCL材料的性质

聚己内酯（PCL）又称聚ε-己内酯，是一种有机高分子聚合物，化学式为(C6H10O2)n，是通过ε-己内酯单体在金属阴离子络合催化剂催化下开环聚合而成的高分子有机聚合物，通过控制聚合条件，可以获得不同的分子量。其外观为不透明白色固体粉末，无毒，具有一定刚性和强度，表现为典型的树脂特性，不溶于水，易溶于甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯和二氯甲烷等多种极性有机溶剂。

 

PCL具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性，以及良好的生物降解性，可用作细胞生长支持材料，可与多种常规塑料互相兼容，自然环境下6-12个月即可完全降解。此外，由于PCL的结构重复单元上有5个非极性亚甲基和一个极性酯基，因而具有良好的柔韧性和加工性，而制品则具有形状记忆性。被广泛应用于药物载体、可降解塑料、纳米纤维纺丝等生产与加工领域。

 

2. 静电纺PCL的应用

（1）生物支架：组织工程技术主要关注支持细胞生长、增殖、分化和功能的细胞外基质。在我们的身体中，细胞外基质(ECM)类似于支架，由胶原蛋白和其他生物聚合物制成的3D纳米纤维结构组成。因此，如果由纳米纤维制成，3D支架能提供类似ECM的仿生结构。纳米纤维支架的纳米尺度特征具有高的表面积与体积比，这增强了细胞粘附和细胞迁移，并有助于更有效地向细胞提供营养。PCL是一种线性疏水合成聚合物，具有高机械强度和良好的生物相容性，电纺PCL纳米纤维支架在结构上模拟了活组织中的 ECM， 但因其疏水性且不具有细胞活性。利用明胶与 PCL 结合可有效改善细胞粘附和增殖特性，具有稳定性和柔韧性的复合支架。对于临床应用，生物管状支架的高级表面改性和临床前实验是必要的。

 

图1：电纺PCL基血管移植物

DOI:doi.org/10.3390/nano11030751

 

（2）组织再生：组织再生是一个在生命科学、生物学、材料科学和工程交叉的快速发展和交叉领域。许多研究表明，静电纺丝技术在组织再生领域具有重大潜力。神经组织再生、心脏组织再生、骨组织再生、血管组织再生、皮肤组织再生和其他组织再生在目前学界已有广泛深入的研究。用于构建组织工程支架的材料应具有生物相容性和生物降解性，以及可在体内支撑的机械性能。用于组织工程的支架通常由天然和合成的聚合材料制成。具有优异的生物相容性，无毒，具有优异的机械性能，并且可以在体内水解或被酶降解，使其成为支架的理想聚合物。PCL、聚丙交酯-共-乙交酯和聚乳酸(PLA)是典型的合成聚合物材料。

 

图2：应用PCL/磷酸三钙和3D打印技术在犬上颌骨缺损模型中诱导脂肪干细胞和骨髓干细胞成骨

DOI: doi.org/10.3390/polym9090450

 

 

（3）药物释放：静电纺丝技术能够设计和制造推进局部抗菌治疗的新型药物递送系统。静电纺载有抗生素的纳米纤维垫在局部治疗感染性疾病需要某特性来确保抗菌效果和延长药物递送时间。由于药物从电纺亲水聚合物垫中释放通常是即时的，因此优选疏水性聚合物垫。PCL纳米纤维垫的疏水性及其厚度是延长亲水性药物释放的关键特征，具有化学稳定性、生物相容性、生物可降解性、价格可承受性，并且易于静电纺丝。经常作用于靶向药物递送等。

图3：PCL纳米纤维垫结构特性对亲水性药物释放和对牙周病原菌抗菌活性的影响

DOI:doi.org/10.1016/j.ejps.2018.07.024

 

 

3. 静电纺PCL实验数据

实验目的：测试设备功能系统及工艺参数

实验1

工艺：静电纺PCL取向纤维

仪器：轻子纳米静电纺丝机E05

PCL材料：分子量：8万，浓度12%，溶剂配比=DMF:二氯甲烷=1:2

电压：18KV，－3KV

供液：0.8ml/h  针头：22G  10ml注射器

转速：3000rpm，线速度：750m/min

纺丝距离：15cm

温度：34℃

湿度：52%

 

实验2

工艺：熔融直写网格支架

仪器：轻子纳米近场直写设备M08

收集方式：平面收集

材料：PCL，熔点59~64℃

纺丝距离：3mm~5mm

电压：3kV~5kV

气压：5Kpa~20Kpa

速度：30~80mm/s

温度：120~130℃保温10min

备注:1.PCL入夏后由于空气湿热，易变性，通常新料只能纺0.5~1天；2.走轨迹时速度为30mm/s及以下纤维有轴向压弯现象。

 

 

 

4. 常见纺丝问题及解决方法

(1) PCL颗粒材料初次使用需要提前在50℃下进行烘干，会伴随一点程度的融化无影响。

(2) 出现大量珠状颗粒，可能是溶液浓度太小，可以提高浓度。

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