一种双面异构可降解金属膜及其制备方法与流程

1.本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种双面异构可降解金属膜及其制备方法。


背景技术：

2.牙周炎是口腔患病率最高、最具破坏性的疾病之一，重度牙周炎会导致牙槽骨萎缩。临床上，引导骨再生技术是治疗牙槽骨缺损的主要途径之一，其中的技术关键是生物屏障膜。生物屏障膜保证在缺损创面的修复过程中，避免上皮组织或纤维结缔组织过早进入创面干扰愈合过程，保护牙周膜和牙槽骨等关键性再生组织成分，利于其优先生长。
3.现有的生物屏障膜分为两类：不可降解屏障膜(以钛金属膜为例)和可降解屏障膜(以胶原蛋白膜为例)。钛金属膜的强度高、耐蚀性优异，但是需要二次手术取出，存在再感染的风险；胶原蛋白膜可自行降解，无需二次手术，但是其力学性能较差，难以支撑骨组织生长空间。并且口腔内环境复杂，存在大量的细菌，生物屏障膜在满足引导空间内骨再生的同时，拥有抑制口腔中细菌对生长空间内的缺陷创面感染的功能，将利于骨组织修复和再生。
4.可降解金属材料具有较好的生物相容性，可被人体降解且拥有金属的力学性能，是生物屏障膜的一种理想材料。公开专利cn108159506a提供了一种镁合金引导组织再生膜及其制备方法，解决了可降解生物屏障膜的支撑和镁合金降解过快的问题，但其不具有较强的抗菌效果，可能存在创面细菌感染的风险；公开专利cn106492271a提供了一种抗菌促骨双功能引导骨再生膜的制备方法，具有较强的促进骨生长和抗菌效果，但是其抗菌膜层覆于促进骨生长膜层外，初期促进骨生长膜层作用将被阻隔，影响骨组织修复效果，无法同时实现双功能。
5.手术后，由于细菌主要存在于口腔中，生物屏障膜仅需暴露于口腔环境的一面具有抗菌效果，生长空间内的一面具有促成骨效果，因此需要一种具有双面双功能的可降解生物屏障膜以满足临床实际需求。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中口腔屏障膜存在的技术问题，本发明提供了一种双面异构可降解金属膜，该可降解金属膜能同时满足抗菌和促进骨细胞再生两种功能需求，实现屏障膜两面各异性的功能需求。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种双面异构可降解金属膜，包括可降解金属基体及设置在所述金属基体相对表面的第一膜层、第二膜层，其中，所述第一膜层为钙磷涂层，设置在所述金属基体的第一表面；所述第二膜层为高分子膜层，设置在所述金属基体的第二表面，所述高分子膜层具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化及骨再生功能。
9.所述的双面异构可降解金属膜在应用时，第一膜层面向软组织，具有抗菌功能，第
二膜层面向骨组织，具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化及骨再生功能。
10.优选的，所述第一表面、第二表面具有粗糙表面。
11.优选的，所述钙磷涂层中沉积有银元素。
12.优选的，所述高分子膜层内添加人骨形态发生蛋白2。
13.优选的，所述高分子膜层包括高分子层基体，所述高分子层基体表面上复刻有具有成骨细胞外形特征和分布特征的微图案。
14.优选的，所述钙磷涂层的厚度为10
‑
30μm；高分子膜层的厚度为10
‑
15μm。
15.本发明提供一种双面异构可降解金属膜的制备方法，具体制备步骤如下：
16.s1、通过铸造、挤压，获得1mm厚可降解金属板，并清洗、干燥；
17.s2、将步骤s1获得的可降解金属板进行多道次恒温轧制，获得厚度为0.2
‑
0.3mm的可降解金属薄片，并清洗、干燥；
18.s3、将步骤s2获得的可降解金属片进行打磨或喷砂处理，获得粗糙表面；
19.s4、配制电解质溶液，电解质溶液成分为：0.1
‑
0.5mol/l nano3、0.04
‑
0.2mol/l ca(no3)2·
4h2o、0.02
‑
0.1mol/l kh2po3、0.005
‑
0.02mol/l agno3；
20.s5、在电解质溶液中对步骤s3获得的金属薄片进行单面电化学沉积工艺处理，温度为40
‑
60℃，电压为0.5
‑
2v，时间为0.5
‑
2h，完成后清洗、干燥，得到第一表面具有钙磷涂层的可降解金属膜；
21.所述单面电化学沉积工艺处理的具体实现方法包括但不限于以下方法：
22.1)金属片不完全浸没，仅一面接触电解液；
23.2)金属片完全浸没，先双面成膜，然后再打磨掉一面的膜层；
24.3)金属片一面覆盖保护膜，金属片完全浸没，未覆膜的一面成膜，然后将另一面覆盖的保护膜撕掉即可。
25.s6、制备压印模，选取覆有光刻胶涂层的硅晶片，利用光刻机获得长宽尺寸为100*10μm的半圆柱形状并显影，相邻半圆柱间距为5
‑
10μm；取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以质量比为7
‑
15:1比例混合，并注入硅晶片的光刻面，50
‑
70℃下固化1
‑
5小时并剥离；取原代人类成骨细胞解冻并种植于聚二甲基硅氧烷上培养10
‑
20天，并采用多聚甲醛固定；对细胞培养10
‑
20天后的聚二甲基硅氧烷表面进行三维扫描建模，并将三维模型雕刻于压印模表面，获得表面具有成骨细胞分布和外形特征的压印模；
26.s7、配制混合溶液，选取人体可降解高分子颗粒，按质量比1:5
‑
15的比例完全溶解于二氯甲烷溶剂中，再加入质量分数为1
‑
5％的骨形成蛋白
‑
2(bmp
‑
2)混合，磁力搅拌10
‑
15h获得均匀混合溶液；
27.s8、将步骤s7获得的混合溶液缓慢滴于步骤s5获得的可降解金属膜的第二表面，将步骤s6获得的压印模放置于高分子层上，水平静置直至高分子层凝固，再放置于40
‑
60℃下干燥、定型15
‑
30小时，卸除压印模，获得第二表面具有促进骨细胞黏附、迁移、分化及骨再生功能的可降解金属膜；
28.s9、将步骤s8获得的双面异构可降解金属膜洗净并灭菌包装。
29.优选的，所述s6中的光刻工艺制备的微图案以相同的尺寸和间距，均匀地分布于整个硅晶片表面。
30.优选的，所述s8中压印膜可将成骨细胞增殖的分布和外形特征压印于高分子层，
使其形成微图案化表面，且压印膜可重复使用。
31.优选的，可降解高分子颗粒为聚乳酸、聚己内酯、聚酰胺或聚乳酸羟基乙酸中的一种或几种的共混物。
32.优选的，可选用玻璃、钛合金、不锈钢、陶瓷等硬质材料作为压印模基体材料，但不仅限于以上几种。
33.有益效果
34.本发明公开了一种双面异构可降解金属膜，该可降解金属膜同时满足抗菌和促进骨细胞再生两种功能需求，实现屏障膜两面各异性的功能需求，本发明的有益效果如下：
35.1、在钙磷层中沉积适量银元素，通过接触式抗菌途径发挥银元素抑制细菌生长和繁殖的功能；使屏障膜直接接触口腔环境的一侧发挥强有力的的抗菌功能，极大程度降低了口腔内细菌造成创面感染、诱发口腔组织坏死的可能性；并且钙磷层具有增强可降解金属基体耐蚀性的作用，进一步延长屏障膜服役时间；同时，钙、磷元素为口腔颌面骨/牙槽骨的固有成分，具有良好的生物相容性。
36.2、在高分子层内添加bmp
‑
2(人骨形态发生蛋白
‑
2)，使生物屏障膜与创面的接触面具有促成骨效果，bmp
‑
2在初期通过高分子层微孔通道缓慢释放，随着高分子层逐渐水解，内部的bmp
‑
2进一步释放，获得长期维持诱导成骨的微环境，达到长效促成骨的目的。此外，第二表面上的高分子层具备的延长屏障膜发挥维持成骨空间的时间的功能，有效减少可降解金属膜提前崩解的几率，降低可降解金属膜过早腐蚀崩解而导致无法维持成骨空间的风险。
37.3、通过压印的方式在第二表面的高分子涂层上复刻出具有成骨细胞外形特征和分布特征的特殊微图案化表面，该特殊微图案化表面利于细胞的黏附、迁移，并刺激骨髓间基质干细胞向成骨细胞的高效分化，并且压印模可重复使用、成本低。
38.4、可降解金属基体表面预先进行打磨或喷砂处理，增加了表面粗糙度，能够牢固地与钙磷层和高分子层结合，进而保证两种功能保护层不易剥离。
39.5、本发明的金属生物屏障膜均采用可降解材料制成，在完成支撑作用后，可逐渐自行降解吸收，无需二次手术取出，减轻患者痛苦和额外手术费用。
附图说明
40.图1为本发明压印模制备过程中的光刻模的结构示意图；
41.图2为本发明制备方法获得的压印模的结构示意图；
42.图3为可降解金属膜第二表面的高分子膜层的结构示意图；
43.图4为本发明的一种双面异构可降解金属膜的结构示意图；
44.图5为本发明实施例1中的双面异构可降解镁膜第一表面的抗菌测试结果图；
45.图6为本发明实施例1中的双面异构可降解镁膜第一表面的抗菌测试结果分析图；
46.图7为本发明实施例1中的双面异构可降解镁膜第二表面的细胞增殖测试结果图；
47.图8为本发明实施例1中的双面异构可降解镁膜第二表面的细胞增殖测试结果分析图；
48.图中：100、钙磷涂层；200、金属基体；300、高分子膜层；400、粗糙表面；310、高分子层基体；320、微图案；500、光刻模；510、半圆柱形的凸起；520、光刻模基体；600、压印模；
610、类细胞形的凸起；620、压印模基体。
具体实施方式
49.以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
50.以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
51.实施例1
52.一种双面异构可降解金属膜，如图4所示，包括可降解金属基体200及设置在所述金属基体200相对表面的第一膜层、第二膜层，其中，所述第一膜层为钙磷涂层100，设置在所述金属基体的第一表面；所述第二膜层为高分子膜层300，设置在所述金属基体的第二表面，所述高分子膜层具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化及骨再生功能。所述第一表面、二表面具有粗糙表面400。
53.所述钙磷涂层中沉积有银元素，具有抗菌功能。
54.所述高分子膜层内添加人骨形态发生蛋白2。使生物屏障膜与创面的接触面具有促成骨效果，bmp
‑
2在初期通过高分子层微孔通道缓慢释放，随着高分子层逐渐水解，内部的bmp
‑
2进一步释放，获得长期维持诱导成骨的微环境，达到长效促成骨的目的。
55.如图3所示，所述高分子膜层包括高分子层基体310，所述高分子层基体310表面上复刻有具有成骨细胞外形特征和分布特征的微图案320。通过压印的方式在第二表面的高分子涂层上复刻出具有成骨细胞外形特征和分布特征的特殊微图案化表面，该特殊微图案化表面利于细胞的黏附、迁移，并刺激骨髓间基质干细胞向成骨细胞的高效分化。
56.本示例中的一种双面异构可降解金属膜的制备方法，具体制备步骤如下：
57.s1、通过铸造、挤压，获得1mm厚纯镁板，并清洗、干燥；
58.s2、将步骤s1获得的纯镁板进行多道次恒温轧制，获得厚度为0.2
‑
0.3mm的纯镁薄片，并清洗、干燥；
59.s3、将步骤s2获得的纯镁片进行打磨或喷砂处理，获得粗糙表面；
60.s4、配制电解质溶液，电解质溶液成分为：0.1mol/l nano3、0.04mol/lca(no3)2·
4h2o、0.02mol/l kh2po3、0.005mol/l agno3；
61.s5、将步骤s3获得的纯镁片第一表面浸于步骤s4获得的电解质溶液，金属片不完全浸没，仅一面接触电解液，盛有电解质溶液的容器放置于磁力搅拌装置中，进行恒温单面电化学沉积，温度为40℃，电压为1v，时间为1h，完成后清洗、干燥，获得第一表面具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)涂层的镁膜，涂层厚度为30μm；
62.s6、制备压印模，选取覆有光刻胶涂层的硅晶片，利用光刻机获得长宽尺寸为100*10μm的半圆柱形状并显影，相邻半圆柱间距为10μm，半圆柱光刻于整个硅晶片表面，得到光
刻模，如图1所示；取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以10:1比例混合，并注入硅晶片的光刻面，60℃下固化2小时并剥离；取原代人类成骨细胞解冻并种植于聚二甲基硅氧烷上培养14天，并采用多聚甲醛固定；对细胞培养14天后的聚二甲基硅氧烷表面进行三维扫描建模，并将三维模型雕刻于压印模表面，获得表面具有成骨细胞分布和外形特征的压印模，如图2所示；
63.s7、配制混合溶液，选取聚乳酸颗粒，按质量比1:10的比例完全溶解于二氯甲烷溶剂中，再加入质量分数为3％的骨形成蛋白
‑
2(bmp
‑
2)混合；
64.s8、将步骤s7获得的混合溶液缓慢滴于步骤s5获得的纯镁膜的第二表面，将步骤s6获得的压印模放置于高分子层上，水平静置直至高分子层凝固，再放置于50℃下干燥、定型24小时，卸除压印模，获得第二表面具有促进细胞增殖、再生功能的高分子涂层的镁膜，高分子层的厚度为10μm；
65.如图3所示，该步骤中的高分子涂层，表面具有类成骨细胞分布和外形特征的徽图案320，分布于整个高分子层表面。
66.s9、将步骤s8获得的双面异构纯镁膜洗净并灭菌包装。
67.采用本示例所述的制备方法制得的双面异构可降解镁膜，其两面具有不同结构和功能，第一表面上设置有具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)层，第二表面上设置有具有促进细胞增殖、再生功能的聚乳酸层表面。所述的双面异构可降解金属膜在应用时，第一膜层面向软组织，具有抗菌功能，第二膜层面向骨组织，具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化增及骨再生功能。
68.采用琼脂平板涂布法，测定本实施例的双面异构可降解镁膜第一表面上钙磷涂层的抗菌效果，对比例为无涂层的纯金属膜，测试结果如图5、6所示。从测试结果中可以看出，对比例无钙磷涂层的纯金属膜的抗菌率不足20％，而本实施例的钙磷涂层的抗菌率可达98.5％。
69.采用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(mtt法)，测定本实施例的双面异构可降解镁膜第二表面上的高分子膜层的促细胞增殖效果，对比例为无涂层的纯金属膜，测试结果如图7、8所示。从测试结果中可以看出，对比例纯金属膜组在第一天与本实施例组的细胞增殖率近似，分别为89％和91％，然而随着共培时间增加，本实施例组能明显促进细胞的增殖，到第7天时，本实施例细胞增殖率值约为228％，远远高于对比例纯金属膜组的102％。
70.实施例2
71.一种双面异构可降解金属膜，如图4所示，包括可降解金属基体200及设置在所述金属基体相对表面的第一膜层、第二膜层，其中，所述第一膜层为钙磷涂层100，设置在所述金属基体的第一表面；所述第二膜层为高分子膜层300，设置在所述金属基体的第二表面，所述高分子膜层具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化及骨再生功能。所述第一表面、二表面具有粗糙表面400。
72.所述的双面异构可降解金属膜在应用时，第一膜层面向软组织，具有抗菌功能，第二膜层面向骨组织，具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化增及骨再生功能。
73.所述钙磷涂层中沉积有银元素。
74.所述高分子膜层内添加人骨形态发生蛋白2。
75.如图3所示，所述高分子膜层包括高分子层基体310，所述高分子层基体310表面上
复刻有具有成骨细胞外形特征和分布特征的微图案320。通过压印的方式在第二表面的高分子涂层上复刻出具有成骨细胞外形特征和分布特征的特殊微图案化表面，该特殊微图案化表面利于细胞的黏附、迁移，并刺激骨髓间基质干细胞向成骨细胞的高效分化
76.本示例中的一种双面异构可降解金属膜的制备方法，具体制备步骤如下：
77.s1、通过铸造、挤压，获得1mm厚含锌量为2wt％的镁锌合金板，并清洗、干燥；
78.s2、将步骤s1获得的镁锌合金板进行多道次恒温轧制，获得厚度为0.2
‑
0.3mm的镁锌合金薄片，并清洗、干燥；
79.s3、将步骤s2获得的镁锌合金片进行打磨或喷砂处理，获得粗糙表面；
80.s4、配制电解质溶液，电解质溶液成分为：0.3mol/l nano3、0.1mol/lca(no3)2·
4h2o、0.05mol/l kh2po3、0.01mol/l agno3；
81.s5、将步骤s3获得的镁锌合金片第一表面浸于步骤s4获得的电解质溶液，盛有电解质溶液的容器放置于磁力搅拌装置中，进行恒温单面电化学沉积，温度为40℃，电压为0.5v，时间为2h，完成后清洗、干燥，获得第一表面具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)涂层的镁锌合金膜，涂层厚度为10μm；
82.s6、制备压印模，选取覆有光刻胶涂层的硅晶片，利用光刻机获得长宽尺寸为100*10μm的半圆柱形状并显影，相邻半圆柱间距为10μm，半圆柱光刻于整个硅晶片表面；取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以9:1比例混合，并注入硅晶片的光刻面，50℃下固化5小时并剥离；取原代人类成骨细胞解冻并种植于聚二甲基硅氧烷上培养10天，并采用多聚甲醛固定；对细胞培养10天后的聚二甲基硅氧烷表面进行三维扫描建模，并将三维模型雕刻于压印模表面，获得表面具有成骨细胞分布和外形特征的压印模；
83.s7、配制混合溶液，选取聚己内酯颗粒，按质量比1:5的比例完全溶解于二氯甲烷溶剂中，再加入质量分数为1％的骨形成蛋白
‑
2(bmp
‑
2)混合；
84.s8、将步骤s7获得的混合溶液缓慢滴于步骤s5获得的镁合金膜的第二表面，将步骤s6获得的压印模放置于高分子层上，水平静置直至高分子层凝固，再放置于40℃下干燥、定型30小时，卸除压印模，获得第二表面具有促进细胞增殖、再生功能的高分子涂层的镁锌合金膜，高分子层的厚度为15μm；
85.s9、将步骤s8获得的双面异构镁锌合金膜洗净并灭菌包装。
86.采用本示例所述的制备方法制得的双面异构可降解镁锌合金膜，其两面具有不同结构和功能，第一表面设置有具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)涂层的第一膜层，第二表面设置有具有促进细胞增殖、再生功能的聚己内酯膜层第二膜层。所述的双面异构可降解金属膜在应用时，第一膜层面向软组织，具有抗菌功能，第二膜层面向骨组织，具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化增及骨再生功能。
87.实施例3
88.一种双面异构可降解金属膜，如图4所示，包括可降解金属基体200及设置在所述金属基体相对表面的第一膜层、第二膜层，其中，所述第一膜层为钙磷涂层100，设置在所述金属基体的第一表面；所述第二膜层为高分子膜层300，设置在所述金属基体的第二表面，所述高分子膜层具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化增及骨再生功能。所述第一表面、二表面具有粗糙表面400。
89.所述钙磷涂层中沉积有银元素。所述高分子膜层内添加人骨形态发生蛋白2。
90.如图3所示，所述高分子膜层包括高分子层基体310，所述高分子层基体310表面上复刻有具有成骨细胞外形特征和分布特征的微图案320。
91.本示例中的一种双面异构可降解金属膜的制备方法，具体制备步骤如下：
92.s1、通过铸造、挤压，获得1mm厚含ca量为0.5wt％的锌钙合金板，并清洗、干燥；
93.s2、将步骤s1获得的锌钙合金板进行多道次恒温轧制，获得厚度为0.2
‑
0.3mm的锌钙合金薄片，并清洗、干燥；
94.s3、将步骤s2获得的锌钙合金片进行打磨或喷砂处理，获得粗糙表面；
95.s4、配制电解质溶液，电解质溶液成分为：0.5mol/l nano3、0.2mol/lca(no3)2·
4h2o、0.1mol/l kh2po3、0.02mol/l agno3；
96.s5、将步骤s3获得的锌钙合金片第一表面浸于步骤s4获得的电解质溶液，盛有电解质溶液的容器放置于磁力搅拌装置中，进行恒温单面电化学沉积，温度为60℃，电压为2v，时间为0.5h，完成后清洗、干燥，获得第一表面具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)涂层的锌钙钙合金膜，涂层厚度为20μm；
97.s6、制备压印模，选取覆有光刻胶涂层的硅晶片，利用光刻机获得长宽尺寸为100*10μm的半圆柱形状并显影，相邻半圆柱间距为10μm，半圆柱光刻于整个硅晶片表面；取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以15:1比例混合，并注入硅晶片的光刻面，70℃下固化1小时并剥离；取原代人类成骨细胞解冻并种植于聚二甲基硅氧烷上培养10天，并采用多聚甲醛固定；对细胞培养10天后的聚二甲基硅氧烷表面进行三维扫描建模，并将三维模型雕刻于压印模表面，获得表面具有成骨细胞分布和外形特征的压印模；
98.s7、配制混合溶液，称取质量比为1:1聚酰胺和聚己内酯颗粒，按质量比1:15的比例完全溶解于二氯甲烷溶剂中，再加入质量分数为5％的骨形成蛋白
‑
2(bmp
‑
2)混合；
99.s8、将步骤s7获得的混合溶液缓慢滴于步骤s5获得的锌钙合金膜的第二表面，将步骤s6获得的压印模放置于高分子层上，水平静置直至高分子层凝固，再放置于60℃下干燥、定型15小时，卸除压印模，获得第二表面具有促进细胞增殖、再生功能的高分子涂层的锌钙合金膜，高分子层的厚度为20μm；
100.s9、将步骤s8获得的双面异构锌钙合金膜洗净并灭菌包装。
101.采用本示例所述的制备方法制得的双面异构锌钙合金膜，其两面具有不同结构和功能，第一表面上设置有具有抗菌功能的钙磷(ca
‑
p)涂层，第二表面上设置有具有促进细胞增殖、再生功能的聚酰胺、聚己内酯混合高分子膜层。所述的双面异构可降解金属膜在应用时，钙磷(ca
‑
p)涂层面向软组织，具有抗菌功能，高分子膜层面向骨组织，具有选择性促进骨细胞黏附、迁移和分化增及骨再生功能。
102.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。