专利名称：一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜及其制备方法
技术领域：
本发明属静电纺药物缓释纳米纤维膜及其制备领域，特别是涉及一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜及其制备方法。
背景技术：
牙周炎已被医学界定论为口腔健康的“头号杀手”，也被称为继癌症、心脑血管疾病之后，威胁人类身体健康的第三大杀手。在我国口腔病的患病率已经高达97.6%，许多人忍受着口腔病的痛苦。据研究口腔病患主要是由牙周组织直接或间接感染导致的，因此牙周炎的治疗对我国乃至全球都是刻不容缓的。牙周病是由牙菌斑引起的牙周组织的慢性破坏性疾病，如果得不到有效治疗就会使牙齿松动脱落。牙周病治疗分传统治疗法(刮牙、拔牙等)及抗菌药物治疗法(含全身及局部用药)。虽然能够不同程度上改善牙周炎的临床症状，但是传统治疗法整体上疗效低、根治难、复发率高；而全身用药到达局部的药物浓度不高，不仅造成大量药物的浪费，还可引起如肝肾损害、口腔与消化道菌群失调或抗药性增强等副作用。局部用药药量小，副作用小，能在牙周袋内短期达到高浓度，减少龈下菌斑，疗效超过全身给药的作用，且不影响口腔其他部位的正常菌群，安全性更大。但这些药物不易维持，药物易流失，一旦漱口或冲洗停止，易于复发。牙周引导组织再生技术是当今最新和最先进的牙周治疗技术，在临床工作中已得到广泛的应用，且受到了良好的疗效。目前临床使用的牙周再生片是一种用于治疗牙周炎的微孔膜片，植入后可达到物理性阻挡牙龈结缔组织细胞和上皮细胞与牙根先接触，保证根部残余的牙周膜组织来源细胞和牙槽骨细胞优先占据面并在其上生长和向冠方爬行，以此来达到生理性修复。通常要求牙周再生片透气性好，良好的保形性，需要具备良好的弹性和一定的力学性能，从而起到增强骨架的作用，并保证牙周再生片在临床治疗中不致坍塌。还具有一定的阻挡作用，并有利于抗菌消炎，避免引起细菌感染或炎症。目前市场上的牙周再生片主要分为金属和可降解两类。但是金属牙周再生片却存在着二次手术去除牙周片、二次感染发炎、手术费用高等弊端。将生物降解材料引入牙周引导组织再生术，避免了二次手术取出材料的不便，无疑具有良好的应用前景。有些研究者已采用一些生物可降解聚合物为原料，通过一些编制或者静电纺等工艺制备成牙周再生片(CN1775312A ； CN101607098A ；CN101791431A) 0如沈新元等人采用熔融纺丝法制备出生物可降解聚乳酸_羟基乙酸共聚物纱线，再通过编制和后涂层工艺制备牙周再生片骨架(CN1775312A)。 浙江大学胡巧玲等人结合流涎成膜法与静电纺丝法在壳聚糖基质膜上电纺一层具有多孔结构的羟基磷灰石/壳聚糖/聚乙烯醇无纺布膜(CN101607098A)。同济大学赵鹏等人通过静电纺丝工艺以聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、胶原、改性壳聚糖等生物可降解材料为原料制备出薄膜材料，并通过超分子负载技术在该薄膜材料上负载多种生长因子(CN101791431A)。不足的是这类产品采用较为复杂的复合工艺制作，而采用涂覆载药，产品抗菌杀菌效果时间偏短，容易产生二次感染等问题。为了解决上述问题，研究者将药物直接载入生物可降解聚合物中制成片或膜等形状，药物的引入可以杀死病原体，当然最好希望材料具有药物缓释功能使得病患区存于抗菌的环境中，这有利于牙周组织细胞的再生。韩国东国制药株式会社的郑钟平等将药物与聚酯内酯熔融混合，再通过挤压成膜(CN1083355A)。Zamani等人将甲硝唑苯甲酸和聚己内酯混合，再通过静电纺将其制备成具有缓释功能的纳米纤维膜(Zamani M, Morshed M, Varshosaz J, Jannesari M. Controlled release of metronidazole benzoate from poly(ε-caprolactone)electrospun nanofibers for periodontal diseases. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2010 ；75 179-185), Jit^j 己内酯基的载药纳米纤维膜的力学强度和亲水性能都不够理想，纳米纤维膜很容易快速降解或者载体整体崩坍。最近，Bottino等人设计出了一种分级结构的牙周再生膜，主要由聚(乳酸_己内酯)共聚物(PLCL)纳米纤维膜、羟基磷灰石与聚乳酸及蛋白质三元混合纳米纤维膜、甲硝唑与蛋白质混合纳米纤维膜三层组成(Bottino MC, Thomas V，Janowski GM.A novel spatially designed and functionally graded electrospun membrane for periodontal regeneration. Acta Biomaterialia 2011 :216_224)。贞^！！胃^！巾胃有大量亲水性羟基的羟基磷灰石不仅可以诱导细胞生长，而且还可以显著提高材料的力学性能，而膜层中的甲硝唑还可以抗菌杀菌。不足的是膜层中的羟基磷灰石降解困难，只是简单提及甲硝唑的药物缓释功能。尽管生物可降解的牙周再生片得到了临床应用，但是仍然有一些问题需要解决， 如纯生物可降解聚合物普遍存在的力学性能差与疏水性强，容易导致材料崩塌与细胞黏附困难；若将药物通过涂层工艺或采用疏水聚合物为载体，药物往往富集在材料的表面，易出现药物早期“突释”现象，难以持续释放。研究表明纤维素纳米晶具有优良的生物可降解性、优异的生物与组织相容性、并带有丰富亲水性的羟基，其高强高模(杨氏模量高达150GPa)和较大的长径比使得这种棒状或椭圆状的纳米材料适合用作生物纳米增强剂。此外，人体组织细胞可以在纤维素纳米晶表面很好地黏附和生长(Khaled A. Mahmoud, Jimmy A. Mena, Keith B. Male, Sabahudin Hrapovic, Amine Kamen, and John H. Τ. Luong. Effect of surface charge on the cellular uptake and cytotoxicity of fluorescent labeled cellulose nanocrystals. ACS Appl Mater Interfaces2010 ；2 2924-2932)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜及其制备方法，该纤维膜为全生物降解产品，生物相容性好，对牙周炎具有优良的治疗效果，应用前景广阔；该方法简单快捷、廉价高效，适合于工业化批量生产。本发明的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，该纳米纤维膜包括生物降解聚合物、纤维素纳米晶CNCs和活性药物，其中生物降解聚合物与CNCs的质量比为 4-99 1 ；该药物缓释纳米纤维膜的活性药物实际负载量为10-500 μ g/mg。所述的纤维素纳米晶CNCs呈棒状或椭圆状，其直径为10-500nm，长径比为 10-200。所述的生物降解聚合物为聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯 (PCL)或聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物(PLGA)。
所述的活性药物为盐酸四环素、四环素碱类、盐酸二甲胺四环素、甲硝唑、甲硝唑苯甲酸或布洛芬。所述的药物缓释纳米纤维膜的尺寸为100-2000nm，膜厚为50nm-800 μ m ；其直径随纳米晶含量的增加而减少，膜厚随纺丝时间增大而增厚；其孔径结构可通过纺丝液的浓度、溶剂体系和纺丝工艺进行调节。本发明的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜的制备方法，包括(1)搅拌下，将分散在有机溶剂A中的纤维素纳米晶CNCs加入到生物降解聚合物的有机溶液B中，得到混合液，其中生物降解聚合物与CNCs在混合液中的质量分数之和为 7-25%，生物降解聚合物与CNCs的质量比为4-99 1，有机溶剂A与有机溶剂B的质量比为 1 1-9 ；(2)将上述混合液升温到40-70°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温，然后将活性药物加入混合液中，得到稳定均一的静电纺原液，其中活性药物的质量为生物降解聚合物与CNCs的总质量的1-25% ；(3)对上述静电纺原液进行静电纺丝，然后将收集到的产物于室温真空干燥 12-24h，即得。所述步骤(1)中的有机溶剂A为N，N_ 二甲基甲酰胺、N，N_ 二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙醇或甲醇。所述步骤⑴中的有机溶剂B为二氯甲烷、1，2_氯乙烷、氯仿、丙酮、二乙二醇二甲醚或乙酸乙酯。所述步骤(3)中的静电纺丝的工艺为针管内径为0. 7mm,电压为10_18kV，接受距离为10-20cm，流动速率为1.0-5mL/h，采用旋转滚筒收集高度取向纳米纤维或纤维膜，采用平板电极收集微孔结构的纳米纤维或纤维膜。本发明所涉及的纤维素纳米晶CNCs为自制，其制备方法见中国发明专利《一种窄分布纤维素纳米晶的制备方法》，公开号CN 102040663A，
公开日2011年5月4日。本发明将纤维素纳米晶引入生物可降解的牙周再生片，将生物降解聚合物、纤维素纳米晶和活性药物混合静电纺丝，利用纤维素纳米晶的高刚性与富含的亲水性基团，可以有效改善现有牙周再生膜力学性能差与疏水性强、细胞不易生长等问题；尺寸小与比表面积较大的纤维素纳米晶也可以很好地固定住活性药物，使其均勻地嵌入纯的生物降解聚合物中，有效地实现活性药物缓释、避免二次感染等问题。有益效果本发明与现有技术相比具有以下显著特点(1)本发明所采用的原料聚合物和纤维素纳米晶均为生物可降解材料，所需要的化学药品种类少且成本低廉，制备过程简单、可控、快捷、高效；纳米纤维膜的制备是在常规静电纺丝装置上实施的，不需要特别的昂贵的设备，适合于纳米纤维膜的大批量生产。(2)与一般牙周再生片相比，本发明制备可用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜为全生物降解产品，生物可降解与生物相容性好，具有较高的载药量，活性药物释放可持续20天以上，这使得牙腔病患区始终处于一个杀菌抗菌的环境，有效避免了其他同类产品的二次感染等问题，而且本产品具有较好的力学性能和适宜的亲水性能，其中抗拉强度最大可达8. 4Mpa，接触角最低可达38°，这避免了纳米膜在早期释放易崩坍的问题，同时亲水性表面利于正常牙周组织细胞的再生。(3)本发明所制备的药物缓释纳米纤维膜可随口腔部位进行任意的调节或裁剪， 其微孔结构、力学性能、亲水性能与缓释功能都可以可通过纺丝液的浓度、溶剂体系和纺丝工艺进行调节。特别是这种多功能性的纳米纤维膜在多功能性牙周再生膜材料、新型纳米药物载体、湿性伤口敷料等等领域展示出了迷人的应用前景。
图1药物缓释纳米纤维膜的扫描电镜图(SEM)；图2药物缓释纳米纤维膜的抗拉强度与CNCs含量的函数关系图；图3药物缓释纳米纤维膜的接触角与CNCs含量的函数关系图；图4药物缓释纳米纤维膜在不同的CNCs与活性药物含量的活性药物缓释图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)将分散在N，N- 二甲基甲酰中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)的氯仿溶液中，其中PHBV与CNCs在混合液中的质量分数之和为9%，PHBV 与CNCs的质量比为9 1，N，N-二甲基甲酰胺与氯仿的质量比为1 8;(2)将混合液升温到70°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将盐酸四环素加入混合液中，其中盐酸四环素的质量为PHBV与CNCs的总质量的5%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为1. 8mL/h、电压为15kV 和接收距离为16cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用平板电极收集，将上述产物室温下真空干燥24h，得到载药的PHBV/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜(SEM)观察获得其纤维直径为200nm(见图1)；纳米纤维膜经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为6. SMpa(见图2)，材料再经接触角测试后得其接触角为68° (见图3)，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为 40μ g/mg，包封率为80%，活性药物持续释放时间能达到456小时。实施例2(1)将分散在N，N-二甲基乙酰胺中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚乳酸 (PLA)的氯仿溶液中，其中PLA与CNCs在混合液中的质量分数之和为16%，PLA与CNCs的质量比为5 1，N，N-二甲基乙酰胺与氯仿的质量比为1 7;(2)将混合液升温到60°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将盐酸二甲胺四环素加入混合液中，其中盐酸二甲胺四环素的质量为PLA与CNCs的总质量的 10%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为1. 5mL/h、电压为15kV和接收距离为18cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥20h，得到载药的PLA/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜观察获得其纤维直径为128nm ；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为6. IMPa，材料再经接触角测试后得其接触角为45°，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为92μ g/mg，包封率为92%，活性药物持续释放时间能达到336小时。实施例3(1)将分散在四氢呋喃中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚(乳酸_羟基乙酸)共聚物(PLGA)的丙酮溶液中，其中PLGA与CNCs在混合液中的质量分数之和为7%， PLGA与CNCs的质量比为49 1，四氢呋喃与丙酮的质量比为1 2;(2)将混合液升温到58°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将甲硝唑苯甲酸加入混合液中，其中甲硝唑苯甲酸的质量为PLGA与CNCs的总质量的19%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为1. OmL/h、电压为12kV 和接收距离为14cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥15h，得到载药的PLGA/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜观察获得其纤维直径为875nm ；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为3. IMpa，材料再经接触角测试后得其接触角为95°，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为160μ g/mg，包封率为84%，活性药物持续释放时间能达到528小时。实施例4(1)将分散在四氢呋喃中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚己内酯(PCL)的二氯甲烷溶液中，其中PCL与CNCs在混合液中的质量分数之和为12%，PCL与CNCs的质量比为18 1，四氢呋喃与二氯甲烷的质量比为1 3;(2)将混合液升温到45°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将甲硝唑加入混合液中，其中甲硝唑的质量为PCL与CNCs的总质量的25%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为4. OmL/h、电压为16kV 和接收距离为16cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥12h，得到载药的PCL/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜观察获得其纤维直径为320nm ；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为4. 9Mpa，材料再经接触角测试后得其接触角为90°，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为220μ g/mg，包封率为88%，活性药物持续释放时间能达到408小时。实施例5(1)将分散在N，N- 二甲基乙酰胺中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚己内酯 (PCL)的乙酸乙酯溶液中，其中PCL与CNCs在混合液中的质量分数之和为20%，PCL与CNCs 的质量比为90 1，N，N-二甲基乙酰胺与乙酸乙酯的质量比为1 8;(2)将混合液升温到62°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将甲硝唑加入混合液中，其中甲硝唑的质量为PCL与CNCs的总质量的15%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为1. 8mL/h、电压为15kV 和接收距离为17cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥24h，得到载药的PCL/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜观察获得其纤维直径为52nm ；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为2. 6Mpa，材料再经接触角测试后得其接触角为53°，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为180μ g/mg，包封率为90%，活性药物持续释放时间能达到384小时。实施例6(1)将分散在N，N- 二甲基甲酰胺中的纤维素纳米晶边搅拌边缓慢加入聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)的氯仿溶液中，其中PHBV与CNCs在混合液中的质量分数之和为10%， PHBV与CNCs的质量比为4 1，N，N-二甲基甲酰胺与氯仿的质量比为1 8. 5 ；(2)将混合液升温到61°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温；随后将布洛芬加入混合液中，其中布洛芬的质量为PHBV与CNCs的总质量的8%，得到稳定均一的静电纺原液；(3)将上述配制的纺丝液，在针管内径为0. 7mm、流动速率为1. 2mL/h、电压为15kV 和接收距离为18cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥20h，得到载药的PHBV/CNC纳米纤维膜。纳米纤维膜经扫描电镜观察获得其纤维直径为122nm ；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为8. 4Mpa，材料再经接触角测试后得其接触角为38°，产品再经紫外分光光度计测试得纳米纤维膜的实际载药量为48μ g/mg，包封率为96%，活性药物持续释放时间能达到480小时。
权利要求
1.一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，该纳米纤维膜包括生物降解聚合物、纤维素纳米晶CNCs和活性药物，其中生物降解聚合物与CNCs的质量比为4-99 1 ；该药物缓释纳米纤维膜的活性药物实际负载量为10-500 μ g/mg。
2.根据权利要求1所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，其特征在于 所述的纤维素纳米晶CNCs呈棒状或椭圆状，其直径为10-500nm，长径比为10-200。
3.根据权利要求1所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，其特征在于 所述的生物降解聚合物为聚羟基丁酸戊酸酯PHBV、聚乳酸PLA、聚己内酯PCL或聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物PLGA。
4.根据权利要求1所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，其特征在于 所述的活性药物为盐酸四环素、四环素碱类、盐酸二甲胺四环素、甲硝唑、甲硝唑苯甲酸或布洛芬。
5.根据权利要求1所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜，其特征在于 所述的药物缓释纳米纤维膜的尺寸为100-2000nm，膜厚为50 nm-800 μ m0
6.一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜的制备方法，包括(1)搅拌下，将分散在有机溶剂A中的纤维素纳米晶CNCs加入到生物降解聚合物的有机溶液B中，得到混合液，其中生物降解聚合物与CNCs在混合液中的质量分数之和为 7-25%，生物降解聚合物与CNCs的质量比为4-99 1，有机溶剂A与有机溶剂B的质量比为 1 1-9 ；(2)将上述混合液升温到40-70°C，充分搅拌、溶胀，待混合均勻后降至室温，然后将活性药物加入混合液中，得到稳定均一的静电纺原液，其中活性药物的质量为生物降解聚合物与CNCs的总质量的1-25% ；(3)对上述静电纺原液进行静电纺丝，然后将收集到的产物于室温真空干燥12-24h， 即得。
7.根据权利要求6所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤⑴中的有机溶剂A为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙醇或甲醇。
8.根据权利要求6所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的有机溶剂B为二氯甲烷、1，2_氯乙烷、氯仿、丙酮、二乙二醇二甲醚或乙酸乙酯。
9.根据权利要求6所述的一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤⑶中的静电纺丝的工艺为针管内径为0. 7mm,电压为10_18kV，接受距离为10-20cm，流动速率为1.0-5mL/h，采用旋转滚筒收集高度取向纳米纤维或纤维膜， 采用平板电极收集微孔结构的纳米纤维或纤维膜。
全文摘要
本发明涉及一种用于治疗牙周炎的药物缓释纳米纤维膜及其制备方法，该纳米纤维膜包括生物降解聚合物、纤维素纳米晶和活性药物，其中生物降解聚合物与纤维素纳米晶的质量比为4-99∶1；该纳米纤维膜的活性药物实际负载量为10-500μg/mg；其制备方法包括(1)搅拌下，将分散在有机溶剂A中的纤维素纳米晶加入到生物降解聚合物的有机溶液B中，得到混合液；(2)将上述混合液中加入活性药物，得到静电纺原液；(3)对上述静电纺原液进行静电纺丝，将产物干燥，即得。本发明制备工艺简单快捷、廉价高效，适合于工业化批量生产；所得的纤维膜生物相容性好、载药量高、活性药物缓释缓慢、亲水性能适宜，应用前景广阔。
文档编号D01D5/00GK102423506SQ20111040986
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者余厚咏, 田菲, 秦宗益 申请人:东华大学