阅读说明：本技术 一种骨修复用Janus膜及其制备方法 (Janus membrane for bone repair and preparation method thereof ) 是由 刘来俊 王富军 李超婧 王璐 张宇 周俊泽 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种骨修复用Janus膜,其特征在于,是由无机层和有机层复合形成Janus膜,所述的无机层为具有骨诱导性能的纤维基无机材料打碎后重组的大孔膜,所述的有机层为可降解聚合物形成的浇铸膜；所述的无机层与骨缺损部位接触,所述的有机层与软组织接触。本发明的骨修复用Janus膜在阻止软组织侵入的同时具备骨类细胞及新血管长入的大孔结构,同时,无机层在植入期间始终具备募集骨类细胞的功能,同时降解释放出足够的钙磷成分,能够有效的参与并加速骨组织的再生。(The invention discloses a Janus membrane for bone repair, which is characterized in that the Janus membrane is formed by compounding an inorganic layer and an organic layer, wherein the inorganic layer is a macroporous membrane which is formed by crushing and recombining fiber-based inorganic materials with osteoinductive performance, and the organic layer is a casting membrane formed by degradable polymers; the inorganic layer is in contact with the bone defect part, and the organic layer is in contact with the soft tissue. The Janus membrane for bone repair provided by the invention has a macroporous structure for bone cells and new blood vessels to grow into while preventing soft tissues from invading, and meanwhile, the inorganic layer has a function of recruiting bone cells all the time during implantation, and is degraded to release enough calcium and phosphorus components, so that the Janus membrane can effectively participate in and accelerate the regeneration of bone tissues.)

一种骨修复用Janus膜及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种骨修复用Janus膜及其制备方法。

背景技术

随着社会工业化程度的提高，因创伤、肿瘤及先天性疾病引起的临界尺寸的骨缺损的病例日趋增多。据估计，中国每年有300万人被诊断出患有骨病变。研究表明骨缺损形成后，修复机制就会启动，组织细胞开始向缺损处迁移，不同的组织细胞移动的速度不同，其中来自周围软组织的成纤维细胞要比骨类细胞向缺损处迁移的快，如果不干预，骨缺损区就会被成纤维细胞占据并形成纤维囊，进而阻止血管和骨类细胞向内生长并最终导致骨不连。

引导骨再生(Guided Bone Regeneration，GBR)技术的发展为解决上述问题带来了希望，其基本原理就是根据各类组织细胞迁移速度不同的特点，制造出骨组织优势生长的环境，即利用修复膜在软组织和骨缺损之间建立生物屏障，制造一个相对封闭的组织环境，阻止干扰骨形成且迁移速度较快的纤维***细胞和上皮细胞进入缺损区，允许有潜在生长能力、迁移速度较慢的骨类细胞优先进入骨缺损区，优势生长，同时保护血凝块，减缓覆盖组织的压力，实现缺损区骨组织修复再生。因此，GBR中使用的修复膜除了必须具有良好的生物相容性及机械性能外，还应具有优异的骨诱导性以加速骨组织再生，适合的孔径及孔隙率在屏蔽软组织的同时能够维持缺损处内外环境的交换，避免新生组织的坏死，达到对缺损处骨组织再生和重塑的目的。现有研究中，①公开号为CN104474589A的专利介绍了一种引导组织再生膜及其制备方法与应用。采用静电纺丝工艺，制备了双层膜结构，包括降解时间较长的生物纤维制得的致密层及另一层为由降解时间不同的生物纤维混合制得的潜在疏松层，潜在疏松层植入体内后，部分生物纤维快速降解，使该膜的孔径增大，利于细胞的长入。②公开号为CN106975106A的专利介绍了一种双层骨修复膜材料及其制备方法。采用静电纺丝工艺，制备具有不同功能性的双层膜结构，包括添加抗菌药物的外层和添加促成骨物质的内层。该专利所述的双层骨修复膜能够促进骨缺损的修复和抑制骨缺损发生后易出现的细菌性感染及炎症。③公开号为CN107224619A的专利介绍了同轴静电纺ICA-SF/PLGL纳米纤维膜的方法及作为GBR膜的应用。采用同轴静电纺工艺，制备了核壳不同组份的纳米纤维膜，包括以SF和PLGL为壳层组份及ICA为核层组份，利用核层ICA的释放促进骨组织再生。

上述的专利虽然利用引入促骨再生成分来加速骨缺损组织的再生，但因活性剂在静电纺丝过程中会被聚合物包覆，在植入前期促骨再生性能不足。专利②还因孔径较小(2-6μm)，虽能够有效的阻止软组织向骨缺损部位的侵入，但不利于骨类细胞及新血管的长入(一般需几十至几百微米)，专利③为一层膜结构，无法同时具备屏蔽软组织和利于骨类细胞及新血管长入的双重功能。另外，上述三个专利所述的修复膜均为单纯的静电纺膜，机械性能不足，只能应用于非承重部位软组织的再生及一些小尺寸的骨缺损治疗中。因此，进一步优化设计GBR修复膜的结构和性能具有重要意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：提供一种骨修复用Janus膜及其制备方法，该Janus膜在膜厚度方向存在不对称结构，同时具备阻止软组织侵入的屏障功能及促进骨组织再生的诱导功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种骨修复用Janus膜，其特征在于，是由无机层和有机层复合形成Janus膜，所述的无机层为具有骨诱导性能的纤维基无机材料打碎后重组的大孔膜，所述的有机层为可降解聚合物形成的浇铸膜；所述的无机层与骨缺损部位接触，所述的有机层与软组织接触。

优选地，所述的无机层的平均孔径为50～400μm，孔隙率85～95％，厚度为100～200μm。

优选地，所述的有机层的平均孔径为1～10μm，孔隙率50～80％，厚度为60～150μm。

优选地，所述的具有骨诱导性能的纤维基无机材料为羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃或二氧化硅中的一种或多种。

优选地，所述可降解聚合物为天然可降解聚合物和/或合成可降解聚合物。

更优选地，所述天然可降解聚合物为胶原、壳聚糖、明胶、丝素蛋白和透明质酸中的任意一种或多种；所述合成可降解聚合物为PCL、PLA、PLLA、PGA、PLGA、PGS、PHB及其不同分子量的聚合物中的任意一种或多种。

本发明还提供了上述骨修复用Janus膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：无机层的制备：

将静电纺丝法或水热合成法制备的无机纤维进行粉碎处理，制得可穿过孔径为1mm网筛的无机纤维块；将粉碎后的无机纤维块分散在去离子水中，并逐滴加入明胶水溶液制得无机纤维悬浮液；将悬浮液倒入模具中，悬浮液厚度为100～200μm，然后置入-20℃的冰箱中冻结，最后将其转入冷冻干燥机中干燥，得到Janus膜的无机层；

步骤2：有机层的制备及与无机层的复合：

将可降解聚合物溶于溶剂中，磁力搅拌1～12h，得到质量分数为50～80％(w/v)澄清透明的聚合物溶液；将制孔剂加入聚合物溶液中，超声分散3～6h，制得含制孔剂的均质浇铸液；将制备好的浇铸液均匀的浇铸在步骤1制得的无机层上，浇筑厚度为60～150μm，然后放入通风橱中直至有机层固化，得到结构不对称的双层膜，后将其浸泡在去离子水中，每隔6h进行一次换水，直到将制孔剂完全浸出；将双层复合膜置于真空干燥箱中干燥，然后进行环氧乙烷处理，最终得到骨修复用Janus膜。

优选地，所述步骤1中的无机纤维为羟基磷灰石纤维、磷酸三钙纤维、生物活性玻璃纤维和二氧化硅纤维中的任意一种或多种，纤维直径为0.05～2μm。

优选地，所述步骤1中的粉碎是将无机纤维置于液氮(-196℃)中冷冻后采用手动或自动的切割或研磨技术中的一种或多种方式联合进行。

优选地，所述步骤1中的悬浮液中明胶浓度为0.01～0.1g/mL，悬浮液中无机纤维块与明胶的质量体积比为(10～30):1(g/mL)。

优选地，所述步骤2中的溶剂为去离子水、无水乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、六氟异丙醇、甲醇、甲酸、乙酸、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺和丙酮中任意一种或多种。

优选地，所述步骤2中制孔剂为氯化钠或氯化锂，粒径为0.5～10um，且制孔剂与可降解聚合物的质量比为(5～10):1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所制备的骨修复用Janus膜在阻止软组织侵入的同时具备骨类细胞及新血管长入的大孔结构。

(2)本发明所制备的骨修复用Janus膜的无机层在植入期间始终具备募集骨类细胞的功能，同时降解释放出足够的钙磷成分，能够有效参与并加速骨组织的再生。

(3)本发明所制备的骨修复用Janus膜的有机层具备阻止软组织侵入及维持缺损部位内外环境交换的双重功能，同时与无机层复合，能够有效增强膜整体的力学性能。

附图说明

图1为本发明的骨修复用Janus膜的结构示意图；其中1为无机层，2为有机层；

图2为本发明实例3的Janus膜中无机层的SEM照片；

图3为本发明实例3的Janus膜中有机层的SEM照片；

图4为本发明实例3的Janus膜截面的SEM照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明各实施例中采用PMI型孔径测试仪(CFP-1100-AI)来测试无机层、与有机层的孔径分布及孔隙率。

本发明各实施例采用的试剂及细胞如下：PLLA(Sigma-Aldrich 764698)；明胶(国药集团化学试剂有限公司10010326)；PCL(国药集团化学试剂有限公司440744)；氯化钠(国药集团化学试剂有限公司10019308)；氯化锂(国药集团化学试剂有限公司20022960)；壳聚糖(国药集团化学试剂有限公司69047436)；二氯甲烷(国药集团化学试剂有限公司80047318)；三氯甲烷(国药集团化学试剂有限公司10006818)；乙酸(国药集团化学试剂有限公司L01099402)；大鼠骨髓间充质干细胞(中国科学院干细胞库SCSP-402)；CCK-8试剂盒(百灵威科技有限公司C2581)；DAPI(Sigma-Aldrich 32670-5MG-F)。

本发明各实施例中纤维基无机材料的制备方法包括静电纺丝法(引用文献[1]和[2])和水热合成法(引用文献[3])。

引用文献：

[1]Mouthuy P A,Crossley A,Ye H.Fabrication of calcium phosphatefibres through electrospinning and sintering of hydroxyapatite nanoparticles[J].Materials Letters,2013,106:145-150.

[2]Zhang S,Zhang X,Cai Q,et al.Microfibrousβ-TCP/collagen scaffoldsmimic woven bone in structure and composition[J].Biomedical Materials,2010,5(6):065005.

[3]HAN J,MA B,LIU H,et al.Hydroxyapatite nanowires modifiedpolylactic acid membrane plays barrier/osteoinduction dual roles and promotesbone regeneration in a rat mandible defect model[J].J Biomed Mater Res A,2018,106(12):3099-3110.

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种骨修复用Janus膜，是由无机层1和有机层2复合形成Janus膜，所述的无机层1为具有骨诱导性能的纤维基无机材料打碎后重组的大孔膜，所述的有机层2为可降解聚合物形成的浇铸膜；所述的无机层1与骨缺损部位接触，所述的有机层2与软组织接触。

植入后，与骨缺损部位接触的无机层1在植入期间始终具备募集骨类细胞的功能，同时降解释放出足够的钙磷成分，能够参与并加速骨组织的再生；与软组织接触的有机层2，孔径较小，在维持营养物质传输的同时阻止软组织的渗入，并对整个骨修复膜的力学性能起到增强作用。

上述骨修复用Janus膜的制备步骤具体如下：

步骤1：无机层1的制备：

步骤a)将静电纺丝法(制备方法参考引用文献[1])制备的直径为0.57±0.07μm羟基磷灰石纳米纤维置于液氮(-196℃，纯度≥99.999％)中冷冻后采用手动切割结合研磨技术进行粉碎，制成可穿过孔径为1mm网筛的无机纤维块；

步骤b)将粉碎后的羟基磷灰石纳米纤维块分散在去离子水中，并将浓度为0.05g/mL的明胶(粘度≥15mm²/s)水溶液逐滴加入制得无机纤维与明胶的比例为10:1(g/mL)悬浮液；

步骤c)将上述悬浮液倒入培养皿中并置入-20℃的冰箱中冻结，后将其转入冷冻干燥机中干燥12h，得到Janus膜的无机层1，其中孔隙率为87.4％，平均孔径为265μm及厚度为117.4μm。

步骤2：有机层2的制备及与无机层1的复合：

步骤a)将0.1g PCL(分子量8万)溶于0.2mL二氯甲烷(纯度≥99.5％)中，磁力搅拌6h，得到质量分数为50％(w/v)澄清透明的聚合物溶液；将1g氯化钠(粒径为0.5～1.5μm)加入聚合物溶液中，超声波分散3h，制得含氯化钠的均质浇铸液；

步骤b)将步骤a)制备好的浇铸液均匀的浇铸在无机层上，放入通风橱中直至有机层固化，得到结构不对称的双层膜，有机层的平均孔径为3.7μm，孔隙率为61.5％，厚度为84.1μm；

步骤c)将制得的双层膜浸泡在去离子水中，每隔6h进行一次换水，直到将制孔剂完全浸出，沥滤后的水在滴加AgNO₃后没有白色沉淀产生；

步骤d)清晰完成后，将双层复合膜置于真空干燥箱中干燥40℃干燥12h，后进行环氧乙烷处理12h，最终得到一种骨修复用Janus膜。

最后，制备得到的骨修复用Janus膜的厚度为201.5μm,使用YG(B)026H型-电子织物强力仪进行拉伸实验，取试样1％应变下的应力值为其拉伸初始模量，测得其拉伸初始模量为34.45MPa。

在制得Janus膜的无机层1种植成骨细胞，成骨细胞为Sprague Dawley(SD)大鼠骨髓间充质干细胞。种植方法：首先将骨修复膜裁剪成直径为14mm的圆形，然后放置于24孔板孔底部，有机层1面朝上。种植后培养条件：37℃，5％二氧化碳培养箱中，种植密度为2万个/孔。采用CCK-8法测定细胞活性，3天后成骨细胞的细胞活性为123％。对培养了3天后的成骨细胞进行DAPI染色，然后再对骨修复膜进行切割，采用电镜拍摄骨修复膜的截面，测量成骨细胞向内迁移的距离，成骨细胞向内渗透迁移平均为67.5um。

实施例2

如图1所示，本实施例提供了一种骨修复用Janus膜，是由无机层1和有机层2复合形成Janus膜，所述的无机层1为具有骨诱导性能的纤维基无机材料打碎后重组的大孔膜，所述的有机层2为可降解聚合物形成的浇铸膜；所述的无机层1与骨缺损部位接触，所述的有机层2与软组织接触。

植入后，与骨缺损部位接触的无机层1在植入期间始终具备募集骨类细胞的功能，同时降解释放出足够的钙磷成分，能够参与并加速骨组织的再生；与软组织接触的有机层2，孔径较小，在维持营养物质传输的同时阻止软组织的渗入，并对整个骨修复膜的力学性能起到增强作用。

上述骨修复用Janus膜的制备步骤具体如下：

步骤1：无机层1的制备：

步骤a)将静电纺丝法(制备方法参考引用文献[2])制备的直径为1.37±0.17μm磷酸三钙微米纤维置于液氮(-196℃,纯度≥99.999％)中冷冻后采用自动切割结合研磨技术进行粉碎，制成可穿过孔径为1mm网筛的无机纤维块；

步骤b)将粉碎后的磷酸三钙微米纤维块分散在去离子水中，并将浓度为0.1g/mL的明胶(粘度≥15mm²/s)水溶液逐滴加入制得无机纤维与明胶的比例为20:1(g/mL)悬浮液；

步骤c)将上述悬浮液倒入培养皿中并置入-20℃的冰箱中冻结，后将其转入冷冻干燥机中干燥24h，得到Janus膜的无机层1，其中孔隙率为91.6％，平均孔径为305μm及厚度为134.1μm；

步骤2：有机层2的制备及与无机层1的复合：

步骤a)将0.15g壳聚糖(高分子量，脱乙酰度为90％)溶于0.2mL浓度为98％的乙酸溶液中，磁力搅拌12h，得到质量分数为75％(w/v)澄清透明的聚合物溶液；将1.5g氯化锂(粒径为1～3μm)加入聚合物溶液中，超声波分散6h，制得含氯化锂的均质浇铸液；

步骤b)将步骤a)制备好的浇铸液均匀的浇铸在无机层上，放入通风橱中直至有机层固化，得到结构不对称的双层膜，有机层的平均孔径为4.9μm，孔隙率为74.7％，厚度为96.4μm；

步骤c)将制得的双层膜浸泡在去离子水中，每隔6h进行一次换水，直到将制孔剂完全浸出，沥滤后的水在滴加AgNO₃后没有白色沉淀产生；

步骤d)清晰完成后，将双层复合膜置于真空干燥箱中干燥40℃干燥24h，后进行环氧乙烷处理12h，最终得到一种骨修复用Janus膜。

最后，制备得到的骨修复用Janus膜的厚度为230.5μm,使用YG(B)026H型-电子织物强力仪进行拉伸实验，取试样1％应变下的应力值为其拉伸初始模量，测得其拉伸初始模量为47.62MPa。

在制得Janus膜的无机层1种植成骨细胞，成骨细胞为Sprague Dawley(SD)大鼠骨髓间充质干细胞。种植方法：首先将骨修复膜裁剪成直径为14mm的圆形，然后放置于24孔板孔底部，有机层1面朝上。种植后培养条件：37℃，5％二氧化碳培养箱中，种植密度为2万个/孔。采用CCK-8法测定细胞活性，3天后成骨细胞的细胞活性为132％。对培养了3天后的成骨细胞进行DAPI染色，然后再对骨修复膜进行切割，采用电镜拍摄骨修复膜的截面，测量成骨细胞向内迁移的距离，成骨细胞向内渗透迁移平均为82.1um。

实施例3

如图1～4所示，本实施例提供了一种骨修复用Janus膜，是由无机层1和有机层2复合形成Janus膜，所述的无机层1为具有骨诱导性能的纤维基无机材料打碎后重组的大孔膜，所述的有机层2为可降解聚合物形成的浇铸膜；所述的无机层1与骨缺损部位接触，所述的有机层2与软组织接触。

植入后，与骨缺损部位接触的无机层1在植入期间始终具备募集骨类细胞的功能，同时降解释放出足够的钙磷成分，能够参与并加速骨组织的再生；与软组织接触的有机层2，孔径较小，在维持营养物质传输的同时阻止软组织的渗入，并对整个骨修复膜的力学性能起到增强作用。

上述骨修复用Janus膜的制备步骤具体如下：

步骤1：无机层1的制备：

步骤a)将水热合成法(制备方法参考引用文献[3])制备的直径为0.07±0.002μm羟基磷灰石纳米纤维置于液氮(-196℃,纯度≥99.999％)中冷冻后采用自动和手动切割并结合研磨技术进行粉碎，制成可穿过孔径为1mm网筛的无机纤维块；

步骤b)将粉碎后的羟基磷灰石纳米纤维块分散在去离子水中，并将浓度为0.08g/mL的明胶(粘度≥15mm²/s)水溶液逐滴加入制得无机纤维与明胶的比例为30:1(g/mL)悬浮液；

步骤c)将上述悬浮液倒入培养皿中并置入-20℃的冰箱中成冰，后将其转入冷冻干燥机中干燥14h，得到Janus膜的无机层1，其中孔隙率为87.4％，平均孔径为74μm及厚度为131.9μm。

步骤2：有机层2的制备及与无机层1的复合：

步骤a)将0.1g PLLA(分子量2万)溶于0.125mL三氯甲烷(纯度≥99.0％)中，磁力搅拌12h，得到质量分数为80％(w/v)澄清透明的聚合物溶液；将0.8g氯化钠(粒径为5～10μm)加入聚合物溶液中，超声波分散3h，制得含氯化钠的均质浇铸液；

步骤b)将步骤a)制备好的浇铸液均匀的浇铸在无机层上，放入通风橱中直至有机层固化，得到结构不对称的双层膜，有机层的平均孔径为8.7μm，孔隙率为77.2％，厚度为106.1μm；

步骤c)将制得的双层膜浸泡在去离子水中，每隔6h进行一次换水，直到将制孔剂完全浸出，沥滤后的水在滴加AgNO₃后没有白色沉淀产生；

步骤d)清晰完成后，将双层复合膜置于真空干燥箱中干燥40℃干燥12h后进行环氧乙烷处理24h，最终得到一种骨修复用Janus膜。

最后，制备得到的骨修复用Janus膜的厚度为238μm,使用YG(B)026H型-电子织物强力仪进行拉伸实验，取试样1％应变下的应力值为其拉伸初始模量，测得其拉伸初始模量为51.01MPa。

在制得Janus膜的无机层1种植成骨细胞，成骨细胞为Sprague Dawley(SD)大鼠骨髓间充质干细胞。种植方法：首先将骨修复膜裁剪成直径为14mm的圆形，然后放置于24孔板孔底部，有机层1面朝上。种植后培养条件：37℃，5％二氧化碳培养箱中，种植密度为2万个/孔。采用CCK-8法测定细胞活性，3天后成骨细胞的细胞活性为126％。对培养了3天后的成骨细胞进行DAPI染色，然后再对骨修复膜进行切割，采用电镜拍摄骨修复膜的截面，测量成骨细胞向内迁移的距离，成骨细胞向内渗透迁移平均为72.9um。