CN113244438B - 一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,包括如下步骤:S1、取核层溶液、中间层溶液和壳层溶液;通过微流控3D打印组件进行打印,使所述内相通道通入核层溶液,中间相通道通入中间层溶液,外相通道通入壳层溶液;S2、控制各通道内流速并设置3D打印机参数,使内相通道流速为0~110mL/h,中间相通道流速为150~270mL/h,外相通道流速为30~110mL/h,利用3D打印机控制微流控芯片打印出三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料。通过本发明方案速度的控制可得到由具有多层的壳/核结构微纤维组装为三维结构,尺寸可调控且具有良好的溶胀率、吸水率等,在糖尿病足溃疡医护用品中具有良好的应用前景。

Description

一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域,具体涉及一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法。
背景技术
糖尿病是一种全世界范围内的慢性代谢性疾病,且伴随而来的是过早死亡、高发病率和医疗费负担。研究数据表明,较多糖尿病患者一生会发生足部创面感染而引发难愈性慢性溃疡,其中部分糖尿病足溃疡(DFU)患者因无法愈合而导致需要截肢,是非创伤性截肢的首要原因,严重影响人类身心健康和生活质量。近年来,为实现DFU创面愈合,临床治疗手段包括清创术、预防细菌感染法、负压引流法、高压氧疗法、物理治疗、输血疗法-血小板富集血浆、组织移植等,虽然该治疗技术在DFU愈合率、大范围截肢(膝关节上下肢体)发生率得到改善,但是仍然导致复发率高、愈合质量低和愈合时间长等DFU创面仍然难以愈合问题出现。长期以来,组织工程支架材料多维结构影响细胞行为规律一直是再生医学领域的重大基础科学问题,引起研究者们极大的关注。其中,有研究表明支架材料多维结构影响皮肤组织细胞行为规律,并且其对创伤类全层创面愈合是通过机体调节体内细胞及其分泌的生长因子协同作用完成的组织修复和再生过程,涉及血液凝固,局部炎症反应,皮肤组织细胞迁移、增殖、分化,新生毛细血管及肉芽组织等组织行为的起关键作用。
功能性敷料是指用以覆盖疮、伤口或其他损害的医用材料,包括天然纱布、合成纤维类敷料、多聚膜类敷料、发泡多聚类敷料、水胶体类敷料、藻酸盐敷料等。其中,藻酸盐医用敷料由于具有较高的吸湿性和成胶性,使得其在糖尿病足溃疡治疗中具有较高的应用价值。
传统的医用敷料通常是单层或多层材料粘接而层,材料层之间容易脱落,结构稳定性差,使用效果不佳。三维医用敷料可以实现药物在三维空间、复杂维度内控制释放效率的效果,具有广阔的应用前景。然而,现有技术中的三维医用敷料制备工艺较为复杂,需大量后处理,生产效率低。
本背景技术中所陈述内容并不代表承认其属于已公开的现有技术。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,该制备方法工艺简单,无需对敷料进行后续处理。
根据本发明的一个方面,提出了一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,包括如下步骤:
S1、取核层溶液、中间层溶液和壳层溶液,备用,其中,所述核层溶液为含有第一高分子聚合物和糖尿病足溃疡用药物的混合溶液,所述中间层溶液为含有藻酸盐的溶液,所述壳层溶液为含有第二高分子聚合物的溶液;
通过微流控3D打印组件进行打印,所述微流控3D打印组件包括3D打印机和与所述3D打印机相连的微流控芯片;所述3D打印机包括移动轴和安装于所述移动轴上的三通道同轴喷头,所述三通道同轴喷头包括内相通道、中间相通道和外相通道,使所述内相通道通入核层溶液,中间相通道通入中间层溶液,外相通道通入壳层溶液;
S2、控制各通道流速并设置3D打印机参数,使内相通道流速为0~110mL/h,中间相通道流速为150~270mL/h,外相通道流速为30~110mL/h,利用3D打印机控制微流控芯片打印出三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料。
根据本发明的一种优选的实施方式,至少具有以下有益效果:本发明方案通过微流控3D打印技术(微流控纺丝技术与3D打印技术相结合)一步法制备得到三维糖尿病医用敷料,该方法工艺简单,无需对敷料的后续处理,生产效率高、成本低、产物稳定、精度高、实验可重复性强。通过本发明方案速度的控制可得到由具有多层的壳/核结构微纤维组装的三维结构,该多层壳/核结构微纤维尺寸可调控,药物灌注核中,从而使构建的三维糖尿病足溃疡医用敷料可以实现药物在三维空间、复杂维度内控制释放效率的效果,可用于糖尿病足溃疡创面等生物医用领域,可以提高药物的有效利用,减少敷料更换次数,从而有效提高糖尿病足溃疡创面愈合效率并减少病人痛苦。本发明方案制得的三维糖尿病足溃疡医用敷料结构均匀且稳定,形貌、尺寸可控。
在本发明的一些实施方式中,所述第一高分子聚合物选自聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯、聚己内酯中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中,所述糖尿病足溃疡用药物包括非甾体类镇痛药和基质金属蛋白酶(MMPs)抑制剂;优选地,所述非甾体类镇痛药选自吲哚美辛、阿西美辛、硫茚酸、托美丁和苄达明中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中,所述第二高分子聚合物为带正电荷的聚合物;优选为壳聚糖(CS)。
在本发明的一些实施方式中,所述中间层溶液和壳层溶液均为水溶液。
在本发明的一些优选实施方式中,所述步骤S2中,控制内相通道流速为30~110mL/h。
在本发明的一些更优选实施方式中,所述步骤S2中,控制外相通道流速为70~100mL/h;进一步优选为90mL/h。
在本发明的一些实施方式中,所述步骤S2中,所述3D打印机通过软件“Repetier-Host”编程控制微流控芯片。
在本发明的一些实施方式中,所述三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料呈任意形状、尺寸和结构排布。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料呈正方形。
在本发明的一些实施方式中,所述步骤S2中,所述打印时间为1~5min。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述步骤S2中,所述打印时间约为2min。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明,其中:
图1为本发明实施例使用的三通道同轴喷头,a图为整体示意图,a1为局部放大侧视图,a2为局部放大正面视图;
图2为本发明的三维糖尿病功能性医用敷料的微流控3D打印流速示意图;
图3为本发明实施例的三层壳/核微米纤维壳聚糖制备过程示意图(a)及制得的敷料的形貌荧光图(b);
图4为不同流速下制得医用敷料的图3(b)中方框内部分的立体示意图及其剖面图;
图5为本发明实施例中外相流速为30ml/h与110ml/h时制得的三层壳/核微米纤维壳聚糖的F-SEM图及其框选部分的局部放大图;
图6为本发明实施例中外相流速为30ml/h与110ml/h时制得的三层壳/核微米纤维壳聚糖的3D拉曼图;
图7为本发明实施例中外相流速为30ml/h(a)与110ml/h(b)时制得的三层壳/核微米纤维壳聚糖的拉曼位移-强度关系曲线图;
图8为本发明实施例制得的敷料抗菌的作用机理示意图;
图9为本发明实施例制得的敷料的抑菌圈测试结果图;
图10为本发明实施例制得的敷料的抑菌率测试结果图;
图11为本发明实施例制得的敷料的物理性能测试结果图;其中,a为溶胀率、b吸为水性能、c为保水性能、d为降解性能的测试结果图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述,以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然,所描述的实施例只是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例,基于本发明的实施例,本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例,均属于本发明保护的范围。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明,均为常规方法;所使用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到的试剂和材料。
在本发明的描述中,若干的含义是一个以上,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例
本实施例制备了一种三维糖尿病足溃疡医用敷料,具体过程包括:
(一)水溶液的制备
(1)制备海藻酸钠水溶液(NaA)、聚乙烯醇水溶液(PVA)和壳聚糖水溶液(CS):将海藻酸钠粉末和去离子水混合,制备成一定浓度的(优选为2wt%左右,本实施例为2wt%)海藻酸钠水溶液;将聚乙烯醇粉末(上海泰坦科技股份有限公司,型号:9002-89-5)和去离子水混合,制备成一定浓度的(优选为1wt%左右,本实施例为1wt%)聚乙烯醇水溶液;将壳聚糖粉末和1%(v/v)醋酸混合,制备成一定浓度的(优选为1wt%左右,本实施例为1wt%)壳聚糖水溶液;
(2)制备吲哚美辛,MMPs抑制剂的药物混合水溶液:将吲哚美辛粉末(Adamas,CAS号:53-86-1)用乙醇溶解,制备成饱和吲哚美辛乙醇溶液;再将MMPs抑制剂水溶液(市购所得,碧云天,SF4180-10mM)与吲哚美辛乙醇溶液按体积比1:1混合,制备成药物混合水溶液。
(4)制备聚乙烯醇(PVA)与吲哚美辛,MMPs抑制剂的混合水溶液:在锥形瓶中加入20mL的明胶水溶液和10mL吲哚美辛,MMPs抑制剂药物混合水溶液,按照体积比为2:1混合,加入搅拌子,将锥形瓶用封口膜包好后置于搅拌台上,以1200转/分钟的转速,在常温(25摄氏度)的条件下搅拌1小时,使之充分混合。
(二)三维壳/核微米纤维糖尿病足溃疡医用敷料的制备:
组装微流控3D打印组件。微流控组件包括注射器、聚乙烯塑料管和三通道同轴喷头。三通道同轴喷头规格为14G/18G/25G(如图1所示)。在三通道同轴喷头内、中间和外相通道入口端分别连接聚乙烯塑料管端,聚乙烯塑料管端分别与三个注射器的针头连接。3D打印组件包括3D模型形状程序和3D打印机。3D模型形状程序使用软件“Repetier-Host”编程。3D打印机规格使用“开源式”系统的3D打印机。
将生物墨水装入注射器,三通道同轴喷头内相注入聚乙烯醇(PVA)与吲哚美辛,MMPs抑制剂的混合水溶液,中间相注入海藻酸钠(NaA),外相注入壳聚糖水溶液(CS)。如图2蓝色区域所示(图中,黑色区域:不能纺丝不能打印,浅蓝色:只能纺丝不能3D打印;蓝色:能纺丝能打印,粉色和绿色:3D打印的样品不成型),优选控制三通道同轴喷头内相蠕动泵速度为0-110mL/h,中间相蠕动泵速度为150-270mL/h,外相蠕动泵速度为30-110mL/h)。根据需要控制各通道流速并设置3D打印机参数,3D模型程序设定形状如网格正方体等,打印时间为2分钟左右。
将微流控同轴喷头固定在3D打印机移动轴上,调节高度至与3D打印机平台有约1mm的距离。先开启蠕动泵,使预混合溶液在聚乙烯塑料管中形成稳定的流体,再开启3D打印机,由于正电荷壳聚糖水溶液(CS)与负电荷海藻酸钠(NaA)水溶液或海藻酸钠(NaA)与聚乙烯醇(PVA)与吲哚美辛,MMPs抑制剂的混合水溶液的混合水溶液不互溶,互络合,并且随着外相壳聚糖水溶液(CS)的流速增大,壳的厚度随着增大。制备过程的示意图如图3(a)所示,控制三通道同轴喷头内相蠕动泵速度为50mL/h,中间相蠕动泵速度为200mL/h,外相蠕动泵速度在30-110mL/h之间,制得功能性医用敷料(简称CS/NaA/PVA或PVA/NaA/CS)。
取制得的功能性医用敷料进行形貌荧光、场发射扫描电镜及拉曼测试。其中,部分形貌荧光表征结果如图3(b)所示。不同外相流速取值制得的功能性医用敷料的放大图如图4所示,从图4中可以看出,随着外相流速的变化三层壳/核微米纤维壳聚糖的外层厚度逐渐增加且在70~90ml/h时整体均一性最佳。
外相流速为30ml/h与110ml/h时制得的三层壳/核微米纤维壳聚糖的形貌场扫描电镜(F-SEM)和3D拉曼图分别如图5和6所示。外相流速为30ml/h与110ml/h时制得的三层壳/核微米纤维壳聚糖的拉曼位移-强度关系曲线图如图7(a)和(b)所示。
通过本发明方案可以实现一步法制备得到三维壳/核微米纤维糖尿病足溃疡医用敷料。制备过程如其中,微流控同轴喷头中的通道可以选取不同的数量,从而获得三层的壳/核微米纤维(三维糖尿病足溃疡医用敷料的构成单位)。通过改变3D打印机的模型形状预设程序编程和打印速度可以实现任意形状、尺寸和结构排布的三维糖尿病足溃疡医用敷料的制备。
试验例
本试验例测试了实施例制备的医用敷料(内相60ml/h,中间相170ml/h,外相110ml/h)的抗菌和物理性能。
(1)抗菌性能:
DFU创面伤口的愈合部分可能会被阻碍在伤口愈合的不同阶段,特别是炎症阶段,伤口容易受细菌的感染,并阻碍伤口愈合过程,甚至造成伤口的并发症。为将CS/NaA/PVA三维敷料作为糖尿病足溃疡创面伤口的使用,对本发明实施例制得的CS/NaA/PVA三维敷料的抗菌性能进行测试。
以大肠杆菌(Escherichia coli)和金色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)为测试对象。CS/NaA/Gel和CS/NaA/Gel三维敷料抗菌性能测试依据扩散法,两种常见的革兰氏阳性金色葡萄球菌(S.aureus)和革兰氏阴性大肠杆菌(E.Coli)的抑菌圈鉴定。实验过程如下:菌株菌落用接种环刮擦,并通过涡旋转移到生理盐水中以分散细菌以确保最终密度为106CFUml-1的细菌悬浮液。将0.3mL细菌悬浮液涂覆在琼脂平皿,将直径为2cm的CS/NaA/Gel和CS/NaA/Gel三维医用敷料放入琼脂平皿中以在37℃下培养箱培养24h。测量三维医用对金色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径。为了使活微生物(细菌)可荧光视化,通过活死试验用两种染色剂二醋酸酯荧光素(FDA)和碘化丙啶(PI)对细菌进行荧光成像。实验过程如下:通过涡旋转移到生理盐水中以分散细菌以确保最终密度为106CFUml-1的细菌悬浮液。将直径为2cm的三维医用敷料放入在含有3mL细菌悬浮液离心管中,37℃下培养箱培养24h。24h后,另取0.3mL PI染液与0.7ml上述细菌悬浮液37℃进行单染15min;0.1mL FDA染液与0.9ml上述细菌悬浮液37℃进行单染30min。其中FDA染染活细菌,PI染死细菌。FDA染液:称取0.05g FDA,溶于1mL的丙酮中,加入9mL无菌水,配制成浓度为100μg·mL-1的FDA母液,置于棕色瓶-20℃保存,使用前配置所需浓度。另外,染液的配置如下,PI染液:称取0.01g PI,加入10mL 0.01mol·L-1的PBS(pH 7.4)缓冲液,配制成浓度为3μg·mL-1的母液,置于棕色瓶4℃避光保存,使用前配置所需浓度。
作用机理如图8所示,结果如图9-10所示。从图9中可以看出,在琼脂培养平皿上培养大肠杆菌24h后,CS/NaA/PVA三维敷料对大肠杆菌都呈现明显的近正方形抑菌圈,CS/NaA/PVA三维敷料的平均抑菌圈直径为45.1mm范围,对金色葡萄球菌呈现出与大肠杆菌相似的抑菌作用,CS/NaA/PVA三维敷料的平均抑菌圈直径为44.8mm。从活/死细菌染色中发现(参见图10),空白对照组中活的细菌仍然保持原来的外观。然而,病原微生物(细菌)与CS/NaA/PVA三维敷料接触后,失去了原来的结构,说明CS/NaA/PVA三维敷料可以破坏细菌膜,导致里面的核酸流出并积累。统计表明,CS/NaA/PVA三维敷料对大肠杆菌和金色葡萄球菌的杀菌率分别高达99%和98%以上。上述结果表明CS/NaA/PVA三维敷料对大肠杆菌和金色葡萄球菌都展现出显著的抗菌功效,CS/NaA/PVA三维敷料的抗菌性优异归因于壳层(壳聚糖CS)的厚度与密度。
(2)物理性能:溶胀率,吸水能力,保水能力,降解性能
理想的糖尿病足溃疡医用敷料不仅在湿润环境下保持良好的结构稳定性,而且还需要具有吸收大量伤口渗出液的能力与缓释的能力。通常这是由敷料的溶胀与降解特性决定的,对敷料的溶胀率、吸水性能、保水性能、降解性能进行测试,结果如图11(a至d)所示。结果表明,CS/NaA/PVA三维敷料具有的良好溶胀率(可达2482%),这是因为内层为PVA,从而增加其溶胀率。如图11中b至c所示,CS/NaA/PVA三维敷料具有良好的吸水能力和保水能力(最高2267%;1184%),CS/NaA/PVA三维敷料在第19h吸水饱和,这归因于CS/NaA/PVA三维敷料的壳/核纤维的壳层(壳聚糖CS)的厚度与密度大。正由于CS/NaA/PVA三维敷料具有良好厚度与密度的壳层(壳聚糖CS),使得CS/NaA/PVA三维敷料经过离心仍可以保持其自身的重量约11.63倍水。除此之外,壳层(壳聚糖CS)厚度与密度具有缓和降解的能力。为了验证CS/NaA/PVA三维敷料是否具有优异的缓释功能,并将其进行体外降解性能评价,如图11中d所示,CS/NaA/PVA三维敷料在前84h快速降解(82.00%),在第6d降解至96.76%,从敷料应用性能结果表明,壳层(壳聚糖CS)厚度与密度起着重大作用。由此表明,本发明方案制得的三维壳/核纤维敷料具有优异的敷料应用性能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明,但是本发明不限于上述实施例,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外,在不冲突的情况下,本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (11)

1.一种三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、取核层溶液、中间层溶液和壳层溶液,备用,其中,所述核层溶液为含有第一高分子聚合物和糖尿病足溃疡用药物的混合溶液,所述中间层溶液为含有藻酸盐的溶液,所述壳层溶液为含有第二高分子聚合物的溶液;
通过微流控3D打印组件进行打印,所述微流控3D打印组件包括3D打印机和与所述3D打印机相连的微流控芯片;所述3D打印机包括移动轴和安装于所述移动轴上的三通道同轴喷头,所述三通道同轴喷头包括内相通道、中间相通道和外相通道,使所述内相通道通入核层溶液,中间相通道通入中间层溶液,外相通道通入壳层溶液;
S2、控制各通道流速并设置3D打印机参数,使内相通道流速为30~110mL/h,中间相通道流速为150~270mL/h,外相通道流速为30~110mL/h,利用3D打印机控制微流控芯片打印出三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料。
2.根据权利要求1所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述第一高分子聚合物选自聚乙烯醇、聚氨酯、聚己内酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述糖尿病足溃疡用药物包括非甾体类镇痛药和基质金属蛋白酶抑制剂。
4.根据权利要求3所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述非甾体类镇痛药选自吲哚美辛、阿西美辛、硫茚酸、托美丁和苄达明中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述第二高分子聚合物为带正电荷的聚合物。
6.根据权利要求5所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述第二高分子聚合物为壳聚糖。
7.根据权利要求1所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述中间层溶液和壳层溶液均为水溶液。
8.根据权利要求1所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中,控制外相通道流速为70~100mL/h。
9.根据权利要求8所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中,控制外相通道流速为90mL/h。
10.根据权利要求1至9任一项所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中,所述3D打印机通过软件“Repetier-Host”编程控制微流控芯片。
11.根据权利要求1至9任一项所述的三维糖尿病足溃疡功能性医用敷料的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中,所述打印时间为1~5min。
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