一种高生物活性甲壳素支架材料及其制备方法和应用
【专利摘要】一种高生物活性甲壳素支架材料及其制备方法和应用，包括组分及重量百分数：β?甲壳素2?10wt％；聚乙烯醇/β?磷酸三钙混合液90?98wt％；所述聚乙烯醇/β?磷酸三钙混合液或者为聚乙烯醇/纳米羟基磷灰石，或者为聚乙烯醇/Ⅱ型胶原蛋白，或者为聚乙烯醇/聚醚醚酮混合液。本发明所述的高生物活性甲壳素支架材料可以应用于角膜病患者，化学烧伤、角膜遗传病以及异体角膜移植失败患者的人工角膜再生工程。
【专利说明】
一种高生物活性甲壳素支架材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于新材料领域，尤其是涉及一种高生物活性甲壳素支架材料及其制备方 法，以及在人工角膜支架方面的应用。
【背景技术】
[0002] 角膜病是世界上第二大的致盲眼病，据统计已经影响了 1~1.5亿的人群，其中 80%的患者可通过角膜移植手术复明。然而，传统的人体角膜移植手术具有很大的局限性， 一方面是由于供体角膜的缺乏，患者不能及时的进行角膜移植;另一方面则是由于角膜移 植的适应症以及术后人工角膜支架材料生物相容性差导致角膜移植失败，产生严重的并发 症，如植入物排出、感染、眼内炎、形成后增殖膜和青光眼，并且刚性部件造成的机械压力， 引发溃疡。
[0003] 人工角膜分为组织工程人工角膜与非组织工程人工角膜。组织工程化的人工角膜 主要是通过种子细胞培养而制备得到的透明光学中心材料，并使种子细胞在载体支架上生 长，从而制备得到人工角膜。非组织工程人工角膜则是用异质成形材料制成的一种通过植 入患者眼内取代混浊角膜组织的装置。组织工程化人工角膜通常需生物技术支持；而非组 织工程人工角膜制备则仅采用化工技术制备，无需细胞培养等生物技术。
[0004] 深圳华明生物科技有限公司是国内第一家非组织工程人工角膜研发公司，该公司 制备的人工角膜包括支架材料与光学中心区两部分。生物型组织工程人工角膜具有代表性 的则为深圳艾尼尔角膜工程有限工程出产的"艾欣瞳"以及冠昊生物2016年即将上市的"优 德清"品牌组织工程人工角膜。
[0005] 尽管一些人工角膜早已应用于临床，在一定程度上缓解了供体角膜缺乏的情况， 但人工角膜的生物相容性以及移植后出现的后增殖膜等一系列问题都阻碍了人工角膜代 替供体角膜的步伐。为了满足机体和手术的要求，人工角膜需要具备以下特点：透明、具有 较高的折射率(RI)、良好的可调性屈光度、机械拉伸性、优秀的生物相容性等，而人工角膜 的生物相容性主要取决于角膜支架材料。
[0006] 人工角膜支架与植床直接接触，一方面须具有良好的生物相容性与角膜组织相融 合，不被生物降解而长期保留；另一方面，必须具有相应的强度使光学镜柱得以固定并紧密 结合而不渗漏。常用的裙边支架材料有:石墨、陶瓷、氟碳聚合物、羟基磷灰石、钛金属、氟碳 多聚体、β-磷酸三钙以及水凝胶等。
[0007] 目前人工角膜支架研究已经得到长足的发展，但仍然存在很多问题，比如支架与 光学中心黏结不牢、钙化、生物相容性差等。这些问题常导致人工角膜与受体角膜吻合处有 房水渗漏、感染、坏死、人工角膜脱出等并发症。研究发现人工角膜绝大多数并发症，均与裙 边支架和宿主角膜不能达到真正生物愈合从而起不到有效支持、固定等作用有关。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种可以应用于角膜病患者，化学烧伤、角膜遗传病以及 异体角膜移植失败患者的人工角膜再生工程的高生物活性甲壳素支架材料。
[0009] 所述高生物活性甲壳素支架材料包括组分及重量百分数：
[0010] β-甲壳素2wt_10wt% ;
[0011] 聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液90wt-98wt%。
[0012]所述聚乙烯醇/β_磷酸三钙混合液或者为聚乙烯醇/纳米羟基磷灰石，或者为聚乙 烯醇/Π 型胶原蛋白，或者为聚乙烯醇/聚醚醚酮混合液。
[0013] 本文中，"wt%"为重量百分数。
[0014] 本发明的另一目的在于提供一种高生物活性甲壳素支架材料的制备方法，包括步 骤：
[0015] A)制备高生物活性甲壳素：
[0016] Al)将含有β-甲壳质的原料经洗涤、干燥、粉碎成ΙΟμπι~2mm的纤维状粉末；
[0017] A2)碱处理脱蛋白：将粉碎后的原料倒入浓度为0.5M~IOM的混合碱溶液中搅拌， 搅拌速度为50转/分钟~3000转/分钟，保持温度在30 °C~150°C之间；搅拌时间0.5小时~ 24小时；固体与液体体积比为1:5~1:50之间；
[0018] A3)加入制孔剂形成多孔结构；
[0019] A4)经酸处理除无机盐:将稀盐酸溶液加入到上述经过碱处理脱蛋白的产物中调 节pH值5-7,在室温下静置除去无机盐，过滤得到β-甲壳素;并将β-甲壳素处理至中性； [0020] Β)人工角膜支架水凝胶材料制备：
[0021] BI)制备聚乙烯醇前驱液；
[0022] B2)在聚乙烯醇前驱液中加入β-磷酸三钙(纳米羟基磷灰石、Π 型胶原蛋白或聚醚 醚酮)及制孔剂NaCl搅拌均匀制备成聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液，各组分比例为： 聚乙烯醇 8-15 wt%
[0023] 二甲基亚砜水溶液 35-47 wt% β-磷酸三钙 2-8 wt%
[0024] NaCI 25-35 wi%
[0025] C)将步骤A)制备的β-甲壳素加入到步骤B)制备的聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液 中，搅拌混合均匀形成浆料，制得高生物活性甲壳素支架材料。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1、我们制备的高活性人工角膜支架复合材料性能优异，尤其是生物活性有机高分 子材料和具有优秀力学性能无机材料所形成的复合材料，模仿了天然组织的结构和组成， 防止出现人工角膜术后排异脱落以及房水泄露等问题。理化指标达到相关医疗器械标准；
[0028] 2、海洋生物甲壳素具有广谱抑菌性，可以有效抑制多种细菌、真菌的生长和繁殖， 有利于大幅度提高人工角膜的生物相容性。生物相容性满足生物医学植入材料标准；
[0029] 3、多孔复合水凝胶支架的高吸水性可使角膜保持湿润，良好的柔韧性和弹性可避 免因外压导致人工角膜植入手术失败；
[0030] 4、多孔复合水凝胶是相互贯穿的三维网络支架材料(类似海绵状多孔支架），有利 于细胞生长和分泌细胞外基质，加速角膜与组织愈合。
[0031] 海洋生物甲壳素具有止血、止痛、促进上皮细胞生长、以及具有广谱抗菌性等功 能，除此之外，还有良好的生物相容性和生物活性。因此在聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液中 掺杂一定量的改性甲壳素，制备多孔聚乙烯醇/β-磷酸三钙/甲壳素复合水凝胶支架材料， 能够进一步加强人工角膜裙边支架材料的生物相容性，使其与宿主角膜组织能最大程度达 到生物性愈合。
[0032] 本发明可以应用于角膜病患者，化学烧伤、角膜遗传病以及异体角膜移植失败患 者的人工角膜再生工程。
【附图说明】
[0033] 图1为高生物活性人工角膜支架材料局部扫描图；
[0034]图2为高生物活性人工角膜支架材料与组织网络互穿结构图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0036]第一部分:制备高生物活性甲壳素
[0037] 1、将含有β_甲壳质的鱿鱼软骨经洗涤、干燥、粉碎成ΙΟμπι~2_的纤维状粉末；
[0038] 2、碱处理脱蛋白：将粉碎后的原料倒入浓度为0.5Μ~IOM的混合碱溶液中（氢氧化 钠(2-20wt% )、氢氧化钾（2-20wt% )、聚乙二醇(0-5wt% )、尿素（2-lOwt% )，余量为水)搅 拌，搅拌速度为50转/分钟~3000转/分钟，保持温度在30 °C~150 °C之间；搅拌时间0.5小时 ~24小时；固体与液体体积比为1:5~1:50之间；
[0039] 3、形成多孔结构:加入NaCl、KC1 XaCl2等小分子无机物作为制孔剂；
[0040] 4、经酸处理除无机盐:将稀盐酸溶液加入到上述经过碱处理脱蛋白的产物中调节 PH值(5-7)，在室温下静置12h除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；
[0041] 5、用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲 壳素产品。第二部分:人工角膜支架水凝胶材料制备
[0042] 1、将Sg聚乙烯醇加入到20g二甲基亚砜的水溶液(50v/v%)中恒温加热制备成聚 乙烯醇前驱液；
[0043] 2、在聚乙烯醇前驱液中直接添加2g β-磷酸三钙(纳米羟基磷灰石、Π 型胶原蛋白 或聚醚醚酮)和15g制孔剂NaCl并在水浴中恒温搅拌均匀制备成聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合 液。
[0044] 第三部分
[0045] 1、将第一部分制备的2g高活性甲壳素加入到第二部分制备的聚乙烯醇/β-磷酸三 钙混合液中，搅拌混合均匀形成浆料；
[0046] 2、将所述浆料直接注入人工角膜支架无菌模具中，继后将所述模具在-20Γ冷冻 IOh，取出置于室温放置2h，重复前述冷冻和置于室温放置的操作6次，即得人工角膜裙边支 架。
[0047] 3、将冷冻成型后的混合物用无菌的去离子水浸泡并通过碘伏消毒后得到β-磷酸 三钙/聚乙烯醇/甲壳素复合人工角膜多孔支架材料。
[0048] 所述复合角膜支架由亲水性水凝胶、高生物活性甲壳素组成，所述甲壳素均匀有 序地分布在亲水性水凝胶中。该裙边支架具有优良生物相容性和渗透性，而且具有很高的 抗拉强度，降低角膜移植术后炎症和并发症的发生率。
[0049] 实施例1: 聚乙烯醇 8g 二甲基亚砜的水溶液（50v/v%) 20g
[0050] β-磷酸三钙 2g NaCl 15g
[0051 ] 实施例2: β-甲壳素 〇 9g; 聚乙烯醇 Sg
[0052] 二甲基亚砜的水溶液（50v/v%) 20g β-鱗酸三钙：2g NaCI IJg
[0053] 实施例3: β-φ^τ?'??'-.' 〇.9g； 聚乙烯醇 8g
[0054] 二甲基亚砜的水溶液（50Wv%:): 20g 纳米羟基磷灰石_ 2g_ 顧 I ISg
[0055] 实施例4: β-甲壳素 0 ()g; 聚乙烯醇 8g
[0056] 二甲基亚砜的水溶液（50v~%> 20g II型胶原蛋白雜 NaCI 15g
[0057] 实施例5: β-甲壳素 0.%: 聚乙烯醇 8:g
[0058] 二甲基亚砜的水溶液（50v/v%) 20g 聚醚醚酮 2g NaCI I、
[0059] 实施例6:
[0060] β-甲壳素 ；1.8g 聚乙烯醇 8g 二甲基亚砜的水溶液（50v/v%) 20g
[0061] β-磷酸三钙 2g NaCI 15g
[0062] 实施例7: β-甲壳素 0 9g; 聚乙烯醇 8g
[0063] 二甲基亚砜的水溶液（50v/v%) 20g β-磷酸三钙 2g NaCI 2(+
[0064] 实施例8: β-φ'/ι? ^ν 〇 9g； 聚乙烯醇 .8g
[0065] 二甲基亚砜的水溶液（50v/V%) 20g β-磷酸三钙 2g CaCl 15g
[0066] 相关性能测试数据：
[0068]由上表可以看出，实施例1为标准对照组，其体外细胞毒性试验< 2级，影响了角膜 支架的生物相容性，在添加高生物相容性的β-甲壳素后其外细胞毒性试验彡1级，符合m类 医疗器械标准，满足产品临床生物相容性标准;另外，在添加 β-甲壳素后各类物理性能指标 没有显著变化，均在合理范围之内。
【主权项】
1. 一种高生物活性甲壳素支架材料，包括组分及重量百分数： β_甲壳素 2-10wt%; 聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液90-98wt% ; 所述聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液或者为聚乙烯醇/纳米羟基磷灰石，或者为聚乙烯 醇/Π 型胶原蛋白，或者为聚乙烯醇/聚醚醚酮混合液。2. 如权利要求1所述的高生物活性甲壳素支架材料，包括组分及重量百分数： 甲壳素 2-10wt%; 聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液90-98wt%。3. 高生物活性甲壳素支架材料的制备方法，包括步骤： A)制备高生物活性甲壳素： A1)将含有β_甲壳质的原料经洗涤、干燥、粉碎成ΙΟμπι~2_的纤维状粉末； Α2)碱处理脱蛋白：将粉碎后的原料倒入浓度为0.5Μ~10Μ的混合碱溶液中搅拌，搅拌 速度为50转/分钟~3000转/分钟，保持温度在30 °C~150 °C之间；搅拌时间0.5小时~24小 时；固体与液体体积比为1:5~1:50之间； A3)加入制孔剂形成多孔结构； A4)经酸处理除无机盐:将稀盐酸溶液加入到上述经过碱处理脱蛋白的产物中调节pH 值5-7,在室温下静置除去无机盐，过滤得到β-甲壳素;并将β-甲壳素处理至中性； Β)人工角膜支架水凝胶材料制备： Β1)制备聚乙烯醇前驱液； Β2)在聚乙烯醇前驱液中加入β-磷酸三钙（纳米羟基磷灰石、Π 型胶原蛋白或聚醚醚 酮)及制孔剂NaCl搅拌均匀制备成聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液，各组分比例为： 聚乙稀醇8_15wt% 二甲基亚砜水溶液35-47wt% β-磷酸三 1? 2_8wt% NaCl 25-35wt% C)将步骤A)制备的β-甲壳素加入到步骤B)制备的聚乙烯醇/β-磷酸三钙混合液中，搅 拌混合均匀形成浆料，制得高生物活性甲壳素支架材料。4. 所述混合碱溶液包括组分及重量百分数为： 氢氧化钠2-20wt%; 氢氧化钾2-20wt%; 聚乙二醇〇-5wt%; 尿素 2-10wt %; 余量为水。5. 所述制孔剂为:NaCl、KC1、CaCl2中的一种。6. 权利要求3所述制备方法制备而来的高生物活性甲壳素支架材料应用于复合角膜支 架。
【文档编号】A61L27/48GK105963791SQ201610520951
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】李海洋, 罗仲宽, 周莉
【申请人】深圳大学