CN110029499A - 医用高分子三维结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种医用高分子三维结构复合材料及其制备方法，其包括如下步骤，将重量比为1％‑10％的可降解医用高分子聚合物放置于有机溶剂中，搅拌2～12小时；将混合溶液制备成具有三维结构的薄膜；将三维结构材料放置于多巴胺溶液中进行表面功能化处理；取出三维结构材料，放入两性离子聚合物和胶原共混溶液中，反应12～48小时；取出三维结构材料，用蒸馏水清洗两遍，后经真空干燥过夜后保存，备用。该方法简单易行、可控性强，所制备的复合材料不仅可以抗细菌黏附，对细胞具有良好的黏附性，生物相容性较好且具有较好的稳定性和力学性能，适用于三维支架材料表面改性。

Description

医用高分子三维结构复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合材料和仿生改性等技术领域，具体涉及一种用于可降解医用高分子三维材料提高成骨细胞粘附并具有良好的抗菌性能的方法。
背景技术
生物医用高分子材料在医学上有其独特的功效和特性，已经成为生物材料研究和应用最为广泛的领域之一。医用复合材料是由两种或两种以上材料复合而成的生物材料，而人体的大部分组织可以认为是复合材料，利用仿生学的研究方法，通过复合材料模拟人体的组织、结构和功能，为生物医用材料的发展开辟了广阔的前景。
牙种植技术现今已经广泛运用于牙列缺损和缺失的修复治疗中，但是由于种植区骨量不足降低了种植修复的成功率，限制了种植义齿的适用范围。引导骨再生膜技术(guided bone regeneration，GBR)通过采用生物屏障膜，阻止软组织中成纤维细胞及上皮细胞长入缺损区，确保将骨引导性的基质维持保持在骨缺损区内，达到促进骨组织的修复及再生的目的。由于体内微环境的特殊性，种植体周围炎症感染是影响种植体长期稳定的最重要因素之一，而GBR技术是目前国内外治疗种植体周围炎导致骨损失的最普遍的技术之一，并取得了良好的临床效果。生物材料植入人体内，存在着潜在的细菌感染风险，往往引起手术失败。同时GBR膜还存在暴露的可能，这些都会增加GBR膜细菌性感染的风险，一旦发生细菌感染则会加快上皮内陷，影响骨组织的再生、修复。因而赋予GBR膜优异的抗菌性能对于骨组织再生具有十分重要的意义，尤其是易感人群。
在组织工程中，制备具有三维多孔结构的方法主要通过3D打印、静电纺丝、模板法和制备水凝胶等方式，制备的三维结构材料具有多孔且孔结构互通等特点，利于成骨细胞的黏附和三维生长。近几年将静电纺丝膜用于引导骨再生膜技术的研究越来越多，因其具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝纤维具有高比表面积、高孔隙率和孔尺寸小等类似天然细胞外基质的结构，在过滤、伤口敷料以及三维组织工程支架等方面具有许多潜在的用途。材料表面也可通过等离子处理、湿化学法、表面接枝聚合法等进行修饰，使其载释药能力进一步增强。
聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)因具有优良的可降解性而在医用生物材料中得到了广泛应用，然而由于其表面缺乏细胞识别位点，以及存在亲水性和细胞亲和性不足等缺点，影响了细胞在其表面的黏附生长。通过物理或者化学的方法在材料中引入胶原或多肽对其进行改性，赋予材料生物信号，以提高其生物功能，使其在组织工程支架的研究和临床应用更加广泛。
蚌类生物中发现的多巴胺及其邻苯二酚衍生物已成功应用到材料表面改性中。多巴胺在碱性溶液中有氧气存在的条件下很容易发生自聚反应，聚多巴胺存在邻酚羟基、醌基等功能基团，这就为膜的进一步修饰提供了一个二级反应平台。因此多巴胺可灵活有效并且稳定地黏附在材料表面从而实现表面改性。两性离子聚合物如3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐(DMAPS)，具有抑菌和高度抑制蛋白质的非特异性吸附的作用。当DMAPS固定在医用硅胶表面上时，增强了防污功效，改善了血液相容性，并具有抗菌性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌及成骨特性的可降解医用高分子三维结构复合材料的制备方法，该方法简单易行、可控性强，不仅使制备的复合材料同时具有两性离子聚合物抗菌的性能，而且具有胶原对细胞的黏附性，且具有良好的生物相容性和成骨性能。
本发明的技术方案是一种医用高分子复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1、将重量比为1％-10％的可降解医用高分子聚合物溶解于有机溶剂中，搅拌2～12小时，制得医用高分子混合溶液；
S2、将所述医用高分子混合溶液制备成具有三维结构的薄膜；
S3、将所述三维结构的薄膜放置于多巴胺溶液中进行表面功能化处理；
S4、将经过表面功能化处理的三维结构的薄膜，放置于两性离子聚合物和胶原共混溶液中，反应12～48小时，制备得到具有三维结构的复合材料；
S5、取出三维结构材料，用蒸馏水清洗两遍，后经真空干燥过夜后保存，制得产品。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述可降解医用高分子聚合物包括医用级脂肪族聚酯、聚乳酸、聚己内酯、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、丝纤蛋白、壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇中任意一种或几种组合。所用重量为0.1g～1g。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述有机溶剂为丙酮、六氟异丙醇、三氟乙醇、三氯甲烷、二甲基甲酰胺或四氢呋喃的任意一种或几种组合。所用溶剂体积为1～10毫升。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述制备具有三维结构的方法包括3D打印或静电纺丝；
所述制备的三维结构材料具有多孔结构，且所述多孔之间互通。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述表面功能化处理的方法具体步骤包括在pH值为6.0-10.0、浓度为0.1wt％-10wt％多巴胺Tris-HCl溶液中反应1-48h。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述两性离子聚合物包括甜菜碱型两性离子聚合物、聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯、氨基酸基两性离子聚合物聚丝氨酸甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸羧基甜菜碱两性离子聚合物中至少一种。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述胶原包括胶原蛋白Ⅰ型、Ⅱ型的一种或两种组合。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述两性离子聚合物和胶原共混溶液中两性离子聚合物浓度与胶原添加摩尔浓度比例为4：1-1：3。
另一方面，本发明实施例公开了一种上述制备方法得到的医用高分子复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过获取具有黏附性和还原性的聚多巴胺涂层，使两性离子聚合物和胶原能够均匀分散在医用高分子三维结构中
且稳定性好，从而获得的复合材料能够综合两者的优点，不仅具有两性离子的抗菌性能，而且具有胶原对细胞的黏附性以及成骨性能，提升材料的各项性能。另外，复合材料薄膜制备过程简单，对设备要求低，易实现工业化生产，且制备的复合材料稳定性好，同时，复合材料的亲水性和生物相容性都得到提升。
具体实施方式
下面将结合实施方式对本发明进行详细的描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做的反应条件、反应物或原料用量上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明实施例公开了具有抗菌及成骨特性的可降解医用高分子三维结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将0.1～1g的可降解医用高分子聚合物放置于1～10毫升的有机溶剂，搅拌2～12小时；其中，本实施方式中，医用高分子聚合物主要包括医用级的脂肪族聚酯，聚乳酸、聚己内酯、壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇等一种或几种组合。有机溶剂为三氟乙醇、丙酮、六氟异丙醇、二甲基甲酰胺或四氢呋喃的一种或几种组合；
步骤二：将混合溶液制备成具有三维结构的薄膜；所述制备具有三维结构的方法主要包括3D打印，静电纺丝等；
步骤三：将三维结构材料放置于多巴胺溶液中进行多巴胺表面功能化处理；具体条件为pH值为6.0～10.0，浓度为0.1wt％～10wt％多巴胺Tris-HCl溶液中，反应1-48h；
步骤四：取出三维结构材料，放入两性离子聚合物和胶原共混溶液中，利用聚多巴胺的黏附性在电纺膜表面涂布两性离子聚合物和胶原，反应12～48小时；其中所述两性离子聚合物主要包括：甜菜碱型两性离子聚合物(DMAPS)、聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(PSBMA)，氨基酸基两性离子聚合物聚丝氨酸甲基丙烯酸酯(PSerMA)，聚甲基丙烯酸羧基甜菜碱两性离子聚合物(PCBMA)等。所述胶原包括：胶原蛋白见类型Ⅰ型、Ⅱ型的一种或两种组合。
步骤五：取出三维结构材料，采用纯水清洗2～4h小时，后经真空干燥、恒重后保存使用。
以下结合具体实施例来对本发明做进一步说明。
具体例一：
称取1g的聚己内酯和1g的壳聚糖，加入到6ml的六氟异丙醇溶剂中，在磁力搅拌器上搅拌均匀，制得聚合物溶液。混合均匀后及进行电纺，静电纺丝条件为:电压为20kv，距离为30cm，流速为0.5ml/h。将电纺膜放入真空干燥箱，去除溶剂烘干。
配制Tris-HCl溶液，调节pH值为8.0，称量400mg的多巴胺加入到10ml的Tris-HCl溶液中，制备浓度为40mg/ml的多巴胺溶液，将电纺膜浸泡在溶液中，通氧1h后，将材料取出用蒸馏水冲洗2～3次，并用真空干燥箱烘干。
将DMAPS两性离子聚合物与胶原Ⅱ型按照30％和70％的比例制备成共混溶液，将被多巴胺涂覆后的电纺膜浸泡在溶液中，反应12h后，将材料取出，用蒸馏水冲洗2～3次，烘干保存。
制备的三维结构材料的薄膜具有模拟细胞外基质的三维多孔结构。
具体例二：
使用AutoCAD 2013软件设计3D打印的支架，将2gPCL送入3D打印机中，PCL被拉伸熔化并通过打印尖端挤出细丝，并加工成为多达三根直径为0.2mm，间隙为1.0mm的单独长丝，层厚度为0.2毫米。
配制Tris-HCl溶液，调节pH值为8.5，称量100mg的多巴胺加入到10ml的Tris-HCl溶液中，制备浓度为10mg/ml的多巴胺溶液，将电纺膜浸泡在溶液中，通氧5h后，将材料取出用蒸馏水冲洗2～3次，并用真空干燥箱烘干。
将PSBMA两性离子聚合物与胶原Ⅱ型按照50％和50％的比例制备成共混溶液，将被多巴胺涂覆后的电纺膜浸泡在溶液中，反应24h后，将材料取出，用蒸馏水冲洗2～3次，烘干保存。
制备的三维结构材料的薄膜具有模拟细胞外基质的三维多孔结构。
具体例三：
称取1g的聚碳酸丁二醇酯和1g的纤维素共聚物，加入到8ml的四氢呋喃溶剂中，在磁力搅拌器上搅拌均匀，制得聚合物溶液。混合均匀后及进行电纺，静电纺丝条件为:电压为15kv，距离为15cm，流速2.5ml/h，将纺丝去除溶剂烘干，获得电纺膜。
配制Tris-HCl溶液，调节pH值为9.0，称量200mg的多巴胺加入到10ml的Tris-HCl溶液中，制备浓度为2mg/ml的多巴胺溶液，将电纺膜浸泡在溶液中，室温下浸泡24h后，将材料取出用蒸馏水冲洗2～3次，并用真空干燥箱烘干。
将PSerMA两性离子聚合物与胶原Ⅰ型按照60％和40％的比例制备成共混溶液，将被多巴胺涂覆后的电纺膜浸泡在溶液中，反应36h后，将材料取出，用蒸馏水冲洗2～3次，烘干保存。
制备的三维结构材料的薄膜具有模拟细胞外基质的三维多孔结构。
具体例四：
称取2g的聚乙烯醇，加入到5ml的二甲基甲酰胺溶剂中，在磁力搅拌器上搅拌均匀，制得聚合物溶液。混合均匀后及进行电纺，静电纺丝条件为:电压为20kv，距离为30cm，流速为0.5ml/h。将电纺膜放入真空干燥箱，去除溶剂烘干。
配制Tris-HCl溶液，调节pH值为6.0，称量40mg的多巴胺加入到10ml的Tris-HCl溶液中，制备浓度为4mg/ml的多巴胺溶液，将电纺膜浸泡在溶液中，室温下浸泡12h后，将材料取出用蒸馏水冲洗2～3次，并用真空干燥箱烘干。
将PCBMA两性离子聚合物与胶原Ⅰ型按照70％和30％的比例制备成共混溶液，将被多巴胺涂覆后的电纺膜浸泡在溶液中，反应36h后，将材料取出，用蒸馏水冲洗2～3次，烘干保存。
制备的三维结构材料的薄膜具有模拟细胞外基质的三维多孔结构。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种医用高分子复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、将重量比为1％-10％的可降解医用高分子聚合物溶解于有机溶剂中，搅拌2～12小时，制得医用高分子混合溶液；
S2、将所述医用高分子混合溶液制备成具有三维结构的薄膜；
S3、将所述三维结构的薄膜放置于多巴胺溶液中进行表面功能化处理；
S4、将经过表面功能化处理的三维结构的薄膜，放置于两性离子聚合物和胶原共混溶液中，反应12～48小时，制备得到具有三维结构的复合材料；
S5、取出三维结构材料，用蒸馏水清洗两遍，后经真空干燥过夜后保存，制得产品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可降解医用高分子聚合物包括医用级脂肪族聚酯、聚乳酸、聚己内酯、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、丝纤蛋白、壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇中任意一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、六氟异丙醇、三氟乙醇、三氯甲烷、二甲基甲酰胺或四氢呋喃的任意一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备具有三维结构的方法包括3D打印或静电纺丝；
所述制备的三维结构材料具有多孔结构，且所述多孔之间互通。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面功能化处理的方法具体步骤包括在pH值为6.0-10.0、浓度为0.1wt％-10wt％多巴胺Tris-HCl溶液中反应1-48h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两性离子聚合物包括甜菜碱型两性离子聚合物、聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯、氨基酸基两性离子聚合物、聚丝氨酸甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸羧基甜菜碱两性离子聚合物中至少一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶原包括胶原蛋白Ⅰ型、Ⅱ型的一种或两种组合。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两性离子聚合物和胶原共混溶液中两性离子聚合物与胶原添加摩尔浓度比例为4：1-1：3。
9.一种由权利要求1-8任意一项制备方法得到的医用高分子复合材料。
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