一种双层骨修复膜材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种双层骨修复膜材料的制备方法，属于生物材料领域，具体涉及一种以可降解脂肪族聚酯所形成的纤维作为主要基体材料并加载抗菌药物的外层膜和加载促成骨物质的内层膜复合而成的双层骨修复膜材料及其制备方法。

背景技术：

骨缺损是临床上非常常见的创伤，骨的修复过程是非常漫长的，它主要包括血肿和炎症期、初始骨痂反应期、软骨形成期以及骨形成及改建期。在骨修复过程中细胞分泌多种生长因子以不同时序发挥作用，保证骨缺损的修复。

在临床上，当骨缺损发生时，最好的办法是进行骨移植，主要包括自体骨移植，同种异体骨移植以及非组织修补术等，其中对骨缺损修复效果最好的是自体骨移植。但是，自体骨取用过多会给患者带来新的创伤及并发症；同种异体骨移植可以克服部分自体骨移植带来的问题，但是会受到供体来源、移植时组织状况以及免疫原性等的限制；非组织修补术通常用于关节替代手术，主要问题就是不能跟周围的组织整合进而形成感染的病灶。对于骨缺损或者组织缺损，理想的解决办法就是要克服以上三个方面的问题。生物材料领域为解决这一问题提供了潜在的选择。

作为一个理想的骨修复支架材料，需要满足以下四个方面的要求：

(1)具有生物相容性、骨传导性、骨诱导性，能够为正常的细胞活动提供支持；

(2)可生物降解性，能够为新组织的长入提供空间并逐渐被新组织取代；

(3)一定的力学性能，能承受手术操作过程以及骨生长过程中的应力；

(4)连贯多孔结构，为新组织的生成运输营养物质和废物。

静电纺丝技术是一种制备纳米纤维的简单通用方法，由于其药物加载方式简单易行，在静电纺丝过程中可以将不同的药物容易的加载到纤维中，另外，药物在载入纤维中后不会发生性能变化，仍能保持其性能，可以用来预防术后感染或促进骨的生成。因此，静电纺丝制备的纳米纤维载药膜具有良好的临床应用前景。同时骨缺损处多种生长因子缺乏或是活性不足是影响骨再生的重要原因，因此，研究一种既可以抗菌消炎又可以促进骨修复的生物材料是十分重要的。同时，由于抗感染药物主要作用于发炎的周围组织，而促成骨物质则需直接作用于骨骼。为了提高药物的利用率，使用双层膜结构来分别加载这两种药物是一种很有效的方法。

本专利中涉及的促成骨物质主要指羟基磷灰石、氧化石墨烯、碳纳米管、磷酸三钙、淫羊藿苷；生物玻璃包括有45s5、磷灰石-硅灰石活性玻璃、可切削生物活性玻璃；生长因子如骨形态发生蛋白(bmp)、成纤维细胞生长因子(fgf)、转化生长因子(tgf-β)、血小板衍生生长因子(pdgf)、血管内皮细胞生长因子(vegf)和胰岛素样生长因子(igf)。其中，生物玻璃是指由sio2，na2o，cao和p2o5等基本成分组成的硅酸盐玻璃。它具有良好的生物相容性，可以与骨组织紧密结合。由于其良好的促成骨性能和优良的加工性能，生物玻璃在修复骨缺损方面有着广阔的前景。然而，生物玻璃材料本身较硬脆，因此不适合独立作为支架诱导骨再生。通过静电纺丝技术将生物玻璃作为促成骨因子混入纤维中，可以有效的规避这个问题。同时，生物玻璃的加入也可以有效的改善纤维膜的机械性能，大大扩展了材料的应用范围。生长因子是指一类通过与特异的、高亲和的细胞膜受体结合，调节细胞生长与其他细胞功能等多效应的多肽类物质。生长因子对不同种类细胞具有一定的专一性，具有促成骨作用的生长因子可以促进生成大量的成骨细胞、抑制破骨细胞。在治疗骨质疏松、股骨头坏死、关节炎、风湿病和因钙缺乏导致的疾病方面具有很好的效果。

由于材料植入过程中的感染而引起的发炎主要发生在材料周围的组织中，而促成骨物质则要作用骨组织，二者的作用位置并不相同。为了提高药物的利用效率，提高治疗效果，可以将两种药物添加到不同的两层膜中。内层膜贴近骨骼，添加促进骨生成物质；外层膜贴近组织，添加抑菌药物。由于两层膜成分相近，因此可以较为紧密的结合在一起，不易脱落或分离。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双层骨修复膜材料的制备方法，实现抗菌药物和促成骨药物的定向释放，可以促进骨缺损修复，不必二次手术，还可抑制缺损发生后易发生的细菌性感染及炎症。

双层骨修复膜材料，其特征是：以具有生物相容性的可降解脂肪族聚酯及天然可降解聚合物作为基体材料，具有多孔结构；材料中含有两层紧密结合的膜，并在内层膜中添加促成骨成分，外层膜添加抗菌药物，其中：

外层膜以可降解脂肪族聚酯及可降解天然高分子的混合物作为基体材料，其中可降解脂肪族聚酯与可降解天然高分子的质量比为10/90-50/50，抗菌药物质量与基体材料即可降解脂肪族聚酯和可降解天然高分子的总质量之比为1/100-30/100，内层膜以可降解脂肪族聚酯及可降解天然高分子的混合物作为基体材料，其中可降解脂肪族聚酯与可降解天然高分子的质量比为50/50-90/10，促成骨物质的质量与基体材料即可降解脂肪族聚酯和可降解天然高分子的总质量之比为1/100-40/100，含有多载药缓释系统骨修复材料的结构特征为具有多孔结构，平均搭桥孔径为2-6μm。

进一步，该材料由两层紧密结合的膜组成；内层膜贴近骨组织，添加有促成骨物质；外层膜贴近组织，含有抑菌药物。

进一步，可降解合成高分子包括：聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸-己内酯共聚物、聚乳酸-羟基乙酸-己内酯共聚物其中的一种或两种以上的混合物；可降解天然高分子材料包括：i型胶原、明胶、壳聚糖、淀粉、纤维素、弹性蛋白中的一种或两种以上的混合物。

进一步，载入外层膜基体的药物a包含青霉素类、头孢霉素类、四环素类、氯霉素类、大环内脂类、林可霉素、氟喹诺酮类、硝基咪唑类、多肽类及季铵盐类抗菌药；载入内层膜基体的促成骨物质b羟基磷灰石、氧化石墨烯、碳纳米管、磷酸三钙、淫羊藿苷；生物玻璃包括有45s5、磷灰石-硅灰石活性玻璃、可切削生物活性玻璃；生长因子包括骨形态发生蛋白bmp、成纤维细胞生长因子fgf、转化生长因子tgf-β、血小板衍生生长因子pdgf、血管内皮细胞生长因子vegf和胰岛素样生长因子igf。

进一步，通过调节膜材料双层膜结构的内外层基体材料组成来控制膜材料的降解速度；外层膜在抑制骨缺损发生后初期易出现的细菌性感染及炎症之后，降解完全；内层膜则将为骨修复全程提供促成骨物质，直至骨修复完成后再行完全降解。

所述的双层骨修复膜材料制备方法有如下步骤：

(1)将可降解脂肪族聚酯溶于有机溶剂中，烘箱中静置0.5-1h，得到可降解脂肪族聚酯质量浓度为0.04-0.4g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入可降解天然高分子，室温磁力搅拌6-12h，得到可降解脂肪族聚酯质量浓度为0.04-0.4g/ml的溶液b，溶液b中可降解脂肪族聚酯与可降解天然高分子的质量比为10/90-50/50；

(3)向溶液b中加入抗菌药物1，室温磁力搅拌6-12h，得到可降解天然高分子浓度为0.04-0.4g/ml的溶液c，溶液c中抗菌药物1与可降解脂肪族聚酯和可降解天然高分子总质量的比为1/100-30/100。

(4)将可降解脂肪族聚酯溶于有机溶剂中，烘箱中静置0.5-1h，得到可降解脂肪族聚酯质量浓度为0.04-0.4g/ml的溶液d；

(5)d溶液中加入可降解天然高分子，室温磁力搅拌6-12h，得到可降解脂肪族聚酯质量浓度为0.04-0.4g/ml的溶液e，溶液e中可降解脂肪族聚酯与可降解天然高分子的质量比为50/50-90/10；

(6)向溶液e中加入促成骨物质2中的一种或多种，室温磁力搅拌6-12h，得到可降解天然高分子浓度为0.04-0.4g/ml的溶液f，溶液f中促成骨物质2的总质量与可降解脂肪族聚酯和可降解天然高分子总质量的比为1/100-40/100。

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为100-600rpm，纺丝液流动速率为0.5-3ml/h，电压7-30kv，接收距离8-30cm，纺丝0.5-30h，得到厚度50-200μm的电纺丝纤维膜；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为100-600rpm，纺丝液流动速率为0.5-3ml/h，电压7-30kv，接收距离8-30cm，纺丝0.5-30h，得到厚度250-500μm的静电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置2-7天，包装消毒。

本发明采用静电纺丝的方法制备纳米纤维，但是本发明不限于静电纺丝，溶液浇注、3d打印等制备的材料以及水凝胶等都适用于本发明。

附图说明

图1为双层骨修复膜材料示意图；

图2为实施例1的双层骨修复膜材料的电镜图片；

图3为实施例1-6的双层骨修复膜材料的抑菌圈照片，模型菌为金黄色葡萄球菌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)取4g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.2g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入4g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚己内酯与明胶的质量比为50/50；

(3)向溶液b中加入0.08g抗菌药物环丙沙星，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中环丙沙星与聚己内酯和明胶总质量的比为1/100；

(4)取7.2g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.36/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入0.8g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚己内酯与明胶的质量比为90/10；

(6)向溶液e中加入0.08g促成骨物质45s5生物玻璃，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中生物玻璃与聚己内酯和明胶总质量的比为1/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置2天，包装消毒。

实施例2

(1)取0.8g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.04g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入7.2g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚己内酯与明胶的质量比为10/90；

(3)向溶液b中加入2.4g抗菌药物环丙沙星，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中环丙沙星与聚己内酯和明胶总质量的比为30/100；

(4)取4g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.2/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入4g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚己内酯与明胶的质量比为50/50；

(6)向溶液e中加入3.2g促成骨物质45s5生物玻璃，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中生物玻璃与聚己内酯和明胶总质量的比为40/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置2天，包装消毒。

实施例3

(1)取0.8g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.04g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入7.2g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚己内酯与明胶的质量比为10/90；

(3)向溶液b中加入0.08g抗菌药物环丙沙星，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中环丙沙星与聚己内酯和明胶总质量的比为1/100；

(4)取7.2g的聚己内酯，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚己内酯质量浓度为0.36/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入0.8g的明胶，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚己内酯与明胶的质量比为90/10；

(6)向溶液e中加入3.2g促成骨物质生物玻璃，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中生物玻璃与聚己内酯和明胶总质量的比为40/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置2天，包装消毒。

实施例4

(1)取4g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.2g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入4g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚乳酸与壳聚糖的质量比为50/50；

(3)向溶液b中加入0.08g抗菌药物甲硝唑，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中甲硝唑与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为1/100；

(4)取7.2g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.36/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入0.8g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚乳酸与壳聚糖的质量比为90/10；

(6)向溶液e中加入0.08g促成骨物质磷酸三钙，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中磷酸三钙与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为1/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置3天，包装消毒。

实施例5

(1)取0.8g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.04g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入7.2g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚乳酸与壳聚糖的质量比为10/90；

(3)向溶液b中加入2.4g抗菌药物甲硝唑，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中甲硝唑与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为30/100；

(4)取4g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.2/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入4g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚乳酸与壳聚糖的质量比为50/50；

(6)向溶液e中加入3.2g促成骨物质磷酸三钙，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中磷酸三钙与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为40/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

(9)静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置3天，包装消毒。

实施例6

(1)取0.8g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.04g/ml的溶液a；

(2)向a溶液中加入7.2g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液b，溶液b中聚乳酸与壳聚糖的质量比为10/90；

(3)向溶液b中加入0.08g抗菌药物甲硝唑，室温磁力搅拌6h，得到溶液c，溶液c中甲硝唑与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为1/100；

(4)取7.2g的聚乳酸，加入20ml三氟乙醇溶剂中，在烘箱中静置1h，得到聚乳酸质量浓度为0.36/ml的溶液d；

(5)向d溶液中加入0.8g的壳聚糖，室温磁力搅拌12h，得到溶液e，溶液e中聚乳酸与壳聚糖的质量比为90/10；

(6)向溶液e中加入3.2g促成骨物质磷酸三钙，室温磁力搅拌6h，得到溶液f，溶液f中磷酸三钙与聚乳酸和壳聚糖总质量的比为40/100；

(7)用溶液c进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h；

(8)用溶液f进行静电纺丝，以步骤(7)中带有纤维膜的以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2.5ml/h，电压28kv，接收距离10cm，纺丝8h，得到电纺丝纤维膜；

静电纺丝结束后，将纺丝膜在通风橱中室温放置3天，包装消毒。