CN110698656A - 一种低温熔融药物缓释医用高分子材料合成方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温熔融药物缓释医用高分子材料合成方法及应用，该材料基于生物相容性良好的聚己内酯高分子进行改性，在加热后回复至体温下仍具有足够时间的处于熔融状态。且该材料在体内具有降解性，降解产物无害。该材料可被用于体温下的伤口填充、药物携带与缓释、低温医用涂层等，操作简单易行，效果显著，具有广阔的医用前景。

Description

一种低温熔融药物缓释医用高分子材料合成方法及应用

技术领域

本发明涉及高分子合成技术领域，特别涉及一种低温熔融药物缓释医用高分子材料合成方法及应用。

背景技术

唐勇红(CN101352582A)等将聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PLA)在共溶剂(如二氯甲烷，四氢呋喃，氯仿等)混合。使用静电纺丝技术将材料制备成纳米纤维毡，再使用等离子改性后浸泡在透明质酸(HA)溶液中。得到多孔的PCL-PLA-HA复合组织工程支架。此方法仅能先做好固体支架，未能进行载药及注射植入。

Alona Shagan等人(Adv.Funct.Mater.2019,1900998)通过官能团化PCL，实现了～50℃可挤出的组织敷料。进一步引入N-羟基琥珀酰亚胺，使得该材料与组织有一定粘接效果。且证明了该材料良好的生物相容性。但由于其高粘度，未能实现注射、浸涂、载药等多种功能。

Martin Petrak等人(WO2014075185 A1)将抗生素混入聚乳酸(PLA)或聚己内酯(PCL)的原料，然后加工成适合打印机的丝材。最后使用增材制造方法(熔融沉积成形、选择性激光烧结、选择性加热烧结等)将含有抗生素的丝材打印成植入物。但常规的3D打印材料使用温度往往较高(>100℃))，使得能进行掺杂的治疗因子受限于承受较高温度；且在低温下(体温附近)无明显的流动性，不能进行注射或与组织形成良好的贴合。

林柳兰(CN102698321A)将PLA完全溶解于丙酮溶剂，得到PLA的丙酮溶液，将TCP粉末中加入去离子水，充分均匀混合，得到TCP浆料，二者混合之后加入药物，随后通过采用低温成形工艺制备骨修复体，并置入冻干机中预冷冻，最后通过冷冻干燥工艺干燥得到骨修复体成品，能够逐渐释放药物，更好的诱导和促进成骨修复。但其同样未实现多种治疗因子的载入，不能进行注射，且仅限于部分骨骼的修复。

在进行组织修复过程中，传统的自体移植、异体移植及人造材料填充显示出了一定的治疗效果，但也存在诸如免疫排斥、供体来源受限以及植入物需要二次手术取出等问题。如骨科中治疗骨缺损，当自体和同种异体移植物都不成功时，往往考虑生物材料诸如板/螺钉、杆和固定器的金属装置。虽然它们具有优异的机械性能，但它们不具有生物活性或生物可吸收性。此外，由于长时间的运动，其与组织之间将产生机械松动，在完成修复周期后往往需要二次手术取出。陶瓷由于其可用性和适应性一定程度上成为骨材料的替代品，具有各种应用。例如，磷酸钙水泥非常类似于骨组织化学/功能特性，具有生物相容性和生物活性。但是，拉伸强度低高脆性是这类材料的主要缺点之一。其表现出一定促进骨修复的能力，但血液运输，组织重建/矿化的能力较差。在使用周期内无法适应骨骼变化。即需要考虑诸如免疫排斥、并发症、医源性感染等诸多问题。

其他载药体(海藻酸钠，壳聚糖，水凝胶……)与生物活性分子组合在一起植入体内时，由于其高孔隙率和亲水性，通常会立即释放这些化学物质，此过程无法获得持续药物供应以保持与骨再生过程的同步。且若要此类材料进行缓释，往往需要采用高分子接枝载药的方法，但此方法需要特定的基团反应。

体内植入过程中，传统材料往往在植入前已经形成固定形态，通过手术嵌入病灶区域。但此植入方法往往容易形成较大创口，对无规则创口难以贴合。此问题在骨科治疗中较为突出。一种更贴合治疗区域、手术创口更小以及操作更为简单的植入方式将有助于治疗过程。

因此难以达到多种治疗因子协同可控的愈合治疗，与载药体结合的持续有效药物释放系统以及手术简化操作、贴合伤口等问题仍亟待解决。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种低温熔融药物缓释医用高分子材料合成方法及应用，载体具有良好的生物相容性和生物降解性，植入后可避免二次手术取出。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低温熔融药物缓释医用高分子材料的合成方法，包括以下步骤；

步骤1：

将甘油与ε-己内酯混合，甘油重量为ε-己内酯的0.2-20wt％；

步骤2：

再加入催化剂辛酸亚锡，搅拌充分混合，辛酸亚锡重量为ε-己内酯的1-5wt％；

步骤3：

将步骤2中得到的混合物置于真空干燥箱中抽真空，真空度-80kPa，并加热至120℃保持24小时；

步骤4：

在真空状态下停止加热，使温度逐渐降低至～60℃；此时混合物仍处于粘流态，将产物加入少量二氯甲烷，依次在冰乙醚、甲醇中分别进行洗涤；

步骤5：

将步骤4得到的下层产物置于真空干燥箱中100℃加热72小时，除去洗涤溶剂真空室温冷却后得到最终产物。

主要合成材料为ε-己内酯和甘油，两者都具有良好的生物相容性，且在医疗方面大量使用。两者的比例可进行调节以得到合适性质。

将需要包覆的药片直接在60℃步骤4中所述粘流态高分子材料中浸涂，冷却固化后形成相应的药物包衣。

高分子材料在一定温度下(60-120℃)熔融后，将需要表面涂覆的医疗器械在其中进行浸涂，或将高分子材料刷在医疗器械表面，冷却固化后得到有可药物缓释的医用高分子材料涂层。

将制备材料加热至60℃，室温迅速冷却至～37℃时，材料仍处于粘流态时，使用注射仪器将该材料注射填充至需要部位。

将步骤5得到的加热至60℃，室温迅速冷却至～37℃，再将药物与其充分搅拌混合，冷却后得到包覆药物的医用材料，与医疗器械涂层，注射填充敷料，口服药剂包衣结合实现功能性药物缓释。

所述的高分子材料通过与其它生物医用材料互混得到具有特定性质，与其互混的主要生物医用高分子材料，包括聚乙二醇(PEG)，聚乳酸(PLA)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，聚乙醇酸(PGA)及其混合物、共聚物、衍生物；无机填充物如羟基磷灰石、玻璃离子粉剂、硫酸钡。

所述的步骤5得到的高分子材料进一步加工成3D打印丝材后，可进行熔融层积打印。

所述的步骤5得到的高分子材料可用于药物缓释系统，所可携带的药物可为多种治疗因子，包括双磷酸盐类(etidronate(依替膦酸)，clodronate(氯屈膦酸)，tiludronate(替鲁膦酸)，pamidronate(帕米膦酸)，alendronate(阿仑膦酸)，olpadronate(奥帕膦酸)，incardronate(因卡膦酸)，risedronate(利塞膦酸)，ibandronate(伊班膦酸)，zoledronicacid(唑来膦酸)，minodronate(米诺膦酸)等及其衍生物)；骨形态发生蛋白类(BMP-2(骨形态发生蛋白类-2)，BMP-7(骨形态发生蛋白类-7))；生长因子类(vascular endothelialgrowth factors，VEGFs(血管内皮生长因子)，fibroblast growth factors，FGFs(成纤维细胞生长因子)，platelet derived growth factors，PDGFs(血小板衍生生长因子)，transforming growth factor-β,TGF-β(转化生长因子β))；干细胞类(mesenchymal stemcells，MSCs(骨髓间充质干细胞))；激素类等混合药物后，使用注射或涂布的方式将该材料送至损伤部位，实现病变区域的治疗和修复。

本发明的有益效果：

该材料具有良好的生物相容性。将纯PCL及PCL/PEG材料分别制成直径3mm，长20mm的圆柱体，紫外线照射消毒1小时后，放入15mL离心管中，并加入10mL完全培养基(10％胎牛血清+89％α-MEM培养基+1％双抗)，封口膜封口后放入37℃恒温箱中静置24小时后，将培养液收集。在96孔板中接种MC3T3-E1细胞，接种密度约1500个/孔，待细胞贴壁后，分别用正常完全培养液，PCL及PCL/PEG浸提培养液进行细胞培养，每组设6个副孔，每隔48小时更换一次培养液。分别在第一次换液后的第1,3,5,7天时利用CCK-8试剂进行细胞毒性测试，得到相应吸光度数值，对不同时间点的各组数据进行One-way ANOVA检验(α＝0.05)，同时间点的各组数据之间未见明显差异，说明PCL及PCL/PEG材料无明显细胞毒性。

该材料具有良好的生物降解性，植入后可避免二次手术取出。将PCL/PEG材料制成直径3mm，长20mm的圆柱体，紫外线照射消毒1小时后，放入15mL离心管中，并加入10mL完全培养基(10％胎牛血清+89％α-MEM培养基+1％双抗)，封口膜封口后放入37℃恒温箱中静置，每隔7日取出材料，用PBS缓冲液冲洗表面残余培养液，后置于冷冻干燥机中干燥至样品质量不再发生改变，取出后置于电子天平称重，计算降解百分比，并绘制降解曲线。结果提示该材料在植入体内后会发生降解，并且降解的速度逐渐变慢，能够很好地实现缓释和自我降解的功能。

可通过不同分子量的该材料、生物材料互混在体内不同的降解速率，调节治疗药物释放的速率。如此材料与PEG混合时，由于PEG具有良好的水溶性，增加PEG的在整体中所占比例可加速材料整体的降解速率。

可在同一载体内置入多种不同的药物。在该材料处于液态时，缓慢搅拌并直接加入所需携带的药物直至形成均匀混合液。

本发明使用方式多样，可作为药品包衣、可注射材料、医疗器械涂层等。适用范围广，可用于骨修复及其它组织修复。制备操作过程简单有效。

附图说明：

图1为本发明生物相容性测试示意图。

图2为本发明降解曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

将相对ε-己内酯5wt％的甘油(丙三醇)与其混合。再加入相对ε-己内酯1wt％的催化剂异辛酸亚锡，搅拌充分混合。置于真空干燥箱中抽真空(真空度-80kPa)并加热至120℃保持24小时。在真空状态下停止加热，取出后迅速降至室温。将产物在冰乙醚中进行洗涤。室温冷却，将上层乙醚完全倒出。置于真空干燥箱中60℃加热至液态。在冰甲醇中沉淀后，倒出上层溶液。100℃真空抽滤72小时。真空室温冷却后得到最终产物。

实施例2：

将相对ε-己内酯20wt％的甘油(丙三醇)与其混合。再加入相对ε-己内酯2wt％的催化剂异辛酸亚锡，搅拌充分混合。置于真空干燥箱中抽真空(真空度-80kPa)并加热至120℃保持24小时。在真空状态下停止加热，取出后迅速降至室温。将产物在冰乙醚中进行洗涤。室温冷却，将上层乙醚完全倒出。置于真空干燥箱中60℃加热24小时。真空室温冷却后得到最终产物。

实施例3：

将实施例1中制备的材料，倒入药片包衣机中，保持温度60℃。将需要包覆的药片进行包衣处理，冷却后得到该材料包覆的药片。

实施例4：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后置于50℃保温，使其处于熔融状态。迅速冷却至室温后该材料仍处于熔融状态且具有较低粘度(～2500mPa.s)。将其注射至需要填充的部位，待其固化后可作为体内填充物。

实施例5：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后置于50℃保温，使其处于熔融状态。将需要高分子涂层的医疗器械，包括骨钉、钽棒、手术缝合钉、血管支架等，浸入该熔融材料中，取出后冷却至材料固化。

实施例6：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后置于50℃保温，与需要缓释的药物，如用于骨骼修复的唑来膦酸，充分混合后，注射于治疗区域。

实施例7：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后，加入相对该材料质量分数5％的PLGA(分子量15K)。充分搅拌混合后，持续加热并中途多次混合。均匀后得到可调节降解速率的复合材料，其降解速率主要由填充材料的单体降解速率、填充比例、孔隙率等决定。

实施例8：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后，加入相对该材料质量分数10％的聚乙二醇(PEG)(分子量800)。加热至60℃熔融充分搅拌混合后，降温得到均匀复合材料。由于PEG溶于水，而PCL疏水。两者复合将显著改变材料的降解速率。且使用低分子量的PEG，将进一步降低该复合材料在低温下的粘度。

实施例9：

将实施例1中制备的材料加热至60℃熔融后，加入相对该材料质量分数20％的聚乙二醇(PEG)(分子量800)和2％的PLGA(分子量15K)。加热至120℃熔融充分搅拌混合后，降温得到PEG填充的复合材料。

实施例10：

将相对ε-己内酯0.5wt％的甘油(丙三醇)与其混合。再加入相对ε-己内酯1wt％的催化剂异辛酸亚锡，搅拌充分混合。置于真空干燥箱中抽真空(真空度-80kPa)并加热至120℃保持24小时。在真空状态下停止加热，取出后迅速降至室温。将产物在冰乙醚中进行洗涤。室温冷却，将上层乙醚完全倒出。置于真空干燥箱中120℃加热12小时。真空室温冷却后得到最终产物。

进一步将该材料使用拉丝机制备成适用于3D打印机的丝材，根据需求进行热熔层积打印。

如附图1所示，该材料具有良好的生物相容性。将纯PCL及PCL/PEG材料分别制成直径3mm，长20mm的圆柱体，紫外线照射消毒1小时后，放入15mL离心管中，并加入10mL完全培养基(10％胎牛血清+89％α-MEM培养基+1％双抗)，封口膜封口后放入37℃恒温箱中静置24小时后，将培养液收集。在96孔板中接种MC3T3-E1细胞，接种密度约1500个/孔，待细胞贴壁后，分别用正常完全培养液，PCL及PCL/PEG浸提培养液进行细胞培养，每组设6个副孔，每隔48小时更换一次培养液。分别在第一次换液后的第1,3,5,7天时利用CCK-8试剂进行细胞毒性测试，得到相应吸光度数值，结果如下图所示，对不同时间点的各组数据进行One-wayANOVA检验(α＝0.05)，同时间点的各组数据之间未见明显差异，说明PCL及PCL/PEG材料无明显细胞毒性。

如附图2所示，该材料具有良好的生物降解性，植入后可避免二次手术取出。将PCL/PEG材料制成直径3mm，长20mm的圆柱体，紫外线照射消毒1小时后，放入15mL离心管中，并加入10mL完全培养基(10％胎牛血清+89％α-MEM培养基+1％双抗)，封口膜封口后放入37℃恒温箱中静置，每隔7日取出材料，用PBS缓冲液冲洗表面残余培养液，后置于冷冻干燥机中干燥至样品质量不再发生改变，取出后置于电子天平称重，计算降解百分比，并绘制降解曲线。结果提示该材料在植入体内后会发生降解，并且降解的速度逐渐变慢，能够很好地实现缓释和自我降解的功能。

Claims (8)

1.一种低温熔融药物缓释医用高分子材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1：

将甘油与ε-己内酯混合，甘油重量为ε-己内酯的0.2-20wt％；

步骤2：

再加入催化剂辛酸亚锡，搅拌充分混合，辛酸亚锡重量为ε-己内酯的1-5wt％；

步骤3：

将步骤2中得到的混合物置于真空干燥箱中抽真空，真空度-80kPa，并加热至120℃保持24小时；

步骤4：

在真空状态下停止加热，使温度逐渐降低至～60℃；此时混合物仍处于粘流态，将产物加入少量二氯甲烷，依次在冰乙醚、甲醇中分别进行洗涤；

步骤5：

将步骤4得到的下层产物置于真空干燥箱中100℃加热72小时，除去洗涤溶剂真空室温冷却后得到最终产物。

2.权利要求1制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，将需要包覆的药片直接在60℃步骤4中所述粘流态高分子材料中浸涂，冷却固化后形成相应的药物包衣。

3.权利要求1制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，高分子材料在一定温度下(60-120℃)熔融后，将需要表面涂覆的医疗器械在其中进行浸涂，或将高分子材料刷在医疗器械表面，冷却固化后得到有可药物缓释的医用高分子材料涂层。

4.权利要求1制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，将制备材料加热至60℃，室温迅速冷却至～37℃时，材料仍处于粘流态时，使用注射仪器将该材料注射填充至需要部位。

5.权利要求2制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，将步骤5得到的加热至60℃，室温迅速冷却至～37℃，再将药物与其充分搅拌混合，冷却后得到包覆药物的医用材料，与医疗器械涂层，注射填充敷料，口服药剂包衣结合实现功能性药物缓释。

6.权利要求2制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料的应用，其特征在于，所述的高分子材料通过与其它生物医用材料互混得到具有特定性质，与其互混的主要生物医用高分子材料，包括聚乙二醇(PEG)，聚乳酸(PLA)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，聚乙醇酸(PGA)及其混合物、共聚物、衍生物；无机填充物如羟基磷灰石、玻璃离子粉剂、硫酸钡。

7.权利要求2制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，所述的步骤5得到的高分子材料进一步加工成3D打印丝材后，可进行熔融层积打印。

8.权利要求2制备所得低温熔融药物缓释医用高分子材料用于口服药剂包衣的应用，其特征在于，可携带的药物可为多种治疗因子，包括双磷酸盐类(etidronate(依替膦酸)，clodronate(氯屈膦酸)，tiludronate(替鲁膦酸)，pamidronate(帕米膦酸)，alendronate(阿仑膦酸)，olpadronate(奥帕膦酸)，incardronate(因卡膦酸)，risedronate(利塞膦酸)，ibandronate(伊班膦酸)，zoledronic acid(唑来膦酸)，minodronate(米诺膦酸)等及其衍生物)；骨形态发生蛋白类(BMP-2(骨形态发生蛋白类-2)，BMP-7(骨形态发生蛋白类-7))；生长因子类(vascular endothelial growth factors，VEGFs(血管内皮生长因子)，fibroblast growth factors，FGFs(成纤维细胞生长因子)，platelet derived growthfactors，PDGFs(血小板衍生生长因子)，transforming growth factor-β,TGF-β(转化生长因子β))；干细胞类(mesenchymal stem cells，MSCs(骨髓间充质干细胞))；激素类等混合药物后，使用注射或涂布的方式将该材料送至损伤部位，实现病变区域的治疗和修复。

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