纳米银涂覆的聚乙二醇和明胶水凝胶浸渍的聚氨酯纳米纤维材料的制作方法

本发明涉及纳米银涂覆的聚乙二醇和明胶水凝胶浸渍的聚氨酯纳米纤维材料，更具体地，本发明涉及纳米银涂覆和聚乙二醇和明胶水凝胶浸渍的聚氨酯纳米纤维网膜，其主要应用于腹疝修复。

背景技术：

腹疝是最常见的腹部外科疾病之一。手术干预是最佳的选择。在大多数情况下通过放置假体材料例如聚合物网膜来追求无张力修复。由于相对便宜并且容易处理以及能很好地掺入组织中等优点，聚丙烯(PP)网膜可能是最广泛地用于腹疝修复的网膜材料(参见，例如L.Procter,E.E.Falco,J.P.Fisher和J.S.Roth,Studies in Mechanobiology Tissue Engineering&Biomaterials,2009,425-447；C.MJ,Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials,2010,94,455–462；以及Y.Bilsel和I.Abci,International Journal of Surgery,2012,10,317-321)。然而，这些假体材料的使用通常会引起并发症，例如致密的纤维组织沉积，慢性局部组织的炎症反应，瘘的形成，并且主要还引起内脏和网膜之间的粘连(L.J.Deguzman,L.M.Nyhus,G.Yared和S.PK.,Endoscopy,1995,27,459-461；和G.J.Morrisstiff和L.E.Hughes,J.Am.Coll.Surg.,1998,186,352-367)。这些并发症可能导致例如不适感，慢性疼痛和疝的复发等问题。此外，其还表现出相当多的其他临床问题和成本问题。这种植入手术的另一严重并发症是由材料表面上的细菌引发的感染。感染通常导致修复材料的植入失败。在临床上，腹疝修复补片所引发的感染和组织粘连已经严重阻碍了腹疝修复补片的发展。

因此，临床上仍然需要效果更好的腹疝修复补片，其能够同时避免在临床使用时所引起的感染和组织粘连，在植入后很好地整合到生物体内，并且对患者没有任何其他不利的影响。

技术实现要素：

为了同时解决以上两个问题并提供一种在临床上有效的腹疝修复补片，本发明人开发了一种纳米银涂覆的，聚乙二醇(PEG)或其酯和明胶水凝胶浸渍的聚氨酯(NSPU)网膜。发明人发现，纳米银可以赋予网膜抗菌性能，其破坏微生物的DNA复制、电子传递和呼吸细胞色素，具有有效的抗酵母、真菌和多种细菌和病毒的能力。同时浸渍的PEG和明胶水凝胶具有良好的生物相容性并降低内脏粘连的形成，同时增强修复补片的生物相容性。PU网膜能够提供腹疝修复所需要的机械支撑。本发明人还发现，本发明所述的材料能够被有效地整合，形成能够同时解决感染和组织粘连问题的有前途的腹疝修复补片，即本发明的NSPU网膜。这种补片在植入后很好地整合到生物体内，并且对患者没有任何其他不利的影响。

因此，本发明的第一方面涉及一种聚氨酯补片，其浸渍有聚乙二醇或其酯和明胶水凝胶，并且所述聚氨酯补片的表面涂覆有纳米银。

在一个实施方案中，该聚氨酯补片可以是由聚氨酯纳米纤维形成的网膜。该聚氨酯纳米纤维网膜可采用电纺方法来制备。

在一个实施方案中，聚氨酯补片可包括聚氨酯内层，所述聚氨酯内层浸渍有聚乙二醇或其酯；以及聚氨酯外层，所述聚氨酯外层浸渍有明胶水凝胶。该聚氨酯补片中的聚氨酯内层和聚氨酯外层可以是聚氨酯纳米纤维形成的网膜。在该聚氨酯补片中，明胶可以是甲基丙烯酸酯化的明胶。并且，如果使用聚乙二醇酯，该聚乙二醇酯可以是聚(乙二醇)二丙烯酸酯。在本发明的实施方案中，浸渍有聚乙二醇或其酯的聚氨酯内层可作为聚氨酯补片的内层，以防止组织粘连，并且浸渍有明胶水凝胶的聚氨酯外层作为聚氨酯补片的外层，以用于使组织和网格的更好地整合。

在一个实施方案中，本发明的聚氨酯的表面还涂布有多巴胺。

在本发明中，聚氨酯补片可作为用于疝修复的网膜。优选地，其主要应用于腹疝的修复。

在用于疝修复时，本发明的聚氨酯可以根据疝的形状和位置制成特定的大小和厚度。通常，本发明的聚氨酯厚度约为40μm～600μm，例如50μm～400μm，如约100μm，但不限于此。

在本发明中，纳米银可具有10-100nm的尺寸。

本发明的另一方面涉及制备上述聚氨酯补片的方法，该方法包括：

(a)提供聚氨酯内层，并将聚氨酯内层浸渍于聚(乙二醇)或其酯的溶液中；

(b)提供聚氨酯外层，并将聚氨酯外层浸渍于明胶的溶液中；

(c)将聚氨酯内层与聚氨酯外层粘合在一起，以获得聚氨酯补片，

(d)将纳米银涂覆在所述聚氨酯补片的表面上。

在本发明的方法中，在步骤(c)中可加入聚合引发剂以催化明胶与聚(乙二醇)或其酯胶凝，从而将聚氨酯内层与聚氨酯外层粘合在一起。该聚合引发剂可以是能够使明胶与聚(乙二醇)或其酯胶凝的任何催化剂。在一个实施方案中，该聚合引发剂是过硫酸铵和N,N,N',N'-四甲基乙烷二胺。

在可选的实施方案中，可以在聚(乙二醇)或其酯的溶液中加入第一聚合引发剂，并且在明胶的溶液中加入第二聚合引发剂。该第一聚合引发剂和第二聚合引发剂能够催化明胶与聚(乙二醇)或其酯胶凝，从而将聚氨酯内层与聚氨酯外层粘合在一起。该第一聚合引发剂和第二聚合引发剂可以是能够使明胶与聚(乙二醇)或其酯胶凝的任何催化剂。例如，第一聚合引发剂可以是N,N,N',N'-四甲基乙烷二胺，并且第二聚合引发剂可以是过硫酸铵；或者第一聚合引发剂可以是过硫酸铵，并且第二聚合引发剂可以是N,N,N',N'-四甲基乙烷二胺。

在本申请中，优选采用原位还原的方法将纳米银涂覆在所述聚氨酯补片的表面上。在优选的实施方案中，本发明的发明人采用多巴胺原位还原银离子，进而将纳米银涂覆在所述聚氨酯补片的表面上。具体来说，在本申请的方法的步骤(d)中，通过将聚氨酯补片浸泡在多巴胺溶液中，然后在将其浸泡于含有银离子(例如AgNO₃)的溶液中，以在所述聚氨酯补片的表面形成涂覆的纳米银。在一个实施方案中，聚氨酯补片浸泡在多巴胺溶液中持续2-20个小时，例如12小时。多巴胺溶液的浓度可为0.1-10mg/ml，如2mg/ml。在一个实施方案中，在含有银离子的溶液中浸泡2-30个小时，如16小时。银离子溶液的浓度可为0.1-10mg/ml，如1mg/ml。

采用这种方法，能够以温和的条件将纳米银均匀稳定地涂覆在聚氨酯补片的表面上，因此这种方法是成本有效的。此外，由于多巴胺本身也是生物相容性的还原剂，因此由此处理的聚氨酯补片在疝修复时仍然保持良好地生物相容性，不会对周围的组织和器官产生任何不利地影响。

在本发明的方法中，也可以采用多种其他方法将纳米银涂覆在所述聚氨酯补片的表面上。例如，纳米银可通过浸渍、旋涂、喷洒或喷涂等方法涂布在所述聚氨酯补片的表面上。

附图说明

图1是聚氨酯(PU)纳米纤维网膜/水凝胶/纳米银涂层的组装方法以及应用于疝模型的网膜复合物的示意图。

图2是现有技术聚丙烯(PP)补片和本申请的聚氨酯(NSPU)网膜的示意图，其中(A)是用于腹疝的临床使用的聚丙烯(PP)补片，并且(B)是本发明的纳米银涂覆的、聚乙二醇(PEG)/明胶水凝胶浸渍的聚氨酯(NSPU)网膜。

图3是网膜的SEM图像：a.表面上无任何涂层的PU电纺丝纤维的SEM图像；b.凝胶组装后无多巴胺和纳米银涂层的PU网膜的SEM图像；c.仅具有多巴胺涂层的PU网膜；d.PU凝胶复合物(横截面)；e.具有纳米银涂层的PU网膜，颗粒是纳米银颗粒；F.INCA测试示出涂覆在PU网膜表面上的纳米银。

图4是在PP(A和C)和NSPU(B和D)网膜表面上粘附的细菌金黄色葡萄球菌(A和B)和大肠杆菌(C和D)的扫描电子显微照片。

图5是NSPU和PP网膜表面上粘附的细菌密度的图示。其中，值表示为平均值±SD。*P<0.05。

图6是手术安置PP和NSPU之后的外观照片。(A)和(B)显示手术安置PP之后(A)和4周后(B)大鼠腹壁缺损的照片，(C)显示手术安置PP的4周后从内脏侧观察的修复部位处腹腔粘连情况(网膜粘连，由箭头示出)；(D)和(E)显示手术安置NSPU之后(D)和4周后(E)大鼠腹壁缺损的照片，(F)显示手术安置NSPU的4周后从内脏侧观察的修复部位处腹腔粘连情况(无粘连)。

图7是在植入4周后根据H&E染色的PP(A)和NSPU(B)的代表性植入部分的图像。植入纤维用“×”标记。异物巨细胞通过箭头标记。成纤维细胞的掺入或胶原的沉积用“*”标记。

图8是在手术后4周的试验制品中的CD3、CCR7和CD163的免疫组织化学染色的代表性图像。

图9是在4周时量化PP和NSPU中的CD3、CCR7和CD163阳性细胞的组织形态学分析的示意图。值表示为平均值±SD。NS，不显著，*P<0.05。

图10是来自植入NSPH网膜的大鼠的H+E染色的切片的图像。A：脑，B：肾，C：肝，D：心脏，E：脾脏，以及F：睾丸。所有切片均未观察到任何异常。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图对本发明所述的聚氨酯补片及其制备方法做进一步的说明。

现参照图1和图2。图1示出了本发明的一个优选实施方案的制备流程图。该优选实施方案构建了聚氨酯网膜的双功能表面，其具有抗感染的纳米银，并浸渍有PEG/明胶水凝胶以防止粘连。如图1和图2所示，与直接使用PU网膜相反，申请人将两个PU网膜分别浸入明胶-MA和PEGda凝胶的溶液中，然后通过应用使明胶-MA-PEGda交联的胶凝工艺而使这两个PU网膜组装在一起。明胶-MA和PEGda凝胶均具有良好的生物相容性，PEG在内侧以用于防粘连，而明胶-MA在外侧以用于宿主组织和网膜的整合。然后，将组装的PU网膜浸入多巴胺溶液，随后在将其浸入硝酸银溶液中，以实现在PU网膜的表面上原位形成纳米银。实验表明，这种PU网膜同时实现了抗微生物性、生物相容性和组织整合性，同时避免了组织粘连的形成，可有效用于腹疝修复术。

实施例

实验材料：

二甲基甲酰胺(DMF)，明胶(产品编号42043)，甲基丙烯酸酸酐(MA)，聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGda，M_w＝780)，过硫酸铵(APS)，N,N,N',N'-四甲基乙烷二胺(TEMED)，多巴胺和AgNO₃均购自Sigma-Aldrich。所有的化学品并未进行进一步纯化。磷酸盐缓冲盐水(PBS)购自BeyotimeBiotechnology Inc(China)。聚氨酯(M_w约50万，医用)购自SKC Korea。大肠杆菌DH5(ATCC#：6538)和金黄色葡萄球菌(ATTC#：25923)均得自第三军医大学的微生物系。PP网膜(市售，SurgiproTM单丝聚丙烯网片疝气补片SPMM-35，美国柯惠医疗公司(Covidien)产品)。

实施例1：PU纳米纤维网膜的制备

首先，将750mg聚氨酯(PU)溶解在5ml的DMF中。溶解后，将溶液置于安装有注射泵(PH 2000Infusion)的10ml注射器中。然后来自高压(20KV)电源(GAMMA，High Voltage Research)的正极铅经由鳄鱼夹连接至针。在另一侧，使用一块15*15cm的不锈钢网膜来收集聚氨酯纳米纤维。从针到网膜的距离为15cm。铁纱布接地以保证安全。PU溶液的泵率设为1ml/h。

实施例2：甲基丙烯酸酯化的明胶的制备(MA-G)

将1g明胶在50℃下溶解于10ml的PBS溶液中；然后，将1ml的甲基丙烯酸酸酐添加至明胶溶液中，并在50℃下在搅拌下反应1小时。然后通过用双蒸水透析3天并冻干，得到产物MA-G。

实施例3：纳米银涂覆的，水凝胶浸渍的聚氨酯网膜的制备

一个3*3cm的厚度50μm的PU膜浸渍于100μl MA-明胶(50mg/ml)和4μl的APS(200mg/ml)的溶液中，持续15秒，另一个PU膜浸渍于100μl的PEGda(200mg/ml)和0.5μ1的TEMED的溶液中，持续15秒。然后，将一片PU纳米网膜叠置在另一片上；PEGda和MA-明胶在APS和TEMED的催化下胶凝，将两种PU网膜胶粘在一起。然后，将PU网膜浸渍于多巴胺溶液(在10mM的Tris中的2mg/ml，pH 8.5)中，持续12小时。最后，将网膜再在AgNO₃溶液(1mg/ml)中浸渍16小时，以得到本发明的纳米银涂覆的，聚乙二醇(PEG)酯和明胶水凝胶浸渍的聚氨酯(NSPU)网膜。在用于腹疝修复的体内试验中，将网膜的PEG侧用作内侧，明胶侧用作外侧。

实施例4：网膜的SEM表面表征

通过使用JEOL-5900扫描电子显微镜观察了以下样品：a.实施例1制备的PU电纺丝纤维；b.实施例3的制备过程中凝胶组装后无多巴胺和纳米银涂层的PU网膜；c.实施例3的制备过程中仅具有多巴胺涂层的PU网膜；d.实施例3的制备过程中胶凝后的PU凝胶复合物(横截面)；e.实施例3制备的NSPU网膜，其中颗粒是纳米银颗粒。为了制备用于SEM观察的样品，对于用于SEM观察的网膜都用金涂覆以使样品导电。

在图3中，(a)显示PU电纺丝纤维的SEM图像，这些PU电纺丝纤维使得PU网膜成为用于涂覆的多孔膜。(b)显示在用水凝胶进行组装之后，得到水凝胶浸渍的聚氨酯网膜。(d)显示本发明的PU-凝胶复合物紧紧组装在一起。(c)示出了仅涂覆有多巴胺的水凝胶浸渍的聚氨酯网膜，涂覆的多巴胺用于银离子的还原，然后纳米银可以形成在网膜表面上，如(e)所示。(f)也同样表明银纳米颗粒已经被均匀涂覆在网膜表面上。

实施例5：细胞粘附实验

细菌感染是植入腹疝修复补片遇到的主要临床问题之一。通过体外测定细菌对材料表面的粘附，可以评估腹疝修复补片的细菌感染风险。通常用SEM来确定生物材料的细菌粘附性质。因此，在本实施例中，使用SEM(使用JEOL-5900扫描电子显微镜)来评估材料表面上粘附的细菌的密度和形态。本文使用代表革兰氏阳性菌的金黄色葡萄球菌(S.aureus)和革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli)。

金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养以及SEM检测

金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)在37℃下的LB肉汤(含有10g/l的胰蛋白胨，5g/l的酵母提取物和10g/l的NaCl)中进行培养。该细菌在培养16小时后收获。以1300×g离心10分钟后，收集细菌沉淀，用于PBS洗涤，最后使它们以1×10⁸CFU/ml的浓度再悬浮在PBS中。然后将1ml细菌悬浮液滴到置于24孔板中的PP膜或NSPU膜(如实施例3所制备的)上，以在37℃温育1小时。将样品用PBS洗涤三次用于SEM观察。依据SEM图像，在不同位置对细菌计数，每个区域具有10×10m²的面积。从至少五个不同的SEM图像的平均值得到对各个样品定量。

结论

图4示出了两种网膜上两种细菌的各自SEM图像。发现在NSPU表面上的金黄色葡萄球菌的密度(1.4±1.1×10⁶细胞/cm²)显著低于PP网膜表面(7±2.8×10⁶细胞/cm²，图5，P<0.05)。PP上的大肠杆菌的密度为0.6±0.19×10⁶细胞/cm²，然而，在NSPU表面上几乎没有发现大肠杆菌(0细胞/cm²，如图5所示)。这种趋势与金黄色葡萄球菌类似。

发明人认为，这部分是由于PEG衍生的聚合物能有效地排斥大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。此外，材料上涂覆的纳米银也同样抑制了细菌。在针对金黄色葡萄球菌方面，与市售PP膜相比，本发明的NSPU将所粘附的细菌密度降低到PP膜的约1/6。在针对大肠杆菌方面，本发明的NSPU几乎没有发现大肠杆菌。因此，本实施例显示了本发明的NSPU相比于市售PP网膜，显著抑制了细菌粘附。

实施例6：动物实验和组织学分析

动物实验模型

使用大鼠腹腔疝模型研究了本发明的NSPU网膜(如实施例3所制备)和对照的PP网膜(市售)的组织生物相容性。将12只雄性Sprague–Dawley大鼠(200-250g)分别置于笼中。根据美国国立卫生研究院的指导并且在重庆市实验动物管理委员会的批准下进行所有过程。大鼠用0.1g/kg的剂量的3％戊巴比妥麻醉。在剃毛和消毒之后，创建一个3.0cm*2.0cm尺寸的下腹壁全厚筋膜缺损。然后，用3.5cm×2.5cm的网膜覆盖缺损并使用非再吸收的5-0单丝尼龙缝线在无张力下固定。4周后处死大鼠。进行U形开腹手术来评价腹膜内粘连。

根据以下所汇报的标准获得各个大鼠的分数：0，无粘连；1，薄粘连，通过钝性分离可容易分开；2，确定的局部粘连；3，确定的多个内脏粘连；和4，延伸至腹壁的紧密粘连(参见H.Y.Zhou,J.Zhang,R.L.Yan,Q.Wang,L.Y.Fan,Q.Zhang,W.J.Wang和Z.Q.Hu,Ann.Surg.,2011,253,1033-1041.和E.Ersoy,J.Surg.Res.,2008,147,148–152.)。

收集来自植入区域的天然组织包围的移出移植物，以及脑、肾、肝、心脏、脾脏和睾丸样品，用于随后的组织学评估。

组织学和免疫组织化学实验

将以上取得的组织样品固定在4％的多聚甲醛中，然后包埋在石蜡中，并切成5μm厚的切片。切片进行苏木精-伊红(H&E)染色以评估形态学。

为了评估修复部位的炎症反应和新生血管，针对CD3(淋巴细胞)(1:200稀释，Abcam)，CCR7(M1表型巨噬细胞)(1:250稀释，Abcam)，CD163(M2表型巨噬细胞)(1:400稀释，Santa)，CD31(新内膜细胞)(1:400稀释，Santa)，分别通过免疫组织化学检测处理切片。根据先前的报道(H.Y.Zhou,J.Zhang,R.L.Yan,Q.Wang,L.Y.Fan,Q.Zhang,W.J.Wang和Z.Q.Hu,Ann.Surg.,2011,253,1033-1041，其公开内容通过引用并入本文)对每个样品进行定量分析。

此外，如B.N.Brown,Biomaterials,2009,30,1482-1491(其公开内容通过引用并入本文)所述，计算M1与M2细胞的比率：M1：M2(CCR7：CD163)＝CCR7+阳性细胞/CD163+阳性细胞，值>1.0表示M1细胞占优势，且值<1.0表示M2细胞占优势。

统计分析

基于方差的单向分析计算两组之间的显著差异，具有95％的置信区间且p<0.05被认为是统计学显著的。

网膜的宏观组织相容性

在所操作的12只动物中，所有动物都具有正常的术后恢复，没有大鼠发生伤口感染或伤口开裂。NSPU和PP网膜均显示部分可见，并在手术后在高达4周中在植入的腹壁中未观察到疝或瘘管。在植入筋膜缺损界面的网膜被完全整合到邻近的腹壁组织中(图6，B和E)。NSPU组无任何显著的粘连(图6，F)。然而，PP网膜组的所有六个动物均显示不同程度的粘连，包括网膜(omentum)，小肠或大肠(图6，C)。使用以上描述的粘连评分标准，NSPU组的粘连分数为0，其显著低于PP组的值(2.6±1.1)。

病理学与宿主反应

此外，为了评估体内的宿主反应，将NSPU网膜植入大鼠腹部疝模型4周后，移出具有少量周围组织(大约2mm)的材料用于组织学分析。PP网膜作为对照。H&E染色(图7)表明，NSPU中发生了具有比PP组更少的炎症细胞浸润的轻度炎症反应。此外，在NSPU上检测到比PP上更有序的胶原沉积。这表明，在用NSPU修复之后在大鼠中存在更显著的组织再生和重塑。而在PP修复的大鼠中，更明显地观察到成纤维细胞掺入网膜中，而不是促进重塑和再生组织。实验和对照网膜显示相似地存在异物巨细胞。

免疫组织化学分析

为了进一步量化淋巴细胞和巨噬细胞中的宿主反应(图8和9)，我们对CD3(淋巴细胞)、CCR7(M1型巨噬细胞)和CD163(M2型巨噬细胞)进行了免疫化学检测。计算了M1与M2细胞的百分比的比率。基于受体表达和细胞因子与效应分子的生产表征巨噬细胞的M1或M2表型。这些细胞在确定免疫耐受或免疫排斥功能方面起到关键作用。通常，M1型巨噬细胞产生高水平的诱导型氧化氮合成酶(iNOS)并分泌有毒的活性氧，导致致密结缔组织和/或瘢痕的沉积。M2型巨噬细胞在精氨酸的地方产生精氨酸酶(ARG)，随后产生鸟氨酸和多胺，参与并促进组织修复和再生。

结果表明，在NSPU中CD3、CCR7(M1表型巨噬细胞)、CD163(M2表型巨噬细胞)的表达(CD3+42.1±7.5，CCR7+20.8±6.2和CD163+48.7±6.1细胞/mm²)均显著低于PP(CD3+87.5±9.6，CCR7+34.3±5.8和CD163+50.4±8.8细胞/mm²，P<0.05)。注意到，在NSPU中的M1/M2细胞比率(0.43)也低于PP中(0.68)。先前的研究报道，M1/M2的比率可能比细胞的绝对数量更重要，因为M1/M2的比率与重塑结果有明确的相关性(B.N.Brown,Biomaterials,2009,30,1482-1491；以及X.Fan,Y.Wang,Y.Wang and H.Xu,International Urogynecology Journal,2014,25,683-689)^25,39。

结果表明，NSPU网膜的植入触发的严重炎症反应比PP植入少得多。这可以归因于水凝胶膜的良好生物相容性与纳米银离子的抗菌性质的综合效果。

纳米银对生物体的副作用研究

为了研究纳米银本身相对于模型生物可能的负面影响，我们收集了来自所有主要器官的样品以进行组织学分析。值得注意的是，没有观察到异常(图10)，表明本申请的补片没有对主要器官产生任何副作用。

综上，本发明制造了一种用于疝修复的纳米银涂覆的，聚乙二醇(PEG)水凝胶浸渍的聚氨酯(NSPU)网膜。纳米银赋予网膜表面抗炎症和抗感染的性质。PEG/明胶水凝胶显著降低体内腹部的术后粘连，并提供了生物相容性；同时，柔性PU还提供必要的机械支持。此外，这种复合修复材料还显示在植入后，从病理学研究中观察到在植入筋膜缺损界面的网膜被完全整合到邻近的腹壁组织中，并且没有对主要器官产生任何副作用。

以上所述实施例仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定。本领域技术人员能够对以上实施方案中的任何技术特征进行任意组合，而没有脱离本发明的精神和范围。同时，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。