一种组织修复膜及其制备方法及制成的载药组织修复膜
技术领域
本发明属于组织修复膜及药物缓释领域,具体涉及一种组织修复膜及其制备方法及制成的载药组织修复膜。
背景技术
针对因创伤、意外、癌症等原因造成的组织缺损,已有很多应用于临床的修复产品,如同种/异种脱细胞基质产品、冷冻干燥产品、静电纺丝产品等。其中静电纺丝产品由纳米纤维组成,以其纳米尺度、高比表面积、模拟细胞外基质等优势在组织修复领域具有良好的应用效果。但无论修复产品是由天然材料还是高分子合成材料制成,植入后总会出现异物免疫反应,有时异物免疫反应过重,会出现明显的炎症,给病患造成不必要的伤害。由于会出现初期炎症反应,上述组织修复产品都明确规定不得在易发生炎症或已发生炎症的部位应用,限制了组织修复产品的应用范围。同时,意外创伤的缺损面残留有大量的异物和细菌,清创后也不能保证完全去除;手术造成的缺损,也不能保证预后过程不发生感染,因此缺损预后阶段病患需抗生素来对抗炎症和感染,口服和注射抗生素不仅需要的药量很大,时间很长,而且在某些部位——如脑部,因为血脑屏障的存在,抗生素无法有效地进入脑脊液中,为病患的身体和经济带来双重打击。因此,急需一种可以同时发挥促进组织修复和药物原位缓释的组织修复产品。
将组织修复和药物原位缓释结合是目前药物输送系统及组织修复领域的研究重点。研究者从扩散和降解两方面入手,通过调节药物在材料中的分布以及材料本身的降解特性,达到药物缓释的效果。研究者利用乳化、脂质体、胶束、分散等包埋机理将药物预先包裹在修复材料内部,制备了载药微球、载药胶束、载药纤维、载药水凝胶、载药微囊等产品。但目前的研究中,药物必须在产品制备时就加入原材料中(如电纺时,将药物加入纺丝液),药物难免会经历有机溶剂、pH变化、温度变化以及长时间放置等会破坏药物结构的过程。同时,将药物提前加入修复材料,会受到药物和修复材料结合性的影响,只能根据修复材料针对一种或有限几种药物配伍,临床应用上有一定的局限性。
因此,需要发明一种既具有组织修复能力,同时又能在药物负载上具有更大灵活性和实用性的组织修复产品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种既具有组织修复能力,同时又能在药物负载上具有更大灵活性和实用性的组织修复膜。
本发明的另一目的在于提供所述组织修复膜的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种载药的组织修复膜。
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现:
一种可载药的组织修复膜,所述组织修复膜包括电纺纤维膜主体、电纺纤维膜主体内部形成的至少一个相对密封的储药腔以及置于储药腔内的储药介质;所述电纺纤维膜主体由疏水性可降解材料构成;所述储药介质由亲水性可降解材料构成。
电纺纤维膜主体作为组织修复膜的主体,提供三维网状结构,一般地这种三维网状结构带有高孔隙率和高比表面积的特性,其作为促进细胞粘附、增殖、迁移的支架,随着组织的长入而缓慢降解;相对密封的储药腔为储药介质及后期注入药液提供空间;电纺纤维膜主体的疏水特性可保持电纺纤维膜主体内外侧的药物浓度梯度,使药物随着电纺纤维膜主体内外液体环境的缓慢贯通而稳定地释放到外部液体环境中。
本发明中所述的相对密封是指,储药腔内的储药介质在被使用前不会泄漏至储药腔外,但外部的液体可以通过电纺纤维膜自身的微孔进入储药腔。
植入后,在电纺纤维膜的纤维间的微孔中会慢慢充满液体,该过程称为水化。随着电纺纤维膜的缓慢水化,储药腔中未被储药介质占据的部分会逐渐充满来自电纺纤维膜外部的液体介质,使外部液体介质和储药介质内的液体环境连通,电纺纤维膜主体内外侧的液体介质中逐渐地形成药物浓度梯度,药物就会开始解吸附并释放到外部液体介质中。同时,位于储药腔中的液体介质为药物的解吸附和缓慢释放提供缓冲作用。
储药介质的吸水率决定了添加的药液量和释放性能,同时还与储药介质的溶胀率相关。优选地,构成所述储药介质的材料的吸水率为180~400%,优选为200~300%。在优选范围内,储药介质溶胀后会使修复膜的厚度有合适程度的增加,一定程度上能压迫肉芽组织,消除组织修复膜和肉芽组织之间的空隙,促进肉芽组织长入组织修复膜。
优选地,构成所述电纺电纺纤维膜的纤维的直径为0.01~5μm,在所述电纺纤维膜中,纤维呈无序或有序排列。更优选地,所述纤维的直径为200~500nm。
优选地,所述电纺纤维膜的密度为0.001~0.099 g/cm3,储药介质的密度为0.05~0.2 g/cm3。
优选地,所述疏水性可降解材料为聚乳酸、聚己内酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、聚二氧六环酮中的任意一种或几种的混合物。
疏水性可降解材料除了上述的单一材料外,还可以是由具有不同的疏水性能的可降解材料进行混纺、不同的疏水性能的可降解材料的电纺纤维混杂或不同电纺纤维层累积得到,以期得到不同阻隔性能以及药物浓度梯度。
优选地,所述亲水性可降解材料为明胶、透明质酸、丝素、聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、果胶、纤维蛋白、淀粉及其衍生物、纤维素及其醚化物中的任意一种或几种的混合物。
可以通过对构成储药介质的材料进行交联处理,调节储药介质的吸水率、溶胀率及降解时间。
优选地,所述储药介质由所述亲水性可降解材料制成的颗粒、微球、电纺膜、流延膜、多孔海绵或干态水凝胶中的一种或几种构成。
优选地,所述储药介质由所述亲水性可降解材料经交联制成。
优选地,所述电纺纤维膜具有三维网状结构,纤维之间形成当量圆直径为0.5~5μm的微孔。
优选地,当所述储药介质由所述亲水性可降解材料制成电纺膜、多孔海绵或干态水凝胶中的一种或几种构成时,储药介质具有孔径为5~100μm的孔。
通常地,储药介质的含量的选择取决于所吸收药液的量,一般为所吸收药液量除以吸水率得到。优选地,所述储药介质的含量为0.05~10g,优选为0.1~5g。
电纺纤维膜作为储药介质与外部环境之间的屏障,需要有合适厚度来保证抗张性和阻隔性。优选地,所述电纺纤维膜的厚度优选为0.01~0.3mm。
储药介质的堆叠会形成储药区,为了防止溶胀后对电纺纤维膜以及周围组织造成过度压迫,储药区的厚度不宜过厚。优选地,储药区的厚度优选为0.1~5mm,更优选地,所述储药区的厚度更优选为0.1~3mm。
作为一种可选的方式,所述组织修复膜的制备方法,包括如下步骤:
S1.分别将疏水性可降解材料制成纺丝液,将亲水性可降解材料制成前驱液;
S2.以所述前驱液为原料制成储药介质,并可选地,在制备过程中对前驱液进行交联处理;
S3.以纺丝液为原料制成电纺纤维膜;
S4.将所述储药介质置于一层电纺纤维膜上,然后再采用另一层电纺纤维膜对其进行覆盖,然后对电纺纤维膜层之间进行封闭处理,使电纺纤维膜之间结合,形成相对封闭的储药腔及电纺纤维膜主体,得到所述组织修复膜。
优选地,S4.中所述封闭处理的方式为热压、缝合、溶剂融合、热熔合、粘合或直接电纺结合。
优选地,S4.中任意一层电纺纤维膜具有可容纳所述储药介质的凹槽结构。
优选地,所述直接电纺结合为将所述储药介质置于一层电纺纤维膜上,然后再直接在其表面电纺上一层电纺纤维膜。
优选地,S3.中所述电纺纤维膜,通过采用带有凹槽的转子作为静电纺丝接收装置,进行静电纺丝制成。通过该转子上的凹槽形成储药空间,可以方便快捷地在电纺纤维膜上添加储药介质和对电纺纤维膜进行封闭处理,并且方便连续化生产。优选地,所述凹槽的深度为0.1~5mm。优选地,所述凹槽垂直方向的切面呈等腰梯形状。为了使电纺纤维膜与凹槽壁面之间更好地贴合,所述凹槽的边缘与水平面所夹的锐角优选为30°~60°。实验发现低于30°时所需凹槽的开口过大,难以控制电纺纤维膜的厚度;大于60°时电纺纤维难以贴合凹槽的壁面。更优选地,优选凹槽的边缘与水平面所所夹的锐角为30°~45°,以同时保证合适的开口大小。
一种载药组织修复膜,包括电纺纤维膜主体、电纺纤维膜内部形成的至少一个相对密封的储药腔以及置于储药腔内的储药介质;所述电纺纤维膜主体由疏水性可降解材料构成;所述储药介质由亲水性可降解材料构成;所述储药介质储有药物。
优选地,所述储药介质为包含药物的溶胀体。
一种所述可载药的组织修复膜的使用方法,具体包括如下步骤:
S1.对创面进行清理,完全止血并清除所有可见的异物、坏死组织等;根据创面大小选择合适膜片大小以及储药腔大小的载药组织修复膜,可根据创面形状修剪外周四边(修剪不得破坏储药腔的相对密封结构)至合适的形状;
S2.将药物配成水溶液,并通过注射器将药液注入组织修复膜的储药腔中,静置膜片,待储药介质充分吸收药液;
S3.将S2.所得组织修复膜应用于缺损部位修复。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明公开了一种组织修复膜,包括电纺纤维膜主体、电纺纤维膜内部形成的至少一个相对密封的储药腔以及置于储药腔内的储药介质;所述电纺纤维膜主体由疏水性可降解材料构成;所述储药介质由亲水性可降解材料构成。所述组织修复膜保留了电纺纤维膜良好的组织修复能力,通过加入储药腔和储药介质,可以在电纺纤维膜空腔位置注入任何水溶性药物,使电纺纤维膜同时具有药物装载和缓释的作用。本发明设计的储药腔结构除了可以实现组织修复和药物缓释功能外,使用时才加入药物的使用方法也大大拓宽了药物的选择范围和灵活性,避免了为提高包覆率和释放时间进行的药物改性,也避免了药物因混入原材料进行制备而受到的有机溶剂、pH变化、温度变化等影响而产生的失活。本发明公开的组织修复膜结构简单,制备和使用方便,具有良好的临床应用价值。
附图说明
图1为本发明制备的组织修复膜的形貌图;
图2为本发明所用的电纺装置的接收辊的结构示意图;
图3为本发明制备的组织修复膜的药物释放曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。这些实施例仅是对本发明的典型描述,但本发明不限于此。下述实施例中所用的试验方法如无特殊说明,均为常规方法,所使用的原料,试剂等,如无特殊说明,均为可从常规市购等商业途径得到的原料和试剂。
实施例1
PLA/明胶组织修复膜
S1. 将0.8g聚乳酸加入10mL的六氟异丙醇溶液中,常温搅拌直至溶解,制成8%(w/v)的纺丝液;将1g明胶加入10mL的去离子水中,常温搅拌直至溶解,制成10%(w/v)的前驱液;
S2. 将明胶前驱液缓慢滴加入高速搅拌的乙醇溶液中析出,减压蒸馏去除乙醇,所得沉淀研磨成粉,得到明胶颗粒;
S3. 将纺丝液加入注射器中,注射器前端加上延长管并连接规格为20G的针头,注射器放置于微量注射泵上,针头垂直于接收平板,接收板下部接地;设置注射速率为2mL/h,当针尖有溶液挤出时,在针尖上加载22kv的电压;此时有电纺纤维喷出并收集于接收板上,形成电纺纤维膜;
S4. 将S2制得的明胶颗粒置于一片电纺纤维膜上,形成厚度为2mm,距四边各5mm的堆叠体,在上面再覆盖一片同样大小的电纺纤维膜,得到雏形;
S5. 利用热压的方式对S4所述雏形进行四边热压,温度为55℃,压力10MPa,保温时间30min,即得所述PLA/明胶组织修复膜。
所得PLA/明胶组织修复膜,总体密度为0.42±0.06g/cm3,吸水率(用组织修复膜整体进行测试,但因为外层电纺纤维膜疏水,所以也认定为储药介质的吸水率,下同)为215±23%;其中,PLA电纺纤维的平均直径为452±43nm,孔径为2.5±0.8μm。
实施例2
PLA/透明质酸组织修复膜
S1.将0.6g聚己内酯加入10mL的六氟异丙醇溶液中,常温搅拌直至溶解,制成6%(w/v)的纺丝液;将0.1g透明质酸加入10mL的去离子水中,常温搅拌直至溶解,制成1%(w/v)的前驱液;配置30mM的EDC-乙醇溶液作为交联剂;
S2. 将透明质酸前驱液倒入9mm培养皿中,-20℃冷冻,形成厚度为1.5mm的预冻块,冷冻干燥得到透明质酸冻干海绵,将冻干海绵转移至交联剂中处理30min,取出后反复水洗去除交联剂,再次冻干得到透明质酸储药层;
S3. 将纺丝液分别加入注射器中,注射器前端加上延长管并连接规格为18G的针头,注射器放置于微量注射泵上,以图2所示的带有凹槽的转子为接收装置,针头垂直于接收装置,接收装置接地;先推送PCL纺丝液,设置注射速率为5mL/h,当针尖有溶液挤出时,在针尖上加载22kv的电压,此时有电纺纤维喷出并依照接收装置的形状,形成具有凹槽(储药腔)的底层电纺纤维膜;
S4. 将S2制得的透明质酸储药层裁剪成与凹槽尺寸相接近的大小,置于底层电纺纤维膜的凹槽内,然后采用S1所述纺丝液直接在底层电纺纤维膜的表面电纺一层顶层电纺纤维膜;
S5. 将S4制得的组织修复膜裁剪成合适大小,即得所述PCL/透明质酸组织修复膜。
所得PCL/透明质酸组织修复膜,形貌照片如图1所示,组织修复膜的总体密度为0.21±0.03g/cm3,吸水率为258±71%;其中,PCL电纺纤维的平均直径为652±98 nm,孔径为5.4±0.3μm,透明质酸储药层的孔径为76±32μm。
实施例3
PLA-PHBV/壳聚糖组织修复膜
S1.将0.8g聚乳酸加入10mL的六氟异丙醇溶液中,常温搅拌直至溶解,制成8%(w/v)的纺丝液;将2g聚乳酸加入10mL的六氟异丙醇溶液中,常温搅拌直至溶解,制成20%(w/v)的粘结剂;将0.4g聚羟基丁酸戊酸共聚酯加入10mL的氯仿溶液中,常温搅拌直至溶解,制成4%(w/v)的纺丝液;将0.25g壳聚糖加入10mL的2%醋酸溶液中,常温搅拌直至溶解,制成0.025%(w/v)的前驱液;配置2%的戊二醛溶液作为交联剂;
S2. 将壳聚糖前驱液倒入9mm培养皿中,形成厚度为3mm的块状物,加入16mL交联剂,50℃处理1h,转移到室温继续处理48h形成壳聚糖水凝胶,利用缓冲液调整pH为7.0,反复水洗去除交联剂,冷冻干燥得到壳聚糖储药层;
S3. 将PLA和PHBV的纺丝液分别加入注射器中,注射器前端加上延长管并连接规格为18G的针头,注射器放置于微量注射泵上,以平板为接收装置,针头垂直于接收装置,接收装置接地;先推送PHBV纺丝液,设置注射速率为2mL/h,当针尖有溶液挤出时,在针尖上加载20kv的电压,此时有电纺纤维喷出并收集于接收装置上,待到形成一定厚度后,撤去PHBV纺丝液的电压和注射泵,开启PLA纺丝液的电压和注射泵,设置注射速率为5mL/h,当针尖有溶液挤出时,在针尖上加载22kv的电压,此时PLA电纺纤维喷出并收集于接收装置上,形成电纺纤维膜;
S4. 将S2制得的壳聚糖储药层裁剪成合适大小,置于S3制备的一片电纺纤维膜上(PHBV面朝下),以壳聚糖储药层为内边,8mm为宽度涂抹一定厚度的环状PLA粘结剂,马上覆盖另一片电纺纤维膜(PHBV面朝上),得到雏形;
S5. 将S4制得的雏形进行压制,压力为5MPa,保压时间10min,而后裁剪成合适大小,即得所述PLA-PHBV/壳聚糖组织修复膜。
所得PLA-PHBV/壳聚糖组织修复膜,总体密度为0.85±0.21g/cm3,吸水率为186±42%;其中,PLA电纺纤维的平均直径为457±48 nm,孔径为2.8±0.1μm,PHBV电纺纤维的平均直径为687±53 nm,孔径为4.5±0.3μm,壳聚糖储药层的孔径为49±33μm。
实施例4
体外药物释放试验
利用实施例1所得的PLA/明胶组织修复膜为缓释材料,以头孢曲松钠为模型药物进行体外药物缓释实验,具体步骤如下:
S1. 溶液配制:将20 g 硫酸铁铵, 加入质量分数98 %的浓硫酸9.4 mL,加水至100 mL定容,配制成0. 415 mol /L的硫酸铁铵溶液作为配位剂;配制1g/L的头孢曲松钠作为标准液;
S2. 标准曲线建立:分别取0,0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 mL头孢曲松钠标准溶液于8 只10mL比色管中,加入0.5mL配位剂,用去离子水定容至10mL,利用紫外-可见分光光度计在波长470nm处测量其络合物的吸光度,制成标准曲线,如图3(a)所示;
S3. 药物装载和释放:取上述标准液6mL置于注射器中;按照上述实施例1制备PLA/明胶多层空腔组织修复膜,将标准液注射入多层空腔组织修复膜的腔隙中,待药液完全吸收后,转移至100mL PBS中,37℃恒温振荡;
S4. 取样:分别在释放4,8,24,48,72,96,120,144小时取出1mL释放液,并补充新鲜PBS1mL;
S5. 吸光度测定:将取出的样品液置于10mL比色管中,加入0.5mL配位剂,用去离子水定容至10mL,利用紫外-可见分光光度计在波长470nm处测量其络合物的吸光度;
S6. 累积释放率计算:将所得吸光度代入到标准曲线中,得出样品液的浓度,利用下列公式计算累积释放率:
公式中,t为时间(h),Mt是t时间的释放量,Mi是i时间的释放量,Mx是理论上含有的药物总量;将计算得到累积释放率制成曲线图,如图3(b)所示。
从图3中可以明显看出,释放曲线存在t1和t2两个拐点,分析认为,释放初期电纺纤维膜将电纺纤维膜外部的液体介质和内部的储药介质分隔开来,仅靠注射时的针眼等位置释放少量药物;随着电纺纤维膜的逐渐水化,空腔内部未被储药介质占据的部分会逐渐充满来自电纺纤维膜外部的液体介质,为药物的解吸附和缓慢释放提供缓冲;当t1时间到来,完全水化后储药腔中的液体介质和储药介质中的液体环境连通,药物在储药介质、储药腔内的液体介质以及电纺纤维膜外的液体介质中的浓度依次降低,形成药物浓度梯度,药物就会开始解吸附并释放到储药腔的液体介质中,并通过释放通道从储药腔液体介质扩散至电纺纤维膜外。而后随着降解的发生,亲水的储药介质部分崩解,比表面积进一步增大,大量药物解吸附而进入释放通道,同时疏水的电纺纤维的部分链段开始水解,形成更为开放的释放通道,药物释放速率大幅增加。随着释放和降解的发生,在t2时间,药物大量释放到电纺纤维外部液体介质中,药物浓度差缩小,降解速率减缓直至释放完全。
关于PLA/明胶组织修复膜的组织修复效果,因PLA和明胶均为研究和应用多年的生物可降解材料,有大量文献报道支持其安全性;同时,大量文献报道可以证明PLA电纺纤维膜在组织修复领域具有良好的应用效果,并且已有产品应用于临床,PLA/明胶组织修复膜的安全、有效性可由文献分析得到,因此在此不再对PLA/明胶组织修复膜的组织修复效果进行赘述。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。