CN102028973A

CN102028973A - 一种硅橡胶/胶原基多孔皮肤支架材料的制备方法及用途

Info

Publication number: CN102028973A
Application number: CN2010106168898A
Authority: CN
Inventors: 聂华荣; 沈星星; 陈义旺; 周志华; 胡葵葵
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: JIANGXI LYUTAI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102028973B

Abstract

一种硅橡胶/胶原基多孔皮肤支架材料的制备方法及用途，包括以下步骤：(1)将有机硅薄膜置于等离子体处理仪中，在硅橡胶表面引入极性基；(2)配置适当浓度的胶原或胶原与其它生物大分子的混合溶液，并将其涂覆在(1)所获得的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出；(3)将(2)所获得的硅橡胶/胶原基复合支架浸泡到含脱水剂的乙醇和水的混合溶剂中，于室温反应6-12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；(4)将(3)所获得的支架再次置于冷冻干燥机中，抽干吸收的水分。本发明所制备的具有良好生物相容性，稳定、孔径适宜的硅橡胶/胶原基复合多孔材料可用于皮肤支架，或有利于创伤部位修复的临时性敷料。

Description

一种硅橡胶/胶原基多孔皮肤支架材料的制备方法及用途

技术领域

本发明涉及多孔支架材料领域，特别涉及以有机硅与胶原为基质的复合材料多孔支架及其制备方法和医用用途。

背景技术

皮肤是我们人类的天然屏障，在人体中起着保护、感觉、调节体温、分泌、排泄、吸收和免疫等作用。当皮肤遭受严重烧伤、创伤及糖尿病顽固性皮肤溃疡等损害时，组织液、体液的流失会造成水、电解质和酸碱平衡失调，影响人体正常的吸收和代谢平衡，同时，极易引起创面感染、休克、败血症等。迄今为止，自体皮肤移植仍然是临床治疗全层皮肤缺损最有效的方法。然而，对于大面积烫、烧伤患者往往存在供皮部位不足等问题，极大地限制了自体皮肤移植的应用范围。因此，构建人工皮肤特别是对大面积皮肤缺损的修复与重建已成为亟待解决的问题。

国内外科学家在人工皮肤方面已开展了大量的研究工作，制备了多种支架材料，有些已经商品化。如含有戊二醛交联的牛I型胶原与6-硫酸软骨素的海绵与硅橡胶薄膜的双层复合材料Integra^TM，但该材料力学性能差，不如自体移植的皮肤柔软和具有弹性，移植后缺乏合适的孔径，不利于周围血管的长入。含有自体原纤维细胞的聚乳酸网架的Dermagraft^TM尽管强度较好，但不能对患者立即进行治疗，须等自体细胞被分离，养殖后方可实施。另外，取材于尸体皮的 AlloDerrn 对伤口的快速恢复效果明显，但往往供料有限。

硅橡胶具有耐热、耐寒、无毒、耐生物老化、生理惰性、对人体组织反应极小、植入人体组织后不引起不良反应、对周围组织不引发炎症以及较好的物理机械性能等优点，在构建人工表皮领域得到了广泛的应用。但由于硅橡胶极强的疏水性,导致其与机体的亲合力差，组织在其周围形成包膜，包膜受外界刺激易挛缩，从而引起植入体变形移位、材料外露等。但通过改善硅橡胶的表面亲水性，有机硅为基质的复合材料生物相容性得到极大改善。

VÖLCKER等利用表面修饰技术来制备具有增强相容性的功能化硅橡胶。通过氩气等离子体和热引发将丙烯酸(AAc)，甲基丙烯酸(MAAc)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝聚合到有机硅表面，使产生的羧基或环氧基团固定人类纤维连接蛋白(hFn)。体外测试显示，改性后材料表面生物相容性得到极大提高。

Zhou等研究了血小板和蛋白质在接枝了N,N’-二甲基-N-甲基丙烯酰基乙氧-N-(2-羧乙基)铵(DMMCA)的硅橡胶膜上的吸附和吸收。结果显示: 通过臭氧引发羧基三甲铵乙内酯两性离子聚合物接枝到硅橡胶表面，硅橡胶的血液相容性得到了很大的提高。

胶原是构成细胞外基质的骨架，为细胞提供张力和弹性,并在细胞的迁移和发育中起重要作用，给细胞的生长提供一个良好的环境。通过在硅橡胶表面接枝胶原，可以促进细胞在其表面的粘附和生长，以此提高其生物相容性。黄爱宾等制备了胶原—磺化羧甲基壳聚糖多孔支架，并进一步将胶原—磺化羧甲基壳聚糖支架与硅橡胶膜复合，构建具有双层结构的皮肤再生材料，以小猪为模型，评价了其对深度烫伤创面的修复性能。组织学分析结果显示，胶原—磺化羧甲基壳聚糖/硅橡胶皮肤再生材料具有更快的血管化性能，且经该材料处理的创面能有效支持自体皮片的成活，实现深度烫伤创面的全层修复。

石岩超以胶原和壳聚糖为主要原料，以戊二醛为交联剂，采用冷冻—冻干的方法，制备了多孔支架。体外的成纤维细胞培养证明，胶原-壳聚糖真皮支架具有良好的细胞相容性及细胞活性。在此基础上，覆盖一硅橡胶层，模拟人体表皮。硅橡胶层的引入不但没有改变胶原—壳聚糖真皮支架的微观结构、酶解稳定性和细胞活性，而且进一步提高了支架的力学性能并降低了支架的透湿率。生物安全性评价也证明胶原-壳聚糖／硅橡胶双层皮肤支架无细胞毒性、对生物体无明显潜在致敏性和无明显皮肤刺激性。

目前，硅橡胶/胶原复合材料用于皮肤组织工程的构建已有一定研究。但在结构仿生模拟中仍集中于对真皮层和表皮层的分别构建，再通过机械覆盖的方法，使两者贴合，但由于材料性能上的差异，表皮和真皮层的贴合效果在临床上的稳定性有待进一步求证；同时将胶原溶液交联后再进行冷冻干燥来获得多孔结构的方法也难以控制孔径的尺寸，交联过大，孔径尺寸不合适，不利于组织的长入，交联过小，不利于材料的酶解稳定性，而且，所用的交联剂也大都是具有细胞毒性的戊二醛水溶液。

在本发明中，为克服已有方法的缺陷，为组织细胞的生长提供一个理想的仿生模拟支架，在制备过程中，我们对硅橡胶表面进行等离子体处理，以提高其表面亲水性，随后直接在其表面涂覆、铺展胶原等生物大分子溶液，采用碳二亚胺等作胶原交联反应过程中的脱水剂，并结合冷冻-交联-再冷冻的处理工艺，将具有适宜孔径的胶原海绵牢固地锚接在了等离子处理过的有机硅橡胶表面，所制备的硅橡胶/胶原双层支架材料不仅具有良好的稳定性，且贯穿的多孔、大孔结构也促进了组织细胞的迁入、生长。该复合膜材料有望在皮肤敷料领域得到广阔的应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种在硅橡胶表面接枝胶原以提供可反应性基团并改变材料表面亲水性的方法，从而为硅橡胶表面进行的功能化提供可行的途径。

本发明的目的之二是提供一种在亲水性硅橡胶表面涂覆多孔胶原，以提供适用于细胞生长、繁殖的多孔支架，从而提高细胞在其表面的粘附、增殖及分化，使用该方法对材料表面的生物相容性有很大的促进作用。

本发明的目的之三是提供可用于皮肤重建及创伤部位修复的皮肤支架及敷料。

本发明是通过以下方法来实现的：以硅橡胶为基质材料，通过等离子体改性引入极性基团，将胶原溶液涂覆在处理过的硅橡胶表面，经冷冻干燥、交联、二次冷冻干燥后，实现硅橡胶表面对胶原的固定，制备出表面亲水性得到改善的有机硅复合材料，该膜材料可用于创伤处的暂时性敷料以利于皮肤的修复及重建。

所述的制备过程主要包括等离子体处理、胶原溶液涂覆、冷冻-干燥、交联、冷冻干燥等等几个过程。

具体地说，本发明的技术方案如下：

（1）硅橡胶薄膜进行表面等离子体处理：将有机硅薄膜置于等离子体处理仪中，选择不同的等离子气体源，在硅橡胶表面引入极性基，改善其表面亲水性；

（2）胶原基生物大分子的涂覆：配置适当浓度的胶原或胶原与其它生物大分子的混合溶液，并将其涂覆在（1）所获得的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出；

（3）胶原层的交联：将（2）所获得的硅橡胶/胶原基复合支架浸泡到含一定浓度脱水剂的乙醇和水的混合溶剂中，于室温反应6-12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

（4）二次冷冻干燥：将（3）所获得的支架再次置于冷冻干燥机中，抽干吸收的水分，即得所需的硅橡胶/胶原基多孔支架材料。

本发明所述的等离子体处理所用的等离子气体源为可改善材料表面亲水性的气体，包括氧气、氨气、氮气、肼或它们的混合气体等；所述的等离子气体处理的功率为20-80w，处理时间为30s-10min。

本发明所述的其它生物高分子材料的分子量为5～100万的含极性基团聚合物。选自：海藻酸钠、透明质酸、肝素、明胶、壳聚糖、聚赖氨酸、多聚氨基酸、核酸、纤维素蛋白、血清纤维结合蛋白、多肽或上述高分子衍生物，或者其中的两种以上的共混物。

本发明所述的脱水剂为三氯代三聚氰酸（TCICA）、2,4,6-三氯代-1,3,5-三嗪及其衍生物、碳二亚胺（EDC）或EDC与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的混合物等。脱水剂反应的浓度为10mM～200mM。

所述的2,4,6-三氯代-1,3,5-三嗪及其衍生物，如2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪（CDMT），2-氯-4,6-双（十七碳烷氟代壬氧基）-1,3,5-三嗪（^FCDMT），4-（4,6-二甲氧基三嗪）-4-甲基吗啉氯化物（DMTMM），4-(4,6-二甲氧基三嗪)-4-甲基吗啉四氟代硼酸盐等。

本发明所述的胶原种为Ⅰ型蛋白、Ⅱ型蛋白或Ⅲ型蛋白，胶原溶液的质量浓度为0.5~5%。

本发明所述的有机硅膜支架材料用于皮肤修复、重建或创伤敷料。

本发明的优点是：在硅橡胶表面涂覆胶原溶液前，先进行等离子体处理，改善硅橡胶表面的亲水性，从而有利于胶原基溶液的铺展，且极性基团的引入也有利于胶原基生物大分子在其表面的稳定性；采用脱水剂替代了戊二醛等交联剂更有利于提高材料的生物相容性；而二次冷冻干燥工艺可在确保材料稳定性的同时，获得适宜于细胞生长的大孔尺寸，所制备的具有良好生物相容性，稳定、孔径适宜的硅橡胶/胶原基复合多孔材料可用于皮肤支架，或有利于创伤部位修复的临时性敷料。

附图说明

图1为本发明的硅橡胶表面静态接触角。

图2为本发明的硅橡胶表面的胶原结构图。

具体实施方式

实施例 1：本实施例选择氨气等离子体改性硅橡胶，并直接涂覆胶原溶液，脱水剂选择EDC/NHS的混合物，具体步骤如下：

第一步，硅橡胶表面等离子体改性：将硅橡胶薄膜置于等离子表面处理仪中，开启氨气气阀，启动功率为30 w，处理2 min，参见附图1，改性后硅橡胶表面亲水性提高；

第二步，胶原基生物大分子的涂覆：配制0.6 %的胶原溶液，并将其涂覆在处理过的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出（处理时间为10h），参见附图2，由扫描电镜图可清除地看出胶原层大孔结构；

第三部，胶原层的交联：将冻干后的硅橡胶/胶原多孔支架投入到含50mM 的EDC/NHS(摩尔比1/1)的乙醇/H₂O体积比为8/2的混合溶剂中，于室温反应12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

第四步，二次冷冻干燥：将洗涤后的支架再次置于冷冻干燥机中，抽干吸收的水分。将制备的硅橡胶/胶原多孔支架敷于皮肤创伤部位，发现具有很好的促进皮肤修复功能。

实施例2 ：本实施例选择氧气等离子体改性硅橡胶，并直接涂覆胶原和壳聚糖的混合溶液，脱水剂选择EDC/NHS的混合物，具体步骤如下：

第一步，硅橡胶薄膜进行等离子体处理：将有机硅薄膜置于等离子表面处理仪中，开启氧气气阀，启动功率为30w，处理10 min；

第二步，胶原基生物大分子的涂覆：配制1.0 %的胶原与壳聚糖的混合溶液（其中胶原/壳聚糖质量比为6:4），并将其涂覆在处理过的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出，（处理时间为12h）；

第三步，胶原层的交联：将冻干后的硅橡胶/胶原基多孔支架投入到含100mM 的EDC/NHS(摩尔比1/1)的乙醇/H₂O体积比为8/2的混合溶剂中，于室温反应12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

第四步，二次冷冻干燥：将洗涤后的支架再次置于冷冻干燥机中，抽干吸收的水分。将制备的硅橡胶/胶原多孔支架敷于皮肤创伤部位，发现具有很好的促进真皮层及表皮层皮肤的修复功能。

实施例3：本实施例选择肼气等离子体改性硅橡胶，并直接涂覆胶原溶液，脱水剂选择DMTMM，具体步骤如下：

第一步，硅橡胶薄膜进行等离子体处理：所得的有机硅薄膜置于等离子表面处理仪中，开启肼气气阀，启动功率为60w，处理6 min；

第二部，胶原基生物大分子的涂覆：配制1.0 %的胶原溶液，并将其涂覆在处理过的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出，（处理时间为12h）；

第三步，胶原层的交联：将冻干后的硅橡胶/胶原基多孔支架投入到含100mM 的DMTMM 的乙醇/H₂O体积比为7/3的混合溶剂中，于室温反应6小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

实施例4：本实施例选择氮气等离子体改性硅橡胶，并直接涂覆胶原和透明质酸的混合溶液，脱水剂选择DMTM，具体步骤如下：

第一步，硅橡胶薄膜进行等离子体处理：将有机硅薄膜置于等离子表面处理仪中，开启氮气气阀，启动功率为50w，处理5 min；

第二步，胶原基生物大分子的涂覆：配制3.0 %的胶原与透明质酸的混合溶液（其中胶原/透明质酸质量比为6:4），并将其涂覆在处理过的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出，（处理时间为8h）；

第三步，胶原层的交联：将冻干后的硅橡胶/胶原基多孔支架投入到含50mM 的DMTMM 的乙醇/H₂O体积比为8/2的混合溶剂中，于室温反应12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

实施例5：本实施例选择氧气与氨气的混合气体对硅橡胶进行等离子体改性，涂覆的是胶原和明胶的混合溶液，脱水剂选择EDC/NHS的混合物，具体步骤如下：

第一步，硅橡胶薄膜进行等离子体处理：将有机硅薄膜置于等离子表面处理仪中，开启氧气与氨气气阀，启动功率为50w，处理30 s；

第二步，胶原溶液涂覆：配制2.0 %的胶原与明胶的混合溶液（胶原/明胶质量比为5/5），并将其涂覆在处理过的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出，（处理时间为12h）；

Claims

1. 一种硅橡胶/胶原基多孔皮肤支架材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）将有机硅薄膜置于等离子体处理仪中，在硅橡胶表面引入极性基；

（2）配置适当浓度的胶原或胶原与其它生物大分子的混合溶液，并将其涂覆在（1）所获得的硅橡胶薄膜表面，使用冷冻干燥器将溶剂抽出；

（3）将（2）所获得的硅橡胶/胶原基复合支架浸泡到含脱水剂的乙醇和水的混合溶剂中，于室温反应6-12小时后，用大量去离子水浸泡冲洗；

（4）将（3）所获得的支架再次置于冷冻干燥机中，抽干吸收的水分。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的等离子体处理所用的等离子气体源为氧气、氨气、氮气、肼或它们的混合气体；所述的等离子气体处理的功率为20-80w，处理时间为30s-10min。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的其它生物高分子材料的分子量为5～100万的含极性基团聚合物。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是所述的生物高分子材料为海藻酸钠、透明质酸、肝素、明胶、壳聚糖、聚赖氨酸、多聚氨基酸、核酸、纤维素蛋白、血清纤维结合蛋白、多肽或上述高分子材料的衍生物，或者其中的两种以上的共混物。

5.根据权利要求1所述制备的方法，其特征是所述的脱水剂为三氯代三聚氰酸、2,4,6-三氯代-1,3,5-三嗪及其衍生物、碳二亚胺或碳二亚胺与N-羟基琥珀酰亚胺的混合物；脱水剂反应的浓度为10mM～200mM。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的胶原种为Ⅰ型蛋白、Ⅱ型蛋白或Ⅲ型蛋白，胶原溶液的质量浓度为0.5~5%。

7.权利要求1所述的硅橡胶/胶原基多孔支架材料用于皮肤修复、重建或创伤敷料。