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仿生型人工骨膜及柔性电子器件制备及应用研究

作者:
和晟仪器
来源:
上海和晟仪器科技有限公司
发布时间:
2022/06/06 13:42
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摘 要:针对传统骨膜来源受限、供区发病率的问题,提出用静电纺丝技术制作具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜,在此基础上制作了柔性电子器件。通过对仿生型骨膜和柔性电子器件性能进行研究,结果表明:分别负载淫羊藿苷(ICA)和莫西沙星盐酸盐(MOX),标记为PGM-PI纤维具有较高的柔韧性和抑菌性,能够承受手术和组织生长过程中产生的应力;药物释放规律与高发生率的感染和骨再生过程匹配,可以作为仿生型人工骨膜使用。柔性电子器件具有的较高的透气性,用于临床时,能提供较高的舒适度。

关键词:静电纺丝;骨膜;药物释放;柔性电子学器件

 

骨骼是人体运动系统中较为重要的组成部分,而骨膜是包裹在皮质骨外面的一层膜,主要由纤维层和形成层构成。在人体骨骼受到一些伤害时,骨膜在骨缺损的愈合和重建中都发生重要作用。目前,治疗骨损伤常用的一种方法就是天然骨膜移植,但该方法存在自体供区有限、供体处发病率高和免疫排斥反应问题,使得骨膜移植存在很大的缺陷。因此,寻找一种仿生型人工骨膜是目前较为重要的一项研究。对此,国内很对专家对仿生型人工骨膜进行了很多研究。如对人工骨膜材料的选择进行研究。结果表明:脱细胞支架类人工骨膜资料来源丰富,具有较低免疫反排斥发生率,但结构和功能仿生研究还处于初级阶段,需要继续进行研究[1];对仿生骨膜在宏观和微观水平上的性能研究现状进行总结,列举4种基于不同原理的仿生骨膜成型方法,并探讨各类成型方法的主要缺陷[2]。基于此,本文以静电纺丝技术为基础,制作了具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜,并对其性能进行研究,为人工骨膜的发展提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验主要材料:聚己内酯(PCL,东莞市鼎誉新材料有限公司,CP)、二甲基甲酰胺(DMF,上海粤钦化工有限公司,AR)、三氟乙醇(济宁三石生物科技有限公司,AR)、明胶(江苏久佳生物科技有限公司,B型)、醋酸(濟南孟乔化工有限公司,AR)、淫羊藿苷(ICA,河北润步生物科技有限公司,BR)、莫西沙星盐酸盐(MOX,上海一基实业有限公司,AR)、乙醇(济南涵百化工有限公司,AR)、(AIBN,济南荣正化工有限公司,AR)、六氟异丙醇(山东昌耀新材料有限公司,AR)。

试验主要设备:真空干燥箱、电子拉力试验机、热失重分析仪(和晟仪器科技,HS-TGA-101)、差示扫描量热仪。

热重101.jpg

1.2 试验方法

1.2.1 静电纺丝膜的制备

(1)纺丝溶液的配制。① PCL溶液的配制:将一定量PCL溶于DMF中,配制成质量浓度为9%的PCL溶液;②  PCL/明胶溶液的配制:在三氟乙醇中按照6∶4的质量比加入明胶和PCL,充分搅拌完全溶解,然后加入20 μL的醋酸,搅拌均匀;③负载ICA的PCL溶液配制:将100 μL ICA溶液放入PCL溶液中,搅拌使其混合均匀,得到负载ICA的PCL溶液,其中ICA质量占PCL质量的0.05%;④ PCL/明胶/MOX溶液配制:将一定质量的MOX放入PCL/明胶溶液中搅拌均匀,得到PCL/明胶/MOX溶液,其中MOX质量占聚合物质量的5%。

(2)纺丝纤维膜的制备。

对配制好的溶液进行组合静电纺丝(纺丝参数见表1),得到静电纺丝纤维膜;然后对静电纺丝纤维膜进行标记。标记原则为:PCL纤维膜标记为PG-P;负载ICA的PCL的纤维膜标记为PG-PI;PCL/明胶/MOX纤维膜标记为PGM-P;PCL和PCL/明胶分别负载ICA和MOX标记为PGM-PI。

1.2.2 柔性透气电子学器件的制备

(1)引发剂的精致。对50 g纯乙醇进行加热,待其温度提升至75 ℃后在搅拌的条件下,缓慢加入5 g的AIBN,充分搅拌溶解,过滤。将滤液放入烧杯后,用保鲜膜封住烧杯口,置于室温条件下自然冷却;然后放入4 ℃的冰箱中重结晶。过滤后将结晶产物放入DZF-6020C型真空干燥箱内烘干,烘干温度为45 ℃。将其放入锡箔纸包裹的棕色瓶中,避光保存;

(2)纺丝基体聚的合成。

在20 mL的DMF中溶入总量为50 mmol,摩尔分数分别为90%NIPAAm和10%HMAAm;用0.22 μm过滤器过滤。在过滤后的溶液中加入100 μL的AIBN,之后将体系置于N2、温度65 ℃条件下进行反应,时间为10 h。将反应产物置于透析袋,然后在去离子水中透析,7 d后,对透析袋中液体进行冷冻干燥,得到PNH(异丙基丙烯酰胺-co-羟甲基丙烯酰胺);

(3)载药型温敏纤维的制备。

在六氟异丙醇中溶入一定量的PNH,配制质量浓度为15%的溶液。在配制好的溶液中加入质量分数为0.1%的MOX,充分搅拌使药物完全溶解,溶解温度和时间分别为10 ℃和12 h。在表1参数条件下进行静电纺丝,得到载药型温敏纤维。将纤维放入真空干燥箱内烘干,烘干温度和时间分别为130 ℃和12 h,得到交联纤维膜(C-PNHM);

(4)复合器件的制备。

以丝网印刷的方法用导电银胶绘制导电图案,然后将带图案的SC-PNHM复合器件置于室温环境下放置1 d,让导电银胶固化完全。

1.3 静电纺丝纤维膜性能表征

1.3.1 热学和力学性能表征

热学分析:以氮气为保护气体,用差示扫描量热仪和HS-TGA-101型热失重扫描仪对静电纺丝纤维膜热学性能进行分析。DSC和TGA测试温度分别为室温~250 ℃、室温~800 ℃,升温速率为10 ℃/min[3]。

力学性能分析:用电子拉力试验机夹具将制作好的样品固定,打开试验机以5 mm/min的速率拉伸纤维膜,得到该材料的拉伸强度和断裂伸长率[4]。

1.3.2 药物释放与降解

用高效液相色谱仪对药物释放进行测试。 检测波长分别为269 mm和296 mm。

药物释放表达式[5]:

累积药物释放=药物累积释放量(g)样品中药物理论总量(g)×100

1.3.3 抑菌性能表征

纤维抗菌性能试验菌种为和绿脓杆菌。在BHI中接种菌株,置于37 ℃条件下培养1 d,将细菌菌落悬浮在无菌BHI肉汤中,直至浊度为1.0 Mac Farland。将100 μL细菌悬浮液均匀覆涂在琼脂板上,同时在琼脂板上粘附尺寸大小相同的纺丝膜样品[6]。将琼脂放在37 ℃环境下培养12 h,观察琼脂板上细菌生长情况。

1.4 柔性电子器件透气性表征

采用水蒸气透过试验对柔性电子器件透气性进行表征[8]。具体步骤:在装有1.0 g去离子水的样品瓶口涂抹一层真空油脂,将经过丝网印刷处理的PET(P-PET)、PDMS(P-PDMS)、SC-PNHM复合器件密封瓶口,对照组为自然开口状态放置,在25 ℃条件下让水蒸汽自然通过,每天对瓶中水的质量进行测定。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维膜的热学、力学性能测试结果

图1为静电纺丝纤维膜的物理、热学和力学性能测试结果。其中,图1(a)为纤维膜热学性能;图1(b)为纤维膜和药物的衍射谱图;图1(c)为应力应变曲线图。由图1(a)可知,4条曲线均在60 ℃左右出现吸热峰,此为PCL熔融峰。载入MOX和ICA后,PCL熔点有所降低,考虑是PCL结晶区嵌有ICA分子引起的。由图1(b)可知,在6°~8°和35°分别出现ICA和MOX的特征衍射峰,但没有药物结晶衍射峰出现;此现象表明药物在基体中分散的较为均匀,表现为分子级别分散[9]。由图1(c)可知,4种纤维膜皆表现出较高的柔韧性,可拉伸,拉伸强度约为3~14.5 MPa,比天然骨膜的力学强度更高。在进行测试的4种纤维膜中,PGM-PI的拉伸强度和断裂伸长率高,可以承受手术和组织生长过程中产生的应力,满足临床的使用要求。

2.2 药物释放

为保证静电纺丝纤维膜具备感染发生与骨修复功能相匹配,因此分别在PCL纤维和PCL/明膠纤维中包封MOX和ICA,探究两种药物的缓释效果,实现骨再生条件。在术后7 d时间内,患者抵抗力下降,极易受到细菌感染,因此在局部需要浓度较高的抗生素[10]。骨诱导因子需要在整个缺损修复过程中都发挥作用,因此抗生素的释放速度应该高于成骨药物释放速度。图2为MOX和ICA累积药物释放曲线。

由图2可知,在1 d时,MOX释放量大约为全部用量的50%;在接下来14 d内,MOX表现为直线释放;在14 d后,MOX以较低的速率进行释放;在约30 d时,MOX释放量达到75%。另外,PGM-P与PGM-PI释放曲线差异不大;同时,1 d时,在PGM-PI和PG-PI中,分别有25%和20%的ICA被释放;突释后,ICA的释放则以更加缓慢的速度进行。这是因为突释使得ICA分子中与聚合物基体产生较强的氢键,对水分子向聚合物的扩散受阻,延长药物释放时间至60 d以上,形成较为可控的释缓机制。在30 d时,PGM-PI和PG-PI中ICA释放总量分别为25%和35%,可与骨愈合周期进行匹配。药物在静电纺丝纤维上被释放是药物扩散和基质降解的共同作用的结果,明胶比PCL降解速率更快。因此PCL/明胶纤维包裹的MOX比PCL纤维包裹的ICA释放速度快。以上结果说明了这两种药物释放与高发生率的感染和骨再生过程匹配,可用于构建抗感染、诱导骨形成的人工骨膜。

2.3 体外抑菌性能

表2和绿脓杆菌在纤维膜周围的抑菌圈直径。

由表2可知,PGMP和PGMPI均在琼脂板上出现了明显抑菌圈。在3 d时,抑菌圈直径变化皆不大,这就说明负载有MOX的PGMP和PGMPI纤维膜对绿脓杆菌均表现出良好的抗菌性能,具备抑菌型生物材料的潜力。

2.4 柔性电子器件的透气性表征

图3为柔性电子器件透气性测试结果。

由圖3可知,在7 d时间内,SC-PNHM试验组,去离子水质量直线减小,蒸汽挥发速率与开口状态时去离子水质量减小速率相当;PDMS试验组,在7 d后,去离子水仅减少了10%;PET试验组去离子水质量则完全没有减少。这就说明本文制作的柔性电子器件透气性较高,在贴合人体皮肤时,具有较高的舒适度。

3 结语

本文用静电纺丝技术制备了具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜,考察了将其作为人工骨膜的适用性。在此基础上,结合丝网印刷制作了透气型柔性电子学器件。

(1)PGM-PI纤维膜拉伸强度和断裂伸长率较高,能够承受手术和组织生长过程中产生的应力,满足临床使用要求;

(2)负载ICA和MOX的纤维,药物释放规律与高发生率的感染和骨再生过程匹配,对构建抗感染、诱导骨形成的人工骨膜有重要的作用;

(3)负载有MOX的PGM-P和PGM-PI均出现了明显抑菌圈,证实这两种纤维膜对和绿脓杆菌均表现出良好的抗菌特性,具备抑菌型生物材料的潜力;

(4)柔性电子器件蒸汽透过率仅低于开口试验组,具有较高的透气性,在贴合人体皮肤时,具有较高的舒适度。

【参考文献】

[1] 常文辽,赵杰,孙晓亮,等.人工骨膜的材料选择、理论设计及生物仿生功能[J].中国组织工程研究,2021,25(4):600-606.

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