一种负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的制作方法

本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜及其制备方法。

背景技术：

因创伤、肿瘤等造成的骨缺损病成为目前临床上的常见病，目前利用组织工程修复骨缺损已成为一种热点，而用于骨组织缺损修复的组织工程支架材料多集中在采用生物高分子材料复合陶瓷颗粒的复合物，但单纯的复合材料存在生物活性低下的问题，通过负载生长因子使复合组织工程材料获得较高的活性是目前组织工程的研究方向之一；

目前，负载生长因子的组织修复材料受到广泛研究，生长因子的负载具有调节组织细胞生长、增殖和分化的作用进而促进损伤组织的修复；然而生长因子存在半衰期短和易降解的生理特性，所以在组织工程材料中引入生长因子时需要考虑对生长因子的活性保护和释放量的控制；

目前负载生长因子生物材料主要以能形成水凝胶的生物高分子材料为主，负载方式包括直接混合包覆、以及通过层层自组装、静电纺丝等技术将生长因子嵌入凝胶材料中，而通常水溶性的凝胶分子的机械强度差，且为了提高生长因子的负载量以及缓释行为等常需要添加额外的化学试剂，包括增强机械强度的无机填料、致孔剂、消泡剂、有机溶剂等，而化学物质的添加不可避免的会对生长因子的活性造成影响。

有研究表明羟基磷灰石/聚乳酸类支架材料综合了聚乳酸的可降解性和生物相容性，以及羟基磷灰石的骨传导性及弱碱性，因而是骨组织工程支架材料研究的热点；但由于羟基磷灰石的易脆性以及在聚乳酸中的分散性差的问题造成获得支架材料的力学性能差且降解性有待提高，使负载生长因子的释放速度难以控制；并且由于化学试剂的添加，负载生长因子的过程中会影响生长因子的活性和稳定性。

细菌纤维素是一种天然的具有三维纳米网络结构的高分子化合物，作为一种优良的纳米生物材料具有较大的比表面积、高亲水性和良好的透气保水性，且具有良好的生物相容性和生物可降解性，作为生长因子的负载载体与高分子缓释材料结合可以将生长因子以适当的浓度和持续时间释放出来。同时其作为一种纳米纤维具有致密的结构，与生物陶瓷复合可有效提高生物陶瓷的机械强度，扩大了生物陶瓷在骨修复材料中的应用范围。

因此，本发明以细菌纤维素作为生长因子的载体，同时采用静电纺丝技术在其表面负载生物陶瓷与高分子材料复合的纳米纤维层获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜，复合膜结构紧密，能负载促骨修复生长因子，且能有效保持生长因子的活性和控制生长因子的缓释速度，在骨修复支架材料领域具有广泛的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜，该复合膜具有良好的生物相容性，且能有效保持骨修复生长因子的生物活性，应用于骨缺损组织的修复材料，解决了骨修复生物陶瓷膜机械强度差的问题；同时复合膜能有效的控制生长因子的释放速度，解决了目前负载生长因子的骨组织修复材料中生长因子易失活以及负载量和释放速度难以控制的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜，其特征在于，所述的复合膜是以细菌纤维素膜为基体，采用凝胶沉积包覆的形式在其表面负载生长因子，而后采用静电纺丝技术在其表面包覆生物陶瓷膜获得；其制备方法包括以下步骤：

(1)载生长因子细菌纤维素膜的制备

将具有细菌纤维素生产能力的微生物活化菌种接种至鸡蛋液发酵培养基中，发酵培养后取出发酵液上层的细菌纤维素膜，用温水洗涤至洗涤液呈中性，将生长因子的蛋白溶液喷洒于细菌纤维素膜表面，而后将细菌纤维素膜浸泡于葡萄糖酸钙溶液中，经减压干燥获得载生长因子的细菌纤维素膜；

(2)负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的制备

21)将聚乳酸分散于有机溶剂中，向其中加入磷酸二正硅酸钙，搅拌均匀，再向其中添加羟基磷灰石的木质素磺酸钙分散液，超声搅拌均匀获得聚乳酸纺丝液；将纺丝液注入注射器中，将步骤(1)中的细菌纤维素膜附着于铝箔上，进行静电纺丝获得包覆生物陶瓷膜的复合膜a；

22)重复步骤21)在细菌纤维素膜的另一面包覆生物陶瓷膜获得复合膜b；

23)将丝素蛋白、木质素过氧化物酶分散于去离子水获得载酶丝素蛋白液；将获得的复合膜b置于模具中，向其中浇注载酶丝素蛋白液后，减压干燥获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜；

优选地，所述的具有细菌纤维素生产能力的微生物为木醋杆菌、木葡糖醋酸杆菌；

优选地，步骤(1)所述的鸡蛋液培养基是由1000g鸡蛋液中加入蔗糖40g、琼脂15g、磷酸氢二钾2g获得的发酵培养基；所述的鸡蛋液为蛋清和蛋黄混合液；

优选地，步骤(1)所述的蛋白溶液为丝素蛋白溶液；所述的生长因子与丝素蛋白的重量比为0.01-0.05∶1，所述的生长因子在细菌纤维素膜表面的负载量为0.001-0.005g/cm²；所述的葡萄糖酸钙的质量百分浓度为1-3wt％；

进一步地，所述的生长因子为骨修复蛋白生长因子；

优选地，步骤21)中所述的有机溶剂为乙醇、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃中的两种以上；

优选地，步骤21)中所述的聚乳酸、磷酸二正硅酸钙、羟基磷灰石的重量比为10∶3-5∶1-2，所述的羟基磷灰石和木质素磺酸钙的重量比为1∶1；

优选地，步骤23)中所述的丝素蛋白、木质素过氧化物酶的重量比为10∶0.1-1；

进一步地，所述的木质素过氧化物酶来源于白腐真菌的菌丝分泌物；

优选地，所述的静电纺丝的参数为，聚乳酸纺丝液中的聚乳酸的浓度为20-50wt％，纺丝电压15-20kv，纺丝液接收距离20-30cm，纺丝液流出速度0.5-1ml/h。

本发明所述的负载生长因子细菌纤维/生物陶瓷复合膜可应用于制作组织工程支架以及用于医用创面敷料；可针对具体的修复组织负载不同类型的促组织修复的生长因子或者药物。

本发明的有益效果是：

本发明的细菌纤维素/生物陶瓷膜由内层的负载生长因子的细菌纤维素膜和包裹于外层的采用静电纺丝技术获得的生物陶瓷膜组成，细菌纤维素膜和生物陶瓷膜均具有纳米纤维结构，用于组织修复材料，与受损组织的细胞环境有充足的接触空间；同时，其具有良好的保持生长因子活性的作用，且能通过控制复合膜的降解速度控制生长因子的释放速度，在促进组织分裂和细胞再生等组织修复方面有良好的应用价值；

本发明以细菌纤维素作为生长因子的直接载体，细菌纤维素作为一种天然的具网状结构的纳米纤维，其具有大的比表面积，为生长因子的附着提供充足的位点，且生长因子包裹于蛋白凝胶中，提高了生长因子的存在稳定性，保持了活性，且凝胶的多孔结构为生长因子的释放提供缓释环境，本发明中蛋白凝胶球以葡萄糖酸钙作为盐析剂，形成包覆生长因子的蛋白凝胶；葡萄糖酸钙中的钙离子能改善细胞膜的通透性，增加毛细管的致密性，同时钙离子在促进骨骼与牙齿的钙化形成方面发挥重要作用；葡萄酸钙中含有大量的羟基与细菌纤维素表面的羟基以化学键或氢键的形式结合，提高了负载生长因子的蛋白凝胶在纤维素表面的粘附稳定性；

本发明的生物陶瓷膜是以聚乳酸作为主体，向其中添加生物陶瓷磷酸二正硅酸钙、羟基磷灰石采用静电纺丝技术制备获得，聚乳酸作为一种疏水性的高分子材料，表面多羟基的亲水性的羟基磷灰石在聚乳酸中的分散相容性差，而通过添加木质素磺酸钙作为分散剂提高羟基磷灰石在基体中的分散性，同时提高了生物陶瓷膜的机械强度；磷酸二正硅酸钙的添加降低了羟基磷灰石的添加量，同时提高了基体各组分之间的相容性，为后期的纺丝工艺提供了易于纺丝的均质纺丝液，利于纺丝的进行；

另外，生物陶瓷膜中的磷酸二正硅酸钙与羟基磷灰石的比例决定了膜的降解速速，磷酸二正硅酸钙与羟基磷灰石的比例越高，膜结构的降解速度越快，反之越慢，通过控制磷酸二正硅酸钙与羟基磷灰石的比例可以控制生长因子的释放速度；

本发明中还添加了分解木质素磺酸钙的酶木质素过氧化物酶，其在人体体液温度范围内具有分解细菌纤维素和木质素磺酸钙的作用，且分解纤维素以及木质素磺酸钙后形成葡萄糖和硫酸钙等物质，不仅可以激发骨组织细胞分裂还可以为细胞代谢提供营养，促进组织修复；同时，木质素过氧化物酶的添加量也将显著影响复合膜的降解速度，在一定范围内，木质素过氧化物酶的添加量越大，复合膜的降解速度越快，通过控制木质素过氧化物酶的添加量也可控制生长因子的释放速度。

附图说明

图1是本发明制备的负载bmp-2生长因子的细菌纤维素/生物陶瓷膜的bmp-2累积释放曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作具体描述。

实施例1

一种负载生长因子的细菌纤维素膜/生物陶瓷复合膜，其特征在于，所述的复合膜是以细菌纤维素膜为基体，采用凝胶沉积包覆的形式再其表面负载生长因子，而后采用静电纺丝技术在其表面负载生物陶瓷膜获得；其制备方法包括以下步骤：

(1)载生长因子细菌纤维素膜的制备

将木醋杆菌的活化菌种接种至鸡蛋液发酵培养基中，发酵培养4-5天后取出发酵液上层的细菌纤维素膜，水洗后用温水洗涤至洗涤液呈中性，将细菌纤维素膜剪裁为2cm×2cm的大小，待用；其中，鸡蛋液培养基是由1000g鸡蛋液中加入蔗糖40g、琼脂15g、磷酸氢二钾2g获得的发酵培养基；其中鸡蛋液是蛋清和蛋黄混合液；

取1g丝素蛋白分散于去离子水中，向其中加入0.01gbmp-2，超声分散均匀，将丝素蛋白溶液喷洒于细菌纤维素膜表面，而后将细菌纤维素膜浸泡于1wt％葡萄糖酸钙溶液中，而后取出纤维素膜，经减压干燥获得载生长因子的细菌纤维素膜；

(2)负载生长因子的细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的制备

21)将10g聚乳酸分散于二氯甲烷和乙醇(体积比为1∶1)的混合溶剂中，向其中加入3g磷酸二正硅酸钙，搅拌均匀，再向其中添加羟基磷灰石的木质素磺酸钙分散液(其中含有2g羟基磷灰石和2g木质素磺酸钙)，超声搅拌均匀获得20wt％聚乳酸纺丝液；将纺丝液注入注射器中，将步骤1)中的细菌纤维素膜附着于铝箔上，进行静电纺丝获得生物陶瓷膜包覆的复合膜a；

22)重复步骤21)在细菌纤维素膜的另一面包覆生物陶瓷膜获得复合膜b；

23)将10g丝素蛋白、0.1g木质素过氧化物酶分散于去离子水中获得载酶丝素蛋白液；将获得的复合膜b置于模具中，向其中浇注载酶丝素蛋白液后，减压干燥获得载生长因子的细菌纤维素膜/生物陶瓷复合膜；其中木质素过氧化物酶来源于白腐真菌的菌丝分泌物；

其中，所述的静电纺丝的参数为，聚乳酸纺丝液中聚乳酸的浓度为20wt％，纺丝电压为15kv，纺丝液接收距离为20cm，纺丝液流出速度为0.5ml/h。

实施例2

一种负载生长因子的细菌纤维素膜/生物陶瓷复合膜，其特征在于，所述的复合膜是以细菌纤维素膜为基体，采用凝胶沉积包覆的形式再其表面负载生长因子，而后采用静电纺丝技术在其表面负载生物陶瓷膜获得；其制备方法包括以下步骤：

(1)载生长因子细菌纤维素膜的制备

将木醋杆菌的活化菌种接种至鸡蛋液发酵培养基中，发酵培养4-5天后取出发酵液上层的细菌纤维素膜，水洗后用温水洗涤至洗涤液呈中性，将细菌纤维素膜剪裁为4cm×4cm的大小，待用；其中，鸡蛋液培养基是由1000g鸡蛋液中加入蔗糖40g、琼脂15g、磷酸氢二钾2g获得的发酵培养基；其中鸡蛋液是蛋清和蛋黄混合液；

取2g丝素蛋白分散于去离子水中，向其中加入0.06gbmp-2，超声分散均匀，将丝素蛋白溶液喷洒于细菌纤维素膜表面，而后将细菌纤维素膜浸泡于2wt％葡萄糖酸钙溶液中，而后取出纤维素膜，经减压干燥获得载生长因子的细菌纤维素膜；

(2)负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的制备

21)将10g聚乳酸分散于二氯甲烷和乙醇(体积比为1∶1)的混合溶剂中，向其中加入4g磷酸二正硅酸钙，搅拌均匀，再向其中添加羟基磷灰石的木质素磺酸钙分散液(其中含有1.5g羟基磷灰石和1.5g木质素磺酸钙)，超声搅拌均匀获得30wt％聚乳酸纺丝液；将纺丝液注入注射器中，将步骤1)中的细菌纤维素膜附着于铝箔上，进行静电纺丝获得复合膜a；

22)重复步骤21)在细菌纤维素膜的另一面包覆生物陶瓷膜获得复合膜b；

23)将10g丝素蛋白、0.5g木质素过氧化物酶分散于去离子水中获得载酶丝素蛋白液；将获得的复合膜b置于模具中，向其中浇注载酶丝素蛋白液后，减压干燥获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜；其中木质素过氧化物酶来源于白腐真菌的菌丝分泌物；

其中，所述的静电纺丝的参数为，聚乳酸纺丝液中聚乳酸的浓度为30wt％，纺丝电压为15kv，纺丝液接收距离为25cm，纺丝液流出速度为0.5ml/h。

实施例3

一种负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜，其特征在于，所述的复合膜是以细菌纤维素膜为基体，采用凝胶沉积包覆的形式再其表面负载生长因子，而后采用静电纺丝技术在其表面负载生物陶瓷膜获得；其制备方法包括以下步骤：

(1)载生长因子细菌纤维素膜的制备

将木醋杆菌的活化菌种接种至鸡蛋液发酵培养基中，发酵培养4-5天后取出发酵液上层的细菌纤维素膜，水洗后用温水洗涤至洗涤液呈中性，将细菌纤维素膜剪裁为5cm×5cm的大小，待用；其中，鸡蛋液培养基是由1000g鸡蛋液中加入蔗糖40g、琼脂15g、磷酸氢二钾2g获得的发酵培养基；其中鸡蛋液是蛋清和蛋黄混合液；

取2g丝素蛋白分散于去离子水中，向其中加入0.1gbmp-2，超声分散均匀，将丝素蛋白溶液喷洒于细菌纤维素膜表面，而后将细菌纤维素膜浸泡于3wt％葡萄糖酸钙溶液中，而后取出纤维素膜，经减压干燥获得载生长因子细菌纤维素膜；

(2)负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的制备

21)将10g聚乳酸分散于二氯甲烷和乙醇(体积比为1∶1)的混合溶剂中，向其中加入5g磷酸二正硅酸钙，搅拌均匀，再向其中添加羟基磷灰石的木质素磺酸钙分散液(其中含有1g羟基磷灰石和1g木质素磺酸钙)，超声搅拌均匀获得50wt％聚乳酸纺丝液；将纺丝液注入注射器中，将步骤(1)中载生长因子的细菌纤维素膜附着于铝箔上，进行静电纺丝获得包覆生物陶瓷膜的复合膜a；

22)重复步骤21)在载生长因子细菌纤维素膜的另一面包覆生物陶瓷膜获得复合膜b；

23)将10g丝素蛋白、1g木质素过氧化物酶分散于去离子水中获得载酶丝素蛋白液；将获得的复合膜b置于模具中，向其中浇注载酶丝素蛋白液后，减压干燥获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜；其中木质素过氧化物酶来源于白腐真菌的菌丝分泌物；

其中，所述的静电纺丝的参数为，聚乳酸纺丝液中聚乳酸的浓度为50wt％，纺丝电压为20kv，纺丝液接收距离为30cm，纺丝液流出速度为1ml/h。

实施例4

实施例4与实施例3的制备方法相同，不同之处在于在步骤23)中控制木质素过氧化物酶的添加量分别为：在10g丝素蛋白中分别添加0.8g、0.6g、0.4g、0.2g的木质素过氧化物酶；最终分别获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜，依次记为：实施例4-1，实施例4-2，实施例4-3，实施例4-4；

随着木质素过氧化物酶的含量增加，细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的降解速度增大，通过控制酶的添加量，控制负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的降解速度，进而控制生长因子的释放速度。

负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜细胞毒性测试

根据国家标准gb/t14233.3-2005中，mtt法对实施例1-3制备的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜进行细胞毒性测试，实验结果如表1所示。

表1负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷膜的细胞增殖度

由表1可知，本发明实施例1-3制备的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜浓度在0.05-0.3g/ml时，细胞增殖度rgr均大于100％，根据国家标准gb/t14233.3-2005中的规定，说明本发明制备的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的细胞毒性为0级，即本发明的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜无细胞毒性。

生长因子bmp-2的稳定性考察

将本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4-1、实施例4-2、实施例4-3、实施例4-4制备获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜进行密封包装，在-4℃下储存7天后、15天、30天后分别检测复合膜中的生长因子bmp-2的含量，计算负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜中bmp-2的损失量(％)＝(新制备负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜bmp-2的含量-负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜储存一定时间后bmp-2的含量)/新制备负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜bmp-2的含量，计算结果如表2所示。

表2负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜中bmp-2含量的损失量

由表2可知，本发明制备的复合膜在储存30天后，生长因子的损失量低于3％，说明本发明制备的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜具有良好的保持生长因子活性的作用。

生长因子bmp-2的缓释曲线

取本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4-1、实施例4-2、实施例4-3、实施例4-4制备获得负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜剪裁为2cm²，于franz扩散池检测bmp-2的累积释放情况，作累积释放率-时间曲线，结果如图1所示。

由图1可知，本发明实施例1、实施例2、实施例3实施例4-1、实施例4-2、实施例4-3、实施例4-4制备获得负载生长因子bmp-2细菌纤维素/生物陶瓷膜具有bmp-2缓释作用，由实施例1、实施例2、实施例3的曲线可以看出，随时磷酸二正硅酸钙与羟基磷灰石的比例的增加，bmp-2的缓释速度增大；由实施例3、实施例4-1至实施例4-4曲线可以看出，随着木质素过氧化物酶的添加量的降低，bmp-2的缓释速度减小；因此可通过控制磷酸二正硅酸钙与羟基磷灰石的比例以及木质素过氧化物酶的添加量控制负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜的生长因子的释放速度。

综上，本发明制备的负载生长因子细菌纤维素/生物陶瓷复合膜具有良好的保持生长因子活性以及控制生长因子释放速度的性能，可根据受损骨组织部位负载不同类型的生长因子并控制生长因子的释放速度，且其具有良好的生物相容性，无细胞毒性，同时能为细胞增殖提供营养物质，在骨组织修复材料领域具有良好的应用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。