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仿生型人工骨膜及柔性電子器件制備及應(yīng)用研究
摘 要：針對傳統(tǒng)骨膜來源受限,、供區(qū)發(fā)病率的問題，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,。通過對仿生型骨膜和柔性電子器件性能進行研究,，結(jié)果表明：分別負載淫羊藿苷（ICA）和莫西沙星鹽酸鹽（MOX）,，標記為PGM-PI纖維具有較高的柔韌性和抑菌性,，能夠承受手術(shù)和組織生長過程中產(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，能提供較高的舒適度,。
關(guān)鍵詞：靜電紡絲;骨膜;藥物釋放;柔性電子學器件
骨骼是人體運動系統(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,，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研究,。對此,，國內(nèi)很對專家對仿生型人工骨膜進行了很多研究。如對人工骨膜材料的選擇進行研究,。結(jié)果表明：脫細胞支架類人工骨膜資料來源豐富,，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階段,，需要繼續(xù)進行研究[1];對仿生骨膜在宏觀和微觀水平上的性能研究現(xiàn)狀進行總結(jié),，列舉4種基于不同原理的仿生骨膜成型方法，并探討各類成型方法的主要缺陷[2],?；诖耍疚囊造o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,，并對其性能進行研究，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
試驗主要材料：聚己內(nèi)酯（PCL,，東莞市鼎譽新材料有限公司，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（濟南孟喬化工有限公司，AR）,、淫羊藿苷（ICA,，河北潤步生物科技有限公司，BR）,、莫西沙星鹽酸鹽（MOX,，上海一基實業(yè)有限公司，AR）,、乙醇（濟南涵百化工有限公司,，AR）、（AIBN,，濟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）,。
試驗主要設(shè)備：真空干燥箱、電子拉力試驗機,、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,，充分攪拌*溶解，然后加入20 μL的醋酸,，攪拌均勻;③負載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,。
對配制好的溶液進行組合靜電紡絲（紡絲參數(shù)見表1）,，得到靜電紡絲纖維膜;然后對靜電紡絲纖維膜進行標記。標記原則為：PCL纖維膜標記為PG-P;負載ICA的PCL的纖維膜標記為PG-PI;PCL/明膠/MOX纖維膜標記為PGM-P;PCL和PCL/明膠分別負載ICA和MOX標記為PGM-PI,。
1.2.2 柔性透氣電子學器件的制備
（1）引發(fā)劑的精致,。對50 g純乙醇進行加熱，待其溫度提升至75 ℃后在攪拌的條件下,，緩慢加入5 g的AIBN,，充分攪拌溶解，過濾,。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，摩爾分數(shù)分別為90%NIPAAm和10%HMAAm;用0.22 μm過濾器過濾,。在過濾后的溶液中加入100 μL的AIBN,，之后將體系置于N2、溫度65 ℃條件下進行反應(yīng),，時間為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,，對透析袋中液體進行冷凍干燥，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)量分數(shù)為0.1%的MOX,，充分攪拌使藥物*溶解,，溶解溫度和時間分別為10 ℃和12 h。在表1參數(shù)條件下進行靜電紡絲,，得到載藥型溫敏纖維,。將纖維放入真空干燥箱內(nèi)烘干，烘干溫度和時間分別為130 ℃和12 h,，得到交聯(lián)纖維膜（C-PNHM）;
（4）復合器件的制備,。
以絲網(wǎng)印刷的方法用導電銀膠繪制導電圖案，然后將帶圖案的SC-PNHM復合器件置于室溫環(huán)境下放置1 d,，讓導電銀膠固化*,。
1.3 靜電紡絲纖維膜性能表征
1.3.1 熱學和力學性能表征
熱學分析：以氮氣為保護氣體,，用差示掃描量熱儀和HS-TGA-101型熱失重掃描儀對靜電紡絲纖維膜熱學性能進行分析。DSC和TGA測試溫度分別為室溫～250 ℃,、室溫～800 ℃,，升溫速率為10 ℃/min[3]。
力學性能分析：用電子拉力試驗機夾具將制作好的樣品固定,，打開試驗機以5 mm/min的速率拉伸纖維膜,，得到該材料的拉伸強度和斷裂伸長率[4]。
1.3.2 藥物釋放與降解
用高效液相色譜儀對藥物釋放進行測試,。 檢測波長分別為269 mm和296 mm,。
藥物釋放表達式[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
纖維抗菌性能試驗菌種為和綠膿桿菌。在BHI中接種菌株,，置于37 ℃條件下培養(yǎng)1 d,，將細菌菌落懸浮在無菌BHI肉湯中，直至濁度為1.0 Mac Farland,。將100 μL細菌懸浮液均勻覆涂在瓊脂板上,，同時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,，觀察瓊脂板上細菌生長情況,。
1.4 柔性電子器件透氣性表征
采用水蒸氣透過試驗對柔性電子器件透氣性進行表征[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)過絲網(wǎng)印刷處理的PET（P-PET）,、PDMS（P-PDMS）、SC-PNHM復合器件密封瓶口,，對照組為自然開口狀態(tài)放置,，在25 ℃條件下讓水蒸汽自然通過，每天對瓶中水的質(zhì)量進行測定,。
2 結(jié)果與討論
2.1 納米纖維膜的熱學,、力學性能測試結(jié)果
圖1為靜電紡絲纖維膜的物理、熱學和力學性能測試結(jié)果,。其中,，圖1（a）為纖維膜熱學性能;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,，拉伸強度約為3～14.5 MPa,，比天然骨膜的力學強度更高。在進行測試的4種纖維膜中,，PGM-PI的拉伸強度和斷裂伸長率高,，可以承受手術(shù)和組織生長過程中產(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，探究兩種藥物的緩釋效果,，實現(xiàn)骨再生條件,。在術(shù)后7 d時間內(nèi)，患者抵抗力下降,，極易受到細菌感染,，因此在局部需要濃度較高的抗生素[10]。骨誘導因子需要在整個缺損修復過程中都發(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,，MOX釋放量大約為全部用量的50%;在接下來14 d內(nèi)，MOX表現(xiàn)為直線釋放;在14 d后,，MOX以較低的速率進行釋放;在約30 d時,，MOX釋放量達到75%。另外,，PGM-P與PGM-PI釋放曲線差異不大;同時,，1 d時，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行。這是因為突釋使得ICA分子中與聚合物基體產(chǎn)生較強的氫鍵,，對水分子向聚合物的擴散受阻,，延長藥物釋放時間至60 d以上，形成較為可控的釋緩機制。在30 d時,，PGM-PI和PG-PI中ICA釋放總量分別為25%和35%,，可與骨愈合周期進行匹配。藥物在靜電紡絲纖維上被釋放是藥物擴散和基質(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)果說明了這兩種藥物釋放與高發(fā)生率的感染和骨再生過程匹配,，可用于構(gòu)建抗感染,、誘導骨形成的人工骨膜。
2.3 體外抑菌性能
表2和綠膿桿菌在纖維膜周圍的抑菌圈直徑,。
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,，抑菌圈直徑變化皆不大,，這就說明負載有MOX的PGMP和PGMPI纖維膜對綠膿桿菌均表現(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試結(jié)果,。
由圖3可知，在7 d時間內(nèi),，SC-PNHM試驗組,，去離子水質(zhì)量直線減小，蒸汽揮發(fā)速率與開口狀態(tài)時去離子水質(zhì)量減小速率相當;PDMS試驗組,，在7 d后,，去離子水僅減少了10%;PET試驗組去離子水質(zhì)量則*沒有減少。這就說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,，具有較高的舒適度。
3 結(jié)語
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器件,。
（1）PGM-PI纖維膜拉伸強度和斷裂伸長率較高,，能夠承受手術(shù)和組織生長過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，滿足臨床使用要求;
（2）負載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程匹配,，對構(gòu)建抗感染、誘導骨形成的人工骨膜有重要的作用;
（3）負載有MOX的PGM-P和PGM-PI均出現(xiàn)了明顯抑菌圈,，證實這兩種纖維膜對和綠膿桿菌均表現(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率僅低于開口試驗組,，具有較高的透氣性，在貼合人體皮膚時,，具有較高的舒適度,。
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