静电纺丝之您想知道的系列——PVP(聚乙烯吡咯烷酮)


目录

1.静电纺丝PVP(聚乙烯吡咯烷酮)

2.基于PVP的生物支架的发展趋势

3.电纺PVP在生物医学产品中的应用研究

4.静电纺丝PVP实验参数

 

 

1.静电纺丝PVP(聚乙烯吡咯烷酮)

PVP(聚乙烯吡咯烷酮)提供亲水性和亲油性的化学性质,作为赋形剂已经在一些常规的、受控的和新型的药物递送系统中得到应用,因为它的溶解性、在各种等级中的可用性,提供了如成膜、络合,增溶、粘合、稳定、悬浮、增稠和其他作用,在食品、化妆品、纺织品和粘合剂等行业也有广泛的应用。

 

PVP 已经在大量的生物医学应用中被发现。 PVP 的独特性质是两亲性、氢键形成和络合性、溶解性、与其他聚合物和治疗剂的相容性。随着静电纺丝、电喷雾和 3D/4D 印刷等技术的进步,PVP 已被发现是制备纳米纤维的理想材料。本文重点介绍静电纺丝PVP在生物医学产品中的应用研究。

 

2.基于PVP的生物支架的发展趋势

PVP的惰性、化学稳定性、无毒性或低毒性、对生物系统无刺激性以及生物相容性使它成为电纺生物支架的理想材料之一。天然聚合物,如壳聚糖、藻酸盐、胶原蛋白等天然材料,因其与 ECM 的先天相容性,可更舒适地支持细胞增殖和分化。为了克服天然材料的局限性,PVP作为一种聚合物在生物材料应用的各种医学领域中作为添加剂、稳定剂、成膜剂、粘合剂发挥多种功能。能够改善天然聚合物的机械强度。而且PVP 是一种合成亲水聚合物,由于其优异的生物相容性、更好的可加工性、可控降解性、性质上的两亲性而吸引了研究人员,并且可以生产具有所需特性的支架。

 

以下列出 PVP纳米纤维或纳米支架在不同领域的生物医学应用,如组织工程、伤口敷料、药物递送等,这些应用是由静电纺丝以及 3D 打印和一些其他技术开发。一些研究人员已经使用 PVP 作为支撑材料(致孔剂)来提供具有更好性能的多孔纳米纤维。 

1 基于PVP的纳米纤维制造技术、应用、给药途径和表面改性

 

3.电纺PVP在生物医学产品中的应用研究

3.1 PVP作为人体植入物中的应用

PVP纳米纤维在血管植入物、牙种植、器官植入物等具有潜在应用。有研究团队通过电纺丝改进技术开发的定向 PVP 纳米纤维,该技术包括具有平行板的导电圆柱形电极。改进后的技术可以生产分散性降低、性能更好的纳米纤维。

 

这些排列整齐的纳米纤维,可以模仿天然 ECM 为组织再生创造一个理想的环境,也可以在传感器中找到应用PVP 与其他聚合物如壳聚糖和羧甲基纤维素(CMC)一起被用作复合材料它可以提高整个制造系统的性能。例如,目前已经开发了 PVP-CMC-CaCO3 的生物激发和生物矿化水凝胶支架,并针对制备中使用的离子溶液浓度的影响进行了研究。研究人员表示该水凝胶支架在骨组织再生中显示出有希望的结果。

2 与共聚物和无机基材结合制备的 PVP 纳米支架的不同应用

 

 

3.2 PVP在再生组织工程中的应用

采用聚 ε-己内酯(PCL)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)研究了电纺纤维支架的生物相容性,以开发具有可调理化特性的不同形态。生成支架后,提取 PVP以提高表面孔隙率,这表明性能有所改善。这些具有层次结构的多孔纤维支架在组织工程领域显示出良好的应用前景。

 

在皮肤组织和伤口愈合领域中,有研究团队开发了不同比例的芦荟-PVP 和芦荟乙酸酯-PVP 电纺纤维,并研究了它们的微结构、机械性能以及抗菌、抗病毒、抗炎和伤口愈合性能。这些研究显示了芦荟醋酸酯-PVP 纤维的后一种复合物可能是伤口愈合应用的潜在候选物。

 

另外,心脏和血管组织的组织工程正在成为一个有趣和鼓舞人心的领域。除了单独的 PVP,与其他聚合物的复合材料显示出有希望的结果。 PVP 作为复合材料的一部分,为疏水性复合聚合物增加了其独特的特性,使支架系统具有更好的性能。有许多研究表明PVP与PLLA共混纺丝,与单独的 PLLA 相比,复合膜具有改进的性能,并且随着复合材料中 PVP 含量的增加,泡孔分布、泡孔生长和泡孔形态更好。因此,研究者声称PLLA-PVP 微纤维膜可能成为血管组织工程的潜在支架。

 

 

3.3 PVP作为递送治疗剂的基质

对于特定的疾病,根据所需水平的药物释放,如突释或缓释或靶向释放是必要的。随着先进的技术和对聚合物的大量研究,科学家们可以以最合适的方式开发药物输送系统,以满足个体的需要。PVP 就是这样一种聚合物,其中可以根据所需的特性输送治疗剂。

 

静电纺丝用于PVP基纳米纤维毡的形成,有研究用纳米纤维毡与羟丙基-β-环糊精和美洛昔康的配合物用于快速溶解和掩味。采用连续静电纺丝工艺,以玉米醇溶蛋白为顶层和底层,PVP在中间,制备了一种三层纳米纤维网。为了获得更好的机械强度和药物释放功能,PVP与氧化石墨烯混合。

 

在另一项研究中,PVP混合氧化石墨烯和盐酸万古霉素作为核心基质,而PCL作为鞘层聚合物,采用同轴静电纺丝技术制备了核-壳纳米纤维。该系统显示了时间编程的双相药物释放。对其进行了体外和体内研究。大鼠骨髓间充质干细胞系用于体外研究,大鼠用于体内研究。细胞存活时间长达72小时。

 

 

4.PVP实验参数

4.1运用同轴静电纺丝法制备PVP/PCL芯鞘纤维垫

材料配置: 1.92g PCL溶解在 16 mL的DCM/DMF溶剂混合物 (3:1, v/v) 中以达到 0.12 g/mL 的聚合物浓度,作为鞘层纺丝溶液。通过将 0.6 g PVP 粉末添加到 6 mL 水/GO 水溶液/DMF 共混溶液中来制备芯层纺丝溶液。水、GO 水溶液和 DMF 的体积比为 4:0:2、2:2:2 和 0:4:2,以调节核心组合物中的 GO 含量。将鞘纺丝和水/GO 水溶液/DMF 共混溶液连接到定制的喷丝头(外径和内径分别为 1.3 和 0.3 mm)。

 

实验参数:外部和内部进料速率分别为由两个注射泵控制,分别以 3.0 和 0.2 mL/h 运行。静电电源由 18.0 kV 的高压电源提供,纤维收集在距离 14 cm 的铝箔片上。所有静电纺丝过程湿度25 ± 3 °C,相对湿度55 ± 4%。将所制备的纤维垫真空干燥 24 小时以去除残留溶剂。使用相同的程序制造药用纤维垫,不同之处在于将 VAN 溶解在用于芯纺溶液的水溶液中。

 

参考文献: Hui Yu, Peng Yang, Yongtang Jia, Yumei Zhang, Qiuying Ye, Simin Zeng, Regulation of biphasic drug release behavior by graphene oxide in polyvinyl pyrrolidone/poly(ε caprolactone) core/sheath nanofiber mats, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 146, 2016, Pages 63-69, ISSN 0927-7765, https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2016.05.052.

 

4.2 PVP纤维和胶原/壳聚糖共混物作为皮肤替代物的定制PCL支架

材料配置:壳聚糖(高分子量;脱乙酰度 = 85%)和磷酸盐缓冲盐水、牛胶原蛋白 I 型 (AteloCollagen) 与分子重量 300 KDa、冰醋酸酸和 2-丙醇 (99.5%)、PCL (Mn= 80000)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) (Mw= 360000)、戊二醛 (GA) 25% 和 1,6-己二胺 (HDA)。乙醇 (99.8%)。PCL,各种浓度为 15%,通过溶解在冰醋酸中制备 18% 和 20% (w/v)。然后混合溶液在室温下轻轻磁力搅拌 24 小时。加入所需的去离子水搅拌 24 小时后将每个均匀溶液加入到 90% v/v 的乙酸,然后搅拌额外的 30 分钟。此外,将 25% w/v 的 PVP 溶解在乙醇中并轻轻搅拌 2 小时。

 

实验参数PCL溶液的静电纺丝是通过改变最有效的参数来进行,包括喷嘴到收集器的距离(D)和电压 (V)。收集器速度设置为 800rpm,并且在整个过程是恒定的实验。静电纺丝在室温下进行,相对湿度约为 20-25%,使用22G针头。需要实现无珠结构的最佳结果。用于使用两个相对且独立的喷丝头同时静电纺丝 PVP 和 PCL不同的流速。然后将静电纺丝样品在水中浸泡不同时间以溶解 PVP 纤维并选择最佳结果用于制备最终样品。

 

参考文献: Sadeghi-avalshahr, A.R.; Nokhasteh, S.; Molavi, A.M.; Mohammad-pour, N.; Sadeghi, M. Tailored PCL Scaffolds as Skin Substitutes Using Sacrificial PVP Fibers and Collagen/Chitosan Blends. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 2311. https://doi.org/10.3390/ijms21072311

 

本文引用自Mallesh Kurakula, G.S.N. Koteswara Rao, Moving polyvinyl pyrrolidone electrospun nanofibers and bioprinted scaffolds toward multidisciplinary biomedical applications, European Polymer Journal, Volume 136, 2020, 109919, ISSN 0014-3057, https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109919.

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