CN103741262A - 一种用于硬脑膜或硬脊膜修补的几丁糖纳米纤维膜及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医用生物材料技术领域，具体涉及一种几丁糖纤维膜，该纤维膜是由几丁糖的纺丝溶液制成的，包含几丁糖、六氟异丙醇和乙酸作为混合溶剂。本发明还提供了上述几丁糖纤维膜的制备方法，以及该纤维膜在制备硬脑膜或硬脊膜缺损修补材料、脑脊液漏封堵材料或预防组织粘连药物中的应用。
Description
技术领域
本发明属于医用生物材料技术领域，具体涉及一种几丁糖纤维膜，及其制备方法，以及该纤维膜在制备硬脑（脊）膜缺损修补材料、脑脊液漏封堵材料或预防组织粘连药物中的应用。
背景技术
脑脊液漏是脊柱外科与神经外科手术中经常遇到的临床并发症，交通事故、工伤和战争等导致的开放性颅骨损伤、先天性脑膜缺损、肿瘤转移及其他脑颅疾患等原因均会造成硬脑膜缺损，进而导致脑脊液漏的发生。轻者会引起神经根损伤，导致伤口延迟愈合；重者会出现颅内感染，引起蛛网膜炎或脑膜炎，甚至发展成脑脓肿及颅内出血等等一系列威胁患者生命的并发症。因此防止脑脊液漏是临床上亟待解决的问题。
目前临床上用于修补硬脑膜或硬脊膜缺损的主要手段多是自体筋膜移植或聚乳酸类生物膜片修复，但前者需要切取自身组织，会产生新的创伤等原因，不符合现代医学发展趋势；后者存在体内降解产物呈酸性，易引发体内炎症发生等不足。几丁糖是一种天然的碱性多糖，具有良好的生物相容性、降解性和预防组织粘连等生物学特性，虽然在临床已得到广泛应用，但由于目前主要采用溶液浇铸成型所得到的几丁糖膜不足之处在于质脆，柔韧性和拉伸性差，无法用于修复硬脑（脊）膜缺损。
电纺丝技术是一种已得到广泛应用的新型超细纤维制备工艺，具有操作简便、成本低廉、适用广泛等优点。
中国发明专利ZL200910139481.3，发明名称为：“一种具有生物活性的人工硬脑膜及其制备方法”，授权公告号CN101692986B，公开了一种具有生物活性的人工硬脑膜，是由纳米仿生支架及附着于其上的水溶胶构成，水溶胶内包覆有细胞因子和/或药物；纳米仿生支架包含相连的两层结构：一层是面向大脑的结构层为疏水性的防粘连电纺层，另一层是背向大脑的结构层为亲水性的纳米细胞支架层。在其实施例中，电纺液选择疏水性的L-聚乳酸和ε-己内酯，两者比值为50:50，或者聚氨酯与透明质酸，两者的质量比为70:30；溶剂选用六氟异丙醇，支架材料选用硫酸软骨素。此人工硬脑膜存在如下缺点：（1）结构复杂，需要复合多种细胞因子和药物，同时也易导致生物力学性能差；（2）制备步骤繁琐，需要采用静电纺和生物打印技术逐层叠加；（3）产业化转化可能性低，无法进行临床推广。
因此，临床上长期亟盼一种结构和制备过程简单、力学性能好、生物相容性好、产业化前景广阔、且方便、安全、有效的硬脑（脊）膜修补材料的出现。
发明内容
本发明的目的是为临床提供一种具有良好的柔韧性、可缝合性和生物组织相容性好、高力学强度、可在体内完全降解吸收且降解速率适中、能显著促进硬脑膜再生、无免疫排斥反应、可预防组织粘连、同时易于剪裁和保存且临床使用操作简单的几丁糖纤维膜。本发明的另一目的是提供所述的几丁糖纤维膜的制备方法与应用。
本发明的第一方面，是提供了一种几丁糖纤维膜，该纤维膜是由几丁糖的纺丝溶液制成的，包含以下组分和配比：
脱乙酰度为50-95%且分子量为30-70万的几丁糖；
六氟异丙醇和乙酸作为混合溶剂，乙酸在混合溶剂中的体积分数为1-20%；
几丁糖在混合溶剂中的浓度为1-10%（克/毫升）。
所述的几丁糖纤维膜，较佳的，几丁糖的脱乙酰度为85-95%，分子量为50-70万；
几丁糖纺丝溶液的浓度为1.25%；
乙酸在混合溶剂中的体积分数为2%。
所述的几丁糖纤维膜，纤维直径在100-2000纳米，厚度在0.05-0.5毫米。
本发明的第二方面，是提供上述的几丁糖纤维膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
（A）配制几丁糖的纺丝溶液：将几丁糖加入六氟异丙醇和乙酸的混合溶液中，其中乙酸的体积分数为1-20%，室温下搅拌至透明，得到浓度为1-10%（克/毫升）的纺丝溶液；
（B）将步骤A制得的几丁糖的纺丝溶液装入电纺丝液供给装置；
（C）将金属平面收集模板或转速为100-2500转/分、直径为2-20cm的滚筒与接地端相连，作为电纺丝过程的收集基板；
（D）通过流量泵调控电纺丝液的供给流量为0.1-20ml/h；
（E）调节高压发生端同收集装置之间的距离为3cm-30cm；
（F）通过高压发生器给电纺丝过程提供高压，可在0.1-40kv之间调控；
（G）在平面模板或旋转滚筒上收集后获得具有厚度在0.05-0.5毫米的几丁糖纤维膜。
上述方法制得的几丁糖纤维膜，先在室温下放置一晚，并继续放入37-100度下的真空烘箱中放置12小时以上以除去残余溶剂。
上述方法制得的几丁糖纤维膜，临床使用前，可裁剪成手术所需的尺寸和形状，在75%酒精中浸泡一晚后备用。
所述的电纺丝液供给装置，可以为市售的浙江史密斯医学仪器有限公司的WZ-50C66T和WZ-50C6(T)型微量注射泵，以及保定兰格恒流泵有限公司LSP01-1A和LSP01-2A型微量注射泵等。
上述方法中，优选的实施方式是：
步骤（A）中乙酸的体积分数是2%，几丁糖的分子量是50-70万，溶液浓度是1.25%（克/毫升）。
步骤（C）中，所使用的滚筒转速为100转/分，直径为8厘米。
步骤（D）中，的供给流量为5ml/h。
步骤（E）中，距离设定为15cm。
步骤（F）中，电压设定为15kv。
步骤（G）中，在平面模板或旋转滚筒上的收集时间为4小时。
上述制备方法，具体为：
（1）将去除头尾的新鲜虾壳用清水洗净，分别用5%HCl和10%的NaOH浸泡12h，洗至中性后烘干磨碎，将得到的粉末在100°C下置于50%的NaOH溶液中反应24小时，之后洗涤至中性并酒精脱水，最后真空干燥得到脱乙酰度为85-95%的几丁糖。
（2）将几丁糖溶解于六氟异丙醇和乙酸的混合溶液中，其中乙酸的体积分数为1-20%，在室温下搅拌一晚形成均以稳定的溶液，溶液中几丁糖浓度为1-10%。
（3）将几丁糖溶液放入注射器中，注射器针头处连接高压电源。溶液供给流量通过微流泵控制在0.1-20ml/h，施加的电压为0.1-40kv，高压端同接地端的距离为3-30cm，所使用滚筒直径为2-20cm，旋转速度为100-2500rpm。
（4）将收集得到的几丁糖纳米纤维膜在室温下放置一晚后，继续在37-100℃真空烘箱内干燥一晚，之后在75%酒精中浸泡消毒。最后冷冻干燥后裁剪得到临床需要的生物医学材料。
本发明的第三方面，是提供上述的几丁糖纤维膜在制备硬脑膜或硬脊膜缺损修补材料中的应用。
提供上述的几丁糖纤维膜在制备脑脊液漏封堵材料中的应用。
以及，提供上述的几丁糖纤维膜在制备预防组织粘连药物中的应用。
本发明所得到的纯几丁糖膜材料用作硬脑膜修补材料，具有以下有益效果：
1、具有良好的柔韧性和可缝合性，在外科手术时和手术后能承受一定的拉力，缝合时不撕裂、不脱边，可发生形变但不至于破损。
2、具有良好的生物相容性，植入体内后不引发炎症反应；同时不含活细胞成分，不使用外源性蛋白，免除了由此而带来的免疫排斥反应和感染疾病的风险。
3、能够在术后初期提供力学支撑，随着时间延长缓慢发生降解同时促进硬脑膜再生，并最终完全降解和吸收，避免了膜片致癌的风险。
4、不需要添加细胞因子或药物，能直接通过缝合用作修补硬脑脊膜缺损。
5、该材料能有效地防止手术后组织粘连，有利于避免因神经组织粘连所导致的癫痫等并发症的发生。
6、能很好地封堵脑脊液漏和防止组织粘连。
7、材料来源丰富、成分较低，同时制备工艺和产品组成简单，产品质量易于控制，能实现高效率低成本的产业化生产。
因此本发明所介绍的几丁糖纳米纤维膜是一种新型医用生物材料，在修复硬脑膜缺损和防止术后粘连等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是几丁糖纤维膜的扫描电镜照片（×3000倍）。
图2是几丁糖纤维膜的拉伸应力-应变曲线。
图3是几丁糖纤维膜封堵脑脊液漏实验结果图；
其中圆圈处为几丁糖纤维膜缝合的颅骨骨洞。
图4是几丁糖纤维膜在植入家兔6周后的实验结果图；
其中A是切开包膜后的几丁糖形态；B是表明可将降解后的几丁糖膜整块拉出；C是表明包膜与几丁糖膜无粘连，空隙明显；D是表明几丁糖膜深面骨窗完全封闭，无脑脊液漏。
具体实施方式
现结合实施例和附图，对本发明作进一步描述，但本发明的实施并不仅限于此。
下述实施例如无特殊说明所用方法均为常规方法。
实施例1：几丁糖硬脑膜修补材料的制备
（1）将去除头尾的新鲜虾壳用清水洗净，分别用5%HCl和10%的NaOH浸泡12h，洗至中性后烘干磨碎，将得到的粉末在100°C下置于50%的NaOH溶液中反应24小时，之后洗涤至中性并酒精脱水，最后真空干燥得到脱乙酰度为85-95%的几丁糖。
（2）将0.125克几丁糖溶解于10毫升六氟异丙醇和乙酸的混合溶液（乙酸体积分数为2%）中，在室温下搅拌一晚形成均以稳定的溶液。
（3）将几丁糖溶液放入注射器中，注射器针头处连接高压电源。溶液供给流量通过微流泵控制在5ml/h，施加的电压为15kv，高压端同接地端的距离为15cm，所使用滚筒的旋转速度为100rpm。通过此过程，可收集到直径为300nm左右、厚度在0.13mm左右的几丁糖纳米纤维膜，如图1所示。
（4）将收集得到的几丁糖纳米纤维膜在室温下放置一晚后，继续在37°C真空烘箱内干燥一晚，之后根据需要裁剪成具有特定形状和尺寸的几丁糖硬脑膜修补材料。
实施例2：几丁糖纳米纤维膜材料的力学性能研究
将几丁糖纤维膜裁成长和宽为40×4mm的样品，并将样品两条边修剪平整，防止出现裂纹，然后采用螺旋测微仪测量每个样品的厚度，选取不同部位测量三次取平均值。然后通过万能力学测试机进行拉伸力学性能测定，十字头的上升速度为2mm/min。每组测试结果取五个平行样的平均值。
几丁糖纤维膜的拉伸强度为7.93±0.35MPa，弹性模量为117.9±7.6MPa如图2所示。远高于文献中报导的聚乳酸、聚己内酯和胶原蛋白等纳米纤维膜的力学性能，如聚乳酸纤维膜拉伸强度为3.59MPa（Park WH et.al.,Thermalinterfiber bonding of electrospun poly(l-lactic acid)nanofibers,Materials Letters,2006,60:1331-1333）；聚己内酯纤维膜拉伸强度为4.7MPa（K.Fujihara et.al.,Guided bone regeneration membrane made of polycaprolactone/calcium carbonatecomposite nano-fibers,Biomaterials,2005,26:4139-4147）；胶原蛋白纤维膜拉伸强度1.68±0.10MPa，弹性模量为6.21±0.8MPa（Thomas V et.al.,Nanostructured biocomposite scaffolds based on collagen coelectrospun withnanohydroxyapatite，Biomacromolecules2007,8:631-637）。
实施例3：几丁糖纳米纤维膜的生物相容性和降解性研究
选用家兔作为实验动物，将几丁糖纤维膜埋入家兔的腿部肌肉，在术后6周将动物处死，将注射部分的肌肉在10%福尔马林中固定，进行大体观察和HE染色观察评价其生物相容性。
结果显示6周后几丁糖纳米纤维膜被包膜完整包裹，且已经发生明显降解，并软化成凝胶状，且与包膜无粘连。
实施例4：几丁糖纳米纤维膜封堵脑脊液漏的研究
选用家兔作为实验动物，将兔头颅骨两侧分别开洞，显露硬脑膜并制作缺口造成脑脊液漏，一侧将几丁糖纤维膜与缺损部位硬脑膜缝合修复缺损，另外一侧不做任何处理。通过向硬脑膜内缓慢注射美蓝溶液，即时观察美蓝溶液漏出情况以评价几丁糖纤维膜脑脊液漏封堵效果。术后6周通过大体和组织学检查评价材料在封堵脑脊液漏接触软脑膜时的安全性，是否形成永久修复脑脊液漏的新脑膜。
结果显示几丁糖纤维膜一侧无蓝色美蓝溶液漏出，而对照组周围则涌出大量蓝色溶液，如图3所示。术后6周切开头皮后，见双侧骨窗处连同几丁糖膜一起完全包裹，给包膜切开一小口后，见几丁糖膜成凝胶状（糊状）露出。手术刀去除部分包膜，镊子提起包膜，见包膜与几丁糖膜无粘连，空隙明显。钳夹几丁糖膜后，见凝胶状的膜柔软，但仍然能整块拉出，与包膜无明显粘连。抽出几丁糖膜，见几丁糖膜深面骨窗完全封闭，无脑脊液漏；大脑无显漏，大脑外面形成一层保护膜，如图4所示。这表明几丁糖纤维膜显著促进了硬脑膜的再生。
实施例5：几丁糖纳米纤维膜预防术后组织粘连的研究
选用大鼠作为实验动物，通过盲肠腹壁粘连和神经组织粘连模型，将几丁糖纳米纤维膜分别贴附在损伤肠和椎板切除后显露的硬脊膜创面表面，在术后2周、4周通过大体观察和组织学观察，验证几丁糖纤维膜对防止肠粘连和脊柱外科手术后组织粘连的作用。
几丁糖纤维膜在实验2周后在盲肠创面和腹壁损伤面之间形成了一层物理隔离层，未发生粘连；而对照组盲肠和周围软组织发生了严重粘连；4周后对照组发生组织粘连，而几丁糖纤维膜组无明显组织粘连，腹壁手术部位清晰可见。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种几丁糖纤维膜，其特征在于，该纤维膜是由几丁糖的纺丝溶液制成的，包含以下组分和配比：
脱乙酰度为50-95%且分子量为30-70万的几丁糖；
六氟异丙醇和乙酸作为混合溶剂，乙酸在混合溶剂中的体积分数为1-20%；
几丁糖在混合溶剂中的浓度为1-10%克/毫升。
2.根据权利要求1所述的一种几丁糖纤维膜，其特征在于，所述的几丁糖的脱乙酰度为85-95%，分子量为50-70万。
3.根据权利要求1或2所述的一种几丁糖纤维膜，其特征在于，所述的几丁糖在混合溶剂中的浓度为1.25%克/毫升。
4.根据权利要求1或2所述的一种几丁糖纤维膜，其特征在于，所述的乙酸在混合溶剂中的体积分数为2%。
5.根据权利要求1或2所述的一种几丁糖纤维膜，其特征在于，所述的几丁糖纤维膜，纤维直径在100-2000纳米，厚度在0.05-0.5毫米。
6.一种如权利要求1所述的几丁糖纤维膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（A）配制几丁糖的纺丝溶液：将几丁糖加入六氟异丙醇和乙酸的混合溶液中，其中乙酸的体积分数为1-20%，室温下搅拌至透明，得到浓度为1-10%克/毫升的纺丝溶液；
（B）将步骤A制得的几丁糖的纺丝溶液装入电纺丝液供给装置；
（C）将金属平面收集模板或转速为100-2500转/分、直径为2-20cm的滚筒与接地端相连，作为电纺丝过程的收集基板；
（D）通过流量泵调控电纺丝液的供给流量为0.1-20ml/h；
（E）调节高压发生端同收集装置之间的距离为3cm-30cm；
（F）通过高压发生器给电纺丝过程提供高压，可在0.1-40kv之间调控；
（G）在平面模板或旋转滚筒上收集后获得具有厚度在0.05-0.5毫米的几丁糖纤维膜。
7.根据权利要求6所述的几丁糖纤维膜的制备方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤（G）制得的几丁糖纤维膜，先在室温下放置一晚，并继续放入37-100度下的真空烘箱中放置12小时以上以除去残余溶剂。
8.根据权利要求6所述的几丁糖纤维膜的制备方法，其特征在于，
步骤（C）中，所使用的滚筒转速为100转/分，直径为8厘米；
步骤（D）中，的供给流量为5ml/h；
步骤（E）中，距离设定为15cm；
步骤（F）中，电压设定为15kv；
步骤（G）中，在平面模板或旋转滚筒上的收集时间为4小时。
9.一种如权利要求1所述的几丁糖纤维膜在制备硬脑膜或硬脊膜缺损修补材料中的应用。
10.一种如权利要求1所述的几丁糖纤维膜在制备脑脊液漏封堵材料或预防组织粘连药物中的应用。
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Denomination of invention: Chitosan nanofiber membrane for repairing the dura mater or spinal cord and its preparation method and application Granted publication date: 20160615 Pledgee: The Bank of Shanghai branch Caohejing Limited by Share Ltd. Pledgor: SHANGHAI HAOHAI BIOLOGICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980017868 |