仿生型人工骨膜及柔性電子器件制備及應(yīng)用研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)骨膜來(lái)源受限、供區(qū)發(fā)病率的問(wèn)題，提出用靜電紡絲技術(shù)制作具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜，在此基礎(chǔ)上制作了柔性電子器件。通過(guò)對(duì)仿生型骨膜和柔性電子器件性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：分別負(fù)載淫羊藿苷（ICA）和莫西沙星鹽酸鹽（MOX），標(biāo)記為PGM-PI纖維具有較高的柔韌性和抑菌性，能夠承受手術(shù)和組織生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力;藥物釋放規(guī)律與高發(fā)生率的感染和骨再生過(guò)程匹配，可以作為仿生型人工骨膜使用。柔性電子器件具有的較高的透氣性，用于臨床時(shí)，能提供較高的舒適度。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲;骨膜;藥物釋放;柔性電子學(xué)器件

骨骼是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中較為重要的組成部分，而骨膜是包裹在皮質(zhì)骨外面的一層膜，主要由纖維層和形成層構(gòu)成。在人體骨骼受到一些傷害時(shí)，骨膜在骨缺損的愈合和重建中都發(fā)生重要作用。目前，治療骨損傷常用的一種方法就是天然骨膜移植，但該方法存在自體供區(qū)有限、供體處發(fā)病率高和免疫排斥反應(yīng)問(wèn)題，使得骨膜移植存在很大的缺陷。因此，尋找一種仿生型人工骨膜是目前較為重要的一項(xiàng)研究。對(duì)此，國(guó)內(nèi)很對(duì)專(zhuān)家對(duì)仿生型人工骨膜進(jìn)行了很多研究。如對(duì)人工骨膜材料的選擇進(jìn)行研究。結(jié)果表明：脫細(xì)胞支架類(lèi)人工骨膜資料來(lái)源豐富，具有較低免疫反排斥發(fā)生率，但結(jié)構(gòu)和功能仿生研究還處于初級(jí)階段，需要繼續(xù)進(jìn)行研究[1];對(duì)仿生骨膜在宏觀和微觀水平上的性能研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，列舉4種基于不同原理的仿生骨膜成型方法，并探討各類(lèi)成型方法的主要缺陷[2]?；诖?，本文以靜電紡絲技術(shù)為基礎(chǔ)，制作了具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜，并對(duì)其性能進(jìn)行研究，為人工骨膜的發(fā)展提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)主要材料：聚己內(nèi)酯（PCL，東莞市鼎譽(yù)新材料有限公司，CP）、二甲基甲酰胺（DMF，上?；洑J化工有限公司，AR）、三氟乙醇（濟(jì)寧三石生物科技有限公司，AR）、明膠（江蘇久佳生物科技有限公司，B型）、醋酸（濟(jì)南孟喬化工有限公司，AR）、淫羊藿苷（ICA，河北潤(rùn)步生物科技有限公司，BR）、莫西沙星鹽酸鹽（MOX，上海一基實(shí)業(yè)有限公司，AR）、乙醇（濟(jì)南涵百化工有限公司，AR）、偶氮二異丁腈（AIBN，濟(jì)南榮正化工有限公司，AR）、六氟異丙醇（山東昌耀新材料有限公司，AR）。

試驗(yàn)主要設(shè)備：真空干燥箱、電子拉力試驗(yàn)機(jī)、熱失重分析儀（和晟儀器科技，HS-TGA-101）、差示掃描量熱儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 靜電紡絲膜的制備

（1）紡絲溶液的配制。① PCL溶液的配制：將一定量PCL溶于DMF中，配制成質(zhì)量濃度為9%的PCL溶液;② PCL/明膠溶液的配制：在三氟乙醇中按照6∶4的質(zhì)量比加入明膠和PCL，充分?jǐn)嚢柰耆芙?，然后加?0 μL的醋酸，攪拌均勻;③負(fù)載ICA的PCL溶液配制：將100 μL ICA溶液放入PCL溶液中，攪拌使其混合均勻，得到負(fù)載ICA的PCL溶液，其中ICA質(zhì)量占PCL質(zhì)量的0.05%;④ PCL/明膠/MOX溶液配制：將一定質(zhì)量的MOX放入PCL/明膠溶液中攪拌均勻，得到PCL/明膠/MOX溶液，其中MOX質(zhì)量占聚合物質(zhì)量的5%。

（2）紡絲纖維膜的制備。

對(duì)配制好的溶液進(jìn)行組合靜電紡絲（紡絲參數(shù)見(jiàn)表1），得到靜電紡絲纖維膜;然后對(duì)靜電紡絲纖維膜進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記原則為：PCL纖維膜標(biāo)記為PG-P;負(fù)載ICA的PCL的纖維膜標(biāo)記為PG-PI;PCL/明膠/MOX纖維膜標(biāo)記為PGM-P;PCL和PCL/明膠分別負(fù)載ICA和MOX標(biāo)記為PGM-PI。

1.2.2 柔性透氣電子學(xué)器件的制備

（1）引發(fā)劑的精致。對(duì)50 g純乙醇進(jìn)行加熱，待其溫度提升至75 ℃后在攪拌的條件下，緩慢加入5 g的AIBN，充分?jǐn)嚢枞芙猓^(guò)濾。將濾液放入燒杯后，用保鮮膜封住燒杯口，置于室溫條件下自然冷卻;然后放入4 ℃的冰箱中重結(jié)晶。過(guò)濾后將結(jié)晶產(chǎn)物放入DZF-6020C型真空干燥箱內(nèi)烘干，烘干溫度為45 ℃。將其放入錫箔紙包裹的棕色瓶中，避光保存;

（2）紡絲基體聚的合成。

在20 mL的DMF中溶入總量為50 mmol，摩爾分?jǐn)?shù)分別為90%NIPAAm和10%HMAAm;用0.22 μm過(guò)濾器過(guò)濾。在過(guò)濾后的溶液中加入100 μL的AIBN，之后將體系置于N2、溫度65 ℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，時(shí)間為10 h。將反應(yīng)產(chǎn)物置于透析袋，然后在去離子水中透析，7 d后，對(duì)透析袋中液體進(jìn)行冷凍干燥，得到PNH（異丙基丙烯酰胺-co-羥甲基丙烯酰胺）;

（3）載藥型溫敏纖維的制備。

在六氟異丙醇中溶入一定量的PNH，配制質(zhì)量濃度為15%的溶液。在配制好的溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MOX，充分?jǐn)嚢枋顾幬锿耆芙?，溶解溫度和時(shí)間分別為10 ℃和12 h。在表1參數(shù)條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到載藥型溫敏纖維。將纖維放入真空干燥箱內(nèi)烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為130 ℃和12 h，得到交聯(lián)纖維膜（C-PNHM）;

（4）復(fù)合器件的制備。

以絲網(wǎng)印刷的方法用導(dǎo)電銀膠繪制導(dǎo)電圖案，然后將帶圖案的SC-PNHM復(fù)合器件置于室溫環(huán)境下放置1 d，讓導(dǎo)電銀膠固化完全。

1.3 靜電紡絲纖維膜性能表征

1.3.1 熱學(xué)和力學(xué)性能表征

熱學(xué)分析：以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，用差示掃描量熱儀和HS-TGA-101型熱失重掃描儀對(duì)靜電紡絲纖維膜熱學(xué)性能進(jìn)行分析。DSC和TGA測(cè)試溫度分別為室溫～250 ℃、室溫～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min[3]。

力學(xué)性能分析：用電子拉力試驗(yàn)機(jī)夾具將制作好的樣品固定，打開(kāi)試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的速率拉伸纖維膜，得到該材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[4]。

1.3.2 藥物釋放與降解

用高效液相色譜儀對(duì)藥物釋放進(jìn)行測(cè)試。 檢測(cè)波長(zhǎng)分別為269 mm和296 mm。

藥物釋放表達(dá)式[5]：

累積藥物釋放=藥物累積釋放量（g）樣品中藥物理論總量（g）×100

1.3.3 抑菌性能表征

纖維抗菌性能試驗(yàn)菌種為金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌。在BHI中接種菌株，置于37 ℃條件下培養(yǎng)1 d，將細(xì)菌菌落懸浮在無(wú)菌BHI肉湯中，直至濁度為1.0 Mac Farland。將100 μL細(xì)菌懸浮液均勻覆涂在瓊脂板上，同時(shí)在瓊脂板上粘附尺寸大小相同的紡絲膜樣品[6]。將瓊脂放在37 ℃環(huán)境下培養(yǎng)12 h，觀察瓊脂板上細(xì)菌生長(zhǎng)情況。

1.4 柔性電子器件透氣性表征

采用水蒸氣透過(guò)試驗(yàn)對(duì)柔性電子器件透氣性進(jìn)行表征[8]。具體步驟：在裝有1.0 g去離子水的樣品瓶口涂抹一層真空油脂，將經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)印刷處理的PET（P-PET）、PDMS（P-PDMS）、SC-PNHM復(fù)合器件密封瓶口，對(duì)照組為自然開(kāi)口狀態(tài)放置，在25 ℃條件下讓水蒸汽自然通過(guò)，每天對(duì)瓶中水的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維膜的熱學(xué)、力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖1為靜電紡絲纖維膜的物理、熱學(xué)和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。其中，圖1（a）為纖維膜熱學(xué)性能;圖1（b）為纖維膜和藥物的衍射譜圖;圖1（c）為應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖1（a）可知，4條曲線均在60 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰，此為PCL熔融峰。載入MOX和ICA后，PCL熔點(diǎn)有所降低，考慮是PCL結(jié)晶區(qū)嵌有ICA分子引起的。由圖1（b）可知，在6°～8°和35°分別出現(xiàn)ICA和MOX的特征衍射峰，但沒(méi)有藥物結(jié)晶衍射峰出現(xiàn);此現(xiàn)象表明藥物在基體中分散的較為均勻，表現(xiàn)為分子級(jí)別分散[9]。由圖1（c）可知，4種纖維膜皆表現(xiàn)出較高的柔韌性，可拉伸，拉伸強(qiáng)度約為3～14.5 MPa，比天然骨膜的力學(xué)強(qiáng)度更高。在進(jìn)行測(cè)試的4種纖維膜中，PGM-PI的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率高，可以承受手術(shù)和組織生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，滿足臨床的使用要求。

2.2 藥物釋放

為保證靜電紡絲纖維膜具備感染發(fā)生與骨修復(fù)功能相匹配，因此分別在PCL纖維和PCL/明膠纖維中包封MOX和ICA，探究?jī)煞N藥物的緩釋效果，實(shí)現(xiàn)骨再生條件。在術(shù)后7 d時(shí)間內(nèi)，患者抵抗力下降，極易受到細(xì)菌感染，因此在局部需要濃度較高的抗生素[10]。骨誘導(dǎo)因子需要在整個(gè)缺損修復(fù)過(guò)程中都發(fā)揮作用，因此抗生素的釋放速度應(yīng)該高于成骨藥物釋放速度。圖2為MOX和ICA累積藥物釋放曲線。

由圖2可知，在1 d時(shí)，MOX釋放量大約為全部用量的50%;在接下來(lái)14 d內(nèi)，MOX表現(xiàn)為直線釋放;在14 d后，MOX以較低的速率進(jìn)行釋放;在約30 d時(shí)，MOX釋放量達(dá)到75%。另外，PGM-P與PGM-PI釋放曲線差異不大;同時(shí)，1 d時(shí)，在PGM-PI和PG-PI中，分別有25%和20%的ICA被釋放;突釋后，ICA的釋放則以更加緩慢的速度進(jìn)行。這是因?yàn)橥会屖沟肐CA分子中與聚合物基體產(chǎn)生較強(qiáng)的氫鍵，對(duì)水分子向聚合物的擴(kuò)散受阻，延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間至60 d以上，形成較為可控的釋緩機(jī)制。在30 d時(shí)，PGM-PI和PG-PI中ICA釋放總量分別為25%和35%，可與骨愈合周期進(jìn)行匹配。藥物在靜電紡絲纖維上被釋放是藥物擴(kuò)散和基質(zhì)降解的共同作用的結(jié)果，明膠比PCL降解速率更快。因此PCL/明膠纖維包裹的MOX比PCL纖維包裹的ICA釋放速度快。以上結(jié)果說(shuō)明了這兩種藥物釋放與高發(fā)生率的感染和骨再生過(guò)程匹配，可用于構(gòu)建抗感染、誘導(dǎo)骨形成的人工骨膜。

2.3 體外抑菌性能

表2金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌在纖維膜周?chē)囊志χ睆健?/p>

由表2可知，PGMP和PGMPI均在瓊脂板上出現(xiàn)了明顯抑菌圈。在3 d時(shí)，抑菌圈直徑變化皆不大，這就說(shuō)明負(fù)載有MOX的PGMP和PGMPI纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌均表現(xiàn)出良好的抗菌性能，具備抑菌型生物材料的潛力。

2.4 柔性電子器件的透氣性表征

圖3為柔性電子器件透氣性測(cè)試結(jié)果。

由圖3可知，在7 d時(shí)間內(nèi)，SC-PNHM試驗(yàn)組，去離子水質(zhì)量直線減小，蒸汽揮發(fā)速率與開(kāi)口狀態(tài)時(shí)去離子水質(zhì)量減小速率相當(dāng);PDMS試驗(yàn)組，在7 d后，去離子水僅減少了10%;PET試驗(yàn)組去離子水質(zhì)量則完全沒(méi)有減少。這就說(shuō)明本文制作的柔性電子器件透氣性較高，在貼合人體皮膚時(shí)，具有較高的舒適度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文用靜電紡絲技術(shù)制備了具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜，考察了將其作為人工骨膜的適用性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合絲網(wǎng)印刷制作了透氣型柔性電子學(xué)器件。

（1）PGM-PI纖維膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較高，能夠承受手術(shù)和組織生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，滿足臨床使用要求;

（2）負(fù)載ICA和MOX的纖維，藥物釋放規(guī)律與高發(fā)生率的感染和骨再生過(guò)程匹配，對(duì)構(gòu)建抗感染、誘導(dǎo)骨形成的人工骨膜有重要的作用;

（3）負(fù)載有MOX的PGM-P和PGM-PI均出現(xiàn)了明顯抑菌圈，證實(shí)這兩種纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌均表現(xiàn)出良好的抗菌特性，具備抑菌型生物材料的潛力;

（4）柔性電子器件蒸汽透過(guò)率僅低于開(kāi)口試驗(yàn)組，具有較高的透氣性，在貼合人體皮膚時(shí)，具有較高的舒適度。