专利名称：亲水性细胞外基质聚糖/疏水性脂肪族聚酯复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于生物医用材料技术领域。更确切地说，本发明涉及一种适用于组织缺 损修复的两亲性细胞外基质聚糖/脂肪族聚酯复合材料以及该材料的制备方法。
背景技术：
生物医用材料是组织工程和组织再生修复的重要组成部分，也是影响组织构建最 为关键的因素之一。为了获得更好的生物医用材料，人们提出各种材料的设计策略，其中之 一便是按照生物模拟或仿生的方法，利用体内可降解代谢的生物活性物质来改性高分子材 料(Narayan R,Balakrishnan S,Nabar Y,et al. Starch-polyester biodegradable graft copolymers anda method of preparation thereof. US 7629405B2，2009 ；陈明清，倪忠斌， 杨伟等.一种主、侧链长度均可控的亲水-疏水性接枝聚合物的制备方法.CN 100418992C，
2008)。近年来，以聚乳酸、聚羟基乙酸为代表的疏水性脂肪族聚酯和以壳聚糖、透明质酸 为代表的亲水性细胞外基质聚糖，由于其优越的生物学性能，从而受到各国学者的青睐，尤 其是二者组成的复合材料(Narayan R, Dubois P, Krishnan Μ. Polysaccharides grafted with aliphatic polyesters derivedfrom cyclic esters. US 5616671,1997 ；王洪艳，李 俊峰，徐佳等.脂肪族聚酯-壳聚糖复合纤维组织修复支架的制备方法.CN 101417150A,
2009)，由于其良好的物理化学性质和两亲表面特性，因而在药物投递系统、诊断生物传感 器以及组织工程等领域具有广阔的应用前景。目前，制备由天然细胞外基质聚糖和合成脂肪族聚酯构成的复合材料的方法有如 下两种(1)物理共混。专利(姚芳莲，于潇，张彬等.壳聚糖_明胶_聚乳酸共混物三维 多孔支架的制备方法.CN 1004505550,2009)将聚乳酸溶解于CH2C12、CHC13等有机溶剂中， 依次加入壳聚糖或明胶或二者的混合物、多聚磷酸钠以及致孔剂(NaCl或KCl)搅拌均勻， 浇铸到模具中成型，真空干燥后再置于醋酸溶液或醋酸与多聚磷酸钠的混合液中数天，取 出后置于去离子水中洗去致孔剂，干燥后就可以得到壳聚糖-明胶-聚乳酸三维多孔支架。 这种方法的优点是制备工艺简单，孔径和孔隙率可调，能够很好地满足组织工程支架材料 的要求。但是，考虑到聚乳酸是油溶性高分子，溶于一些有机溶剂，而壳聚糖是高度亲水性 的，不溶于有机溶剂，只溶于少数的稀酸溶液中，到目前为止，还没有发现能同时溶解壳聚 糖和聚乳酸的溶剂，因此物理混合存在的一个潜在问题是混合不均勻，存在相分离。(2) Ufg 胃。# 禾 I」(Vuorenpaa J, Peltonen S, Seppala J. Starch derivatives grafted withaliphaic polyester, procedure for their production and their use. US 5780568,1998)采用本体聚合的方法制备了一种淀粉或淀粉衍生物与脂肪族聚酯的接 枝共聚物。专利(谢德明，施云峰，何山.一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方 法.CN 100545191C，2009 ；郝红，李涛，刘荣杰.聚乳酸-壳聚糖接枝共聚物的制备方法.CN 101284883A，2008)也采用类似的方法制备了壳聚糖-聚乳酸两亲共聚高分子材料。但是，采用化学方法制备壳聚糖类细胞外基质聚糖和聚乳酸类脂肪族聚酯的两亲共聚物绝非易 事，其原因包括第一，壳聚糖的玻璃化转变温度较高，并且在开始熔化之前就会发生分解， 这就使得采用传统的熔融聚合工艺将其与聚乳酸共聚变得相当困难；第二，如前所述，由于 壳聚糖和聚乳酸的亲/疏水特性相差太大，并且没有能同时溶解这两类材料的溶剂，这就 使得采用溶液聚合的工艺将二者进行共聚常常由于非均相反应而宣告失败。事实上，从制备液体制剂的角度来看，亲水性细胞外基质聚糖与疏水性脂肪族聚 酯的相容性问题其实就是如何将互不相容的两种液体相混合的问题，完全可以参照非均相 液体制剂的原理来实现。按照液体制剂制备的原理，两种互不相容的液体，在表面活性剂的 作用下，其中一相液体会以微液滴的状态分散于另一相中，形成稳定均一的非均相液体分 散体系。从文献调研的情况来看，这一点并没有引起人们的广泛关注，有关这方面的报道甚 少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有两亲特性和可控降解速率的细胞外基质聚糖/ 脂肪族聚酯复合材料及其制备方法。所述复合材料是按照非均相液体制剂制备的原理，在 表面活性剂的作用下，将亲水性细胞外基质聚糖和疏水性脂肪族聚酯混合得到。所述亲水性细胞外基质聚糖是指细胞外基质中的糖胺聚糖(Glyco saminoglycan， GAG)，包括壳聚糖、透明质酸、海藻酸盐、硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素、硫酸角质素等。所述疏水性脂肪族聚酯是指由环状交酯开环聚合得到的可降解高分子材料，包 括聚羟基乙酸(Polyglycolic acid, PGA)、聚乳酸(Polylactic acid, PLA)、聚几内酯 (Polycaprolactone，PCL)以及它们的共聚物等。所述表面活性剂既包括亲水性表面活性剂，又包括亲油性表面活性剂。根据复合 材料中亲水性聚糖和疏水性聚酯的比例来选择合适的表面活性剂。若亲水性聚糖做连续 相，疏水性聚酯做分散相，则属于0/w(水包油)型乳化体系，应选择亲水性表面活性剂；若 疏水性聚酯做连续相，亲水性聚糖做分散相，则属于W/0 (油包水)型乳化体系，应选择亲油 性表面活性剂。所述亲水性表面活性剂是指亲水-亲油平衡值(HLB值)介于8 18之间的表面 活性剂，包括HC0-60、Tween 20、Tween 40、Tween 60、Tween 80以及一些混合表面活性剂寸。所述亲油性表面活性剂是指HLB值介于3 6之间的表面活性剂，包括Span 60、 Span 80、Span 65、Span 85以及一些混合表面活性剂等。所述两亲复合材料的制备方法，包括下列各步骤(1)将壳聚糖、透明质酸等亲水性细胞外基质聚糖溶于水或水溶液中，配成一定浓 度的溶液，得水相；将聚羟基乙酸、聚乳酸等疏水性脂肪族聚酯溶于CH2CI2、CHCI3、DMSO等 有机溶剂中，配成一定浓度的溶液，得油相；(2)根据水相和油相的体积比(相比)选择合适的表面活性剂。若ν·> Vm, 则属于0/W(水包油)型乳化体系，应将HC0-60、Tween 80等表面活性剂滴加在水相中，用 量为1 5%;若V義> 乂水相，则属于W/0(油包水)型乳化体系，应将Span 60,Span 80等 表面活性剂滴加在油相中，用量为1 5% ；
(3)将水相和油相在磁力搅拌的状态下进行混合，然后置于高速搅拌器中分散均 勻，搅拌速度为1，000 10，000转/分，搅拌时间为1 10分钟；(4)将上述第三步得到的混合乳液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20°c冰箱中预 冻12 24小时以固化溶剂并引起固液分相，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜；充分冷冻后， 将模具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥24 48小时；(5)将上述第四步冷冻干燥后的材料浸泡在乙醇、异丙醇、石油醚等有机溶剂中， 置于摇床中于37°C振动12 24小时，目的是除去样品中残留的表面活性剂；
(6)将上述第五步的样品重复第四步的操作，进行冷冻干燥，为了将溶剂彻底清 除，冷冻干燥后的材料需在40 60°C的真空干燥箱中烘干12 24小时，最终得到具有两 亲特性和可控降解速率的细胞外基质聚糖/脂肪族聚酯复合材料。本发明的有益效果是通过上述方法得到的亲水性细胞外基质聚糖/疏水性脂肪 族聚酯复合材料具有十分显著的优点(1)借助非均相液体制剂制备的理论来解决亲水性聚糖和疏水性聚酯的相容性问 题，利用表面活性剂实现了两种物质在复合材料中的均勻分布；(2)通过调节混合乳液中亲水性聚糖和疏水性聚酯的比例来调控复合材料的亲/ 疏水性和生物降解性，使之适合不同组织缺损的需求；(3)本发明得到的复合材料既可以是薄膜材料，也可以是多孔支架材料，还可以是 其它的一些形状。所以，根据使用部位的不同，可以选择不同的聚四氟乙烯模具将材料加工 成需要的形状。因此，本发明是一种新颖的两亲复合材料，既具有细胞外基质聚糖材料良好的亲 水性和细胞亲和力，又具有脂肪族聚酯材料良好的力学性能和可加工性，很有希望在组织 缺损修复领域得到广泛应用。
图1为聚乳酸/壳聚糖混合溶液在高速搅拌器(10，OOOrpm)中分散3min后于室 温下静置Ih后的照片图(左图未添加表面活性剂；右图添加表面活性剂)。图2为本发明所述的实施例5所制备的聚乳酸/壳聚糖复合多孔支架材料的照片 图。
具体实施例方式本发明以克服现有技术存在的缺陷，为修复创伤、肿瘤、感染等造成的组织缺损提 供一种具有两亲特性和可控降解速率的复合材料及其制备方法。所述复合材料由亲水性细 胞外基质聚糖和疏水性脂肪族聚酯组成，二者采用物理混合和高速乳化分散相结合的方法 复合而成。所述亲水性细胞外基质聚糖是从动植物组织中分离提取出来的一种天然高分子 化合物，该类材料一般是以1，4_糖苷键形式连接而成的天然线性多糖，其制备工艺可参照 相关专利。所述疏水性脂肪族聚酯是人工合成的高分子化合物，可采用直接缩聚法和开环聚 合法进行制备。为了得到高分子量的聚合物，以开环聚合法为佳。开环聚合法选用的催化剂主要有稀土类化合物、烷基铝化合物、有机锡类化合物等，其中又以有机锡类的催化效率 相对较高。下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保 护范围。实施例1 聚几内酯/海藻酸盐复合膜的制备称取3g海藻酸钠，溶于IOOmL去离子水中，配成浓度为30g/L的溶 液，得水相。待 其完全溶解后，按照5mL/L的比例加入乳化剂Tween 80。称取1. 5g聚几内酯，溶于3OmL 二 氯甲烷中，配成浓度为50g/L的溶液，得油相。在搅拌的状态下，将油相的聚几内酯溶液滴 加到水相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散3min。将乳化产物转移到平板聚 四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。将冷冻成型 后的膜材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再行冷冻干 燥，得聚几内酯/海藻酸钠复合膜材料。实施例2 聚(D，L-乳酸)/壳聚糖复合膜的制备称取2g壳聚糖，溶于20mL/L的醋酸溶液中，配成浓度为20g/L的溶液，得水相。 待其完全溶解后，按照5mL/L的比例加入乳化剂Tween 80。称取Ig聚(D，L-乳酸)，溶于 25mL三氯甲烷中，配成浓度为40g/L的溶液，得油相。在搅拌的状态下，将油相的聚(D，L_乳 酸)溶液滴加到水相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散3min。将乳化产物转 移到平板聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。将 冷冻成型后的膜材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再 行冷冻干燥，得聚(D，L-乳酸)/壳聚糖复合膜材料。实施例3 壳聚糖/聚(D，L-乳酸)复合膜的制备称取4g聚(D，L-乳酸)，溶于IOOmL 二甲基亚砜中，配成浓度为40g/L的溶液， 得油相。待其完全溶解后，按照5mL/L的比例加入乳化剂Span 80。称取Ig壳聚糖，溶于 20mL/L的醋酸溶液中，配成浓度为20g/L的溶液，得水相。在搅拌的状态下，将水相的壳聚 糖溶液滴加到油相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散3min。将乳化产物转移 到平板聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。将冷 冻成型后的膜材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再行 冷冻干燥，得壳聚糖/聚(D，L-乳酸)复合膜材料。实施例4 聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物(PLGA)/海藻酸盐复合多孔支架材料的制 备称取3g海藻酸钠，溶于IOOmL去离子水中，配成浓度为30g/L的溶液，得水相。待 其完全溶解后，按照3mL/L的比例加入乳化剂Tween 80。称取1. 5g聚乳酸-聚羟基乙酸共 聚物，溶于30mL 二氯甲烷中，配成浓度为50g/L的溶液，得油相。在搅拌的状态下，将油相 的PLGA溶液滴加到水相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散5min。将乳化产物 转移到多孔聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。 将冷冻成型后的材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再 行冷冻干燥。最后将材料转移到40°C的真空干燥箱中烘干24h，得PLGA/海藻酸钠复合多 孔支架材料。实施例5 聚(L-乳酸)/壳聚糖复合多孔支架材料的制备
称取2g壳聚糖，溶于20mL/L的醋酸溶液中，配成浓度为20g/L的溶液，得水相。待 其完全溶解后，按照3mL/L的比例加入乳化剂Tween 80。称取Ig聚(L-乳酸)，溶于25mL 三氯甲烷中，配成浓度为40g/L的溶液，得油相。在搅拌的状态下，将油相的聚(L-乳酸) 溶液滴加到水相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散5min。将乳化产物转移到 多孔聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。将冷冻 成型后的材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再行冷冻 干燥。最后将材料转移到40°C的真空干燥箱中烘干24h，得聚(L-乳酸)/壳聚糖复合多孔 支架材料。
实施例6 壳聚糖/聚(L-乳酸)复合多孔支架材料的制备称取4g聚(L-乳酸)，溶于IOOmL 二甲基亚砜中，配成浓度为40g/L的溶液，得油 相。待其完全溶解后，按照3mL/L的比例加入乳化剂Span 80。称取Ig壳聚糖，溶于20mL/ L的醋酸溶液中，配成浓度为20g/L的溶液，得水相。在搅拌的状态下，将水相的壳聚糖溶液 滴加到油相中，后置于高速搅拌器中于10，OOOrpm乳化分散5min。将乳化产物转移到多孔 聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻12h，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜。将冷冻成 型后的材料转移到冷冻干燥机中冷冻干燥48h。取出后在无水乙醇中浸泡24h，再行冷冻干 燥。最后将材料转移到40°C的真空干燥箱中烘干24h，得壳聚糖/聚(L-乳酸)复合多孔 支架材料。
权利要求
一种适用于组织缺损修复、具有两亲特性和可控降解速率的复合材料，其特征在于，所述复合材料由亲水性细胞外基质聚糖和疏水性脂肪族聚酯组成。
2.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述亲水性细胞外基质聚糖是指细胞 外基质中的糖胺聚糖，具体包括壳聚糖、透明质酸、海藻酸盐、硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素、 硫酸角质素等。
3.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述疏水性脂肪族聚酯是指由环状交 酯开环聚合得到的可降解高分子材料，具体包括聚羟基乙酸、聚乳酸、聚几内酯以及它们的 共聚物等。
4.一种适用于组织缺损修复、具有两亲特性和可控降解速率的细胞外基质聚糖/脂肪 族聚酯复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料的制备是按照非均相液体制剂制 备的原理，在表面活性剂的作用下，将亲水性细胞外基质聚糖和疏水性脂肪族聚酯采用物 理混合和高速乳化分散相结合的方法复合而成。
5.根据权利要求4所述复合材料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂既包括亲 水性表面活性剂，又包括亲油性表面活性剂。根据复合材料中亲水性聚糖和疏水性聚酯的 比例来选择合适的表面活性剂。若亲水性聚糖做连续相，疏水性聚酯做分散相，则属于0/ W(水包油)型乳化体系，应选择亲水性表面活性剂；若疏水性聚酯做连续相，亲水性聚糖做 分散相，则属于W/0 (油包水)型乳化体系，应选择亲油性表面活性剂。
6.根据权利要求5所述表面活性剂，其特征在于，所述亲水性表面活性剂指亲水_亲 油平衡值介于8 18之间的表面活性剂，包括HC0-60、Tween 20、Tween 40、Tween 60、 TweenSO以及一些混合表面活性剂等。
7.根据权利要求5所述表面活性剂，其特征在于，所述亲油性表面活性剂指亲水_亲油 平衡值介于3 6之间的表面活性剂，包括Span 60, Span 80, Span 65, Span 85以及一些 混合表面活性剂等。
8.根据权利要求4所述复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料的制备方法 包括下列各步骤(1)将壳聚糖、透明质酸等亲水性细胞外基质聚糖溶于水或水溶液中，配成一定浓度的 溶液，得水相；将聚羟基乙酸、聚乳酸等疏水性脂肪族聚酯溶于CH2C12、CHC13、DMS0等有机 溶剂中，配成一定浓度的溶液，得油相；(2)根据水相和油相的体积比(相比)选择合适的表面活性剂。若，则属 于0/W(水包油)型乳化体系，应将HC0-60、Tween 80等表面活性剂滴加在水相中，用量为 1 5%;若VM>V水相，则属于W/0(油包水)型乳化体系，应将Span 60, Span 80等表面 活性剂滴加在油相中，用量为1 5% ；(3)将水相和油相在磁力搅拌的状态下进行混合，然后置于高速搅拌器中分散均勻，搅 拌速度为1，000 10，000转/分，搅拌时间为1 10分钟；(4)将上述第三步得到的混合乳液倒入聚四氟乙烯模具中，置于-20°C冰箱中预冻 12 24小时以固化溶剂并引起固液分相，再置于-80°C冰箱中冷冻过夜；充分冷冻后，将模 具转移到冷冻干燥机中冷冻干燥24 48小时；(5)将上述第四步冷冻干燥后的材料浸泡在乙醇、异丙醇、石油醚等有机溶剂中，置于 摇床中于37°C振动12 24小时，目的是除去样品中残留的表面活性剂；(6)将上述第五步的样品重复第四步的操作，进行冷冻干燥，为了将溶剂彻底清除，冷 冻干燥后的材料需在40 60°C的真空干燥箱中烘干12 24小时，最终得到具有两亲特性 和可控降解速率的细胞外基质聚糖/脂肪族聚酯复合材料。
全文摘要
本发明公开了一种亲水性细胞外基质聚糖/疏水性脂肪族聚酯复合材料及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。该复合材料中的亲水性细胞外基质聚糖是指细胞外基质中的糖胺聚糖，疏水性脂肪族聚酯是指由环状交酯开环聚合得到的可降解高分子材料。所述复合材料的制备是用权利要求1所述的两种类型材料按照非均相液体制剂制备的原理，在表面活性剂的作用下，采用物理混合和高速乳化分散相结合的方法复合而成。本发明是一种新颖的生物医用材料，既具有细胞外基质聚糖材料良好的亲水性和细胞亲和力，又具有脂肪族聚酯材料良好的力学性能和可加工性，很有希望作为组织缺损用修复材料在临床上得到广泛应用。
文档编号A61L27/26GK101829355SQ201010142729
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者周钢, 李晓明, 樊瑜波, 牛旭锋 申请人:北京航空航天大学