摘 要： 人工骨产品因其具备良好的生物相容性和可降解性在组织工程学、器官填充和缺损修复等方面具有极大的应用前景。文章结合新型纤维状支架型人工骨项目，论述了静电纺丝技术在人工骨制备中的应用，并分析了新型纤维状支架型人工骨的制备难点及解决措施，期望为类似人工骨产品的开发提供参考与帮助。

关键词： 纤维状支架型人工骨;制备;静电纺丝技术

一、 引言

人工骨是一种具有生物功能的新型无机非金属材料。人工骨可以依靠从人体体液补充某些离子形成新骨，可在骨骼结合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。人工骨产品的制备需保证其具有良好的成形性、生物相容性和可降解性、浸润性。文章结合新型纤维状支架型人工骨项目，分析纤维人工骨的制备要点，希望为类似项目的开发提供参考。

二、项目概况

一种新型纤维状支架型人工骨项目，总投资为610万，是公司参加国外学术会议发现的全新产品。项目将生物活性无机陶瓷颗粒Y与可生物降解的某生物高分子A结合，制备出棉花状的纤维人工骨。与传统的人工骨相比，棉花状纤维人工骨具有较好的生物形容性、成形性、浸润性、可降解性，能够根据患者骨骼破损处的空间大小调整纤维状人工骨。采用撕扯的方式将纤维状人工骨揉成棉花团状结构，填充骨缺损的位置，加快患者骨组织的增殖和再生速度，促进患者骨组织的生长。另外，新型纤维状支架型人工骨具有可降解性，人工骨移植后并不需要取出，避免给患者造成二次疼痛，在缺损修复、组织工程学、器官填充等方面新型纤维状支架型人工骨都具有较好的应用前景。

三、 静电纺丝技术在人工骨制备中的应用

静电纺丝技术能够在强电场的作用下利用聚合物流体拉丝，通过金属喷嘴达到喷射拉伸的目的，从而获得数微米和数十纳米的纳米级纤维的纺丝技术。采用静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有面积大、直径小、精细程度一致、空隙率高等特点，在生物医学领域静电纺丝技术得到了较为广泛的应用。尤其是人工骨制备中，应用静电纺丝技术将黏结度较高的非牛顿流体制备成纤维，运用高挥发性溶剂溶解聚合物，并运用静电纺丝过程，使得高分子微小液体流在高压电场中高速拉伸，其间溶剂会快速挥发，液体流会被快速分离出来，最终形成溶剂富集相与聚合物富集相，聚合物富集相会固化，最终形成纤维状支架型人工骨。另外，静电纺丝技术应用过程中，会向聚合物熔体释放几万伏的高压静电，电场力施加于液体表面，液体表面会产生电流，相同电荷相斥的表面张力会使液体与电场力出现相斥情况，液体表面会产生向外的力，从而使得液体表面形成半球形状的液滴，表面张力与向外的力方向相反。电场力大小与高分子液体表面张力相同时，带电液滴会悬挂在毛细管的末端，并且会处于相对平衡状态。随着电场力的增加，毛细管末端半球状液滴会被拉伸成圆锥状，电场力超过临界值后，排斥电场力会致使液滴表面张力形成射流，静电纺丝期间，液滴会带有一定的静电压，并处于电场中，致使射流在毛细管末端接收装置运行时出现加速情况，拉伸电场中的射流，最终在接收装置上形成非织造状态的纳米纤维。

该项目制备人工骨时应用了静电纺丝技术，不仅能够降低制备成本，还能简化制备程序，通过给聚合物溶液施加外加电场的方式制备聚合物纤维，纤维直径在纳米级和微米级之间。另外，作为特殊的纤维制造工艺，静电纺织技术可以在熔体和聚合物溶液的强大电场中喷射纺丝，在电场作用下，针头位置的液滴会变成圆锥形，并由圆锥尖端延展成为纤维细丝。实际应用过程中，需注意静电纺丝技术应用期间较为容易受到周围环境因素的影响。高分子纺丝黏液黏稠度较低时，液体本身具有较强的流动性，这一情况严重增加了纺丝黏液控制的难度，使得黏液无法有效接受电场牵制;高分子纺丝液黏稠度较高时，液体较为黏稠，致使黏液无法完成牵伸纺丝工作，针头极易出现堵塞问题，甚至严重的情况下导致对纺丝质量造成的影响。因此，制备人员要严格控制高分子纺丝液的黏稠度，确定保证新型纤维状支架型人工骨制备的水平。

四、新型纤维状支架型人工骨的制备要点

（一）实验设计

制备新型纤维状支架型人工骨制备期间，制备人员要重视实验方案设计工作，充分考虑到静电纺丝影响因素。该项目实验方案的变量为温度/湿度、纺丝液浓度、电压值等，通过实验的方式最终确定最佳工艺参数值，主要包括：某生物无机颗粒X与某生物高分子A的最佳配比，最佳纺丝液浓度范围、某生物无机颗粒X与某生物高分子A的均匀混合方式、某生物高分子A与不同粒度的某无机颗粒X对纺丝形貌的影响规律、调整静电纺丝设备的最优参数。另外，制备样品时，要选择最佳无机陶瓷、纺丝溶剂种类，明确纤维人工骨颗粒径、配比、材料型号等。

（二）纤维易黏结的问题及解决

该项目开展实验期间，发现运用静电纺丝技术制备新型纤维状支架型人工骨期间，纤维在空气中干燥过程中，纺丝刚性较高、弹性较差，并且纤维间较为容易出现黏结在一起变成一张膜的情况。采用高分子物理知识进行分析，其原因与高压静电场拉伸应力致使纺丝高结晶度和取向度有着直接关系，纤维在空气快速干燥过程中，纺丝的高结晶度和高取向度无法及时产生变化，这一情况严重降低了纺丝的弹性，增加了纺丝的刚性，导致纺丝无法达到规定的使用要求。

為解决新纤维状支架型人工骨制备中存在的问题，保证纺出的人工骨纤维能够有着较为合适的弹性和形貌，项目考虑到乙醇是某生物高分子A的不良溶剂，运用乙醇接收基底，使静电纺丝针头正对乙醇液面，让乙醇在高压静电场的作用下进入乙醇液体内部，采用浸泡的方式增加高分子链之间的缠结程度，减少纺丝中的高结晶度和高取向度。接近消失状态时将纤维纺丝送乙醇中取出，在空气中达到干燥的目的，让纺丝样品始终保持弹性和柔软，以便满足该项目对新型纤维状支架型人工骨性能的要求。

五、结语

制备新型纤维状支架型人工骨将静电纺丝技术应用其中，不仅能够高效固化纤维，还能模拟天然细胞外基质生物功能和结构，提高骨创伤修复的水平。另外，制备新型纤维状支架型人工骨过程中，对于纤维易黏结的问题，通过运用乙醇接收基底，将静电纺丝针头对准乙醇液面，让纺丝快速进入乙醇溶液中，提升纺丝的弹性，以解决纤维变成膜的问题。项目通过实验参数和加工工艺的调整，确定了制备棉花状纤维的最佳工艺参数，并将制得的样品在上海六院进行了实验兔实验，初步验证该产品具有很好的骨修复和可降解能力。

参考文献：

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[3]俞霞.多孔角蛋白复合骨支架材料的制备与性能研究[D].天津：天津工业大学，2016.

作者简介：  王陈，扬子江药业集团广州海瑞药业有限公司。