一种用于药物释放的微流控生物屏障膜

1.本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种用于药物释放的微流控生物屏障膜。


背景技术：

2.牙周炎及种植体周围炎症导致的牙周骨组织缺损是口腔临床所面临的的巨大挑战，也是相关领域尤其是口腔种植领域的研究重点。引导骨组织再生(guided bone regeneration,gbr)膜是放置在骨缺损处的生物屏障膜，gbr生物屏障膜在引导组织再生术中发挥重要作用。其可在牙周手术中作为屏障，阻挡牙龈上皮在愈合过程中沿根面生长，引导具有形成新附着能力的牙周膜细胞优先占领根面，形成新的附着性愈合。但是目前广泛应用的生物屏障膜主要依靠机体自身的生长潜力来修复缺损，不能有效预防术后感染等并发症。
3.使用gbr生物屏障膜进行引导骨组织再生术时的主要并发症之一是术后感染。治疗感染的有效方法是彻底清理感染区域，并局部应用抗生素辅助治疗。局部用药相对于全身用药，对身体的副作用较低，减少器官损害的发生概率。因此研究者们开发了载药生物屏障膜，选择壳聚糖、胶原、聚乳酸等可生物降解原料作为膜的基底材料，同时将抗菌药物与基底材料混合，利用溶液浇筑或静电纺丝等方法将药物负载在生物膜内。这就导致了存在于生物膜材料表面的药物会发生突释，且大部分药物在此阶段被释放，药物与材料基质之间的相互作用使药物在突释后可以从膜中持续释放，这一阶段主要靠膜的降解，药物释放含量少且释放速率不易控制，所以开发一种局部缓释制剂尤为重要，使其能在病变部位持续缓慢释放药物，在一定时间内维持有效的药物浓度，从而达到理想的抑菌效果。近年来微流控技术得到了迅速的发展，并以其众多的优势逐渐成为生物医学研究领域的重要工具。将微流控技术应用于生物屏障膜的改进，构建带有储药池及微通道结构的微流控生物屏障膜，药物储存在药池内，通过精准设计的微通道结构，可以起到对流体的控制作用。
4.综上所述，开发一种可以缓慢释放药物的微流控生物屏障膜，对有效降低术后感染风险有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可以缓慢释放药物的微流控生物屏障膜，制作过程简单，与以往载药膜不同，该生物屏障膜为包含储药池及药物进出口通道的微流控芯片，药物储存在储药池中，通过药物释放出口进行释放，此微流控生物屏障膜可持续缓慢释放抗菌药物达5天，并有效缓解前期的突释现象，且可以控制药物释放速率，以克服现有技术的不足。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种用于药物释放的微流控生物屏障膜此微流控生物屏障膜为三层结构，分别为释药层，中间连接层以及非释药底层。
8.所述释药层设有药物进口、药物释放出口以及定位孔；所述中间连接层设有定位
孔，在所述中间连接层的中间部位设置两个对称且不相连的储药池，在所述储药池设置与其相连通的药物进口通道以及药物释放出口通道；所述非释药底层只设有定位孔；通过每一层的定位孔将三层结构粘结在一起，中间连接层的上下两侧分别与释药层、非释药底层贴合。
9.所述的微流控生物屏障膜的药物释放出口处放置多孔壳聚糖膜。
10.所述储药池为两个对称且不相连的半圆形储药池，在所述半圆形储药池的半圆弧上设置与其相连通的药物进口通道以及药物释放出口通道，每个半圆形储药池上分别存在一个药物进口通道和两个药物释放出口通道且两种通道的位置不固定。
11.所述中间连接层上储药池的面积占中间连接层总面积的1/3-1/2。
12.所述药物进口通道宽度与长度的比值为1/3。
13.所述药物释放出口通道宽度与长度的比值为1/2。
14.所述的释药层、中间连接层以及非释药底层采用pla可生物降解材料制成。
15.所述的储药池中同时存在药液及载药纳米微球。
16.具体说明如下：
17.所述释药层设有药物进口、药物释放出口以及定位孔；所述中间连接层设有定位孔，在所述中间连接层的中间部位切割出两个对称且不相连的半圆形储药池形状，在所述半圆形储药池的半圆弧上切割出与其相连通的药物进口通道以及药物释放出口通道，每个半圆形储药池上分别存在一个药物进口通道和两个药物释放出口通道且两种通道的位置不固定，因此通过改变药物释放出口通道的位置就可以改变释药点；所述非释药底层只设有定位孔。通过每一层的定位孔将三层结构粘结在一起，中间连接层的上下两侧分别与释药层、非释药底层贴合，因此在微流控生物屏障膜上会形成储药池区域，药物通过释药层上的药物进口注入，通过药物进口通道进入储药池，再经药物释放出口通道从释药层的药物释放出口处释放；除此之外，微流控生物屏障膜的药物释放出口处放置多孔壳聚糖膜，多孔壳聚糖膜可以起到微阀的作用，改变多孔壳聚糖膜的孔隙率可以改变药物与外界环境的接触面积，从而达到控制药物释放速率的作用。
18.本发明针对引导骨再生手术中生物屏障膜只能依靠机体自身的生长潜力来修复缺损，不能有效预防术后感染等并发症的不足，设计了可以缓慢释放药物的微流控生物屏障膜。设计了微通道系统，系统中有储药池结构，每个储药池上接有药物进口通道和药物出口通道；药池内装有药液及载药微球，并将多孔壳聚糖膜放置在各药物释放出口孔之上，出口处的多孔壳聚糖膜减少了药液与外界环境的接触面积，进一步延长了药物释放时间，载药微球的存在可以在释药过程中为储药池补充药量；本发明中可缓释的载药微流控生物屏障膜与单纯局部用药相比，有效减弱了前期的突释现象，且可在一段时间内维持有效药物浓度。
19.本发明中可以缓慢释放药物的微流控生物屏障膜与现有生物屏障膜相比具有如下优点：
20.由于微流控生物屏障膜中包含微通道结构，将药物储存在储药池中，其通过药物释放出口通道进行释放，且在药物释放出口孔处放置多孔壳聚糖膜，出口处的多孔壳聚糖膜减少了药物与外界环境的接触面积，可以进一步减缓释放速率，延长药物释放时间，有效缓解前期药物突释现象；
21.由于药物释放出口孔处放置的壳聚糖膜的孔隙率可以改变，可以起到对药物释放速率的控制作用；
22.由于储药池内同时存在药物溶液及载药纳米微球，载药微球可以在药物释放过程中为储药池补充药量，维持有效药物浓度。
附图说明
23.图1是本发明所述微流控生物屏障膜的结构示意图；微流控生物屏障膜总体为三层结构，1-药物进口，2-释药层，3-定位孔，4-药物释放出口，5-中间连接层，6-储药池，7-非释药底层，8-多孔壳聚糖膜；
24.图2是本发明所述微流控生物屏障膜中第一层释药层的形貌俯视图；1-药物进口，3-定位孔，4-药物释放出口，d1-药物释放出口孔直径，d2-药物进口孔直径，r1-生物屏障膜半径；
25.图3是本发明所述微流控生物屏障膜中第二层中间连接层的形貌俯视图；1-药物进口，3-定位孔，4-药物释放出口，6-储药池，r2-储药池半径，l1,w1-药物进口通道长、宽，l2,w2-药物释放出口通道长、宽；
26.图4是本发明所述微流控生物屏障膜中第三层非释药底层的形貌俯视图；3-定位孔，d3-定位孔直径；
27.图5是药物释放出口处分别放置不同孔隙率壳聚糖膜时的药物累计释放曲线图；
28.图6是在改变内外浓度梯度情况下的药物释放曲线图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
30.实施例1
31.作为在本发明用于药物释放的微流控生物屏障膜的第一实施例，微流控生物屏障膜结构如图1所示。此屏障膜总体为三层结构，分别为释药层，中间连接层，非释药底层。每层都设有四个定位孔以方便层与层之间对齐贴合，中间连接层的中间部位切割出两个对称且不相连的半圆形储药池形状，在每个半圆形储药池的半圆弧上分别切割出与其相连通的一个药物进口通道以及两个药物释放出口通道，两个药物释放出口通道沿轴向放置且夹角呈180
°
，药物进口通道沿径向摆放并与药物释放出口通道之间呈90
°
夹角，两个储药池上药物进出口通道的位置均相同，在释药层的相应位置设有药物进口和药物释放出口。如图2所示，释药层上设有药物进出口及定位孔，即1-药物进口，3-定位孔，4-药物释放出口，d1-药物释放出口孔直径，d2-药物进口直径，r1-屏障膜半径。中间连接层设有两个对称且不相连的半圆形储药池结构，各储药池上连接一个药物进口通道以及两个药物释放出口通道，如图3所示，主要构造包括：1-药物进口，3-定位孔，4-药物释放出口，6-储药池，r2-储药池半径，l1,w1-药物进口通道长、宽，l2,w2-药物释放出口通道长、宽。如图4所示非释药底层上仅设有定位孔，3-定位孔，d3-定位孔直径。该微流控生物屏障膜的制作过程为：
32.(1)通过激光切割方法在释药层(2)上制作出药物进口(1)、药物释放出口(4)以及定位孔(3)；
33.(2)利用3d打印技术制作中间连接层(5)，以形成储药池(6)区域、流体通道及定位
孔(3)；
34.(3)通过激光切割方法在非释药底层(7)上制作出定位孔(3)；
35.(4)另取多孔壳聚糖膜将其切割成圆形形状；
36.(5)将释药层、中间连接层、非释药底层及多孔壳聚糖膜使用生物胶粘接成一体，其中多孔壳聚糖膜放置在各中间连接层的药物释放出口之上，圆形多孔壳聚糖膜直径大于出口孔直径，使其完全覆盖药物释放出口，多孔壳聚糖膜固定于中间连接层与释药层之间(如图1所示)，从而获得用于药物释放的微流控生物屏障膜。
37.该微流控生物屏障膜的装配顺序为，首先将非释药底层(7)与中间连接层(5)进行粘接，之后将多孔壳聚糖膜放置在中间连接层的各药物释放出口之上，圆形多孔壳聚糖膜直径大于出口孔直径，使其完全覆盖药物出口，多孔壳聚糖膜固定于中间连接层(5)与释药层(2)之间；最后将释药层与中间连接层进行粘接，从而获得微流控生物屏障膜。中间连接层的两侧分别与释药层、非释药底层贴合，因此在微流控生物屏障膜上会形成储药池区域，药物通过释药层上的药物进口注入，经药物进口通道进入储药池，再经药物释放出口通道从释药层的药物释放出口处释放。
38.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，中间连接层厚度为0.8mm，释药层与非释药底层厚度均为0.2mm。
39.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，屏障膜半径为17.5mm，半圆形储药池的半径为10mm，储药池面积约占屏障膜总面积的1/3。
40.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，药物进口直通道长1.2mm，宽0.4mm，药物进口孔直径1mm。
41.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，药物释放出口直通道长2.0mm，宽1.0mm，药物释放出口孔直径1.5mm。
42.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，定位孔直径1mm。
43.实施例2
44.在本实施例中，改变微流控生物屏障膜中微通道尺寸，制作过程为：
45.(1)通过激光切割方法在释药层(2)上制作出药物进口(1)、药物释放出口(4)以及定位孔(3)；
46.(2)利用3d打印技术制作中间连接层(5)，以形成储药池(6)区域、流体通道及定位孔(3)；
47.(3)通过激光切割方法在非释药底层(7)上制作出定位孔(3)；
48.(4)另取多孔壳聚糖膜将其切割成圆形形状；
49.(5)将释药层、中间连接层、非释药底层及多孔壳聚糖膜使用生物胶粘接成一体，其中多孔壳聚糖膜放置在中间连接层的各药物释放出口之上，圆形多孔壳聚糖膜直径大于出口孔直径，使其完全覆盖药物释放出口，多孔壳聚糖膜固定于中间连接层与释药层之间(如图1所示)，从而获得药物缓释微流控生物屏障膜。
50.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，中间连接层厚度为0.8mm，释药层与非释药底层厚度均为0.2mm。
51.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，屏障膜半径为7mm，半圆形储药池的半径为5mm，储药池面积约占屏障膜总面积的1/2。
52.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，药物进口直通道长0.9mm，宽0.3mm，药物进口孔直径0.6mm。
53.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，药物释放出口直通道长1.4mm，宽0.7mm，药物释放出口孔直径1mm。
54.本实施例所介绍用于药物释放的微流控生物屏障膜，定位孔直径为1mm。
55.实施例3
56.作为实施例三，本发明相应地提供了此微流控生物屏障膜中药物的释放方法，利用此微流控生物屏障膜，可以实现药物的缓慢释放。微流控生物屏障膜的装配顺序为，首先将非释药底层与中间连接层进行粘接，之后将多孔壳聚糖膜放置在中间连接层的各药物释放出口孔之上，圆形多孔壳聚糖膜直径大于出口孔直径，使其完全覆盖药物释放出口，多孔壳聚糖膜固定于中间连接层与释药层之间；最后将释药层与中间连接层进行粘接。微流控生物屏障膜准备完毕后，取一定量米诺环素药品粉末，将其配置成米诺环素溶液，将米诺环素溶液吸至注射器中，使用注射器沿药物进口将米诺环素溶液注入到储药池中直至储药池被液体充满且池中无气泡，药物注入完毕后，将药物进口封住以防止液体从进口处泄露。
57.将微流控生物屏障膜(屏障膜尺寸与实施例1中相同)放入装有10ml pbs(ph为7.4)溶液的烧杯中，并将其固定于烧杯底部，释药层朝上放置，避光37℃下保存。由于生物屏障膜内外浓度不同，储药池中药液从出口扩散，直到内外浓度相等而达到平衡；出口处的多孔壳聚糖膜减少了药液与外界环境的接触面积，可以延长药物释放时间。定时取样1ml，每次取样后加入1ml pbs(ph为7.4)溶液，使用高效液相色谱检测样品浓度并计算累计释放含量。实验共设置三组，分别为1-药物释放出口处放置小孔径壳聚糖膜，2-药物释放出口处放置中等孔径壳聚糖膜，3-药物释放出口处放置大孔径壳聚糖膜。
58.累计释放曲线表明(如图5所示)，当改变药物释放出口处壳聚糖膜的孔径时，药物释放速率也发生改变，由图可知，随着壳聚糖膜孔径的减小，药物释放速率减慢，且当药物释放出口处放置最小孔径壳聚糖膜时有效缓解了前期的药物突释现象，说明微流控生物屏障膜释药出口处放置不同孔隙率的多孔壳聚糖膜可以达到控制释药速率的作用。
59.实施例4
60.在本实施例中，在药物释放实验中进行换液操作。微流控生物屏障膜准备完毕后(药物释放出口处选用最小孔径壳聚糖膜)，取一定量米诺环素药品粉末，将其配置成米诺环素溶液，将米诺环素溶液吸至注射器中，使用注射器沿药物进口将米诺环素溶液注入到储药池中直至药池被液体充满且池中无气泡，药物注入完毕后，将药物进口封住以防止液体从进口处泄露。将载药微流控生物屏障膜(屏障膜尺寸与实施例1中相同)放入装有10ml pbs(ph为7.4)溶液的烧杯中，并将其固定于烧杯底部，释药层朝上放置，避光37℃下保存。定时取样1ml，每次取样后加入1ml pbs(ph为7.4)溶液，每24h换液50％，使用高效液相色谱检测样品浓度并计算累计释放含量。累计释放曲线(如图6所示)表明，单纯米诺环素药液装载于微流控生物屏障膜内，由于换液操作加速了药物释放，导致在第二次换液(48h)以后药物基本停止释放，为了改善这种现象，引入了载药纳米微球。实验中将载药纳米微球装载于微流控生物屏障膜内，累计释放曲线(图6)表明，载药微球中的药物在后期会大量释放，因此将载药纳米微球与药液共同注入到微流控生物屏障膜内，载药微球的存在可以在药物释放过程后期为储药池补充药物含量，延长药物释放时间，如图6所示，此组合在换液的情况
下可以持续释放药物达120h。
61.以上所述实施方式仅仅是对本发明的优先实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,任何熟悉本专业的技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。