仿生型人工骨膜及柔性電子器件制備及應用研究

孟超 羅釩洋

摘 要：針對傳統骨膜來源受限、供區發病率的問題，提出用靜電紡絲技術制作具有成骨和抑菌功能的仿生型骨膜，在此基礎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，能夠承受手術和組織生長過程中產生的應力;藥物釋放規律與高發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。

關鍵詞：靜電紡絲;骨膜;藥物釋放;柔性電子學器件

中圖分類號：TQ937?????? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）03-0144-05

Preparation and application of bionic artificial periosteum and flexible electronic devices

MENG Chao， LUO Fanyang

（Chongqing Xianxin Medical Technology Co.， Ltd， Chongqing 400030， China）

Abstract：

In view of the problem of traditional periosteal source limitation， the incidence rate of donor site is discussed. The biomimetic periosteum with osteogenesis and bacteriostatic function is proposed by electrospinning technology， and flexible electronic devices are fabricated on this basis. The bionic periosteum and the performance of flexible electronic devices were studied. The results showed that PGM-PI fibers loaded with ICA and MOX had high flexibility， bacteriostasis and osteogenic differentiation in vitro. It could withstand the stress generated in the process of operation and tissue growth. The law of drug release matched the high incidence of infection and bone regeneration so it could be used as a bionic artificial periosteum. Flexible electronic devices have high air permeability and can provide high comfort when used in clinic.

Key words：

electrospinning; periosteum; drug release; flexible electronic device

骨骼是人體運動系統中較為重要的組成部分，而骨膜是包裹在皮質骨外面的一層膜，主要由纖維層和形成層構成。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生重要作用。目前，治療骨損傷最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有限、供體處發病率高和免疫排斥反應問題，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生率，但結構和功能仿生研究還處于初級階段，需要繼續進行研究[1];對仿生骨膜在宏觀和微觀水平上的性能研究現狀進行總結，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?，本文以靜電紡絲技術為基礎，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，為人工骨膜的發展提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗主要材料：聚己內酯（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，上海一基實業有限公司，AR）、乙醇（濟南涵百化工有限公司，AR）、偶氮二異丁腈（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）。

試驗主要設備：真空干燥箱（瑪瑞特科技，DZF-6020C）、電子拉力試驗機（卓亞儀器，ZY-9000S）、熱失重分析儀（和晟儀器科技，HS-TGA-101）、差示掃描量熱儀（日立分析儀器，DSC600）。

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的質量比加入明膠和PCL，充分攪拌完全溶解，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質量占PCL質量的0.05%;④ PCL/明膠/MOX溶液配制：將一定質量的MOX放入PCL/明膠溶液中攪拌均勻，得到PCL/明膠/MOX溶液，其中MOX質量占聚合物質量的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 ℃的冰箱中重結晶。過濾后將結晶產物放入DZF-6020C型真空干燥箱內烘干，烘干溫度為45 ℃。最后，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，時間為10 h。將反應產物置于透析袋，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，配制質量濃度為15%的溶液。在配制好的溶液中加入質量分數為0.1%的MOX，充分攪拌使藥物完全溶解，溶解溫度和時間分別為10 ℃和12 h。在表1參數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烘干，烘干溫度和時間分別為130 ℃和12 h，最后得到交聯纖維膜（C-PNHM）;

（4）復合器件的制備。

以絲網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境下放置1 d，讓導電銀膠固化完全。

1.3 靜電紡絲纖維膜性能表征

1.3.1 熱學和力學性能表征

熱學分析：以氮氣為保護氣體，用DSC600型差示掃描量熱儀和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 ℃環境下培養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，將經過絲網印刷處理的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放置，在25 ℃條件下讓水蒸汽自然通過，每天對瓶中水的質量進行測定。

2 結果與討論

2.1 納米纖維膜的熱學、力學性能測試結果

圖1為靜電紡絲纖維膜的物理、熱學和力學性能測試結果。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）為應力應變曲線圖。由圖1（a）可知，4條曲線均在60 ℃左右出現吸熱峰，此為PCL熔融峰。載入MOX和ICA后，PCL熔點有所降低，考慮是PCL結晶區嵌有ICA分子引起的。由圖1（b）可知，在6°～8°和35°分別出現ICA和MOX的特征衍射峰，但沒有藥物結晶衍射峰出現;此現象表明藥物在基體中分散的較為均勻，表現為分子級別分散[9]。由圖1（c）可知，4種纖維膜皆表現出較高的柔韌性，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最高，可以承受手術和組織生長過程中產生的應力，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，實現最佳骨再生條件。在術后7 d時間內，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揮作用，因此抗生素的釋放速度應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，MOX表現為直線釋放;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降解的共同作用的結果，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釋放速度最快。以上結果說明了這兩種藥物釋放與高發生率的感染和骨再生過程匹配，可用于構建抗感染、誘導骨形成的人工骨膜。

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圍的抑菌圈直徑。

由表2可知，PGMP和PGMPI均在瓊脂板上出現了明顯抑菌圈。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纖維膜對金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌均表現出良好的抗菌性能，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果。

由圖3可知，在7 d時間內，SC-PNHM試驗組，去離子水質量直線減小，蒸汽揮發速率與開口狀態時去離子水質量減小速率相當;PDMS試驗組，在7 d后，去離子水僅減少了10%;PET試驗組去離子水質量則完全沒有減少。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 結語

本文用靜電紡絲技術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。在此基礎上，結合絲網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，能夠承受手術和組織生長過程中產生的應力，滿足臨床使用要求;

（2）負載ICA和MOX的纖維，藥物釋放規律與高發生率的感染和骨再生過程匹配，對構建抗感染、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均出現了明顯抑菌圈，證實這兩種纖維膜對金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌均表現出良好的抗菌特性，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。

【參考文獻】

[1] 常文遼，趙杰，孫曉亮，等.人工骨膜的材料選擇、理論設計及生物仿生功能[J].中國組織工程研究，2021，25（4）：600-606.

[2] 劉來俊，張宇，李超婧，等.用于骨組織再生的仿生骨

膜的研究進展[J].中國生物醫學工程學報，2020，39（4）：493-503.

[3] 楊高潔，陳俊孚，吳蘇州，等.仿生骨組織工程材料的微納制造與性能研究[J].中國材料進展，2020，39（9）：691-700.

[4] 李博，王碩，趙勇剛，等.仿生礦化膠原骨材料用于兒童顱骨再生修復的最新研究進展[J].中國修復重建外科雜志，2021，35（3）：278-285.

[5] 李勇，王保蒼，馬姍姍，等.特制限制型假體置換治療肘關節周圍惡性骨腫瘤[J].實用骨科雜志，2021，27（9）：836-839.

[6] 李永樂，薛楊，文華軍，等.髖臼緣軟組織修復聯合骨折復位內固定技術在髖臼后壁骨折中的應用[J].創傷外科雜志，2021，23（10）：753-756.

[7] 劉穎蒙，陳宇，張碧荷，等.肌肉平衡重建矯正鼻部對稱性的短期臨床效果評估[J].華西口腔醫學雜志，2021，39（5）：560-565.

[8] 劉小曼，王蒙蒙，崔曉蝶，等.miR-122對局灶性腦缺血小鼠腦組織NLRP3表達的影響[J].神經解剖學雜志，2021，37（5）：562-568.

[9] 韓文興，何紅英，王浩，等.MIPPO技術入路內固定治療肱骨干中下1/3骨折的臨床療效[J].中國骨與關節雜志，2021，10（9）：644-648.

[10] 金磊，艾合買提江·玉素甫.長骨骨缺損手術治療進展[J].中國骨與關節雜志，2021，10（9）：673-677.