医用金属植入体表面嵌入壳聚糖微球胶原涂层的制备方法

摘要

本发明公开的医用金属植入体表面嵌入壳聚糖微球胶原涂层的制备方法，是采用电化学沉积法，通过调整电解液pH值、加载电压等参数，在基板上形成嵌入有壳聚糖微球的矿化胶原涂层。该法工艺简单，制得的涂层嵌入有壳聚糖微球，由于壳聚糖微球能有效控释生物因子或抗生素等药物的作用，使涂层在具备高生物学响应性的同时，具有良好的药物缓释功能，在硬骨组织修复领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医用金属植入体表面嵌入壳聚糖微球（Chitosan nanospheres）的胶原涂层的制备方法。

背景技术

基于仿生观念，以胶原为模板，在钙-磷盐溶液中调制矿化，得到磷酸钙矿物相与胶原自组装、矿化而成的具有仿天然骨分级结构的复合涂层由于其优越的生物活性受到了广泛关注(Michael Maas, et al. Nano Lett.2011, 11, 1383–1388). 目前，在金属基体上制备矿化胶原涂层的方法主要有电化学沉积法、旋涂法、和仿生沉积法。这些方法都能得到均匀分布的矿化胶原涂层。其中，电化学沉积由于其设备及操作简单、制备过程高效而引起了研究者的关注。与仿生沉积相比，它只需要基体导电，而不需要对基体表面的生物活性或溶液的过饱和度进行严格的控制。同时，由于电解沉积时阴极周围有pH梯度，可实现在保持整体溶液酸性的条件下使金属基板附近达到高的pH，有利于只有在低pH下才能溶解的生物分子（如胶原、壳聚糖）的共沉积。通过该种方法制备的金属植入体不仅具备金属良好的机械性能，而且能利用矿化胶原改善材料的生物活性，从而加速术后的骨整合，减少术后康复所需时间。

为了防止手术过程中引起的感染和进一步减少术后康复时间，往往需要在植入体中加载生长因子、抗生素等药物，使其在患处缓慢持续释放，在一定的时间内发挥效用。而相对于块体药物载体材料而言，涂层一般较薄，对药物/生物因子的容纳能力相对较小，导致药物在承载材料中的扩散快，其有效浓度无法在足够长时间内维持在一定水平。

为达到药物/生物因子在涂层材料中的缓释目的，要求药物能充分进入载体材料，并和载体材料有较好的结合性能。这可以通过在载体材料中加入对药物/生物因子具有较好结合性能的多官能团的高聚物微球来实现。其中壳聚糖可以与胶原获得良好的杂化，胶原的旁侧基团能与和壳聚糖中的-OH基团和-NH₂基团的能形成氢键，胶原尾部的-COOH基团和-NH₂基团也能和壳聚糖中的-OH和-NH₂基团形成氢键,因此可以显示良好的结合特性。但尽管已有将壳聚糖分子嵌入到涂层中用以药物缓释的研究，但是将壳聚糖微球嵌入矿化胶原涂层中用以药物/生物分子缓释的研究未见报道。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、具有高生物学响应性和高效缓释药物性能的医用金属植入体表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层的制备方法。

本发明的嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层的制备方法，其过程如下：

包括以下步骤： 

1）清洁金属基板表面；

2)将壳聚糖溶于浓度为166.7mM醋酸溶液中，配制浓度为12.5g/L的壳聚糖醋酸溶液，调节壳聚糖醋酸溶液的pH值为5～6；

3)将三聚磷酸钠溶于去离子水中，配制浓度为12.5g/L的三聚磷酸钠溶液；

4)搅拌下，将上述三聚磷酸钠溶液逐滴滴入壳聚糖醋酸溶液中，壳聚糖醋酸溶液与三聚磷酸钠溶液的体积比为3:2，保持搅拌1h，得到悬光液，离心，滤去上层液体，收集下层沉淀物，烘干，得到壳聚糖微球；

5）配制电解液：将含钙化合物溶于水中，配制成钙浓度为10mM~100mM的含钙水溶液，将含磷化合物溶于水中，配制成含磷浓度为10~100mM的含磷水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合，得到A溶液，将I型胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将该胶原溶液与A溶液混合后加入步骤4)制得的壳聚糖微球，使钙、磷、胶原、壳聚糖的浓度分别为4～8mmol/L、8～16 mmol/L、0.1～0.6g/L、0.01~0.24g/L，调整电解液pH值为4.3～4.6；

6)将电解液置于温度为37℃的恒温槽中，以金属基板为阴极，铂电极为阳极，阴极与阳极之间距离为1～2cm，采用恒压模式进行电化学沉积，沉积电压为2.0～2.8V，沉积30～60min，取出金属基板，用去离子水清洗，自然风干，得到金属植入体表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层。

本发明中，所述的壳聚糖的分子质量为1000~100000。所述的I型胶原为倍菱液态胶原。

本发明中，所述的含钙化合物可以是Ca(NO₃)₂·6H₂O或CaCl₂。所述的含磷化合物可以是NH₄H₂PO₄或NaH₂PO₄。

本发明的有益效果是，本发明采用电化学制备获得具有多孔结构的矿化胶原涂层，利用其多孔结构嵌入壳聚糖微球，从而显著改善了涂层对药物的缓释行为，使其在具备高生物学响应性的同时，可高效承载并缓慢释放生长因子、抗生素、蛋白类药物等，在硬骨组织修复领域具有广泛的应用前景。

附图说明

 图1 是壳聚糖微球的形貌。

 图2 是嵌入壳聚糖微球量为0.01 g/L的矿化胶原涂层的形貌

 图3 是嵌入壳聚糖微球量为0.04 g/L的矿化胶原涂层的形貌。

 图4 是嵌入壳聚糖微球量为0.24 g/L的矿化胶原涂层的形貌

图5是壳聚糖微球加入量为0.01g/L、 0.04g/L、0.24g/L的药物释放曲线对比。

具体实施方式

    以下结合具体实例来说明本发明：

实施例1        

将壳聚糖溶于166.7mM的醋酸溶液中，制备出12.5g/L的壳聚糖醋酸溶液，调节壳聚糖醋酸溶液的pH值为5.0；

将三聚磷酸钠(TPP)溶于去离子水中，制备出12.5g/L的三聚磷酸钠溶液。在磁力搅拌器搅拌下，使用注射器将三聚磷酸钠溶液逐滴滴入壳聚糖醋酸溶液中，壳聚糖醋酸溶液与三聚磷酸钠溶液的体积比为3:2，保持搅拌1h,，得到悬光液。将悬光液在高速离心机下高速离心（3000r/min）15min，滤去上层液体，收集下层沉淀物，在37℃烘箱内烘干，制备得到的壳聚糖微球形貌如图1所示。

配制电解液：将Ca(NO₃)₂·6H₂O溶于水中，配制成钙浓度为80mM的Ca(NO₃)₂水溶液，将NH₄H₂PO₄溶于水中，配制成含磷浓度为80mM的NH₄H₂PO₄水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合，得到A溶液。将倍菱液态胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将该胶原溶液与A溶液混合后加入壳聚糖微球，使钙、磷、胶原、壳聚糖的浓度分别为8mmol/L、16 mmol/L、0.6g/L、0.01g/L，再用NaOH溶液调整电解液pH值为4.3.

以表面清洁处理后的钛板作为阴极，铂电极作为阳极，阴阳两电极间距为1cm，取15ml电解液置于在37℃恒温槽中，采用恒压电化学沉积模式，电压2V，沉积30min后取出钛基板，去离子水清洗后自然风干，得到钛板表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层。

制备10mg/ml 的盐酸万古霉素溶液，将该盐酸万古霉素药物溶液40μL滴加到本例制备的钛板表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层中，烘干，涂层形貌如图2所示。该涂层在PBS溶液中的盐酸万古霉素释放曲线如图5所示。

实施例2        

将壳聚糖溶于166.7mM的醋酸溶液中，制备出12.5g/L的壳聚糖醋酸溶液。调节壳聚糖醋酸溶液的pH值为5.0；

将三聚磷酸钠(TPP)溶于去离子水中，制备出12.5g/L的三聚磷酸钠溶液。在磁力搅拌器搅拌下，使用注射器将三聚磷酸钠溶液逐滴滴入壳聚糖醋酸溶液中，壳聚糖醋酸溶液与三聚磷酸钠溶液的体积比为3:2，，保持搅拌1h, 得到悬光液。将悬光液在高速离心机下高速离心（3000r/min）15min, 滤去上层液体，收集下层沉淀物，在37℃烘箱内烘干，得到壳聚糖微球；

配制电解液：将CaCl₂溶于水中，配制成钙浓度为80mM的CaCl₂水溶液，将NaH₂PO₄溶于水中，配制成含磷浓度为80mM的NaH₂PO₄水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合，得到A溶液。将倍菱液态胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将该胶原溶液与A溶液混合后加入壳聚糖微球，使钙、磷、胶原、壳聚糖的浓度分别为8mmol/L、16 mmol/L、0.6g/L、0.04g/L，用NaOH溶液调整电解液pH值为4.3.

以表面清洁处理后的钛板作为阴极，铂电极作为阳极，阴阳两电极间距为1cm，取15ml电解液置于在37℃恒温槽中，采用恒压电化学沉积模式，电压2V，沉积30min后取出钛基板，去离子水清洗后自然风干，得到钛板表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层。

制备10mg/ml 的盐酸万古霉素溶液，将本发明制得的嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层滴加该药物溶液40μL，最后将涂层烘干。涂层形貌如图3所示。该涂层在PBS溶液中的盐酸万古霉素释放曲线如图5所示

实施例3        

将壳聚糖溶于166.7mM的醋酸溶液中，制备出12.5g/L的壳聚糖醋酸溶液。调节壳聚糖醋酸溶液的pH值为6.0；

将三聚磷酸钠(TPP)溶于去离子水中，制备出12.5g/L的三聚磷酸钠溶液。在磁力搅拌器搅拌下，使用注射器将三聚磷酸钠溶液逐滴滴入壳聚糖醋酸溶液中，壳聚糖醋酸溶液与三聚磷酸钠溶液的体积比为3:2，，保持搅拌1h, 得到悬光液。将悬光液在高速离心机下高速离心（3000r/min）15min, 滤去上层液体，收集下层沉淀物，在37℃烘箱内烘干，得到壳聚糖微球；

配制电解液：将Ca(NO₃)₂·6H₂O溶于水中，配制成钙浓度为80mM的Ca(NO₃)₂水溶液，将NH₄H₂PO₄溶于水中，配制成含磷浓度为80mM的NH₄H₂PO₄水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合，得到A溶液。将倍菱液态胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将该胶原溶液与A溶液混合后加入壳聚糖微球，使钙、磷、胶原、壳聚糖的浓度分别为8mmol/L、16 mmol/L、0.6g/L、0.24g/L，用NaOH溶液调整电解液pH值为4.3.

将表面清洁处理后的钛板作为阴极，铂电极作为阳极，阴阳两电极间距为1cm，取15ml电解液置于在37℃恒温槽中，采用恒压电化学沉积模式，电压2V，沉积30min后取出钛基板，去离子水清洗后自然风干，得到钛板表面嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层。

制备10mg/ml 的盐酸万古霉素溶液，将本发明制得的嵌有壳聚糖微球的矿化胶原涂层滴加该药物溶液40μL，最后将涂层烘干。涂层形貌如图4所示。该涂层在PBS溶液中的盐酸万古霉素释放曲线如图5所示。

从图5可见，通过调节壳聚糖微球的含量，可以调控涂层的释药性能。