CN110639065B - 一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片及其制备方法，所述制备方法通过缓慢脱水干燥得到平整的细菌纤维素半干膜，随后在细菌纤维素一面制备微孔，再将具有微孔的一面紧贴模具控制改性面，最后通过在高温高压下使长碳链疏水改性剂在另外一面水解缩合沉积，得到一侧具有良好的防粘连性能和另外一侧具有良好的组织结合、组织修复能力的生物补片。本发明在保证了细菌纤维素优良综合力学性能和生物相容性的前提下，提高了防粘连性能，制备方法简便，制备成本较低，样品形状和尺寸易调控，有望大规模应用于临床。此外，该组织补片除可用于疝、硬脑膜、肌腱、心肌和盆底等软组织修复外，还可用于人工血管和人工皮肤等生物医用领域。

Description

一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，提供了一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片及其制备方法。

技术背景

组织补片作为一种组织替代材料，主要是用于各类软组织的修补或对薄弱组织的增强，越来越受到大家的重视。目前常用的有疝补片、心脏补片、肌腱补片和硬脑膜补片等。补片材料作为可植入材料植入体内时，应具有以下特点：①具有稳定的生物惰性，不引起急慢性炎症反应；②安全性好，无毒性，无致癌作用，不传播疾病；③组织相容性好，不产生免疫反应；④具有一定的致密性，能防止渗漏；⑤良好的韧性，能承受缝合或粘合；⑥能起到支架作用，促使新生组织的形成等，其中最重要的一点是需考虑组织补片与其所接触组织的相互作用，比如疝补片的基本生理学要求是补片内侧与腹腔内脏不产生粘连，外侧与腹壁组织结合以获得良好的修复性能，而人工硬脑膜补片内侧也要求光滑，减少组织和材料的相互作用，外侧多孔结构使得细胞侵入补片，所以双侧异性对组织补片来说具有重要意义。

现用的组织补片根据来源不同主要可以分为以下五大类：自体组织修补材料、同种异体组织、异种生物材料、人工合成修复材料和天然材料，具体主要有聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、猪心包、牛心包和胶原等材料，目前为止，这些材料在植入人体后对软组织都能起到一定程度上的替代和修复作用，但仍存在一些临床问题如：防粘连效果不足；不具备双侧异性的性能等。如常用于疝修补的聚丙烯材料，具有生物相容性好、力学强度高、能促进纤维组织形成沉积层等优点，是目前首选的腹壁缺损的修补材料，但用于腹腔内可能引起严重腹腔粘连甚至侵蚀肠管等问题。还有SEAMDURA人工合成硬脑膜具有良好的生物相容性，可有效防止脑脊液的渗漏，但补片与脑组织接触一侧适应性较差，存在黏连现象，且存在导致脑组织慢性纤维化的风险。如何同时赋予组织补片内侧较好的防粘连性能和外侧较好的组织结合性能，又使其具有一定的力学性能和优异的生物相容性，这是组织补片现在面临的一大难题。

针对这一现状，本发明根据组织补片临床应用时的实际问题，设计并制备了一种内侧具有较好防粘连性能和外侧具有较好组织结合性能的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片。

发明内容

本发明的目的是从软组织修复材料在临床应用的实际问题出发，提供一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，所述生物补片通过一张细菌纤维素膜表面实现双侧异性，其中一侧为防粘连面，所述防粘连面具备防粘连的性能，另一侧为微孔促修复面，所述修复面具备组织结合及促进组织修复的性能，所述防粘连面与腹腔内脏或脑组织部位接触，所述微孔促修复面与腹壁组织或硬脑膜组织部位接触；

进一步地，所述防粘连面通过长链疏水改性剂对细菌纤维素表面疏水改性所得，其中长链疏水改性剂的链长为4-20个碳原子，接枝率为5-40％，静态接触角为60°-120°，表面能为5-20mN/m；

进一步地，所述生物补片拉伸强度达到30MPa-160MPa，断裂伸长率达到5％-35％，杨氏模量达到5MPa-15MPa，顶破强度达到30N-200N，具有防渗透性能；

进一步地，一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)对饱和含水的细菌纤维素进行缓慢脱水处理；

(2)通过飞秒或毫秒激光打孔技术在经步骤(1)得到的细菌纤维素半干膜,并在其单侧表面制备出一定密度和大小的微孔；

(3)经步骤(2)得到的微孔细菌纤维素半干膜，采用真空封端法使其具有微孔的一面通过抽真空紧密贴合在模具表面，然后置于一密闭反应容器中，采用高温高压单面化学气相沉积法，对另外一侧使用长碳链疏水改性剂对其进行单侧防粘连改性；

(4)待反应容器冷却至室温后，将材料取出并用去离子水清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片；

进一步地，所述步骤(1)中缓慢脱水处理包括自然晾干法和梯度挤压脱水法；

进一步地，所述步骤(2)中细菌纤维素膜单侧表面的微孔采用飞秒或毫秒激光打孔技术制备，并可通过控制激光参数来调控微孔密度和孔径大小；

进一步地，所述步骤(3)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性采用真空封端法，模具具有使细菌纤维素微孔面紧密贴附的光滑表面；

进一步地，所述步骤(3)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性，对细菌纤维素表面改性的改性剂包括十八烷基三氯硅烷类的联剂类改性剂和十六烷基三甲氧基硅烷类、十二烷基三甲氧基硅烷类、硬脂酰氯类、月桂酰氯类、1H,2H,3H,4H-全氟癸基三乙氧基硅烷类的试剂类改性剂；

进一步地，所述步骤(3)中使用单面化学气相沉积法时提供高温高压的容器为反应釜；

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明所获得的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片具有良好的综合力学性能、优良的稳定性、优异的生物相容性、兼具内侧良好的防粘连性能和外侧良好的组织结合、组织修复性能、且制备方法简单、制备的样品形状和尺寸易调控等特点，可满足作为组织补片使用时的各项需求。

2.可以通过控制细菌纤维素膜的形状、尺寸和厚度等参数来调整该补片的综合力学性能，以满足不同软组织缺损部位应用需求。

3.在使用飞秒或毫秒激光打孔技术在细菌纤维素膜表面制备微孔的过程中，可以通过调整激光参数来控制微孔密度和孔径大小，以满足不同软组织缺损部位应用需求。

2.本发明制备的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片表面改性不仅限于某一种长碳链疏水改性剂，对于表面疏水化改性剂如十六烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷等硅氧烷类和硬脂酰氯、月桂酰氯等酰氯类、1H,2H,3H,4H-全氟癸基三乙氧基硅烷等氟硅烷试剂类、十八烷基三氯硅烷等硅烷偶联剂类均有良好的适用性

3.本发明采用的是单侧化学气相沉积法，制备过程简单，成本低，利于扩大生产，除此之外，本发明所采用的药品皆为低毒或无毒试剂药品，对环境污染小；

4.本发明制备的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片除可用于组织补片外，还可用于人工血管、人工皮肤等生物医用领域。

附图说明

图1细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片微观形貌图。

具体实施方式

以下结合具体实施案例，进一步阐述本发明实施方式。这些实施案例仅仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的范围，此外，本领域的技术人员在阅读了本发明讲授的内容之后，对本发明所做各种等价形式的改动，同样落入本申请权利要求书所要求的范围之内。

本发明的目的是从软组织修复材料在临床应用的实际问题出发，提供一种不仅具有良好的力学性能和生物相容性，而且兼具一侧良好的防粘连性能和另外一侧良好的组织结合、组织修复性能的新型细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片。

本发明所提供的新型细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片在一张膜上同时实现了双侧异性，其中，与腹腔内脏或脑组织等部位接触的一侧材料为长碳链疏水改性剂修饰的防粘连面，具有良好的防粘连性能；而与腹壁组织或硬脑膜组织等部位接触的一侧材料为具有微孔的促修复面，具有良好的组织结合、组织修复性能。

本发明的另一目的是提供该新型细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的制备方法及应用。该制备方法简单便捷、制作成本低，具有良好的临床应用前景。技术方案如下：通过预处理得到中性的细菌纤维素，经过飞秒或毫秒激光打孔得到单面具有微孔的细菌纤维素膜，采用真空封端法和单侧化学气相沉积法将长碳链疏水改性剂接枝在细菌纤维素膜的另一侧表面，最后经过清洗得到具有综合性能优异的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片。

一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，所述生物补片通过一张细菌纤维素膜表面实现双侧异性，其中一侧为防粘连面，所述防粘连面具备防粘连的性能，另一侧为微孔促修复面，所述修复面具备组织结合及促进组织修复的性能，所述防粘连面与腹腔内脏或脑组织部位接触，所述微孔促修复面与腹壁组织或硬脑膜组织部位接触。所述防粘连面通过长链疏水改性剂对细菌纤维素表面疏水改性所得，其中长链疏水改性剂的链长为4-20个碳原子，接枝率为5-40％，静态接触角为60°-120°，表面能为5-20mN/m。所述微孔促修复面的表面微孔密度为500-2000个/cm2，孔径大小为100-300μm。所述生物补片拉伸强度达到30MPa-160MPa，断裂伸长率达到5％-35％，杨氏模量达到5MPa-15MPa，顶破强度达到30N-200N，具有防渗透性能。

一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)对饱和含水的细菌纤维素进行缓慢脱水处理；

(2)通过飞秒或毫秒激光打孔技术在经步骤(1)得到的细菌纤维素半干膜,并在其单侧表面制备出一定密度和大小的微孔；

(3)经步骤(2)得到的微孔细菌纤维素半干膜，采用真空封端法使其具有微孔的一面通过抽真空紧密贴合在模具表面，然后置于一密闭反应容器中，采用高温高压单面化学气相沉积法，对另外一侧使用长碳链疏水改性剂对其进行单侧防粘连改性；

(4)待反应容器冷却至室温后，将材料取出并用去离子水清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片。

所述步骤(1)中缓慢脱水处理包括自然晾干法和梯度挤压脱水法。

所述步骤(2)中细菌纤维素膜单侧表面的微孔采用飞秒或毫秒激光打孔技术制备，并可通过控制激光参数来调控微孔密度和孔径大小。

所述步骤(3)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性采用真空封端法，模具具有使细菌纤维素微孔面紧密贴附的光滑表面。

所述步骤(4)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性，对细菌纤维素表面改性的改性剂包括但不限于十六烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷等硅氧烷类、硬脂酰氯、月桂酰氯等酰氯类、1H,2H,3H,4H-全氟癸基三乙氧基硅烷等氟硅烷试剂类和十八烷基三氯硅烷等硅烷偶联剂类。

所述步骤(3)中使用单面化学气相沉积法时提供高温高压的容器为反应釜。

上述步骤(1)-步骤(4)的具体制备工艺如下：

细菌纤维素(BC)膜的制备：

1.采用碱液水浴法除去BC发酵遗留下的细菌、菌体蛋白和残留的培养液，将BC浸于0.1mol/L的NaOH溶液中，在90℃的恒温热源的作用下，保持1h，经去离子水的多次浸泡清洗后，得到pH值约为7.1-7.5的细菌纤维素膜；

2.采用恒温干燥方式除去BC膜中的部分水分。经预处理后的BC膜中超精细的三维纳米网络饱和含水，因膜中过量的水不利于材料的表面高温高压处理和补片材料的力学性能稳定，因此，对预处理后pH为中性的BC膜施加均匀的绝对压力，在室温的温和条件下，使BC膜产生弹性形变，从而减小BC内部孔道的间隙，使水分缓慢流失，达到除去BC膜中大部分过量的水分的目的。为了得到表面洁净的BC半干膜，在一个低于大气压力且相对湿度较低的封闭空间中，将含水率较高的BC膜置于可排出水蒸气的干燥模具中，通过与特定温度的热源接触，保持此封闭体系的温度维持在30-50℃，使BC干燥12-24h，得到BC半干膜。

细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的制备：

1.采用飞秒或毫秒激光打孔技术在细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的促修复面制备出半通孔。将步骤一中处理好的BC半干膜均匀铺展在模具上，使二氧化碳激光打孔机形成一束一定能通量密度的激光脉冲辐射聚焦在细菌纤维素膜的表面，使细菌纤维素膜材料熔化、气化以及部分料以固相形式抛出，通过激光脉冲的连续作用，在细菌纤维素膜一侧表面制备出具有一定密度和大小的微孔。

5.采用真空封端法实现细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的防粘连面的疏水改性。将上一步骤中处理好的微孔BC膜均匀铺展在表面光滑的模具上，并在一个密闭容器中，通过抽真空的方式施加负压，排出BC膜和模具之间的空气，使BC膜微孔表面与模具表面紧密贴附，并进行断面密封处理以实现单侧接枝。

采用单面化学气相沉积法得到防粘连面疏水改性的细菌纤维素基非对称双侧异性膜。不同长度的长碳链疏水改性剂接枝在BC膜表面的机理是疏水改性剂先水解生成相对应的醇，生成的醇进而与BC膜表面的羟基发生脱水缩合。因此，乙醇和水是不同长度的长碳链疏水改性剂水解和缩合的必需试剂。将与平板紧密贴合的BC膜置于一个密闭反应容器中，在能提供高温高压的封闭体系下，加入由一定量的不同长度的长碳链疏水改性剂以及和疏水改性剂同等量的乙醇和去离子水组成的混合溶液。使该密闭容器的温度升高至120℃，在高温高压下，使不同长度的长碳链疏水改性剂水解并向基体BC膜的表面扩散，水解生成相对应的醇通过氢键作用吸附于BC膜表面，进而发生脱水缩合在BC表面形成固态沉积物。在高温高压的环境下维持120min，使反应的限度达到最大。待疏水改性剂均匀的接枝在BC膜表面后，单侧化学气相沉积完成。

4.经过缓慢冷却后，反应容器冷却至室温，将经过不同长度的长碳链疏水改性剂改性后的BC膜材料取出，并用去离子水进行清洗，在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用下，BC膜表面上残留的未反应完全的疏水改性剂被分散、乳化、剥离，从而完全去除未接枝的残留疏水剂，以免影响最后所得到生物补片的生物相容性。最后将得到的细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片4℃下真空保存。

实施例1

将市售由木醋杆菌制得的BC剪取成4cm×4cm的BC样品。

步骤一、对BC用碱液进行预处理，得到pH值约为7.3的细菌纤维素膜；

步骤二、将预处理后的BC膜，平放在光滑的平板上，再在BC膜上放上一平板，在平板上施加10KG的砝码，持续时间30min，压出BC膜中的部分水分，接着在平板上施加20KG的砝码，持续时间30min，以此类推，直至BC膜中不再有水分流出，最后将BC膜置于干燥模具中，30℃下真空干燥12h，得到BC半干膜，放在自封袋中保存备用；

步骤三、将步骤二中处理好的BC半干膜均匀铺展在模具上，用二氧化碳激光打孔机在其一侧表面制备出密度为1000个/cm²、直径为200μm的微孔；

步骤四、将一面具有微孔的BC膜紧密贴在模具上，保证其没有褶皱，采用抽真空的方式，使BC膜微孔面紧密贴附在模具表面，没有空隙，然后将其置于反应容器中，加入1ml的十六烷基三甲氧基硅烷和同等量的乙醇和去离子水的混合物；

步骤五、在120℃高温高压下采用单侧化学气相沉积的方法使十六烷基三甲氧基硅烷水解并沉积在BC膜的表面，120min后，化学气相沉积完成；

步骤六、静等反应容器冷却至室温，将材料取出并用去离子水超声清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，4℃下真空保存。

实施例2

将市售由木醋杆菌制得的BC剪取成4cm×4cm的BC样品。

步骤一、对BC用碱液进行预处理，得到pH值约为7.3的细菌纤维素膜；

步骤二、将预处理后的BC膜，平放在光滑的平板上，再在BC膜上放上一平板，在平板上施加10KG的砝码，持续时间30min，压出BC膜中的部分水分，接着在平板上施加20KG的砝码，持续时间30min，以此类推，直至BC膜中不再有水分流出，最后将BC膜置于干燥模具中，30℃下真空干燥12h，得到BC半干膜，放在自封袋中保存备用；

步骤三、将步骤二中处理好的BC半干膜均匀铺展在模具上，用二氧化碳激光打孔机在其一侧表面制备出密度为1000个/cm²、直径为100μm的微孔；

步骤四、将一面具有微孔的BC膜紧密贴在模具上，保证其没有褶皱，采用抽真空的方式，使BC膜微孔面紧密贴附在模具表面，没有空隙，然后将其置于反应容器中，加入1ml的十二烷基三甲氧基硅烷和同等量的乙醇和去离子水的混合物；

步骤五、在120℃高温高压下采用单侧化学气相沉积的方法使十二烷基三甲氧基硅烷水解并沉积在BC膜的表面，120min后，化学气相沉积完成；

步骤六、静等反应容器冷却至室温，将材料取出并用去离子水超声清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，4℃下真空保存。

实施例3

将市售由木醋杆菌制得的BC剪取成4cm×4cm的BC样品。

步骤一、对BC用碱液进行预处理，得到pH值约为7.3的细菌纤维素膜；

步骤二、将预处理后的BC膜，平放在光滑的平板上，再在BC膜上放上一平板，在平板上施加10KG的砝码，持续时间30min，压出BC膜中的部分水分，接着在平板上施加20KG的砝码，持续时间30min，以此类推，直至BC膜中不再有水分流出，最后将BC膜置于干燥模具中，30℃下真空干燥12h，得到BC半干膜，放在自封袋中保存备用；

步骤三、将步骤二中处理好的BC半干膜均匀铺展在模具上，用二氧化碳激光打孔机在其一侧表面制备出密度为800个/cm²、直径为200μm的微孔；

步骤四、将一面具有微孔的BC膜紧密贴在模具上，保证其没有褶皱，采用抽真空的方式，使BC膜微孔面紧密贴附在模具表面，没有空隙，然后将其置于反应容器中，加入1ml的正辛基三甲氧基硅烷和同等量的乙醇和去离子水的混合物；

步骤五、在120℃高温高压下采用单侧化学气相沉积的方法使正辛基三甲氧基硅烷水解并沉积在BC膜的表面，120min后，化学气相沉积完成；

步骤六、静等反应容器冷却至室温，将材料取出并用去离子水超声清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，4℃下真空保存。

Claims (9)

1.一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片，其特征在于：所述生物补片为单张具有双侧异性的细菌纤维素膜，其中一侧为防粘连面，所述防粘连面具备防粘连的性能，另一侧为微孔促修复面，所述修复面具备组织结合及促进组织修复的性能，所述防粘连面与腹腔内脏或脑组织部位接触，所述微孔促修复面与腹壁组织或硬脑膜组织部位接触，所述防粘连面通过长链疏水改性剂对细菌纤维素表面疏水改性所得，其中长链疏水改性剂为十八烷基三氯硅烷类和十六烷基三甲氧基硅烷类、十二烷基三甲氧基硅烷类、硬脂酰氯类、月桂酰氯类或1H,2H,3H,4H-全氟癸基三乙氧基硅烷类，所述长链疏水改性剂的接枝率为5-40％，静态接触角为60°-120°，表面能为5-20mN/m。

2.根据权利要求1所述的生物补片，其特征在于：所述微孔促修复面的表面微孔密度为500-2000个/cm²，孔径大小为100-300μm。

3.根据权利要求1所述的生物补片，其特征在于：所述生物补片的拉伸强度达到30MPa-160MPa，断裂伸长率达到5％-35％，杨氏模量达到5MPa-15MPa，顶破强度达到30N-200N，具有防渗透性能。

4.一种细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片的制备方法，基于上述权利要求1-3之一所述的生物补片，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)对饱和含水的细菌纤维素进行缓慢脱水处理；

(2)通过飞秒或毫秒激光打孔技术在经步骤(1)得到的细菌纤维素半干膜,并在其单侧表面制备出一定密度和大小的微孔；

(3)经步骤(2)得到的微孔细菌纤维素半干膜，采用真空封端法使其具有微孔的一面通过抽真空紧密贴合在模具表面，然后置于一密闭反应容器中，采用高温高压单面化学气相沉积法，对另外一侧使用长碳链疏水改性剂对其进行单侧防粘连改性；

(4)待反应容器冷却至室温后，将材料取出并用去离子水清洗，最后得到细菌纤维素基非对称双侧异性生物补片。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中缓慢脱水处理包括自然晾干法和梯度挤压脱水法。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中细菌纤维素膜单侧表面的微孔采用飞秒或毫秒激光打孔技术制备，并可通过控制激光参数来调控微孔密度和孔径大小。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性采用真空封端法，模具具有使细菌纤维素微孔面紧密贴附的光滑表面。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用长碳链疏水改性剂对细菌纤维素膜表面进行单侧防粘连改性，对细菌纤维素表面改性的改性剂包括十八烷基三氯硅烷类和十六烷基三甲氧基硅烷类、十二烷基三甲氧基硅烷类、硬脂酰氯类、月桂酰氯类、1H,2H,3H,4H-全氟癸基三乙氧基硅烷类。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用单面化学气相沉积法时提供高温高压的容器为反应釜。

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