阅读说明：本技术 纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的用途 (Application of nanofiber felt cloth in preparation of bone defect repair product or osteogenesis promoting product ) 是由 林开利 俞彬 乔之光 *** 沈国芳 连梅菲 韩煜 王玮琪 戴尅戎 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的用途。本申请中的纳米纤维毡布可有效收集生物机械能并将其转化成电能,并直接用于骨缺损部位细胞的电刺激,在无需外接供能系统和复杂电路的同时,实现宿主的自驱动电刺激成骨。(The invention provides application of nanofiber felt cloth in preparing bone defect repair products or osteogenesis promoting products. The nano-fiber felt cloth can effectively collect the biological mechanical energy and convert the biological mechanical energy into electric energy, is directly used for electrical stimulation of cells at the bone defect part, and realizes self-driven electrical stimulation osteogenesis of a host while needing no external energy supply system and complex circuit.)

纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的 用途

技术领域

本发明涉及无纺布领域，特别是涉及纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的用途。

背景技术

骨作为人体重要的组成部分，具有保护、提供运动支撑以及存储矿物质等功能，并且为人体循环系统和免疫系统提供血细胞。由于外伤、炎症、肿瘤术后等造成的骨缺损均能导致部分形态和功能的缺失，对患者带来严重的痛苦。迄今，临床骨缺损的病例量巨大，并呈现出逐年上升的态势。骨缺损的修复是目前临床亟待解决的难题之一，尤其在大尺寸、难愈合和病理性缺损的修复领域。

骨移植是目前临床治疗骨缺损修复的主要方法，包括自体骨移植和异体骨移植，但均存在弊端。自体骨移植需要开辟第二术区，且供给量有限，易引发慢性疼痛和感染等并发症。而异体骨移植由于骨爬行替代较为缓慢，晚期常发生塌陷断裂，且存在疾病传播的潜在风险，受到诸多限制。以外源性电刺激为主体的骨修复策略，在临床治疗骨缺损修复应用方面都具有重要的前景。相比较于传统的化学刺激、药物治疗，电刺激手段具有条件温和、避免生物体的化学损伤和药物副作用等优势。然而，在电刺激调控生物体内骨组织修复再生领域，尚存在一些问题，即突破外接供能系统的限制，以及增强抗生物机械能冲击的性能。因此，研发一类具备原位刺激细胞生长、并调控其成骨向分化的骨修复材料和器械，是解决这一临床应用瓶颈的关键路径之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的用途，用于解决现有技术中骨缺损修复存在的技术难题的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。

本发明提供纳米纤维毡布在制备骨缺损修复产品或促进成骨产品中的用途。

根据上述所述的用途，所述纳米纤维毡布为由生物可降解聚合物形成的空心纳米纤维构成的无纺布，所述纳米纤维毡布中的纳米纤维具有取向。

根据上述所述的用途，所述纳米纤维毡布的克重为(1～15)g/m²。

根据上述所述的用途，所述纳米纤维毡布是采用包括如下方法制备获得：以生物可降解聚合物的有机溶剂溶液作为皮层纺丝液，与芯层纺丝液同轴静电纺丝，获得毡布，并将所述毡布置于芯层溶剂中溶解除去或加热除去芯层材料。

根据上述所述的用途，所述生物可降解聚合物选自聚己内酯(缩写为PCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(缩写为PLGA)、左旋聚乳酸(缩写为PLLA)、聚乙烯吡咯烷酮(缩写为PVP)、聚(3-羟基-3-戊酸酯)(缩写为PHBV)、聚乙烯醇(缩写为PVA)和壳聚糖中的一种或多种。优选地，所述生物可降解聚合物的数均分子量为20000～200000。

根据上述所述的用途，所述有机溶剂选自三氯甲烷、二氯甲烷、六氟异丙醇、三氟乙酸、二甲基甲酰胺(缩写为DMF)、丙酮和二甲基亚砜(缩写为DMSO)中的一种或多种。

根据上述所述的用途，所述皮层纺丝液的浓度为(6～20)wt％。

根据上述所述的用途，所述芯层纺丝液为选自水、液体石蜡和矿物油中的一种或多种。

本申请中同轴静电纺丝技术是：将皮层纺丝液和芯层纺丝液分别装在两个不同的注射器中，喷丝系统由两个同轴但是不同内径的毛细管组成，在高压电场作用下，皮层纺丝液与芯层纺丝液汇合，经接收装置辊筒的拉伸和接收后，形成皮芯结构纤维丝束并卷绕在辊筒表面形成毡布，毡布的芯层材料通过芯层溶剂溶解去除，留下皮层材料，即获得中空纤维形成的纳米纤维毡布。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，辊筒的转速为500～5000rpm。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，皮层纺丝液的喷出速度为0.1～3.0mL/h。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，芯层纺丝液的喷出速度为皮层纺丝液的喷出速度的10％～75％。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，接收距离为3～30cm。本申请***接收距离是指喷丝系统的喷丝头出口处至接收装置的辊筒的中心轴之间的距离。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，施加电压为10～50KV的直流电压。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，环境温度为23～27℃。

根据上述所述的用途，所述同轴静电纺丝中，环境湿度为20～30％。

根据上述所述的用途，所述溶剂与芯层纺丝液互溶而与皮层纺丝液中的有机溶剂不互溶。优选地，所述芯层溶剂选自环己烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或多种。

本申请中的用途具体可为：将纳米纤维毡布灭菌后，裁剪成与骨缺损部位相匹配的尺寸，覆盖在骨缺损处表面，并保持纤维取向方向与周边肌肉拉伸方向基本一致，并将纳米纤维毡布缝合于肌肉两端，保证肌肉收缩时，纳米纤维可沿取向方向拉伸，进而实现纳米纤维内部多孔结构的压缩。灭菌的处理方式为：采用75％的酒精浸泡同时用紫外灯照射。处理时间为至少2h。

当纳米纤维毡布被肌肉取向拉伸时，其纳米纤维内部的多孔结构随之压缩，内部的驻极电荷感应距离变近，致使纤维表面的感应电荷产生迁移，从而在纳米纤维毡布的上下表面之间产生电势差并产生电流，直至达到新的电荷平衡。当肌肉恢复至松弛状态时，纳米纤维内部多孔结构的压缩状态消失，内部的驻极电荷感应距离回复，从而纤维表面的感应电荷产生反向迁移，从而在纳米纤维毡布的上下表面产生反向电势差并产生反向电流，直至达到新的电荷平衡。整个过程即为纳米纤维毡布收集肌肉收缩一次所产生机械能并转化成电能的过程。

纳米纤维毡布收集肌肉的生物机械能并转化电能，用于原位电刺激骨缺损部位的细胞特别是干细胞向成骨方向分化，实现骨缺损的快速精准修复。

本发明上述技术方案的有益效果为：

本发明技术方案为通过同轴静电纺丝技术构筑内部多孔结构的纳米纤维，并由纳米纤维取向排列得到可促进成骨的电刺激纳米纤维毡布。本申请中的纳米纤维毡布可有效收集生物机械能并将其转化成电能，并直接用于骨缺损部位细胞特别是干细胞的电刺激，在无需外接供能系统和复杂电路的同时，实现宿主的自驱动电刺激成骨。

附图说明

图1显示为本申请实施例1中空白组、对照组和实验组的micro-CT图

图2显示为图1的micro-CT图进行定量分析后获得的数据的柱状图

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

实施例1

本实施例中纳米纤维毡布的制备方法具体如下：

(1)配制浓度为10wt％的聚己内酯的六氟异丙醇溶液，作为同轴电纺的皮层纺丝液，芯层纺丝液为液体石蜡；所述聚己内酯的数均分子量为80000；

(2)选用规格为G17/G22的注射器针头，并同轴置于高压发生器正极端，负极端为电机驱动的辊筒，所述辊筒的转速为800rpm，并处于接地状态。将配制的皮层纺丝液和芯层纺丝液分别置于推进泵针筒内，皮层纺丝液的推进速度为1.0mL/h，芯层纺丝液的推进速度为皮层速度的30％，接收距离为15cm，电压为20KV，纺丝结束后，将毡布取下并置于环己烷中24小时除去芯层材料，再在室温条件下干燥即获得所述的纳米纤维毡布，本实施例中纳米纤维毡布的克重为8.0g/m²。

将本实施例中获得的纳米纤维毡布植入骨缺损待修复处，具体操作如下：

将获得的纳米纤维毡布灭菌，裁剪成6*15mm的矩形，且短边与取向方向一致，构造大鼠股骨中段单侧3mm直径的圆形缺损，将纳米纤维毡布覆盖在缺损处表面，并保持纤维取向方向与周边肌肉拉伸方向基本一致，并将纳米纤维毡布缝合于肌肉两端，保证肌肉收缩时，纳米纤维可沿取向方向拉伸，进而实现纳米纤维内部多孔结构的压缩。

灭菌的处理方式为：采用75％的酒精浸泡同时用紫外灯照射。处理时间为2h。

将本实施例中的上述具有自驱动电刺激功能的纳米纤维毡布进行体内电学性能表征。

对照组：对照组为以实心取向纳米纤维毡布，实心取向纳米纤维毡布参照本实施例中一样的制备方法制备获得，不一样之处在于：芯层纺丝液的推进速度为零。由此形成了实心取向纳米纤维毡布。

将本实施例中形成的纳米纤维毡布和对照组形成的实心取向的纳米纤维毡布分别植入大鼠体内后，引出导线形成闭合回路，利用示波器检测大鼠每次后腿运动时的开路电压和短路电流。本实施例中的纳米纤维毡布具有5V的开路电压和20nA的短路电流，而对照组的实心取向纳米纤维毡布无明显电能输出。由此，可以明显得出，本实施例中空心纳米纤维毡布具有机械能收集和电能转化功能，在用于骨缺损修复时，可以根据肌肉运动实现电刺激功能，而对照组的实心取向纳米纤维毡布并不具有机械能收集和电能转化功能。

本实施例中大鼠模型为：成年SD大鼠，体重200～250克，雄性。

大鼠被随机分成6组，每组数量为3，分别对应空白组、对照组和实验组，在每组中每个的大鼠的右侧股骨中段构建单侧3mm圆形缺损。

将本实施例中的纳米纤维毡布进行体内成骨实验，以上述实心取向纳米纤维毡布为对照组，并对骨缺损处直接缝合，不覆盖任何膜，作为空白组。分别在4周和8周取材，具体实验结果如表1、图1和图2所示。

表1

由图1和图2的结果表明，在两个时间点时，采用本申请实施例1中具有自驱动电刺激功能的纳米纤维毡布的实验组具有更高的新骨量，而空白组的新骨量非常有限，由此效果可以明显看出，采用本申请中的这一空心取向纳米纤维毡布其能显著促进成骨。

本实施例中新骨量采用micro-CT进行测试。

实施例2

本实施例中纳米纤维毡布的制备方法具体如下：

(1)配制浓度为10wt％的聚乳酸-羟基乙酸共聚物的三氯甲烷溶液，作为同轴电纺的皮层纺丝液，芯层纺丝液为去离子水；所述聚乳酸-羟基乙酸共聚物的数均分子量为300000；

(2)选用规格为G17/G22的注射器针头，并同轴置于高压发生器正极端，负极端为电机驱动的辊筒，所述辊筒的转速为800rpm，并处于接地状态。将配制的皮层纺丝液和芯层纺丝液分别置于推进泵针筒内，皮层纺丝液的推进速度为0.8mL/h，芯层纺丝液的推进速度为皮层速度的30％，接收距离为15cm，电压为18KV，纺丝结束后，再在室温条件下干燥除去芯层材料即获得空心取向的纳米纤维毡布，本实施例中纳米纤维毡布的克重为12g/m²。

将本实施例中的上述具有自驱动电刺激功能的纳米纤维毡布和对照组进行体内电学性能表征。

对照组为以实心取向纳米纤维毡布，实心取向纳米纤维毡布参照本实施例中一样的制备方法制备获得，不一样之处在于：芯层纺丝液的推进速度为零。由此形成了实心取向纳米纤维毡布。

将本实施例中形成的纳米纤维毡布和对照组材料分别植入大鼠体内后，引出导线形成闭合回路，利用示波器检测大鼠每次后腿运动时的开路电压和短路电流。本实施例中的纳米纤维毡布具有3.5V的开路电压和12nA的短路电流，而对照组的实心取向纳米纤维毡布无明显电能输出。由此，可以明显得出，本实施例中空心纳米纤维毡布具有机械能收集和电能转化功能，在用于骨缺损修复时，可以根据肌肉运动实现电刺激功能，而对照组的实心取向纳米纤维毡布并不具有机械能收集和电能转化功能。

实施例3

本实施例中纳米纤维毡布的制备方法具体如下：

(1)配制浓度为10wt％的左旋聚乳酸的六氟异丙醇溶液，作为同轴电纺的皮层纺丝液，芯层纺丝液为矿物油；所述左旋聚乳酸的数均分子量为70000。

(2)选用规格为G17/G22的注射器针头，并同轴置于高压发生器正极端，负极端为电机驱动的辊筒，所述辊筒的转速为600rpm，并处于接地状态。将配制的皮层纺丝液和芯层纺丝液分别置于推进泵针筒内，皮层纺丝液的推进速度为1.0mL/h，芯层纺丝液的推进速度为皮层速度的20％，接收距离为15cm，直流电压为20KV，纺丝结束后，将毡布取下并置于石油醚中24小时除去芯层材料，再在室温条件下干燥即获得所述的纳米纤维毡布；本实施例中纳米纤维毡布的克重为15g/m²。

将本实施例中的上述具有自驱动电刺激功能的纳米纤维毡布和对照组进行体内电学性能表征。

对照组为以实心取向纳米纤维毡布，实心取向纳米纤维毡布参照本实施例中一样的制备方法制备获得，不一样之处在于：芯层纺丝液的推进速度为零。由此形成了实心取向纳米纤维毡布

将本实施例中形成的纳米纤维毡布和对照组材料分别植入大鼠体内后，引出导线形成闭合回路，利用示波器检测大鼠每次后腿运动时的开路电压和短路电流。本实施例中的纳米纤维毡布具有2V的开路电压和7nA的短路电流，而对照组的实心取向纳米纤维毡布无明显电能输出。由此，可以明显得出，本实施例中空心纳米纤维毡布具有机械能收集和电能转化功能，在用于骨缺损修复时，可以根据肌肉运动实现电刺激功能，而对照组的实心取向纳米纤维毡布并不具有机械能收集和电能转化功能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。