CN109620429B - 一种可降解金属引导组织再生屏障膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降解金属引导组织再生膜及其制备方法：采用不与金属反应的透明液体介质作为保护液，尤其当采用氢氧化钠溶液时，实现在水中加工纯镁及镁合金材料。采用流动液膜，显著改善加工部位周边的热扩散情况，实现加工过程中的自清洁。本发明在保证金属表面微纳结构的加工质量的基础上，显著提高加工精度，达到10um左右，对于特定药物(比如特定尺寸的药物)的负载具有重要意义。本发明能够显著降低加工产物中的氧化物，避免过量氧化物对于药物负载的不利影响，同时保证了金属引导组织再生膜的可降解性和力学性能。通过微纳图案的多层次网状孔洞结构实现层级释放药物，相对于现有技术中直接在镁合金表面挖深孔载药，极大地提高了治疗炎症、引导组织再生的医疗效果。

Description

一种可降解金属引导组织再生屏障膜及其制备方法

技术领域

本发明属于口腔医用材料制备技术领域，具体涉及一种用于口腔修复工作中的可降解金属引导组织再生屏障膜及其制备方法。

背景技术

随着生活水平的日益提高，人们越来越关注口腔健康，而牙周疾病是目前最常见的口腔疾病之一。牙周治疗的主要目标，就是要恢复那些由于牙周疾病而丧失掉的牙周膜和牙骨质。为了实现这个目的，往往需要植入牙科种植材料，并有目的地引导自身的组织再生，这就需要固定一个不受其他组织干扰的再生空间。具体的方法就是，把一层膜置于牙周缺陷部位和已受到腐蚀的牙根表面，阻碍其他细胞进入，使牙周膜细胞和骨细胞能在这个空间里浓集生长，逐渐使骨组织得到恢复。这层膜就叫做引导组织再生屏障膜。

现有的引导组织再生屏障膜分为两大类：可降解屏障膜与不可降解屏障膜。不可降解屏障膜包括聚四氟乙烯膜、钛加强型聚四氟乙烯膜、钛膜和微孔滤膜等，这些材料具有较强的机械性能和再生空间支撑能力，但是需要进行二次手术取出，不仅增加了患者的痛苦和费用，而且存在因翻瓣导致再生的牙槽嵴顶骨组织发生部分吸收的风险。可降解屏障膜主要分为合成的聚合物膜和动物源性胶原膜两类，虽然可降解屏障膜可以解决二次手术取出的问题，但是常用的可降解屏障膜机械强度小，空间支撑能力差，不能为组织再生提供稳定的再生空间，在局部组织压力较大的部位常导致治疗失败。

为解决上述问题，人们开发了基于可降解镁合金的引导组织再生屏障膜。CN107164673A公开了一种用于口腔引导骨/组织再生的可吸收镁合金修复系统，屏障修复系统不仅可提供足够的支撑力，而且具有很好的骨诱导性并可被完全降解。同样，CN107260340A公开了一种牙槽骨缺损植骨区的保护结构，屏障膜与多个固位钉共同为骨再生提供稳定的再生空间，还由于屏障膜与固位钉均可被人体缓慢降解吸收，使得屏障膜与固位钉在保护牙槽骨缺损植骨区的同时还可逐渐被降解吸收促进骨组织再生，从而避免了二次手术取出屏障膜及固位钉造成的创伤和风险。

然而，在实际应用过程中，往往需要对镁合金表面做精细的机械处理以获得微图案化结构，比如载药微坑、模拟骨组织上的细胞攀附生长环境等等。上述文献均未提及对牙周屏障膜的表面进行微图案化处理的具体方法和步骤。

近年来，飞秒激光在材料表面微纳结构加工领域的应用越来越广泛，采用飞秒激光加工能够在固体材料表面制备出多种具有沟槽、尖峰、纳米颗粒、孔洞等微图案化结构。目前，利用飞秒激光微加工金属表面主要有以下两种方法：飞秒激光直接聚焦加工(即飞秒激光在空气中直写加工，参见CN101531335A、CN101380693等)，和飞秒激光成丝加工(参见CN103433618B、CN106425128A等)。上述研究在一定程度上抑制了飞秒激光加工过程中的热扩散效应、提高了微纳表面结构的加工精度。但是，在实际应用中发现，现有技术仍存在以下不足：

(1)飞秒激光与材料的相互作用中，由于逸出物质热膨胀延时及多脉冲作用下的热积累，加工材料中的热效应仍然无法避免，散射和打出的金属溅射堆积，很多时候仍然不能满足人们对于加工精度和质量的要求。

(2)飞秒激光在空气中成丝，聚焦需要过强的能量，且成丝非常粗，通常达到几百微米，比如《飞秒激光成丝制备毫米级深孔_张艳杰》中所公开的：“在平均功率为1.0W时，孔径最小为221.2μm；在功率为2.6W时，孔径最大为356.6μm。在加工时间一定的情况下，随着飞秒激光平均功率的增大，光丝直径增大，对靶材的烧蚀面积增大，因此孔径有所增加。”由此可见，飞秒激光在空气中成丝无法满足更高精度的加工要求。

(3)飞秒激光在空气中会形成一个活跃的氧化氛围，造成被加工区域以及加工的沟槽内部的氧化物含量剧增，改变了金属表面的微观物质形态。激光烧灼产生的过量氧化物对于药物负载会产生电性改变的不利影响，此外，过量氧化物的生成使得材料的降解速度大大减慢，甚至阻断降解进程，且改变了金属的力学性能，可能导致因细胞附着产生牵张力或其他力学刺激导致异常炎症反应甚至产生细胞代谢、分裂分化方面的异常从而影响疗程，可能会导致接触部分细胞纤维化发展。而当采用惰性氛围或其他气体填充时，难以寻找对飞秒激光耐受或没有脉宽展宽的透明介质作为屏障，且对加工条件要求更加苛刻，显著提高了加工成本。

因此，如何在保证金属表面微纳结构加工质量的基础上，进一步提高加工精度、降低加工成本，且保护金属表面的微观物质形态不发生变化，成为本领域待解决的一大难题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种新的可降解金属引导组织再生屏障膜及其制备方法，所述屏障膜的制备方法包括以下步骤：

(1)、按照临床要求对所述金属材料进行裁剪；

(2)、提供一种透明液体介质，该透明液体介质不与所述金属材料发生反应，能够避免所述金属材料的降解，并将待加工的金属材料固定在该透明液体介质中；

(3)、飞秒激光在该透明液体介质中聚焦成丝，并按临床要求对所述金属材料进行加工，从而在所述屏障膜的表面特定位置形成微图案。

进一步地，通过形成不同尺寸和类型的微图案来控制屏障膜的降解时间。

进一步地，所述微图案包括坑、孔、槽或其组合。

进一步地，所述孔的组合为直径10-800μm的孔形成的阵列，在实际应用中可以根据临床需要确定孔径的具体尺寸。

进一步地，在所述表面特定位置的微图案上进行载药处理，实现定点载药。

进一步地，利用微图案所具有的多层次网状孔洞结构，按照大分子、小分子药物分类进行载药，实现层级药物释放。

进一步地，所述金属材料为镁合金材料。

进一步地，所述透明液体介质为氢氧化钠溶液。

进一步地，所述透明液体介质形成流动的液膜。

进一步地，在所述步骤(1)中，提供一种盛放透明液体介质的容器，该容器包括进液口、出液口、隔断、金属材料放置区、固定所述金属材料的夹具以及液膜厚度标度尺。

进一步地，所述隔断是可拆卸的，可通过改变隔断的尺寸来调节加工区域的液膜流速。

本发明与现有技术相比具有如下显著的进步：

1、采用不与金属材料发生反应的透明液体介质作为保护液，尤其是采用氢氧化钠溶液作为透明光学介质时，避免了镁在水中的快速降解，使得在水中飞秒激光成丝加工镁合金材料成为可能。

2、在采用流动液膜时，能显著改善加工部位周边的热扩散情况，同时带走加工产生的气泡、避免碎屑累积，实现了加工过程中的自清洁，比现有技术中采用气嘴吹气效果更好。

3、与现有技术中飞秒激光在空气中低能量(不成丝)加工相比，本发明在划线或打孔时有更好的深孔比；另外，与飞秒激光在空气中高能量成丝相比，本发明在成丝的线宽上具有明显优势，即在保证金属表面微纳结构的加工质量的基础上，能够显著提高加工精度(空气中为几百微米，水溶液中能达到10um左右)，同时降低生产设备成本。加工精度的提高对于特定药物(比如特定尺寸的药物)的负载具有重要意义。

4、本发明采用不与金属材料发生反应的透明液体介质作为保护液，避免了现有技术中飞秒激光在空气中所形成的活跃氧化氛围，由此可以显著降低加工产物中的氧化物，从而在最大程度上保护金属表面以及加工的沟槽内部的微观物质形态不发生变化，避免了过量氧化物对于药物负载的不利影响，同时保证了金属屏障膜的可降解性和力学性能。

5、本发明能够在屏障膜表面形成具有多层次网状孔洞结构的微纳图案，在实际应用中，可以按照临床要求在屏障膜表面的特定位置进行定点载药，且通过微纳图案的多层次网状孔洞结构实现层级释放药物，相对于现有技术中直接在镁合金表面挖深孔载药，极大地提高了治疗炎症、引导组织再生的医疗效果。

附图说明

图1为飞秒激光在氢氧化钠水溶液中成丝加工镁合金材料的装置效果图。

图2a为飞秒激光在空气中直写加工镁合金材料的示意图。

图2b为飞秒激光在氢氧化钠水溶液中成丝加工镁合金材料的示意图。

图2c为图2b中虚线区域放大图。

图3a为自然光下观察加工样品的部分表面。

图3b为图3a中上方虚线区域在光学显微镜下的照片。

图3c为样品A在光学显微镜下的照片以及图案区域的EDS能谱。

图3d为样品B在光学显微镜下的照片以及图案区域的EDS能谱。

图4为不同焦深下飞秒激光在氢氧化钠溶液中成丝加工微纳图案的光学显微镜照片。

图5为焦深为+300μm的飞秒激光在氢氧化钠水溶液中成丝加工微纳图案的扫描电镜照片。

图6为焦深为0μm的飞秒激光在氢氧化钠水溶液中成丝加工微纳图案的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，提供一种盛放氢氧化钠溶液的容器，该容器包括进液口、出液口、隔断、镁合金材料放置区、固定所述镁合金材料的夹具以及液膜厚度标度尺。采用AQ80镁铝合金作为待加工材料，飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝并对该AQ80镁铝合金材料进行加工，其中，调节加工参数如下：激光功率300mw、重复频率1khz、波长800nm、脉宽140fs，液膜厚度为3mm，液膜流速为57.87cm/s，焦深为0-1000μm，其中，焦深定义为激光焦点到样品表面的距离(如图2b、2c所示)。此外，如图2a所示，采用低能量飞秒激光在空气中直写加工，所述低能量飞秒激光的功率分别为6.6mW、3.7mW和1.5mW,重复频率1khz、波长800nm、脉宽140fs。

对上述加工样品表面分别进行光学显微镜、扫描电镜(SEM)和EDS能谱表征。图3a所示为在自然光下观察部分加工样品的表面，上方的虚线区域为飞秒激光在空气中直写加工得到的图案，下方的虚线区域为飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝加工得到的图案，可以看到，采用低能量飞秒激光在空气中直写加工后的材料表面呈暗褐色，而飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝加工后的材料表面仍然呈现金属光泽。进一步地，采用光学显微镜进行表征，如图3b所示，虽然降低直写飞秒激光的功率会改善微细图案边缘的热扩散，但依然会改变直写部位的表面物质形态，使其呈暗褐色，且当飞秒激光功率降低到一定程度时，直写图案会变得模糊不清，严重影响微纳图案的加工质量。如图3c-3d所示，样品A为功率为3.7mW的飞秒激光在空气中直写加工后的材料表面图案，样品B为焦深为+300μm的飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝加工后的材料表面图案，分别对样品A和样品B的表面物质进行EDS能谱表征，可以看出，样品A中的氧原子占比较高，这是由于飞秒激光在空气中会形成一个活跃的氧化氛围，造成被加工区域及邻近区域的氧化物含量剧增，改变了金属表面的微观物质形态。相对于样品A，样品B中的氧原子比例显著降低，这是因为氢氧化钠溶液的保护作用避免了活跃氧化氛围的形成，从而在最大程度上保护金属表面以及加工的沟槽内部的微观物质形态不发生变化。此外，采用光学显微镜观察不同焦深条件下的飞秒激光成丝加工的微纳图案，如图4所示，当焦深在200-500μm时，金属表面微纳结构的加工质量和精度较好。且进一步的扫描电镜(SEM)照片显示，如图5所示为焦深为+300μm的飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝加工的微纳图案，其加工精度能达到10um左右，远高于飞秒激光在空气中成丝所能达到的几百微米的加工精度。

进一步的研究发现，当采用焦深为0μm(即焦点在样品表面)的飞秒激光在氢氧化钠流动液膜中聚焦成丝加工微纳图案时，如图6所示，虽然金属加工表面的光滑度不如焦深在200-500μm时，但是可以在加工表面形成多层次的网状孔洞结构：从图6(a)-6(c)可以看出，加工表面形成无数“微岛”结构，“微岛”结构之间具有5～10um的沟槽，进一步的扫描电镜(SEM)照片显示，如图6(d)-6(f)所示为“微岛”结构的放大图，可以看到“微岛”结构具有纳米级的网状孔洞。由于镁合金降解为表面侵蚀型降解，因此，可以利用该微纳图案的多层次网状孔洞结构将药物包埋深度、降解进程和治疗进程相结合，从而在不同治疗阶段进行不同药物释放，即在金属加工表面按照大分子、小分子药物分类进行载药。比如图6(e)-6(f)所示尺寸100～200nm的小孔用于装载抗生素类小分子药物，从治疗的初期阶段起进行释放，用于对抗异物植入带来的炎症反应；如图6(a)-6(c)中5～10um、图6(d)中1um左右沟槽可用来装载蛋白类药物、生长因子等大分子类药物，主要在治疗的中后期进行释放，用于引导组织再生。实际应用中，可以按照临床要求在屏障膜表面的特定位置形成微图案，实现定点载药，且通过微纳图案的多层次网状孔洞结构实现层级释放药物，相对于现有技术中直接在镁合金表面挖深孔载药，极大地提高了治疗炎症、引导组织再生的效果。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可降解金属引导组织再生屏障膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)、按照临床要求对金属材料进行裁剪，所述金属材料为镁合金材料；

(2)、提供一种透明液体介质，该透明液体介质不与所述金属材料发生反应，能够避免所述金属材料的降解，并将待加工的金属材料固定在该透明液体介质中，所述透明液体介质形成流动的液膜,所述透明液体介质为氢氧化钠溶液；

(3)、飞秒激光在该透明液体介质中聚焦成丝，使等离子体细丝垂直作用于金属材料表面，并按临床要求对所述金属材料进行加工，加工参数设置如下：激光功率300mw、重复频率1khz、波长800nm、脉宽140fs，液膜厚度为3mm，液膜流速为57.87cm/s，焦深为+300μm，其中，焦深定义为激光焦点到待加工的金属材料表面的距离，从而在所述屏障膜的表面特定位置形成微图案。

2.一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过形成不同尺寸和类型的微图案来控制屏障膜的降解时间。

3.一种根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微图案包括坑、孔、槽或其组合。

4.一种根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述孔的组合为直径10-800μm的孔形成的阵列，在实际应用中可以根据临床需要确定孔径的具体尺寸。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述表面特定位置的微图案上进行载药处理，实现定点载药。

6.一种根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用微图案所具有的多层次网状孔洞结构，按照大分子、小分子药物分类进行载药，实现层级药物释放。

7.一种可降解金属引导组织再生屏障膜，其采用权利要求1-6中任一项所述的方法加工制得。

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