CN109513037A - 一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过低温三维打印技术，制备负载铜/锌介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料的方法。其特征包括以下步骤：（1）制备小肠粘膜下层（SIS）基质材料；（2）制备铜、锌介孔生物玻璃（Cu‑MGB/Zn‑MGB）；（3）复合SIS和Cu‑MGB/Zn‑MGB；（4）基于低温生物3D打印技术制备创面敷料；（5）后处理工艺。本发明的SIS创面敷料有以下优点：具有优良的抗菌、止血、促进血管化及加速创面再生速率的功效；可根据不同临床需求，定制化设计和生产；成本低廉，制造工艺稳定可控，可实现大规模生产；可长期保存且使用方便。

Description

一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，特别是皮肤创面修复材料技术领域，具体涉及一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料。
背景技术
大面积皮肤创伤，一直是临床上一个棘手的问题。根据皮肤组织工程再生治疗的策略，利用人造敷料加速创面修复速率和改善创面修复效果，具有极大的市场前景。甚至，一定程度上可以替代目前主流的皮瓣移植技术，减轻病人的痛苦、手术风险和经济负担。
基质材料的选择对于制造创面敷料至关重要。目前，很多天然的或者合成的生物材料都开始应用于创面修复材料制备领域，如海藻酸钠、明胶、壳聚糖、胶原、聚乳酸、聚已酸内酯等。但是，这些生物材料无论从结构还是成分上与真实皮肤组织中细胞外基质都相去甚远。因此，脱细胞的细胞外基质材料（ decellularized extracellular matrix，dECM）成为皮肤组织工程的研究热点。其中，脱细胞的小肠粘膜下层（decellularized smallintestinal submucosa，dSIS）是一种优良的皮肤再生修复材料。
小肠粘膜下层（small intestinal submucosa，SIS）是天然细胞外基质，包含有复杂排列的胶原、蛋白聚糖、葡糖胺和糖蛋白等，可有效地传递分子和细胞信息。SIS具有以下特点：（1）SIS无免疫原性，用于移植不引起免疫排斥反应，SIS在超过1000种的跨种交叉移植实验中均表现为无免疫原性；（2）SIS具有抗微生物活性，可减少感染；（3）SIS有良好的生物力学性质，冻干的SIS抗拉强度减弱，将其复水5分钟，即可达到稳定力学状态，为肌腱强度的1/7~1/14；（4）具有良好的生物相容性，可促进多种细胞在材料上的黏附、生长和分化，可在动物体内快速降解；（5）SIS主要由Ⅰ、Ⅲ型纤维胶原蛋白构成，含有多种生长因子如碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、转生长因子-β（TGF-β）、血管内皮细胞生长因子（VEGF）及硫酸蛋白多糖、纤维连接蛋白（fibronectin,FN）等，即使经过制备过程处理的SIS仍然含有这些生长因子，具有促进血管再生、组织生长的能力；（6）SIS具有部位特异性的组织再生的能力，能迅速诱导细胞浸润，刺激血管生成和宿主细胞的长入和分化，产生的再生组织在结构和功能上均与原有组织相似；（7）SIS来源方便，易于制备，因此，SIS已用于组织修复研究，重建腹膜、尿道膀胱、肌腱、血管和硬脑膜，用于体表修复等。
目前国内外有少量的敷料产品中使用到了SIS，但是受限于传统加工成型技术，目前方法制备的SIS凝胶，在体内可成胶，但难于在体外稳定形成凝胶，若将其直接用于体表创面，将不能使SIS在创面有效停留，不利于对体表创面的修复；并且，常用灭菌方法采用的75%乙醇、氯仿等浸泡，产品形式为液体，不适于大量生产。
专利CN104189009B提供了一种促血管化小肠粘膜下层温敏材料及其制备方法，它是将小肠粘膜下层基质、溶解液分别包装后制备得到，该发明制备的两种基材均可长期保存，使用前将二者按适当比例混合，具有良好的可注射性，37℃可形成稳定凝胶，不需要交联聚合，该温敏材料体内外实验均证实具有促进血管化作用。
但是该发明两种基材分开保存，在使用前需将二者按比例混合，操作复杂且每次使用时不易控制比例，造成使用的不便。
其他技术方案一般将SIS制备成注射型膏药，或者直接将提取得到的小肠粘膜下层生物膜作为产品，或者仅作为创面敷料的功能性添加剂。这些敷料产品，结构单一，无法充分发挥SIS的优良性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，具有更优异的抗菌性和治疗功效，且借助于三维打印技术，可以实现对SIS的定制化加工，制备出具有可控孔隙结构的三维支架。且低温生物3D打印技术其成型过程温和，不仅可以实现SIS材料的打印，还能保证SIS中胶原、粘多糖等成分的生物活性。
一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，包括若干层敷料，每层敷料包括小肠粘膜下层基质材料和铜介孔生物玻璃或者小肠粘膜下层基质材料和锌介孔生物玻璃。
进一步地，每层敷料通过生物3D打印技术制备得到；
进一步地，铜介孔生物玻璃的原始材料包括以下质量份：盐酸1.5~2.5份、正硅酸乙酯8~12份、四水硝酸钙1.5~2.5份、氯化铜0.5~3份、磷酸三乙酯1.0~2.0份、P1237~9份，余量为无水乙醇。
锌介孔生物玻璃的原始材料包括以下质量份：硝酸1.5~2.5份、正硅酸乙酯8~12份、四水硝酸钙1.5~2.5份、六水硝酸锌0.5~3份、磷酸三乙酯1.0~2.0份、P1237~9份，余量为无水乙醇。
进一步地，敷料层层数为3~8层，采用“三明治”结构，至少有上下两层为Cu-MGB-SIS层，中间至少有一层Zn-MGB-SIS层。
一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料的制备方法，包括以下步骤：（1）制备小肠粘膜下层基质材料；（2）制备铜、锌介孔生物玻璃（3）复合小肠粘膜下层基质和铜/锌介孔生物玻璃；（4）基于生物3D打印技术制备创面敷料。
进一步地，小肠粘膜下层基质的制备方法为：将小肠粘膜下层依次通过脱脂、酶解、去垢、冻干、低温球磨，得到小肠粘膜下层粉末；将质量分数为2.5%的SIS粉末溶解在0.01 M 盐酸中，同时加入质量分数0.25%的胃蛋白酶，常温磁力搅拌48h；待SIS完全溶解后，通过0.1 M NaOH溶液中和SIS，低温保存。
进一步地，介孔生物玻璃包括铜介孔生物玻璃、锌介孔生物玻璃，其制备方法为：（a）将体积分数为1.5%的0.5M HCl或者HNO3加入至无水乙醇中，依次加入质量份正硅酸乙酯8~12份、四水硝酸钙1.5~2.5份、氯化铜或六水硝酸锌0.5~3份、磷酸三乙酯1.0~2.0份、P1237~9份，室温磁力搅拌44~52h；（b）将所得溶液静置凝胶化，24~30h后得到干凝胶；（c）取步骤（b）所得干凝胶研磨成细碎颗粒，在烧结炉中以650~750℃、1℃/min、4~8h的加工参数烧结去除结合水及有机物等残留，得到介孔生物玻璃Cu-MGB、Zn-MGB。
进一步地，复合SIS和Cu-MGB/Zn-MGB：分别将Cu-MGB和Zn-MGB加入到中和后的SIS溶液中，4℃磁力搅拌0.5h~3h，最终得到均匀的Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS打印基材。
进一步地，通过生物3D打印制备创面敷料：将Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS装入不同的打印喷头，通过低温生物3D打印设备，设计和打印出具有多孔、分层结构的创面敷料。优选材料温度0℃~20℃,低温打印平台温度-20℃~ -60℃，打印针头型号22G~25G，成型速度1~8 mm/s，打印层高200~400μm。
进一步地，后处理工艺步骤为：（1）将打印的创面敷料立刻冻存于-18~-22℃冰箱中2~3h，并通过冷冻干燥技术干燥24~30h；（2）将干燥后的水凝胶敷料浸泡在含有质量分数0.2%~4%碳二亚胺（EDC）酒精溶液0.5h~3h（3）将固化后的敷料，用超纯水清洗干净后，再次通过冷冻干燥技术冻干36~40h，最后环氧乙烷灭菌封装。
本发明的有益效果：
（1）以脱细胞小肠粘膜下层为基材，并保证了其在制造过程中的生物活性，使敷料具有优良的促进血管化以及加速创面修复的功效。
（2）以铜、锌介孔生物玻璃作为功能增强添加成分，提升了创面敷料的抗菌、止血能力以及创面修复效率，且成本低廉，制造工艺稳定可控，可实现大规模生产。
（3）通过低温生物三维打印技术，实现了铜、锌介孔生物玻璃的可控空间分布，使敷料可以针对不同的临床需求，可实现定制化设计和生产。
（4）通过后处理工艺，干燥灭菌后的创面敷料易于长期保存，且使用方便。
附图说明
图1为Cu-MBG介孔生物玻璃TEM图。
图2为最佳实施例1的创面敷料表征：（a, b）SEM表征；（c）Cu-MGB-SIS抗菌层EDS测试。
图3为最佳实施例1动物实验结果。
具体实施方式
实施例1
（1）制备小肠粘膜下层基质材料：将小肠粘膜下层依次通过脱脂、酶解、去垢、冻干、低温球磨，得到小肠粘膜下层粉末；将质量分数为2.5%的SIS粉末溶解在0.01M 盐酸中，同时加入质量分数0.25%的胃蛋白酶，常温磁力搅拌48h；待SIS完全溶解后，通过0.1M NaOH溶液中和SIS，4℃保存。
（2）制备铜、锌介孔生物玻璃：
将体积分数1.5% 0.5M HCl加入无水乙醇中，依次加入质量分数10%正硅酸乙酯，2%四水硝酸钙，0.5%氯化铜，1.5%磷酸三乙酯，8% P123，室温磁力搅拌48h；将溶液转移至培养皿中静置凝胶化，完成溶剂挥发自组装工序，24h后得到干凝胶；取干凝胶研磨成细碎的颗粒，在烧结炉中以700℃、5h、1℃/min的加工参数烧结去除结合水及有机物等残留，得到Cu-MBG样品。
将上述步骤中，0.5M HCl换成等质量分数0.5M HNO3，将氯化铜换成等质量分数的六水硝酸锌，其他所有步骤相同，最终得到Zn-MBG。
（3）复合SIS和Cu-MGB/Zn-MGB：分别将质量分数2%的Cu-MGB和Zn-MGB加入到中和后的SIS溶液中，4℃磁力搅拌0.5h，最终得到均匀的Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS打印基材。
（4）基于低温生物3D打印技术制备创面敷料：将Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS装入不同的打印喷头，通过低温生物3D打印设备，设计和打印出具有多孔、分层结构的创面敷料。特别地，敷料一共六层，采用“三明治”结构，上、下两层为Cu-MGB-SIS抗菌层，中间四层为Zn-MGB-SIS功能层。料腔温度4℃,低温打印平台温度-20℃，打印针头型号23G，成型速度6mm/s，打印层高300μm，成型丝间距为800μm且相邻层垂直排布。
（5）后处理工艺：将打印的创面敷料立刻冻存于-20℃冰箱中2小时，并通过冷冻干燥技术干燥24小时；随后，将干燥后的水凝胶敷料浸泡在含有质量分数1%碳二亚胺（EDC）酒精溶液0.5h；将固化后的敷料，用超纯水清洗干净后，再次通过冷冻干燥技术冻干36小时，最后环氧乙烷灭菌封装。
将所得敷料进行动物实验：（i）兔麻醉：采用盐酸塞拉嗪麻醉（浓度为0.1ml/Kg）对兔进行麻醉；（ii）剃毛：采用电推剪剃去兔头颅毛发，随后用用4%(w:v) H2S脱毛处理；（iii）消毒：用5%碘伏由内向外消毒三遍；（iv）骨外露创面构建：采用眼科手术剪剪下1.0cm*1.0cm大小皮肤创面，尖刀片划开骨膜并逐步分离，形成家兔颅骨骨外露创面；（v）将制备好的3D打印的活性水凝胶敷料覆盖于创面，用略大于创面的无菌凡士林纱布覆盖伤口并与皮肤缝合形成固定，外层同样方法普通纱布块覆盖固定，空白组采用凡士林纱布换液作为对照；（vi）疗效观察：每三天对创面换药，观察创面愈合情况，并计算创面愈合速率。
根据附图3所示，在相同条件下凝胶组的愈合时间相比于空白组的愈合时间明显缩短，可证明所制备的敷料具有良好的促进愈合效果。
实施例2
（1）制备小肠粘膜下层基质材料：将小肠粘膜下层依次通过脱脂、酶解、去垢、冻干、低温球磨，得到小肠粘膜下层粉末；将质量分数为1%的SIS粉末溶解在0.01 M 盐酸中，同时加入质量分数0.1%的胃蛋白酶，常温磁力搅拌36h；待SIS完全溶解后，通过0.1 M NaOH溶液中和SIS，4℃保存。
（2）制备铜、锌介孔生物玻璃：
将体积分数1.5% 0.5M HCl加入无水乙醇中，依次加入质量分数8%正硅酸乙酯，1.5%四水硝酸钙，2.5%氯化铜，1.0%磷酸三乙酯，7% P123，室温磁力搅拌44h；将溶液转移至培养皿中静置凝胶化，完成溶剂挥发自组装工序，28h后得到干凝胶；取干凝胶研磨成细碎的颗粒，在烧结炉中以650℃、4h、1℃/min的加工参数烧结去除结合水及有机物等残留，得到Cu-MBG样品。
将上述步骤中，0.5M HCl换成等质量分数0.5M HNO3，将氯化铜换成等质量分数的六水硝酸锌，其他所有步骤相同，最终得到Zn-MBG。
（3）复合SIS和Cu-MGB/Zn-MGB：分别将质量分数0.5%的Cu-MGB和Zn-MGB加入到中和后的SIS溶液中，4℃磁力搅拌0.5h，最终得到均匀的Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS打印基材。
（4）基于低温生物3D打印技术制备创面敷料：将Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS装入不同的打印喷头，通过低温生物3D打印设备，设计和打印出具有多孔、分层结构的创面敷料。特别地，敷料一共三层，采用“三明治”结构，上、下两层为Cu-MGB-SIS抗菌层，中间一层为Zn-MGB-SIS功能层。料腔温度4℃,低温打印平台温度-20℃，打印针头型号23G，成型速度6mm/s，打印层高300μm，成型丝间距为800μm且相邻层垂直排布。
（5）后处理工艺：将打印的创面敷料立刻冻存于-18℃冰箱中3小时，并通过冷冻干燥技术干燥28小时；随后，将干燥后的水凝胶敷料浸泡在含有质量分数0.2%碳二亚胺（EDC）酒精溶液1.5h；将固化后的敷料，用超纯水清洗干净后，再次通过冷冻干燥技术冻干38小时，最后环氧乙烷灭菌封装。
将所得敷料进行动物实验：（i）兔麻醉：采用盐酸塞拉嗪麻醉（浓度为0.15ml/Kg）对兔进行麻醉；（ii）剃毛：采用电推剪剃去兔头颅毛发，随后用用4%(w:v) H2S脱毛处理；（iii）消毒：用5%碘伏由内向外消毒三遍；（iv）骨外露创面构建：采用眼科手术剪剪下1.0cm*1.0cm大小皮肤创面，尖刀片划开骨膜并逐步分离，形成家兔颅骨骨外露创面；（v）将制备好的3D打印的活性水凝胶敷料覆盖于创面，用略大于创面的无菌凡士林纱布覆盖伤口并与皮肤缝合形成固定，外层同样方法普通纱布块覆盖固定，空白组采用凡士林纱布换液作为对照；（vi）疗效观察：每三天对创面换药，观察创面愈合情况，并计算创面愈合速率。
实施例3
（1）制备小肠粘膜下层基质材料：将小肠粘膜下层依次通过脱脂、酶解、去垢、冻干、低温球磨，得到小肠粘膜下层粉末；将质量分数为5%的SIS粉末溶解在0.01 M 盐酸中，同时加入质量分数0.5%的胃蛋白酶，常温磁力搅拌48h；待SIS完全溶解后，通过0.1M NaOH溶液中和SIS，4℃保存。
（2）制备铜、锌介孔生物玻璃：
将体积分数1.5% 0.5M HCl加入无水乙醇中，依次加入质量分数12%正硅酸乙酯，2.5%四水硝酸钙，3%氯化铜，2.0%磷酸三乙酯，9% P123，室温磁力搅拌52h；将溶液转移至培养皿中静置凝胶化，完成溶剂挥发自组装工序，30h后得到干凝胶；取干凝胶研磨成细碎的颗粒，在烧结炉中以750℃、8h、1℃/min的加工参数烧结去除结合水及有机物等残留，得到Cu-MBG样品。
将上述步骤中，0.5M HCl换成等质量分数0.5M HNO3，将氯化铜换成等质量分数的六水硝酸锌，其他所有步骤相同，最终得到Zn-MBG。
（3）复合SIS和Cu-MGB/Zn-MGB：分别将质量分数0.5%的Cu-MGB和Zn-MGB加入到中和后的SIS溶液中，4℃磁力搅拌3h，最终得到均匀的Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS打印基材。
（4）基于低温生物3D打印技术制备创面敷料：将Cu-MGB-SIS和Zn-MGB-SIS装入不同的打印喷头，通过低温生物3D打印设备，设计和打印出具有多孔、分层结构的创面敷料。特别地，敷料一共八层，采用“三明治”结构，上、下两层为Cu-MGB-SIS抗菌层，中间六层为Zn-MGB-SIS功能层。料腔温度4℃,低温打印平台温度-20℃，打印针头型号23G，成型速度6mm/s，打印层高300μm，成型丝间距为800μm且相邻层垂直排布。
（5）后处理工艺：将打印的创面敷料立刻冻存于-22℃冰箱中3小时，并通过冷冻干燥技术干燥30小时；随后，将干燥后的水凝胶敷料浸泡在含有质量分数4%碳二亚胺（EDC）酒精溶液3h；将固化后的敷料，用超纯水清洗干净后，再次通过冷冻干燥技术冻干40小时，最后环氧乙烷灭菌封装。
将所得敷料进行动物实验：（i）兔麻醉：采用盐酸塞拉嗪麻醉（浓度为0.2ml/Kg）对兔进行麻醉；（ii）剃毛：采用电推剪剃去兔头颅毛发，随后用用4%(w:v) H2S脱毛处理；（iii）消毒：用5%碘伏由内向外消毒三遍；（iv）骨外露创面构建：采用眼科手术剪剪下1.0cm*1.0cm大小皮肤创面，尖刀片划开骨膜并逐步分离，形成家兔颅骨骨外露创面；（v）将制备好的3D打印的活性水凝胶敷料覆盖于创面，用略大于创面的无菌凡士林纱布覆盖伤口并与皮肤缝合形成固定，外层同样方法普通纱布块覆盖固定，空白组采用凡士林纱布换液作为对照；（vi）疗效观察：每三天对创面换药，观察创面愈合情况，并计算创面愈合速率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，包括若干层敷料，其特征在于，每层敷料包括小肠粘膜下层基质材料和铜介孔生物玻璃或者小肠粘膜下层基质材料和锌介孔生物玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，每层敷料通过生物3D打印技术制备得到。
3.根据权利要求3所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述铜介孔生物玻璃的原始材料包括以下质量份：盐酸1.5~2.5份、正硅酸乙酯8~12份、四水硝酸钙1.5~2.5份、氯化铜0.5~3份、磷酸三乙酯1.0~2.0份、P1237~9份，余量为无水乙醇。
4.根据权利要求3所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述锌介孔生物玻璃的原始材料包括以下质量份：硝酸1.5~2.5份、正硅酸乙酯8~12份、四水硝酸钙1.5~2.5份、六水硝酸锌0.5~3份、磷酸三乙酯1.0~2.0份、P1237~9份，余量为无水乙醇。
5.根据权利要求4所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述敷料层层数为3~8层。
6.一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备小肠粘膜下层基质材料；（2）制备铜、锌介孔生物玻璃：将所述原始材料按比例混合，充分搅拌后静置，将静置后得到的干凝胶破碎成颗粒，将所述颗粒在高温环境下加工去除结合水及有机物等残留，得到所述铜、锌介孔生物玻璃；（3）复合小肠粘膜下层基质和铜/锌介孔生物玻璃；（4）基于生物3D打印技术制备创面敷料。
7.根据权利要求6所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述步骤（1）中的小肠粘膜下层基质材料制备方法为：将小肠粘膜下层依次通过脱脂、酶解、去垢、冻干、碾磨，得到小肠粘膜下层粉末；将小肠粘膜下层粉末溶解在0.01M盐酸中，加入0.1~0.5份的胃蛋白酶，搅拌；待溶解后，通过0.1M NaOH中和溶液pH，低温保存。
8.根据权利要求6所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述步骤（4）中生物3D打印技术的条件为：材料温度0~20℃，打印平台温度为-60~-20℃，打印层高200~400μm。
9.根据权利要求6所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，还包括有后处理工艺，步骤为：（a）将打印后的创面敷料置于-18~-22℃环境中2~3h，干燥；（b）将干燥后的敷料浸泡在碳二亚胺酒精溶液中0.5h~3h；（c）待固化后，洗净，再次干燥，封装。
10.根据权利要求9所述的一种负载介孔生物玻璃的小肠粘膜下层创面敷料，其特征在于，所述步骤（c）中需用环氧乙烷灭菌后封装。
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