一种电流诱导抗菌骨组织工程支架材料及制备方法与应用

本发明属于生物医用纺织材料，具体涉及一种电流诱导抗菌骨组织工程支架材料及制备方法与应用。

背景技术：

1、骨结核病是由结核杆菌进入骨质并在骨质中生长繁殖、形成病结核灶引起的破坏性病变，并且随着人口老龄化问题的日趋严重，骨结核病患逐渐增多，为医疗系统带来了巨大压力。

2、重症骨结核病症的康复手段主要是手术法，通过手术清除病灶部位的坏死组织，并在清除术后进行骨移植。

3、目前常见的骨移植材料包括自体骨、同种异体骨和合成骨，其中，由于供应受限、免疫排斥、供体部位病发率和疾病传播风险等，自体移植和同种异体移植并不理想；因此，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料在内的多种合成骨被广泛用于骨缺损的康复应用中。

4、羟基磷灰石(ha)是硬组织的主要无机成分，其化学成分和晶体结构与骨的成分十分接近，有较好的骨诱导性和骨传导性，作为一种用于骨缺损修复材料已在临床上得到广泛应用。但ha的机械性能有限，且无抗菌性能。

5、各类骨科手术后发生细菌感染的概率为0.1％-30％，康复中感染会影响骨移植材料的成骨性能，严重时还会诱发关节炎或骨髓炎等并发症。因此，理想的骨移植材料不仅应具有优异的骨诱导能力，还应具备良好的抗菌性能。

技术实现思路

1、解决的技术问题：

2、本技术解决的技术问题是现有骨移植材料供应受限、免疫排斥、供体部位病发率和疾病传播风险，ha的机械性能有限，且无抗菌性能，诱发关节炎或骨髓炎等。针对以上技术问题，首先将pvdf与mxene混纺，之后对纳米纤维膜进行等离子体处理，然后电泳沉积nha，提供了一种具有光热抗菌和骨诱导双重功能的电流诱导抗菌骨组织工程支架材料及制备方法与应用。

3、技术方案：

4、为实现上述目的，本技术通过以下技术方案予以实现：

5、一种电流诱导抗菌骨组织工程支架材料的制备方法，具体包括如下步骤：

6、第一步，配置pvdf/mxene溶液：向dmf和丙酮的混合溶剂中加入mxene粉末，超声分散30-45分钟，分散均匀后加入pvdf粉末，加热搅拌至完全溶解，得到混合溶液；

7、第二步，静电纺丝pvdf/mxene复合纳米纤维：将第一步的混合溶液通过静电纺丝制成

8、pvdf/mxene复合纳米纤维；

9、第三步，等离子体处理pvdf/mxene复合纳米纤维：将第二步的pvdf/mxene复合纳米纤维膜置于含o2的等离子体处理机中进行表面改性，得到pvdf/mxene支架；

10、第四步，pvdf/mxene支架表面电泳沉积nha：使用三电极电池将nha晶体沉积在

11、pvdf/mxene支架上，即得电流诱导抗菌骨组织工程支架材料。

12、进一步地，所述第一步中pvdf粉末与mxene粉末的质量比为(80-140)：(1-4)。

13、进一步地，所述第二步中静电纺丝参数为环境温度18-20℃，纺丝电压为12-18kv，接收距离为5-20cm，挤出速率为0.60-0.80ml/h。

14、进一步地，所述第三步中改性功率为300-360w，等离子体处理时间为100-160s。

15、进一步地，所述第四步中沉积时间为20-50min。

16、进一步地，所述第一步dmf和丙酮的混合溶剂中dmf与丙酮质量比为3:2，搅拌温度为60℃；mxene粉末的质量占mxene+pvdf+dmf+丙酮的质量之和的0.1-0.4％。

17、进一步地，所述第一步加热温度为50-60℃，搅拌速度为300-800rpm，搅拌时间为5-8小时。

18、一种上述任一制备方法制得的电流诱导抗菌骨组织工程支架材料。

19、本技术还公开了电流诱导抗菌骨组织工程支架材料在康复医用中的应用，将电流诱导抗菌骨组织工程支架材料移植到受损骨组织缺损部位，用近红外光照射即可。

20、进一步地，所述近红外光照射参数为使用光照功率为0.2-1.2w/cm2的808nm近红外光照射1-10分钟。

21、本技术的技术原理是：手术清除病灶部位的坏死骨组织后将本发明的电流诱导抗菌骨组织工程支架材料移植到患者体内，静电纺丝产生的极化作用使pvdf中的α晶型转变为β晶型，赋予pvdf纳米纤维良好的压电效应，可在机械应力作用下产生并传递电信号，诱导骨组织再生，另外pvdf还可为支架材料提供优异的机械力学性能；nha作为一种生物适配性、骨传导性优异的生物活性材料，且具有与天然骨骼矿物质成分相似的化学结构和比ha更高的比表面积，能与pvdf协同作用，改善成骨分化与组织再生，实现骨诱导，并且纳米级尺寸有利于改善支架的机械性能；二维无机化合物mxene与pvdf混纺可以显著增强pvdf纳米纤维膜的压电性能，而其作为一种光热材料具有优异的光热转换效率，在808nm近红外光照射下能够吸收光热转化为热能，可利用高温杀灭细菌，而在无照射的情况下，也不会对人体产生刺激，具有良好的生物安全性；采用静电纺丝和电泳沉积技术赋予骨组织工程支架材料出色的压电效应、抗菌和生物活性，等离子体处理改善支架的亲水性，有利于细胞的生长与粘附。

22、有益效果：

23、本技术提供了一种电流诱导抗菌骨组织工程支架材料及制备方法与应用，与现有技术相比，具备以下有益效果：

24、1.一种电流诱导抗菌骨组织工程支架材料，通过pvdf的压电效应产生表面电荷，刺激并诱导干细胞向成骨谱系分化，进一步与生物活性分子nha协同作用，可改善成骨分化与组织再生，实现骨诱导。

25、2.pvdf作为一种有机高分子材料，具有优异的力学性能，为支架材料提供了良好的机械强度支持。

26、3.mxene作为一种二维无机化合物，与pvdf混纺可显著增强pvdf纳米纤维膜的压电性能，也有利于电荷的产生和骨诱导能力。

27、4.mxene的光热效应可以实现近红外光照射下的有效抗菌，在短时间内快速消除细菌感染；

28、5.光热升温过程中，在处于温度略高于体温的环境中，细胞内部热休克蛋白的表达量会上升，从而促进了成骨相关基因的表达，可进一步促成骨分化。

29、6.采用静电纺丝和电泳沉积技术制备出具有压电效应、抗菌和生物活性的骨组织工程支架材料，等离子体处理过后使支架亲水化，有益于细胞的生长与粘附。

30、7.在手术之后植入骨缺损部位，可同时进行体内抗菌、消除细菌感染，同时可促进成骨分化。

31、8.亲水处理后的pvdf/mxene复合纳米纤维压电性能良好的支架，可促进细胞的粘附和生长，加速骨组织恢复。

32、9.本发明的支架材料在0.6w/cm2的808nm近红外激光照射一分钟后，含有0.3％mxene试样的最高温度可升至54.2℃，在此温度下可实现短时间内大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的快速消除。在1、3、7天后，本发明支架的细胞相对增殖率均超过100％，在近红外照射下，7天后增殖率最高可达196.3±14.5％，证明支架具有优异的生物相容性，可促进细胞的粘附和增殖。