CN102580166A

CN102580166A - 一种医用仿生透明薄膜植入材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102580166A
Application number: CN2012100453746A
Authority: CN
Inventors: 叶娟; 苟中入; 石鑫
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开的医用仿生透明薄膜植入材料是通过静电纺丝和交联得到的透明多孔薄膜，薄膜厚度为0.400~800微米，薄膜的透明度为75.0~99.9%，薄膜中各组分的质量百分数含量为：胶原75.00~95.00%;多糖1.50~15.00%;治疗性物质0.01~3.00%;其余为水。采用静电纺丝法制得。本发明工艺简单，全流程无污染，薄膜透明性高，对所载治疗性物质具有缓释功能，可显著改善人体组织损伤修复效果，可作为眼表损伤覆膜、皮肤创伤敷料、骨齿缺损再生引导膜及其它脏器修复隔离膜中的应用。

Description

一种医用仿生透明薄膜植入材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种医用仿生透明薄膜植入材料及其制备方法和应用，尤其是原位载治疗性物质胶原基仿生透明薄膜材料的制备方法及应用，属于生物医药、生物材料技术领域。

背景技术

人的眼表、皮肤等组织容易因细菌感染、疾病、腐蚀性物质或外伤导致组织损伤，采用薄膜类医用植入材料覆盖暴露的创面可以减轻刺激或疼痛症状、降低感染的可能并达到促进组织损伤的修复的目的。类似地，在骨膜损坏严重的颅骨等骨缺损中，填充颗粒、块体或自固化生物材料后再覆盖一层具有天然骨膜功能的人工引导膜既能引导缺损内骨再生，又可避免肌肉纤维组织长入。此外，粘连是结缔组织纤维带与相邻的组织或器官结合在一起而形成的异常结构，整形外科手术后，粘连和瘢痕组织的形成易导致术后严重的并发症，如肌腱粘连、周围神经粘连、眼眶损伤后软组织粘连等，常常妨碍康复，因而采用生物医用薄膜材料作为隔离物是一种避免组织粘连的有效途径。长期以来的大量研究结果和临床应用表明，最为理想的医用薄膜类植入材料需要具备诸多功能的集成，如优良的生物相容性，以免引起新的病变；促进组织再生的生物活性，能主动调节相关细胞增殖、分化和组织再生所需因子的快速表达；抑制细菌滋生，避免感染；优越的可降解性，以便在组织再生修复进程中材料被持续吸收或者代谢，实现功能完全重建。此外，优良的透明性，有利于观察创面修复进程情况，并可以减少换药引起的二次损伤；在眼表损伤修复中植入的薄膜材料不影响眼表视觉。因此，高度透明的多功能性仿生薄膜材料具有极大的临床应用价值和需求。

目前，透明薄膜材料的开发得到快速发展，人工合成高分子材料、天然高分子材料和复合材料均被广泛研究。由人工合成高分子物质如涤纶、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇等制备的单组分薄膜材料，虽然具有较高抗拉伸强度，但难以协同匹配地赋予抑菌性、生物相容性尤其是生物活性，因而促进损伤再生修复的生物学效应和应用的便利性难以协调。天然高分子物质如胶原、明胶、壳聚糖、粘多糖、透明质酸或其混合物等采用传统流涎蒸发法制成的薄膜，虽然具有良好的透明性和生物相容性，但是机械强度和塑性较差。侯江平等利用胶原与壳聚糖混合溶液通过简单流延成膜制备了透明性复合膜，并在角膜损伤修复中显示了一定效果（侯江平等，中国组织工研究与临床康复. 2010; 14: 6319-6322）。此外，产妇羊膜、猪小肠黏膜下层、异种心包、动物真皮等来自各种组织、器官的天然薄膜虽然具有优良的力学性能和透明性，并含有大量细胞因子和抗炎成分能促进伤口修复，但是也存在异体疾病传播、异体免疫排斥问题，生物安全性难以保证是临床应用的重大风险。从制备技术来看，采用生物涂层技术、化学交联技术、传统的模具塑模技术将天然生物高分子如胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸等与人工合成高分子材料复合制成的薄膜在保证机械强度的同时增加了生物相容性，但复合效率难于控制，尤其是这些薄膜仅仅具备了组成上的仿生，其微纳结构不具备生物体内细胞外基质的基本特征，因而生物学效应不足显著促进损伤修复，从而影响临床治疗效率和效果。

在生物医用透明薄膜产品方面，3M公司开发的Tegaderm™透明薄膜产品构建了窗框式外围，便于与损伤外围黏贴，但是这种产品仅仅具有隔离细菌感染的功能，只透气而不具备透水性，容易影响皮肤类组织排汗的通畅性，进而危及创面修复。近年来国内各大医院临床上静脉注射时大量使用透明薄膜防治细菌经针刺部位进入体内，这些透明薄膜仅仅是创面隔离作用，不发挥治疗的主导作用。还有一类药贴可以贴附在皮肤上，主要用于止痛和治疗小创口。中国发明专利CN 201631488U中公开了一种透明药贴仅供给药物，自身不具备仿生和可代谢特征。新加坡生物工程与纳米技术研究所的人员开发的一种热敏性聚（N -异丙基丙烯酰胺）[poly(N-isopropylacrylamide)，简称PNIPAAm]透明纳米孔薄膜，显示出优良的温度依赖性膨胀性，但是不具备仿生微结构及生物活性等，因而仅为观察创面愈合提供了便利性（Wang L-S, et al. Adv Mater. 2004;16:1790-1794）。同时，他们还报道了一种由壳聚糖与海藻酸盐复合的透明薄膜材料，运用氯化钙为凝胶剂浇注而成的薄膜尽管透明，但是在微纳结构上由片状聚合物叠加而成，与细胞外基质的纳米纤维超微结构也存在差异（Wang L-S, et al. J Biomed Mater Res Part B:Appl Biomater. 2002; 63: 610-618）。美国专利4505855公开了一种超速离心法制备的透明胶原薄膜，该薄膜材料在微纳结构上不存在细胞外基质的纳米纤维形态，并且单一的胶原薄膜材料力学性能差，生物学效应仅依赖于胶原这种天然蛋白，难以实现在抑菌、抗感染和协同治疗损伤，其治疗功效仍不理想。

近年来，静电纺丝技术由于可以制得与天然细胞外基质纳米纤维结构极其相似的无纺布产品而成为制备薄膜的一种新途径。它是通过强静电场作用使得聚合物溶液或熔体发生喷射作用而形成的纳米级超细纤维。该技术所需设备简单，操作控制容易实施，可通过调节过程参数控制纤维直径和取向。Bergshoef等率先报道了一种电纺丝法制备尼龙-4,6透明薄膜材料，尽管从纳米尺度上的微结构上赋予了一定仿生特性（Bergshoef MM, et al. Adv Mater. 1999;11:1362-1365），但是其材料生物活性、降解性差，生物医用必然受到这些问题的影响。最近，印度学者利用静电纺丝技术制的聚碳酸酯薄膜试图应用眼表损伤修复，该薄膜具有促进内皮细胞增殖特性，但是其透明性较差，因而制约了在临床该种薄膜在眼表损伤中的应用前景（Sharma S, et al. Molecular Vision 2011; 17:2898-2910）。中国发明专利CN1456716公开了一种利用天然或合成高分子材料进行静电纺丝的工艺；中国发明专利CN 1584143A公开了一种利用电纺丝技术制备载有生长因子的纳米纤维缓释体系；中国发明专利CN 1739491A中公开了一种利用静电纺丝法制备载有抗炎症药物和生长因子的纳米纤维缓释薄膜。此外，利用该技术开展天然生物分子仿生纳米纤维薄膜材料的研究也逐渐成为热点。迄今不少关于胶原与壳聚糖、透明质酸等复合的纳米纤维薄膜材料在皮肤损伤修复等中开展了大量研究，但是这些研究往往忽视了赋予材料的透明性或者负载治疗性物质以增强治疗功能。由此可见，静电纺丝技术在制备多功能性高透明薄膜方面具有很大潜力。

因此，根据现有技术和研究报道来看，需要探索能简便和快速成膜、能赋予促进损伤快速再生修复的多种功能并且高度透明的仿生型医用薄膜植入材料，以此满足临床上眼表损伤修复、促进软组织损伤快速修复、防止黏粘、引导骨再生等巨大应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简便、能赋予多种生物学效应和功能的医用仿生透明薄膜植入材料及其制备方法和应用。

本发明的医用仿生透明薄膜植入材料是通过静电纺丝和交联得到的透明多孔薄膜，薄膜厚度为0.400~800微米，薄膜的透明度为75.0~99.9%，薄膜中各组分的质量百分数含量为：

胶原 75.00~95.00%;

多糖 1.50~15.00%;

治疗性物质 0.01~3.00%;

其余为水，上述组分之和为100%。

本发明的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，步骤如下：

1)将胶原溶解在质量浓度为2~100%的乙酸水溶液中，配制成浓度为10~100 毫克/毫升的胶原溶液；

2)向上述胶原溶液中按0.5~5.0 毫克/毫升加入多糖物质，搅拌溶解后，再加入治疗性物质并搅拌溶解，治疗性物质的浓度为0.01~0.40 毫克/毫升；

3)将步骤2)的混合溶液装入静电纺丝装置的推进系统储液器内，以导体板为接收载体，调节推进系统前端的中空金属喷头与接收载体的间距为5~25厘米，载体用导线接地，中空金属喷头接5~25 千伏直流电压，将推进系统内的混合溶液以0.1~2.0 毫升/小时的速度推出，进行静电纺丝0.2~10小时后，纳米纤维在接收载体上自主堆积，形成具有孔隙的多孔薄膜；

4)从载体上揭下多孔薄膜，将多孔薄膜用紫外线照射交联、光化学交联或化学交联剂交联1~10小时，然后用pH为7.0的磷酸盐缓冲液反复漂洗，再经干燥处理，得到载治疗性物质的医用仿生透明薄膜植入材料。

本发明中，所说的胶原是I、II或IV型胶原。

本发明中，所说的多糖是壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素、肝素、海藻酸、硫酸乙酰肝素和它们的可溶盐物质中的一种或几种的任意组合。

本发明中，所说的治疗性物质是抗菌剂、消炎镇痛剂、免疫抑制剂、类固醇激素或促进组织损伤修复的因子，以及在无配伍禁忌情况下两种或两种以上物质的混合物。

上述的促进组织损伤修复的因子为重组人角质细胞生长因子、胰岛素样生长因子、人肝细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、转化生长因子、表皮生长因子或血管内皮生长因子；上述的抗菌剂为氨苄西林、头孢拉定、西司他丁、阿奇霉素、阿米克星、纳米级银颗粒或生物活性玻璃纳米微粒。消炎镇痛剂为阿司匹林、对乙酰氨基酚、吲哚美辛、布洛芬、尼美舒利或塞来昔布。

本发明中，所说的化学交联剂是戊二醛、京尼平、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯、碳二亚胺、N一羟基琥珀酰亚胺或2—吗啉乙烷磺酸。

本发明的医用仿生透明薄膜植入材料的用途，是在用于治疗人体眼表损伤、皮肤损伤、脏器损伤防黏连隔离、骨齿缺损再生引导膜中的应用。

本发明制备过程中，通过改变电压和溶液中胶原、多糖的浓度、喷口与接收载体之间的距离、溶液的推进速度和纺丝成膜时间，可以控制纤维的直径和薄膜的厚度，通常，接收载体上形成多孔薄膜的纤维直径为40~1000 纳米。

本发明的有益效果在于：

本发明的医用透明仿生薄膜植入材料是将胶原、多糖采用静电纺丝法制得类似于天然细胞外基质的纳米纤维仿生结构，为损伤部位细胞生长和组织重建提供高度仿生微环境。譬如胶原是人体组织细胞外基质的主要成分，有利于细胞粘附生长，促进损伤愈合的功能；透明质酸是关节滑液重要成分，能促进眼表、皮肤损伤修复；壳聚糖是天然来源的高分子碱性多糖，无毒无味，对人体无副作用，具有抗渗出、防粘连、止血、可被肌体吸收等功能。因此在胶原-多糖的复合体系中引入其它治疗性物质经静电纺丝形成薄膜材料具有优良的促进细胞生长功效；静电纺丝制备过程对治疗性物质具有包埋作用，从而达到控制释放的功能。其次，静电纺丝薄膜通过交联处理具有高度透明性、较强的机械强度和塑性，综合力学性能达到产妇羊膜的力学性质。再次，由纳米级纤维自然堆叠而成的薄膜比表面积大，具有多孔透汽性能，可以吸附大量的水分，具有保湿和润滑、促进细胞生长、调节细胞迁移和排湿作用，可以提高创口愈合再生能力，并减少疤痕，增强免疫力。本发明工艺流程简单，薄膜的综合生物学效应可调可控等显著特点。

本发明采用静电纺丝技术和交联方法，将多糖大分子与胶原、治疗性药物进行复合，所得胶原基薄膜透明性好，具有类似于天然细胞外基质的纳米结构，能促进组织的再生，同时薄膜的缓慢降解实现了所载治疗性物质的控制释放，可以很好的减轻创口炎症反应，并协同促进组织修复。

本发明的医用仿生透明薄膜植入材料具有优良的生物相容性和多种生物学效应的集成，在眼表、皮肤、脏器、骨齿损伤中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明制备含表皮生长因子的I型胶原-壳聚糖纳米纤维透明薄膜电镜照片（标尺表示1 μm）。

图2是本发明制备含表皮生长因子的I胶原-壳聚糖纳米纤维透明薄膜与产妇羊膜拉伸力学测试应力-应变对比图，图中曲线1是产妇羊膜，曲线2是静电纺丝和化学交联载表皮生长因子的纳米纤维透明薄膜。

图3 是本发明制备含硫酸软骨素的II型胶原-壳聚糖-透明质酸纳米纤维透明薄膜电镜照片（标尺表示1 μm）。

图4是本发明制备含硫酸软骨素的II型胶原-壳聚糖-透明质酸纳米纤维透明薄膜与产妇羊膜拉伸力学测试应力-应变对比图，图中曲线1是产妇羊膜，曲线2是含硫酸软骨素的透明薄膜。

图5 是本发明制备含纳米银颗粒的I型胶原-壳聚糖纳米纤维透明薄膜电镜照片（标尺表示1 μm）。

具体实施方式

实施例1

1)将I型胶原溶解在质量浓度为80%的乙酸水溶液中，配制成浓度为85 毫克/毫升的I型胶原溶液；

2)向上述I型胶原溶液中按4.0 毫克/毫升加入壳聚糖物质，搅拌溶解后，再加入表皮生长因子并搅拌溶解，表皮生长因子的浓度为0.40 毫克/毫升；

3)将步骤2)搅拌均匀的混合溶液装入静电纺丝装置的推进系统储液器内；以导体板为接收载体，调节推进系统前端的中空金属喷头与接收载体的间距为12厘米，载体用导线接地，中空金属喷头接15 千伏直流电压，将推进系统内的混合溶液以0.3 毫升/小时的速度推出，进行静电纺丝6小时后，纳米纤维在接收载体上自主堆积，形成具有孔隙的多孔薄膜；

4)从载体上揭下多孔薄膜，将多孔薄膜用0.2%戊二醛溶液化学交联4小时，然后用pH为7.0的磷酸盐缓冲液反复漂洗，再经干燥处理，得到含表皮生长因子的透明薄膜材料。

该薄膜的透明度为93.4%，厚度为300 微米，含I型胶原、壳聚糖和表皮生长因子分别为93.5%、4.4%和0.44%，电镜观察该透明薄膜的纤维结构形貌如附图1所示，力学拉伸测试如附图2所示，表明成功制备出载表皮生长因子的胶原-壳聚糖复合纳米纤维仿生透明薄膜，该仿生薄膜具有较好的机械性能。

实施例2

1)将II型胶原溶解在质量浓度为65%的乙酸水溶液中，配制成浓度为70 毫克/毫升的II型胶原溶液；

2)向上述II型胶原溶液中按总浓度3.0 毫克/毫升加入等量壳聚糖、透明质酸物质，搅拌溶解后，再加入硫酸软骨素并搅拌溶解，硫酸软骨素的浓度为0.20 毫克/毫升；

3)将步骤2)搅拌均匀的混合溶液装入静电纺丝装置的推进系统储液器内；以导体板为接收载体，调节推进系统前端的中空金属喷头与接收载体的间距为10厘米，载体用导线接地，中空金属喷头接10 千伏直流电压，将推进系统内的混合溶液以0.2 毫升/小时的速度推出，进行静电纺丝8小时后，纳米纤维在接收载体上自主堆积，形成具有孔隙的多孔薄膜；

4)从载体上揭下多孔薄膜，将多孔薄膜用紫外光照射交联6小时，然后用pH为7.0的磷酸盐缓冲液反复漂洗，再经干燥处理，得到含硫酸软骨素的透明薄膜材料。

该薄膜的透明度为88.9%，厚度为560 微米，含II型胶原、壳聚糖、透明质酸和硫酸软骨素分别为91%、1.95%、1.95%和0.26%，电镜观察该透明薄膜的纤维结构形貌如附图3所示，力学拉伸测试如附图4所示，表明成功制备出含硫酸软骨素的胶原-壳聚糖-透明质酸复合纳米纤维仿生透明薄膜，该仿生薄膜具有具有较好的机械性能。

实施例3

制备方法同实施例1，区别在于：将0.40 毫克/毫升表皮生长因子改为0.10 毫克/毫升纳米银颗粒，将金属针所施加的直流电压改为8 kV，调节推进器前端的中空金属喷头与纤维接收载体的间距改为10厘米，将推进器内的混合溶液以0.25 毫升/小时的速度推出，进行静电纺丝7小时，载纳米银颗粒的超细纤维在接收载体上自主堆积，形成具有一定孔隙和厚度的多孔性薄膜，将多孔薄膜用0.15%戊二醛溶液化学交联4小时，然后用pH为7.0的磷酸盐缓冲液反复漂洗，再经干燥处理，得到含纳米银的透明薄膜材料。该薄膜的透明度为83.6%，厚度为680 微米，含I型胶原、壳聚糖和纳米银分别为93.5%、4.4%和0.11%，电镜观察该透明薄膜的纤维结构形貌如附图5所示，表明成功制备出含纳米银粒的胶原-壳聚糖复合纳米纤维仿生透明薄膜。

Claims

1.一种医用仿生透明薄膜植入材料，其特征在于它是通过静电纺丝和交联得到的透明多孔薄膜，薄膜厚度为0.400~800微米，薄膜的透明度为75.0~99.9%，薄膜中各组分的质量百分数含量为：

胶原 75.00~95.00%;

多糖 1.50~15.00%;

治疗性物质 0.01~3.00%;

其余为水，上述组分之和为100%。

2.制备权利要求1所述的医用仿生透明薄膜植入材料的方法，其特征在于步骤如下：

3.根据权利要求2所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的胶原是I、II或IV型胶原。

4.根据权利要求2所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的多糖是壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素、肝素、海藻酸、硫酸乙酰肝素和它们的可溶盐物质中的一种或几种的任意组合。

5.根据权利要求2所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的治疗性物质是抗菌剂、消炎镇痛剂、免疫抑制剂、类固醇激素或促进组织损伤修复的因子，以及在无配伍禁忌情况下两种或两种以上物质的混合物。

6.根据权利要求5所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的促进组织损伤修复的因子为重组人角质细胞生长因子、胰岛素样生长因子、人肝细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、转化生长因子、表皮生长因子或血管内皮生长因子。

7.根据权利要求5所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的抗菌剂为氨苄西林、头孢拉定、西司他丁、阿奇霉素、阿米克星、纳米级银颗粒或生物活性玻璃纳米微粒。

8.根据权利要求5所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的消炎镇痛剂为阿司匹林、对乙酰氨基酚、吲哚美辛、布洛芬、尼美舒利或塞来昔布。

9.根据权利要求2所述的医用仿生透明薄膜植入材料的制备方法，其特征在于所说的化学交联剂是戊二醛、京尼平、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯、碳二亚胺、N一羟基琥珀酰亚胺或2—吗啉乙烷磺酸。

10.权利要求1所述的医用仿生透明薄膜植入材料的应用，其特征是在用于治疗人体眼表损伤、皮肤损伤、脏器损伤防黏连隔离、骨齿缺损再生引导膜中的应用。