CN108822335A - 一种复合膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合膜及其制备方法和应用，制备方法包括：1)对细菌纤维素膜进行纯化处理；2)将步骤1)中纯化后的细菌纤维素膜抽真空处理，然后冷冻干燥，得到细菌纤维素膜；3)将天然胶原制成天然胶原溶液；4)将步骤3)得到的天然胶原溶液透析，加入药物并混合均匀；5)导入；6)将步骤5)得到的细菌纤维素膜进行纤维化处理；7)抽真空处理，然后冷冻干燥，得到所述复合膜。本发明可有效提升胶原生物稳定性以及在膜中的留存稳定性，以达到细菌纤维素内药物的封存效果。

Description

一种复合膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于医学生物材料技术领域，更具体地，涉及一种复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

医用膜材料是暂时覆盖烧烫伤、创伤和溃疡等伤口的一类临床生物材料，在烧烫伤治疗、皮肤创伤等临床外科领域的应用极为广泛。理想的医用膜材料不仅需要具有良好的生物安全性、适宜的抗拉伸性能、对外源污染物的阻隔性能，还要兼具促进组织愈合和自我降解等性能。更高级的医用膜材料还需具有治疗药物的负载和缓释功能，用于治疗各种皮肤类创伤。在涂抹等传统的组织创面给药方式中，创面的药物浓度不仅只能维持较短的时间，而且药物浓度波动较大，初期药物浓度高于病体的最高耐受剂量，中后期又低于有效剂量而无法实现药物功能。为了克服上述现象，往往需要频繁给药，但是这有无疑增加了患者因换药过程导致的创面处理的痛苦，因此，在现有医用膜材料优异性能的基础上，发展兼具生物安全性、抗拉伸性能、阻隔性能、促进组织愈合、自我降解和药物负载、缓释性能的新型复合膜材料无疑具有重要的临床应用价值。

细菌纤维素是一种广泛应用的性能优良的天然生物材料。天然细菌纤维素由生物发酵方法获得，具有天然的三维纳米纤维网络结构、高抗张强度和弹性模量，以及高亲水性、良好的透气性，此外，其生物相容性和吸水持水性能也很优异。这些优良的性能使细菌纤维素在医用膜材料领域中具有广泛的应用。研究表明，药物及封装药物材质的尺寸越小，药物就越容易被人体吸收，药物和药物载体的表面积越大，药物颗粒的分散速度就越快。细菌纤维素纳米纤维的比表面积很大，而且纤维排布比较疏松，以其为载药材料可使一些原先难于被人体吸收的药物缓慢地分解释放，达到更好的治疗效果。因此，细菌纤维素可用于药物负载层。

天然胶原是另一种广泛用于制备医用膜材料的天然生物大分子。胶原蛋白是广泛存在于脊椎动物体内的具有丰富生理功能的重要结构蛋白，由三条肽链相互缠绕形成独特的三螺旋结构，分子量达30WDa。胶原蛋白具有极低的抗原性，良好的生物相容性、可生物降解性、止血功能和促细胞增殖性能，此外还具有优异的亲水保湿性能。但是，单纯的胶原膜材料机械力学性能较差、生物稳定性和形态稳定不足的这些缺陷在很大程度上限制了其在医用膜材料领域中的应用。天然胶原和细菌纤维素均具有良好的生物相容性和吸水持水性能，此外细菌纤维素优异的机械性，和胶原蛋白良好的促细胞增殖性能形成了良好的功能互补。目前制备胶原/细菌纤维素膜材料的方法大致可归为以下几类：

(1)在培养基中添加胶原，在细菌产生细菌纤维素的过程中引入胶原成分。该方法获得胶原/细菌纤维素复合膜材料的中细菌纤维素微观形貌及结晶度等参数会不同于天然的细菌纤维素，而且胶原在细菌纤维素中分布的均一性也有问题。此外，由于细菌发酵得到的细菌纤维素往往存在较多杂质，在使用前须经纯化处理，而纯化处理中用到的加热、酸碱洗涤等会对胶原的三螺旋结构及性能造成不可逆的影响。而胶原这种变性行为又会使得其促细胞增殖等生物学性能大打折扣。

(2)采用强极性溶剂将细菌纤维素膜材料溶解形成悬浊液后，加入天然胶原共混后再造成膜。该方法可以有效控制胶原/细菌纤维素膜中两种组分的比例，但是制备过程中使用的强极性溶剂会有残留，从而影响复合膜材料的生物相容性，此外，细菌纤维素膜的溶解再造过程也会影响细菌纤维素的晶型结构，从而降低产品的机械性能和保水性能。

(3)在商品化细菌纤维素膜中导入胶原。采用静态发酵工艺获得的纤维素膜具有天然的精细网络结构，纤维结晶度高，膜的机械力学性能好，且该工艺操作简便，纤维素产出率高，是商业化细菌纤维素制备的主流方法。以这种自然形成的细菌纤维素膜为载体，通过浸润等形式将胶原导入细菌纤维素膜中，可形成复合膜敷料。这种导入法虽然操作简单，但是由于天然细菌纤维素膜的空隙非常致密，而天然胶原分子尺寸大(300nm长)，因此，胶原的导入量往往有限，与此同时，由于导入胶原为单分子状态，易降解，易流失，体内留存时间短，生物功效周期不能完全满足临床需求。通过化学交联技术可提高胶原以及复合膜材料的稳定性，但是往往需要引入非生物友好型的化学试剂，细胞毒性大，从而使得产品生物安全性显著降低。

目前报道的胶原/细菌纤维素复合膜材料虽然具有良好的生物安全性、抗拉伸性能、阻隔性能、促进组织愈合、自我降解性能，但是并不具备药物负载、缓释功能，难以满足临床使用过程中遇到的不同类型伤口的处理需求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种兼具生物安全性、抗拉伸性能、阻隔性能、促进组织愈合、自我降解和药物负载、缓释性能的新型复合膜材料。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种复合膜的制备方法，该制备方法包括：

1)对细菌纤维素膜进行纯化处理，去除细菌纤维素膜中的杂质；

2)将步骤1)中纯化后的细菌纤维素膜置入冷冻干燥设备中进行抽真空处理，然后冷冻干燥，得到具有直径为100nm～5μm空隙的细菌纤维素膜；

3)将天然胶原制成天然胶原溶液；

4)将步骤3)得到的天然胶原溶液在pH为6.0～9.0的磷酸盐缓冲溶液中透析，加入需负载的药物并混合均匀；

5)导入：将步骤2)得到的细菌纤维素膜浸入步骤4)得到的天然胶原溶液中进行导入，然后取出，用纯水洗涤表面后，冷冻干燥；

6)将步骤5)得到的细菌纤维素膜置于pH为6.0～9.0的磷酸盐缓冲溶液中，在25～37℃的条件下进行纤维化处理；

7)抽真空处理，然后冷冻干燥，得到所述复合膜。

根据本发明，步骤1)中，所述细菌纤维素膜可以采用本领域技术人员常规采用的细菌纤维素膜，所述细菌纤维素膜可通过商购获得。

作为本发明优选的实施方式，步骤1)中，

所述细菌纤维素膜为具备转化生产细菌纤维素能力的微生物通过静态发酵方法形成的细菌纤维素膜；所述具备转化生产细菌纤维素能力的微生物选自木醋杆菌、醋化杆菌、根瘤菌、八叠球菌和椰毒假单胞菌中的至少一种；

所述纯化处理的方法为用去离子水浸泡或洗涤、用氢氧化钠溶液煮沸和用酸溶液浸泡中的至少一种。

作为本发明优选的实施方式，步骤2)和步骤7)中，

抽真空处理时，保证3～5min内系统绝对压强降至40Pa以下，真空度为0.08～0.1MPa；冷冻干燥的时间为24～72h。

作为本发明优选的实施方式，步骤3)中，

所述天然胶原溶液中天然胶原的浓度为1～10mg/mL；

所述天然胶原为具有完整三螺旋分子结构的天然Ⅰ型胶原；

所述具有完整三螺旋分子结构的天然Ⅰ型胶原从哺乳动物、鱼类、两栖动物的皮肤或跟腱组织中提取并分离纯化得到。

作为本发明优选的实施方式，步骤4)中，透析采用截留分子量为12000～15000道尔顿的透析袋，透析的时间为12～48h。

作为本发明优选的实施方式，步骤4)中，

所述药物为水溶性药物；

所述水溶性药物为罗丹明B、喜树碱、儿茶酚、布洛芬、盐酸四环素、青霉素、链霉素、阿昔洛韦、氧氟沙星、庆大霉素或胰岛素。

作为本发明优选的实施方式，步骤3)、4)、5)中，操作的温度为4～20℃；

作为本发明优选的实施方式，步骤5)中，导入次数为1～5次；每次导入时间为2～24h。

根据本发明，步骤6)中，纤维化处理的时间通常为2～48h，本领域技术人员可根据需要进行调整。

本发明的第二方面提供由所述的制备方法得到的复合膜。

本发明的第三方面提供所述的复合膜在制药领域的应用。

本发明的优点和积极效果：

1)本发明将湿态细菌纤维素膜直接进行瞬时抽真空并冷冻干燥处理，形成较大的孔隙结构。发明人通过实验研究发现，将含水的细菌纤维素膜进行瞬时抽真空处理时，膜中的水分快速向膜表面迁移并蒸发(类似于爆沸现象)，在该过程中导致较大孔道的形成。随后，随着水分快速蒸发，带走大量热量又导致膜内残留水分迅速结冰并在接下来的真空环境下完成冰的升华干燥，能较好的保留了膜中的大孔隙构造；

2)本发明将冷冻干燥的细菌纤维素膜置于功能药物和胶原的混合溶液中反复浸润，由于受到细菌纤维素膜孔隙结构的影响，小分子药物可渗透扩散到细菌纤维素膜内部，而大尺度的胶原分子只能进入到其表层，从而实现胶原在细菌纤维素膜表层的分布，通过反复浸润-冻干的方法有可效提升细菌纤维素膜中的胶原和药物负载量；

3)本发明针对导入细菌纤维膜中的胶原进行纤维化处理，使胶原由单分子(分子长度约300nm，粒径约1.5nm)转变为胶原纤维(粒径50-100nm)，在复合膜表面形成极为致密的结构，并有效提升胶原生物稳定性以及在膜中的留存稳定性，以达到细菌纤维素内药物的封存效果。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中大孔隙细菌纤维膜、导入胶原后的细菌纤维素膜、导入胶原并纤维化后的复合缓释膜材料的扫描电镜图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的复合膜结构示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

将细菌纤维素膜置于烧杯中，用足量的去离子水浸泡24h，使其充分吸水溶胀。然后用0.1mol/L的NaOH溶液煮沸30min，用去离子水洗涤至中性，随后将纤维素膜转移至0.05mol/L的乙酸溶液中浸泡24h，用去离子水洗涤至中性备用。将纯化后的含水细菌纤维素膜置入冷冻干燥机中，抽真空，在5分钟内系统绝对压力降低至20Pa，继续冷冻干燥48h后得到大孔隙的细菌纤维素膜(如图1A所示)。在4～20℃的条件下用0.1M乙酸溶解提取自猪皮的Ⅰ型胶原蛋白，得到浓度为5mg/mL的胶原溶液。在4～20℃的条件下以pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液(即PBS)为透析液，对上述胶原溶液透析48h，每隔3h更换一次透析液，之后加入罗丹明B(用作模型分子)，摇匀形成胶原和药物浓度分别为5mg/mL和100mg/mL的混合溶液。将大孔隙的细菌纤维素膜浸入胶原和药物的混合溶液中，静置浸泡12h，实现胶原导入，取出后用纯水清洗表面并冷冻干燥，再次将干燥后的细菌纤维素膜置于胶原溶液中静置浸泡12h，导入胶原。取出膜并转移至pH为7.0的PBS中，于30℃条件下纤维化处理12h，最后将膜置入冷冻干燥机中，抽真空，在5分钟内系统绝对压力降低至20Pa，继续冷冻干燥48h后得到复合膜敷料产品。

将上述负载有药物的复合缓释膜材料置于PBS体系中，分别在1h、5h、10h、24h、48h后通过紫外可见分光光度计测定554nm处的吸收峰，根据标准曲线确定缓释的药物量分别为2％、2％、4％、5％、7％。

图1是实施例1中大孔隙细菌纤维膜、导入胶原后的细菌纤维素膜、导入胶原并纤维化后的复合缓释膜材料的扫描电镜图。其中图1A是是实施例1中采用将含水细菌纤维素膜不预冻直接抽真空并冷冻干燥后膜表面的微观结构；图1B是胶原导入后的细菌纤维素膜表面微观结构；图1C是导入胶原并纤维化后的胶原/细菌纤维素复合膜表面的微观结构。可以发现，在未导入胶原时，细菌纤维素膜表现为稀疏的纤维构造，而导入胶原后会使得膜表面变得致密，而进行纤维化处理后，膜的纤维变得更加致密，这一方面证实了胶原的导入行为，另一方面也证实了胶原的纤维化行为。

图2直观的反映了本发明复合膜材料的结构。在细菌纤维素的上下表层中具有胶原纤维，孔隙致密，可有效封闭药物；而中间层由细菌纤维素纤维构成，孔隙较大，可有效的负载药物。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，用0.1M乙酸溶解提取自草鱼皮的Ⅰ型胶原蛋白，得到浓度为8mg/mL的胶原溶液；纤维化处理的温度为25℃。

对比例1

与实施例1不同之处在于，将上述负载有药物的复合缓释膜材料置于含有0.05mg/mL胶原蛋白酶的PBS体系中，分别在1h、5h、10h、24h、48h后通过紫外可见分光光度计测定554nm处的吸收峰，根据标准曲线确定缓释的药物量分别为3％、12％、25％、39％、57％。

对比例2

将细菌纤维素膜置于烧杯中，用足量的超纯水浸泡24h，使其充分吸水溶胀。然后用0.1mol/L的NaOH溶液煮沸30min，用超纯水洗涤至中性，随后将纤维素膜转移至0.05mol/L的乙酸溶液中浸泡24h，用超纯水洗涤至中性备用。将纯化后的含水细菌纤维素膜置入冷冻干燥机中，抽真空，在5分钟内系统绝对压力降低至20Pa，继续冷冻干燥48h后得到大孔隙的细菌纤维素膜(如图1A所示)。将适量罗丹明B溶于PBS中配置100mg/mL的溶液。将大孔隙的细菌纤维素膜浸入罗丹明B溶液中，静置浸泡12h，取出后用纯水清洗表面并冷冻干燥，再次将干燥后的细菌纤维素膜置于罗丹明B溶液中浸泡12h。取出膜并转移至pH为7.0的PBS中，于25℃条件下浸泡12h，最后将膜置入冷冻干燥机中，抽真空，在5分钟内系统绝对压力降低至20Pa，继续冷冻干燥48h后得到细菌纤维素膜材料产品，通过紫外可见分光光度计测定554nm处的吸收峰。结果表明，细菌纤维素膜中几乎不存在罗丹明B分子。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种复合膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

1)对细菌纤维素膜进行纯化处理，去除细菌纤维素膜中的杂质；

2)将步骤1)中纯化后的细菌纤维素膜置入冷冻干燥设备中进行抽真空处理，然后冷冻干燥，得到具有直径为100nm～5μm空隙的细菌纤维素膜；

3)将天然胶原制成天然胶原溶液；

4)将步骤3)得到的天然胶原溶液在pH为6.0～9.0的磷酸盐缓冲溶液中透析，加入需负载的药物并混合均匀；

5)导入：将步骤2)得到的细菌纤维素膜浸入步骤4)得到的天然胶原溶液中进行导入，然后取出，用纯水洗涤表面后，冷冻干燥；

6)将步骤5)得到的细菌纤维素膜置于pH为6.0～9.0的磷酸盐缓冲溶液中，在25～37℃的条件下进行纤维化处理；

7)抽真空处理，然后冷冻干燥，得到所述复合膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤1)中，

所述细菌纤维素膜为具备转化生产细菌纤维素能力的微生物通过静态发酵方法形成的细菌纤维素膜；

所述具备转化生产细菌纤维素能力的微生物选自木醋杆菌、醋化杆菌、根瘤菌、八叠球菌和椰毒假单胞菌中的至少一种；

所述纯化处理的方法为用去离子水浸泡或洗涤、用氢氧化钠溶液煮沸和用酸溶液浸泡中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2)和步骤7)中，

抽真空处理时，保证3～5min内系统绝对压强降至40Pa以下，真空度为0.08～0.1MPa；

冷冻干燥的时间为24～72h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤3)中，

所述天然胶原溶液中天然胶原的浓度为1～10mg/mL；

所述天然胶原为具有完整三螺旋分子结构的天然Ⅰ型胶原；

所述具有完整三螺旋分子结构的天然Ⅰ型胶原从哺乳动物、鱼类、两栖动物的皮肤或跟腱组织中提取并分离纯化得到。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤4)中，透析采用截留分子量为12000～15000道尔顿的透析袋，透析的时间为12～48h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤4)中，

所述药物为水溶性药物；

所述水溶性药物为罗丹明B、喜树碱、儿茶酚、布洛芬、盐酸四环素、青霉素、链霉素、阿昔洛韦、氧氟沙星、庆大霉素或胰岛素。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，

步骤3)、4)、5)中，操作的温度为4～20℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤5)中，导入次数为1～5次；每次导入时间为2～24h。

9.由权利要求1-8中任意一项所述的制备方法得到的复合膜。

10.权利要求9所述的复合膜在制药领域的应用。