CN112812576A - 一种新型含锌元素生物源性胶原膜及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

一种新型含锌元素生物源性胶原膜及其制备方法和用途，其材料包括生物源性胶原膜和掺锌纳米羟基磷灰石，以生物源性胶原膜为支架，通过戊二醛和阿伦磷酸处理结合掺锌纳米羟基磷灰石。含锌元素生物源性胶原膜的制备方法为：脱细胞处理制备生物源性胶原膜，水热法制备掺锌纳米羟基磷灰石，通过戊二醛及阿伦磷酸处理制备含锌元素生物源性胶原膜。制备的材料可保留天然孔隙支架结构，通过改变交联剂的交联密度、交联剂与阿仑膦酸盐的摩尔比、功能化反应的pH值以及纳米羟基磷灰石掺入锌元素浓度，可以调节生物源性胶原膜锌元素含量。具有良好的理化性能、屏障功能及良好的生物相容性，有利于细胞长入及软组织愈合，可独立或联合用作软硬组织修复材料。

Description

一种新型含锌元素生物源性胶原膜及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及化学化工、生物工程、医学、材料学领域，尤其涉及一种新型含锌元素生物源性胶原膜及其制备方法。
背景技术
临床上软硬组织再生使用的生物膜材料可分为不可吸收膜和可吸收膜。不可吸收膜具有良好的机械性能和组织再生空间的维持能力。然而不可吸收膜具有以下缺陷：质地坚硬，塑形较困难，技术敏感性高，对术者操作要求高；组织亲和力差，创口容易裂开，骨组织表面暴露后受干扰，成骨效果较差，同时增加了感染的可能；需二次手术取出，增加患者痛苦。
与不可吸收膜相比，可吸收膜由于其自身可降解性避免了患者进行二次手术的痛苦，因此目前临床上多应用可吸收胶原膜。可吸收膜主要有人工合成高分子聚合物膜、天然高分子聚合物膜两大类。作为一种天然高分子聚合物膜，生物源性胶原膜相对聚乳酸膜、聚氨基甲酸醋等人工合成高分子聚合物膜具有更加优良的生物相容性、生物可降解性及低抗原性。生物源性胶原膜同时具有和天然组织相似的弹性模量以及微观结构的优势。然而，生物源性胶原膜降解速度较快，无法有效保维持组织再生空间，影响了软硬组织再生效果。目前临床应用较广泛的瑞士的Bio-Gide生物胶原膜、国产的海奥修复膜均存在降解速度快，机械强度较不可吸收膜差，容易出现组织再生空间塌陷，缺乏对组织再生过程的主动调控等缺陷。对胶原膜进行适当的改性处理，如增加外源物质或改变交联状态以使其能获得良好的机械及理化性能，维持足够的组织再生的时间并促进组织再生，是亟待解决的难点问题。
通过将微量金属元素植入胶原膜以调控局部微环境进而影响骨和软组织再生过程，具有价格较低，控释稳定及可进行多向调控的优势，已成为一种重要的组织再生材料研发策略。锌是一种基础营养微量元素，是人体中仅次于铁的第二丰富的微量金属元素。锌与软硬组织的愈合密切相关：研究显示，一定浓度的锌离子可以抑制细菌生长，预防感染；可以通过促进成纤维细胞的增殖、上皮细胞的迁移促进软组织的愈合；可以通过调控免疫细胞的分化和促进骨髓间充质干细胞的成骨分化促进骨再生。采用合适的方法将锌元素掺入生物源性胶原膜，调控其掺入锌离子浓度，可在保留其天然微观孔隙结构的优势下赋予其更强的软硬组织再生性能，具有重要的临床意义和社会价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种新型含锌元素生物源性胶原膜，该含锌元素生物源性胶原膜可保留天然孔隙支架结构，具有良好的理化性能、降解性能及良好的生物相容性，有利于细胞长入及软组织愈合。
本发明还提供了一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，采用系列脱细胞、去抗原、冻干消毒等处理哺乳动物膜组织进行获得生物源性胶原膜，采用水热法合成掺锌纳米羟基磷灰石，通过戊二醛和阿伦磷酸处理结合掺锌纳米羟基磷灰石，获得含锌元素生物源性胶原膜。通过改变交联剂的交联密度、交联剂与阿仑膦酸盐的摩尔比、功能化反应的pH值以及纳米羟基磷灰石掺入锌元素浓度，可以调节生物源性胶原膜锌元素含量。
本发明通过下述技术方案实现；一种新型含锌元素生物源性胶原膜，包括生物源性胶原膜和掺锌纳米羟基磷灰石，以生物源性胶原膜为支架，通过戊二醛和阿伦磷酸处理结合掺锌纳米羟基磷灰石。
进一步地，所述生物源性胶原膜通过对哺乳动物膜组织进行处理获得，保留天然三维孔隙结构，具有光滑面和粗糙面两面。
进一步地，所述掺锌纳米羟基磷灰石通过水热法制备，可通过调控原料比例获得不同锌离子掺杂浓度的纳米羟基磷灰石。
所述新型含锌元素生物源性胶原膜通过以下方法制备：
S1)制备生物源性胶原膜：取哺乳动物膜组织，流动纯水洗净血污，去除大块脂肪组织，进行碱处理、酸处理、中和处理及高渗处理、脱水处理及脱脂处理，置于真空冷冻干燥机内处理4～10小时，伽马射线灭菌，获得生物源性胶原膜；
S2)制备掺锌纳米羟基磷灰石：分别将一定量的锌盐和钙盐在去离子水中溶解后混合，将一定量的磷盐在去离子水中溶解后滴加到前述混合溶液中，搅拌均匀得到悬浊液，将悬浊液倒入压力反应釜并加热，反应完成后，将获得产物倒入离心管内，离心弃上清液，去离子水溶解沉淀，超声分散，透析至pH＝6.8～7.2，获得掺锌纳米羟基磷灰石；
S3)制备含锌元素生物源性胶原膜：对步骤S1制备的生物源性胶原膜用0.1％～0.5％戊二醛溶液交联处理，6～48小时后取出，在避光条件下使用0.1％～5％阿仑膦酸溶液浸泡，6～48小时后取出，使用甘氨酸溶液漂洗3～5次，每次浸泡4～8小时；将步骤S2中制备的掺锌纳米羟基磷灰石溶解于去离子水中，使用0.5～5g/L掺锌纳米羟基磷灰石溶液处理甘氨酸漂洗后的生物膜12～24小时，冷冻干燥处理5～30小时，伽马射线灭菌处理，获得产品。
进一步地，所述步骤S1中的哺乳动物包括猪、牛、羊中的一种或多种，动物膜组织包括心包膜、腹膜、肾包膜、肠系膜、筋膜及皮肤中的一种或多种。
进一步地，所述步骤S2中可溶于水的锌盐为六水合硝酸锌；所述可溶于水的钙盐为四水合硝酸钙；所述可溶于水的磷盐为磷酸二氢氨。
进一步地，所述步骤S2中调节pH为通过加入浓氨水调节；加热温度为100～180℃，加热时间为4～72小时；离心速度为2000～8000rpm/min，离心时间为10～20分钟。
进一步地，所述步骤S3中使用的掺锌纳米羟基磷灰石可通过调控原料比例获得不同锌离子掺杂浓度，从而制备出具有不同锌离子掺杂浓度的生物源性胶原膜；
所述新型含锌元素生物源性胶原膜的可独立或联合用作软硬组织修复材料使用。
本发明的原理说明：
经研究利用戊二醛与明胶粒子交联，剩余醛基被用来进一步与阿仑膦酸中的氨基结合，再通过阿仑膦酸与二价离子相结合。此种方法得到的阿仑膦酸功能化的明胶纳米颗粒，显著提高了其与磷酸钙的亲和性。我们在此方法基础上进一步改进，将含锌元素纳米羟基磷灰石交联在生物源性胶原膜上，既能够保存胶原膜的天然胶原纤维网络结构，且由于纳米羟基磷灰石螯合于生物源性胶原膜上，可维持其掺杂锌元素长期稳定释放。通过改变交联剂的交联密度、交联剂与阿仑膦酸盐的摩尔比、功能化反应的pH值以及纳米羟基磷灰石掺入锌元素浓度，可以调节生物源性胶原膜锌元素含量。
本发明的有益效果：
1、生物源性胶原膜容易获取，成本低，具有光滑面、粗糙面双层结构，且可保留和组织相似的天然孔隙支架结构(图1)，制备的生物源性胶原膜的DNA残留率低(表1)，具有良好的安全性及生物相容性；含锌元素纳米羟基磷灰石可通过水热合成法制备(图2、图3)，且可通过调控原材料比例控制锌元素掺入量(表2)；通过戊二醛和阿伦磷酸的序列处理可向生物源性胶原膜掺入掺锌纳米羟基磷灰石，制备出的含锌元素生物源性胶原生物膜，具有光滑面、粗糙面双层结构，且锌元素掺入不会改变胶原膜原有胶原纤维网络结构(图4、图5)。
2、体外降解实验显示含锌元素生物源性胶原生物膜可稳定释放锌元素(图6)，所述含锌元素生物源性胶原生物膜较加锌前及Bio-Gide生物膜降低了降解速率，具有更强的屏障功能和空间维持功能，且可通过调控锌元素掺入量调控其降解速率(图7)；使用选用浸提液法结合CCK-8细胞毒性检测法评价含锌元素生物源性胶原生物膜的体外生物相容性，结果显示无细胞毒性，具有良好的生物相容性(图8)；使用大鼠皮下模型评估含锌元素生物源性胶原生物膜局部组织相容性及对全身多脏器的影响，结果显示所述材料可与局部组织整合，无局部及全身毒性，生物相容性良好(图9、图10)。
附图说明
图1为本发明制备的生物源性胶原膜的扫描电镜图；
图2为本发明制备的含锌元素纳米羟基磷灰石与纳米羟基磷灰石的扫描电镜图；
图3为本发明制备的含锌元素纳米羟基磷灰石与纳米羟基磷灰石的X射线衍射图谱；
图4为本发明制备的含掺锌纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜、含纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜及生物源性胶原膜的扫描电镜图；
图5为本发明制备的含掺锌纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜、含纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜及生物源性胶原膜的EDS分析图；
图6为本发明制备的含锌元素生物源性胶原膜的体外锌离子释放情况；
图7为含锌元素生物源性胶原膜及生物源性胶原膜的体外降解对比图；
图8为本发明制备的含掺锌纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜、含纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜及生物源性胶原膜的细胞毒性测试结果；
图9为本发明制备的含掺锌纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜、含纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜及生物源性胶原膜的局部组织相容性评估；
图10为本发明制备的含掺锌纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜、含纳米羟基磷灰石生物源性胶原生物膜及生物源性胶原膜的全身毒性评估。
具体实施方式
如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：
实施例
一种含锌元素生物源性胶原膜材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备生物源性胶原膜
S1.1、原材料预处理
取动物膜组织包括心包膜、腹膜、肠系膜、筋膜及皮肤中的一种或多种；动物膜组织的来源包括猪、牛、羊中的一种或多种，采用流动纯水洗净血污，去除大块脂肪组织保留生物膜，保留的生物膜的厚度为0.5mm，将生物膜切割成约25mm×25mm大小，流动纯水洗净，待用；
S1.2、碱处理
将生物膜浸泡在4g/L的氢氧化钠溶液中，生物膜与试剂的体积比为1：5，置于4℃摇床20小时；流动纯水清洗，浸泡超纯水60分钟，重复5次；
S1.3、酸处理
将S1.2碱处理后的生物膜浸泡在体积百分比浓度为0.5％的盐酸溶液中，生物膜与盐酸溶液的体积比为1：5，置于4℃摇床12小时；流动纯水清洗，浸泡超纯水60分钟，重复冲洗步骤5次；
S1.4、中和处理及高渗处理
将S1.3酸处理后的生物膜浸泡在超纯水24小时后，浸泡在10g/L氯化钠溶液中，置于4℃摇床8小时；测量pH，缓慢添加20g/L碳酸氢钠溶液，调节pH至7.0，继续浸泡，置于4℃摇床8小时；
S1.5、脱水处理及脱脂处理
使用梯度浓度乙醇(50％、75％、80％、95％、100％)对S1.4处理后的生物膜进行脱水处理，每个浓度处理40分钟；
使用丙酮置换酒精，浸泡40分钟脱脂；随后用叔丁醇置换丙酮，浸泡40分钟，为进一步脱脂，之后浸泡正己烷40小时，置于摇床，常温避光；最后用75％乙醇洗净正己烷后，浸泡去离子水40分钟；
S1.6、真空冷冻干燥
将S1.5处理后的生物膜平铺于器皿中，于-80℃预冷16小时，置于真空冷冻干燥机内处理10小时，进行灭菌，得到生物源性胶原膜；
S2、制备含锌元素纳米羟基磷灰石
S2.1、反应为:(10-x)Ca2++xZn2++6PO4 3-+2OH-→Ca(10-x)Znx(PO4)6(OH)2(0≤x≤10)，锌含量用[Zn]/[Ca+Zn]×100(mol％)表示，依据[Ca+Zn]/[P]＝1.67可方便计算出锌含量分别为1％，2％，4％的各试剂添加比例；
S2.2、将可溶于水和乙醇的锌盐在去离子水中溶解，其浓度为2g/mL，滴入浓氨水调节pH为7，静置8分钟；将可溶于水和乙醇的钙盐在去离子水中溶解后，倒入S2.1的锌盐溶液中，加浓氨水调节pH为7；
S2.3、将可溶于水和乙醇的磷盐在去离子水中溶解，调节pH为7，随即滴加到S2.2的混合溶液中，磁力搅拌6小时均匀，得到悬浊液；
S2.4、将悬浊液倒入压力反应釜，静置，烘箱加热至180℃，加热时间为24小时；
S2.5、待反应釜冷却，倒掉上清液，将沉积液倒入离心管，8000rpm/min转速离心10分钟；
S2.6、去离子水重悬，超声分散，透析至pH＝7，得到含锌元素纳米羟基磷灰石，4℃保存；
S3、制备含锌元素生物源性胶原膜；
S3.1、将S1制备的生物源性胶原膜用去离子水润湿，裁剪成0.5*0.5cm2的大小后放入离心管中内，加入15mL体积百分比浓度为0.1％的戊二醛，在室温下旋转器以50rpm/min转速旋转24小时；
S3.2、取0.5g阿仑膦酸用30mL去离子水溶解，避光，80℃下水浴6小时；
S3.3、将S3.1处理后的生物源性胶原膜浸泡在溶解后的阿仑膦酸溶液中，避光，在室温下旋转器以50rpm/min转速旋转24小时；
S3.4、将S3.3处理后的生物源性胶原膜浸泡在甘氨酸溶液中，在室温下旋转器以36rpm/min转速旋转24小时；
S3.5、将S3.4处理后的生物源性胶原膜加入到浓度为2g/L的含锌元素纳米羟基磷灰石溶液中，在室温下旋转器以36rpm/min转速旋转24小时；
S3.6、将S3.5处理后的生物源性胶原膜平铺于器皿中，于-80℃预冷24小时后，置于真空冷冻干燥机内处理10小时，伽马射线灭菌后常温保存，得到含锌元素生物源性胶原膜材料。
分析测试：
一、对上述S1制备的生物源性胶原膜进行分析
1、参见图1的生物源性胶原膜的扫面电镜图，比例尺为100μm，其中A图为生物源性胶原膜的光滑面，呈鳞状结构，可见平行条状凸起。B图为生物源性胶原膜的粗糙面，呈多层网状结构，可见大量孔隙，未见细胞残留。可见，本发明制备的生物源性胶原生物膜，具有光滑面、粗糙面双层结构。
2、测定生物源性胶原膜的DNA残留量，测定结果参见下表1
表1
Figure BDA0002936026410000091
由表1可知生物源性胶原膜的DNA残留量仅为0.99±0.31ng/mg。
二、对上述S2制备的含锌元素纳米羟基磷灰石进行分析
1、扫描电镜下结构分析
如图2所示，其中A图的比例尺为1.00μm；B图的比例尺为400nm。纳米羟基磷灰石、含1％锌元素纳米羟基磷灰石(1％Zn-nHA)为长棒状结构；含2％锌元素纳米羟基磷灰石(2％Zn-nHA)为短棒结构；含4％锌元素纳米羟基磷灰石(4％Zn-nHA)为球棒混合结构。
2、晶体结构分析
以纳米羟基磷灰石及Zn的合成掺杂量为1％，2％和4％的纳米羟基磷灰石为样品，参见表2，通过ICP-OES结果显示，微量金属元素Zn成功掺入。可通过调整原料比例控制锌离子掺锌量。
图3为纳米羟基磷灰石及Zn的合成掺杂量为1％，2％和4％的纳米羟基磷灰石的XRD图谱，结果显示所述合成材料结晶度良好，具有类似纳米羟基磷灰石的衍射图谱，各组之间拟合度高，B图显示，随Zn浓度升高，峰向更高角度偏移，说明Zn掺杂到了HA的晶格之中，而不是吸附。由图3可知，含锌元素纳米羟基磷灰石与纳米羟基磷灰石晶体结构相似。
表2
Figure BDA0002936026410000101
Figure BDA0002936026410000111
三、对上述S3制备的含锌元素生物源性胶原膜进行分析
1、扫描电镜下结构分析及EDS分析
参见图4，A图为比例尺10.00μm，含锌元素生物源性胶原膜的光滑面；B图为比例尺10.00μm，含锌元素生物源性胶原膜的粗糙面；C图为比例尺2.00μm，含锌元素生物源性胶原膜的光滑面；D图为比例尺2.00μm，含锌元素生物源性胶原膜的粗糙面。参见图5，A图为含锌元素生物源性胶原膜的光滑面的EDS分析图；B图为含锌元素生物源性胶原膜的粗糙面的EDS分析图。由图5示，锌元素成功掺入生物源性胶原膜中。
以上结果可见含锌元素生物源性胶原膜，具有光滑面、粗糙面双层结构，Zn-nHA紧密覆盖在胶原纤维上，保留了胶原纤维的三维网状结构，但使得光滑的胶原纤维表面更加粗糙，直径也略有增大。
2、体外锌离子释放及降解率分析
参见图6，体外锌离子释放实验(每隔24小时收取样本)结果显示，含锌元素生物源性胶原膜可持续释放锌离子。参见图7，体外降解实验实验(33小时、72小时)结果显示，Bio-Gide生物膜和生物源性胶原膜(PPCM)在33小时均降解完全，含锌元素生物源性胶原膜较加锌前(PPCM)延缓了降解速度，在72小时仅降解40％-60％，具有更好的屏障和空间维持功能。调控锌元素掺入量可影响含锌元素生物源性胶原膜的体外降解速度。
3、体内外生物相容性评估
参见图8，使用选用浸提液法结合CCK-8细胞毒性检测法评价含锌元素生物源性胶原生物膜的体外生物相容性，结果显示无细胞毒性，具有良好的生物相容性；参见图9，使用大鼠皮下模型评估含锌元素生物源性胶原生物膜局部组织相容性，结果显示所述材料可作为支架与局部组织整合，并保持屏障功能，生物相容性良好。参见图10，使用大鼠皮下模型评估含锌元素生物源性胶原生物膜对全身多脏器的影响，结果显示合成材料无全身毒性，生物相容性良好。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型含锌元素生物源性胶原膜，其特征在于：包括生物源性胶原膜和掺锌纳米羟基磷灰石，以生物源性胶原膜为支架，通过戊二醛和阿伦磷酸处理结合掺锌纳米羟基磷灰石。
2.根据权利要求1所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜，其特征在于：所述生物源性胶原膜通过对哺乳动物膜组织进行处理获得，保留天然三维孔隙结构，具有光滑面和粗糙面两面。
3.根据权利要求1所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜，其特征在于：所述掺锌纳米羟基磷灰石通过水热法制备，可通过调控原料比例获得不同锌离子掺杂浓度的纳米羟基磷灰石。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1)制备生物源性胶原膜：取哺乳动物膜组织，流动纯水洗净血污，去除大块脂肪组织，进行碱处理、酸处理、中和处理及高渗处理、脱水处理及脱脂处理，置于真空冷冻干燥机内处理4～10小时，伽马射线灭菌，获得生物源性胶原膜；
S2)制备掺锌纳米羟基磷灰石：分别将一定量的锌盐和钙盐在去离子水中溶解后混合，将一定量的磷盐在去离子水中溶解后滴加到前述混合溶液中，搅拌均匀得到悬浊液，将悬浊液倒入压力反应釜并加热，反应完成后，将获得产物倒入离心管内，离心弃上清液，去离子水溶解沉淀，超声分散，透析至pH＝6.8～7.2，获得掺锌纳米羟基磷灰石；S3)制备含锌元素生物源性胶原膜：对步骤S1制备的生物源性胶原膜用0.1％～0.5％戊二醛溶液交联处理，6～48小时后取出，在避光条件下使用0.1％～5％阿仑膦酸溶液浸泡，6～48小时后取出，使用甘氨酸溶液漂洗3～5次，每次浸泡4～8小时；将步骤S2中制备的掺锌纳米羟基磷灰石溶解于去离子水中，使用0.5～5g/L掺锌纳米羟基磷灰石溶液处理甘氨酸漂洗后的生物膜12～24小时，冷冻干燥处理5～30小时，伽马射线灭菌处理，获得产品。
5.根据权利要求4所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的哺乳动物包括猪、牛、羊中的一种或多种，动物膜组织包括心包膜、腹膜、肾包膜、肠系膜、筋膜及皮肤中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中可溶于水的锌盐为六水合硝酸锌；所述可溶于水的钙盐为四水合硝酸钙；所述可溶于水的磷盐为磷酸二氢氨。
7.根据权利要求4所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中调节pH为通过加入浓氨水调节；加热温度为100～180℃，加热时间为4～72小时；离心速度为2000～8000rpm/min，离心时间为10～20分钟。
8.根据权利要求4所述的一种新型含锌元素生物源性胶原膜的制备方法，其特征在于：通过改变交联剂的交联密度、交联剂与阿仑膦酸盐的摩尔比、功能化反应的pH值以及纳米羟基磷灰石掺入锌元素浓度，可以调节生物源性胶原膜锌元素含量。
9.一种新型含锌元素生物源性胶原膜的使用方法，其特征在于，由权利要求1～3任意一项所述的材料可独立或联合用作软硬组织修复材料。
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