CN112402699A - 一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，该方法综合了聚乳酸良好的生物相容性和可降解性，地塞米松优秀的骨诱导性能，银、铜、锌纳米粒子的广谱抗菌性和抗细菌耐药性等各自特点，以及静电纺丝技术在构建形貌可控的仿生纤维结构方面的独特优势，制备的复合纤维膜能模拟体内的天然细胞外基质，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化和抗细菌感染，从而促进骨组织修复，作为骨修复材料能广泛应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。

Description

一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复 合纤维膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种医用高分子复合材料的制备方法，特别是涉及一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法。
背景技术
全世界数百万患者患有骨疾病或骨缺损，骨修复材料的研发是亟需解决的难题，理想的人工骨合成生物材料应该具有良好的生物相容性、生物活性、骨诱导性和抗菌性。
聚乳酸（Polylactic acid，PLLA）由于其良好的生物相容性、可生物降解、无毒等优点，已经被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床应用，在临床上主要应用于引导骨组织再生、药物输送、软组织修复等，是目前人工骨生物医用材料的研究热点之一，但缺乏骨诱导和抗菌性能，这限制了它在骨组织工程中的应用。
地塞米松（Dexamethasone，Dex）是一种糖皮质类激素，是骨髓基质细胞最早使用和更容易成骨的诱导剂，可促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)向成骨细胞分化，增强碱性磷酸酶(ALP)活性和骨矿化，刺激新生的骨组织的形成。地塞米松在3.96-39.6μg/L浓度范围时可促进成骨、增强骨矿化，将其负载于聚乳酸基复合纤维支架中而得到的骨修复材料具有优秀的骨诱导性能，可加快骨缺损的愈合速度。
骨感染是临床骨修复过程中急需攻克的难题，由于细菌所引起的骨感染会损害骨组织的愈合修复能力，导致植入物植入失败，因此研发具有抗菌性能的植入材料成为目前研究热点之一。骨感染主要由细菌感染引起，及时有效的杀死组织表面的细菌并抑制细菌生物膜的形成是抑制感染、促进骨组织愈合的关键所在。目前常见的治疗骨感染的方法是清创术和全身抗生素治疗，但在长期或过度使用抗生素会增加手术风险和产生耐药。因此，提高生物材料的细菌耐药性、抗骨感染能力成为亟待解决的难题。部分金属如银、铜、锌单质的纳米粒子（NPs）具有广泛的抗菌性和抗细菌耐药性能，在临床上被应用于杀灭生物材料上的细菌，其杀菌机制是将细菌的细胞膜破坏，扰乱代谢，并产生活性氧引起DNA损伤，从而杀死细菌，并且其可以从死细菌中游离出来并重复上述循环，从而实现持久抗菌；同时这些金属纳米粒子还可以促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，促进血管生成，从而进一步促进骨组织修复。因此将这些金属纳米粒子引入骨修复复合材料能赋予后者良好的抗菌性能和骨诱导性能。
静电纺丝技术可构建形貌可控、有类似于天然细胞外基质(Extracellularmatrix, ECM)的纤维结构，设计理想的仿生环境用于细胞粘附和增殖，促进新组织生长。温和的工艺条件使静电纺丝技术在包封药物时保持分子结构完整性方面具有明显的优势，且纳米纤维在一定程度上可以减缓药物的释放，在骨组织工程中具有重要的应用价值。
基于此，综合聚乳酸良好的生物相容性和可降解性，地塞米松优秀的骨诱导性能，银、铜、锌纳米粒子的广谱抗菌性和抗细菌耐药性等各自特点，以及静电纺丝技术在构建形貌可控的仿生纤维结构方面的独特优势，本发明提供一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，基于静电纺丝技术将骨诱导药物地塞米松和抗菌剂银、铜或锌纳米粒子负载到生物相容性和可降解性优越的聚乳酸基复合纤维膜中，该骨修复材料能广泛应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。
本发明通过下述的技术方案来实现：
一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）将地塞米松溶于有机溶剂中，超声分散以促进溶解，得到地塞米松溶液；
（2）将纳米金属前驱体加入步骤（1）所得的地塞米松溶液中，机械搅拌使充分溶解或分散，得到地塞米松/纳米金属混合溶液或悬浮液；
（3）将聚乳酸加入步骤（2）所得的地塞米松/纳米金属混合溶液或悬浮液中，继续搅拌以进行均质分散处理，得到均匀的聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液；
（4）以步骤（3）所得聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液为原料进行静电纺丝，得到聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜；
（5）将步骤（4）所得的复合纤维膜在真空条件下干燥完全后，保存在37℃的恒温箱中备用。
作为本发明技术方案的进一步优化，所述的纳米金属为银、铜或锌单质纳米粒子，其粒径主要分布于50-100 nm范围内。
作为本发明技术方案的进一步优化，所述聚乳酸的加入浓度范围为100-220 g/L，所述地塞米松的加入浓度范围为0.02-0.06 g/L，所述纳米金属的加入浓度范围为4-12 g/L。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（1）中所述的有机溶剂为三氟乙醇、六氟异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、N, N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的至少一种。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（2）中所述的纳米金属前驱体为可溶于所述有机溶剂的银盐、铜盐、锌盐中的至少一种。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（2）中所述的纳米金属前驱体为粒径分布范围为50-100 nm的银、铜或锌单质纳米粒子中的至少一种。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（1）中所述的超声分散处理功率为300-600 W，超声时间为10-50 min。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（2）或步骤（3）中所述的机械搅拌转速范围为600-1600 r/min，其中步骤（2）的搅拌时间为20-50 min，步骤（3）的搅拌时间为10-20h。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（4）中所述的静电纺丝参数包括，高压静电场电压范围12-20 kv，纺丝接收间距10-20 cm，注射器推进速度2-4 ml/h，收集器的材质为钛、钛合金Ti6Al4V、铝或不锈钢。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（5）中所述的真空干燥温度为60-80℃，干燥时间为48-96 h，目的在于完全除去残余溶剂。
综上所述，本发明复合纤维膜的制备方法的优点在于：基于静电纺丝技术制备了一种具有良好骨诱导和广谱抗菌性能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜，该复合纤维膜能模拟体内的天然细胞外基质，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化和抗细菌感染，从而促进骨组织修复。该制备方法操作简便，成本低廉，制得复合纤维膜的作为骨修复材料具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例一制得的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜的扫描电镜（SEM）图片；
图2为本发明的实施例一制得的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜的直径分布范围；
图3为本发明的实施例一制得的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜的透射电镜（TEM）图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明提供一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）将0.00036 g地塞米松溶于9 ml三氟乙醇中，采用300 W功率的超声分散10 min以促进溶解，得到地塞米松溶液；
（2）将0.072 g粒径分布范围为50-100 nm的单质银纳米微粉加入步骤（1）所得的地塞米松溶液中，使用转速600r/min的机械搅拌20 min使充分分散，得到地塞米松/银的混合溶/悬浮液；
（3）将1.44 g聚乳酸加入步骤（2）所得的地塞米松/纳米金属混合溶/悬浮液中，使用转速800r/min的机械搅拌器继续搅拌12 h以进行均质分散处理，得到均匀的聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液；
（4）以步骤（3）所得聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液为原料进行静电纺丝，其参数为高压静电场电压12kv，纺丝接收间距15 cm，注射器推进速度3 ml/h，得到附着于铝箔收集器表面的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜；
（5）将步骤（4）所得的复合纤维膜在60℃下真空干燥48 h以完全除去残余溶剂，然后保存在37℃的恒温箱中备用。
如图1-3所示，复合纤维无粘联，纤维直径较均匀地分布于60-300 nm内，尤其集中分布在162±6nm范围内；单质银纳米颗粒的直径小于100 nm，复合纤维直径分布较均匀，表面光滑；当单质银纳米颗粒和地塞米松作为添加物加入到电纺液中时，无机抗菌剂纳米银和骨诱导药物地塞米松都被均匀地包覆在聚乳酸基复合纤维当中。
实施例二
本发明提供一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米铜复合纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）将0.00054 g地塞米松溶于15 ml三氯甲烷中，采用500 W功率的超声分散20 min以促进溶解，得到地塞米松溶液；
（2）将0.32 g硝酸铜加入步骤（1）所得的地塞米松溶液中，使用转速1000r/min的机械搅拌40 min使充分分散，得到地塞米松/铜的混合溶液；
（3）将1.80 g聚乳酸加入步骤（2）所得的地塞米松/纳米金属混合溶液中，使用转速1300r/min的机械搅拌器继续搅拌16 h以进行均质分散处理，得到均匀的聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液；
（4）以步骤（3）所得聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液为原料进行静电纺丝，其参数为高压静电场电压15kv，纺丝接收间距13 cm，注射器推进速度2 ml/h，得到附着于钛箔收集器表面的聚乳酸/地塞米松/纳米银复合纤维膜；
（5）将步骤（4）所得的复合纤维膜在70℃下真空干燥72 h以完全除去残余溶剂，然后保存在37℃的恒温箱中备用。
本实施例中得到的复合复合纤维膜，其纤维无粘联，纤维直径较均匀地分布于60-300 nm内，尤其集中分布在145±8nm范围内；单质铜纳米颗粒的直径小于100 nm，复合纤维直径分布较均匀，表面光滑；当纳米铜的前驱体和地塞米松作为添加物加入到电纺液中时，无机抗菌剂纳米铜和骨诱导药物地塞米松都被均匀地包覆在聚乳酸基复合纤维当中。
实施例三
本发明提供一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米锌复合纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）将0.0026 g地塞米松溶于32 ml六氟异丙醇和二氯甲烷的等比例混溶液中，采用600 W功率的超声分散40 min以促进溶解，得到地塞米松溶液；
（2）将1.07 g氯化锌加入步骤（1）所得的地塞米松溶液中，使用转速1300r/min的机械搅拌50 min使充分分散，得到地塞米松/铜的混合溶液；
（3）将6.40 g聚乳酸加入步骤（2）所得的地塞米松/纳米金属混合溶液中，使用转速1600r/min的机械搅拌器继续搅拌20 h以进行均质分散处理，得到均匀的聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液；
（4）以步骤（3）所得聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液为原料进行静电纺丝，其参数为高压静电场电压18kv，纺丝接收间距16 cm，注射器推进速度4 ml/h，得到附着于钛合金Ti6Al4V箔收集器表面的聚乳酸/地塞米松/纳米锌复合纤维膜；
（5）将步骤（4）所得的复合纤维膜在80℃下真空干燥96 h以完全除去残余溶剂，然后保存在37℃的恒温箱中备用。
本实施例中得到的复合复合纤维膜，其纤维无粘联，纤维直径较均匀地分布于60-300 nm内，尤其集中分布在142±7nm范围内；单质锌纳米颗粒的直径小于100 nm，复合纤维直径分布较均匀，表面光滑；当纳米锌的前驱体和地塞米松作为添加物加入到电纺液中时，无机抗菌剂纳米锌和骨诱导药物地塞米松都被均匀地包覆在聚乳酸基复合纤维当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的范围，任何本领域的技术人员，凡在不脱离本发明的精神和原则之前提下，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 (10)

1.一种具有骨诱导和抗菌功能的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将地塞米松溶于有机溶剂中，超声分散以促进溶解，得到地塞米松溶液；
（2）将纳米金属前驱体加入步骤（1）所得的地塞米松溶液中，机械搅拌使充分溶解或分散，得到地塞米松/纳米金属混合溶液或悬浮液；
（3）将聚乳酸加入步骤（2）所得的地塞米松/纳米金属混合溶液或悬浮液中，继续搅拌以进行均质分散处理，得到均匀的聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液；
（4）以步骤（3）所得聚乳酸/地塞米松/纳米金属静电纺丝溶液为原料进行静电纺丝，得到聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜；
（5）将步骤（4）所得的复合纤维膜在真空条件下干燥完全后，保存在37℃的恒温箱中备用。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：所述纳米金属为银、铜或锌单质纳米粒子，其粒径主要分布于50-100 nm范围内。
3.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸的加入浓度范围为100-220 g/L，所述地塞米松的加入浓度范围为0.02-0.06 g/L，所述纳米金属的加入浓度范围为4-12 g/L。
4.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的有机溶剂为三氟乙醇、六氟异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的纳米金属前驱体为可溶于所述有机溶剂的银盐、铜盐、锌盐中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的纳米金属前驱体为粒径分布范围为50-100 nm的银、铜或锌单质纳米粒子中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的超声分散处理功率为300-600 W，超声时间为10-50 min。
8.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）或步骤（3）中所述的机械搅拌转速范围为600-1600 r/min，其中步骤（2）的搅拌时间为20-50 min，步骤（3）的搅拌时间为10-20h。
9.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的静电纺丝参数包括，高压静电场电压范围12-20 kv，纺丝接收间距10-20 cm，注射器推进速度2-4 ml/h，收集器的材质为钛、钛合金Ti6Al4V、铝或不锈钢。
10.根据权利要求1所述的聚乳酸/地塞米松/纳米金属复合纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的真空干燥温度为60-80℃，干燥时间为48-96 h。
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