新型纖維狀支架型人工骨的制備研究

摘 要： 人工骨產品因其具備良好的生物相容性和可降解性在組織工程學、器官填充和缺損修復等方面具有極大的應用前景。文章結合新型纖維狀支架型人工骨項目，論述了靜電紡絲技術在人工骨制備中的應用，并分析了新型纖維狀支架型人工骨的制備難點及解決措施，期望為類似人工骨產品的開發提供參考與幫助。

關鍵詞： 纖維狀支架型人工骨;制備;靜電紡絲技術

一、 引言

人工骨是一種具有生物功能的新型無機非金屬材料。人工骨可以依靠從人體體液補充某些離子形成新骨，可在骨骼結合界面發生分解、吸收、析出等反應，實現骨骼牢固結合。人工骨產品的制備需保證其具有良好的成形性、生物相容性和可降解性、浸潤性。文章結合新型纖維狀支架型人工骨項目，分析纖維人工骨的制備要點，希望為類似項目的開發提供參考。

二、項目概況

一種新型纖維狀支架型人工骨項目，總投資為610萬，是公司參加國外學術會議發現的全新產品。項目將生物活性無機陶瓷顆粒Y與可生物降解的某生物高分子A結合，制備出棉花狀的纖維人工骨。與傳統的人工骨相比，棉花狀纖維人工骨具有較好的生物形容性、成形性、浸潤性、可降解性，能夠根據患者骨骼破損處的空間大小調整纖維狀人工骨。采用撕扯的方式將纖維狀人工骨揉成棉花團狀結構，填充骨缺損的位置，加快患者骨組織的增殖和再生速度，促進患者骨組織的生長。另外，新型纖維狀支架型人工骨具有可降解性，人工骨移植后并不需要取出，避免給患者造成二次疼痛，在缺損修復、組織工程學、器官填充等方面新型纖維狀支架型人工骨都具有較好的應用前景。

三、 靜電紡絲技術在人工骨制備中的應用

靜電紡絲技術能夠在強電場的作用下利用聚合物流體拉絲，通過金屬噴嘴達到噴射拉伸的目的，從而獲得數微米和數十納米的納米級纖維的紡絲技術。采用靜電紡絲技術得到的納米級纖維具有面積大、直徑小、精細程度一致、空隙率高等特點，在生物醫學領域靜電紡絲技術得到了較為廣泛的應用。尤其是人工骨制備中，應用靜電紡絲技術將黏結度較高的非牛頓流體制備成纖維，運用高揮發性溶劑溶解聚合物，并運用靜電紡絲過程，使得高分子微小液體流在高壓電場中高速拉伸，其間溶劑會快速揮發，液體流會被快速分離出來，最終形成溶劑富集相與聚合物富集相，聚合物富集相會固化，最終形成纖維狀支架型人工骨。另外，靜電紡絲技術應用過程中，會向聚合物熔體釋放幾萬伏的高壓靜電，電場力施加于液體表面，液體表面會產生電流，相同電荷相斥的表面張力會使液體與電場力出現相斥情況，液體表面會產生向外的力，從而使得液體表面形成半球形狀的液滴，表面張力與向外的力方向相反。電場力大小與高分子液體表面張力相同時，帶電液滴會懸掛在毛細管的末端，并且會處于相對平衡狀態。隨著電場力的增加，毛細管末端半球狀液滴會被拉伸成圓錐狀，電場力超過臨界值后，排斥電場力會致使液滴表面張力形成射流，靜電紡絲期間，液滴會帶有一定的靜電壓，并處于電場中，致使射流在毛細管末端接收裝置運行時出現加速情況，拉伸電場中的射流，最終在接收裝置上形成非織造狀態的納米纖維。

該項目制備人工骨時應用了靜電紡絲技術，不僅能夠降低制備成本，還能簡化制備程序，通過給聚合物溶液施加外加電場的方式制備聚合物纖維，纖維直徑在納米級和微米級之間。另外，作為特殊的纖維制造工藝，靜電紡織技術可以在熔體和聚合物溶液的強大電場中噴射紡絲，在電場作用下，針頭位置的液滴會變成圓錐形，并由圓錐尖端延展成為纖維細絲。實際應用過程中，需注意靜電紡絲技術應用期間較為容易受到周圍環境因素的影響。高分子紡絲黏液黏稠度較低時，液體本身具有較強的流動性，這一情況嚴重增加了紡絲黏液控制的難度，使得黏液無法有效接受電場牽制;高分子紡絲液黏稠度較高時，液體較為黏稠，致使黏液無法完成牽伸紡絲工作，針頭極易出現堵塞問題，甚至嚴重的情況下導致對紡絲質量造成的影響。因此，制備人員要嚴格控制高分子紡絲液的黏稠度，確定保證新型纖維狀支架型人工骨制備的水平。

四、新型纖維狀支架型人工骨的制備要點

（一）實驗設計

制備新型纖維狀支架型人工骨制備期間，制備人員要重視實驗方案設計工作，充分考慮到靜電紡絲影響因素。該項目實驗方案的變量為溫度/濕度、紡絲液濃度、電壓值等，通過實驗的方式最終確定最佳工藝參數值，主要包括：某生物無機顆粒X與某生物高分子A的最佳配比，最佳紡絲液濃度范圍、某生物無機顆粒X與某生物高分子A的均勻混合方式、某生物高分子A與不同粒度的某無機顆粒X對紡絲形貌的影響規律、調整靜電紡絲設備的最優參數。另外，制備樣品時，要選擇最佳無機陶瓷、紡絲溶劑種類，明確纖維人工骨顆粒徑、配比、材料型號等。

（二）纖維易黏結的問題及解決

該項目開展實驗期間，發現運用靜電紡絲技術制備新型纖維狀支架型人工骨期間，纖維在空氣中干燥過程中，紡絲剛性較高、彈性較差，并且纖維間較為容易出現黏結在一起變成一張膜的情況。采用高分子物理知識進行分析，其原因與高壓靜電場拉伸應力致使紡絲高結晶度和取向度有著直接關系，纖維在空氣快速干燥過程中，紡絲的高結晶度和高取向度無法及時產生變化，這一情況嚴重降低了紡絲的彈性，增加了紡絲的剛性，導致紡絲無法達到規定的使用要求。

為解決新纖維狀支架型人工骨制備中存在的問題，保證紡出的人工骨纖維能夠有著較為合適的彈性和形貌，項目考慮到乙醇是某生物高分子A的不良溶劑，運用乙醇接收基底，使靜電紡絲針頭正對乙醇液面，讓乙醇在高壓靜電場的作用下進入乙醇液體內部，采用浸泡的方式增加高分子鏈之間的纏結程度，減少紡絲中的高結晶度和高取向度。接近消失狀態時將纖維紡絲送乙醇中取出，在空氣中達到干燥的目的，讓紡絲樣品始終保持彈性和柔軟，以便滿足該項目對新型纖維狀支架型人工骨性能的要求。

五、結語

制備新型纖維狀支架型人工骨將靜電紡絲技術應用其中，不僅能夠高效固化纖維，還能模擬天然細胞外基質生物功能和結構，提高骨創傷修復的水平。另外，制備新型纖維狀支架型人工骨過程中，對于纖維易黏結的問題，通過運用乙醇接收基底，將靜電紡絲針頭對準乙醇液面，讓紡絲快速進入乙醇溶液中，提升紡絲的彈性，以解決纖維變成膜的問題。項目通過實驗參數和加工工藝的調整，確定了制備棉花狀纖維的最佳工藝參數，并將制得的樣品在上海六院進行了實驗兔實驗，初步驗證該產品具有很好的骨修復和可降解能力。

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作者簡介：? 王陳，揚子江藥業集團廣州海瑞藥業有限公司。