阅读说明：本技术 一种促进骨修复复合水凝胶及其制备方法与应用 (Composite hydrogel for promoting bone repair and preparation method and application thereof ) 是由 林海燕 周艳 王维倩 涂业颖 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种促进骨修复复合水凝胶,其包括如下组分：甲基丙烯酸改性明胶和多巴胺改性海藻酸钠；所述复合水凝胶中,所述甲基丙烯酸改性明胶的含量为8～12％w/v,所述多巴胺改性海藻酸钠的含量为0.5％w/v～2％w/v。多巴胺改性海藻酸钠的分子结构中含有邻苯二酚结构,具有优异的粘附性能。本发明以甲基丙烯酸改性明胶作为水凝胶的基材,并通过掺入多巴胺改性海藻酸钠来改善水凝胶的力学性能和粘附性能,使其具有优异的粘性及适宜的柔软度和弹性,适用于骨修复治疗。体外实验结果表明,本发明的复合水凝胶能负载并缓释促进骨修复的生物活性因子和/或药物,并在骨缺损模型中表现出良好的修复效果,能够显著促进骨缺损伤口的愈合。(The invention discloses a composite hydrogel for promoting bone repair, which comprises the following components: methacrylic acid modified gelatin and dopamine modified sodium alginate; in the composite hydrogel, the content of the methacrylic acid modified gelatin is 8-12% w/v, and the content of the dopamine modified sodium alginate is 0.5-2% w/v. The molecular structure of the dopamine modified sodium alginate contains a catechol structure, and the dopamine modified sodium alginate has excellent adhesion performance. According to the invention, methacrylic acid modified gelatin is used as a base material of the hydrogel, and dopamine modified sodium alginate is doped to improve the mechanical property and the adhesion property of the hydrogel, so that the hydrogel has excellent viscosity, appropriate softness and elasticity, and is suitable for bone repair treatment. In-vitro experiment results show that the composite hydrogel can load and slowly release bioactive factors and/or medicines for promoting bone repair, shows a good repair effect in a bone defect model, and can remarkably promote the healing of bone defect wounds.)

一种促进骨修复复合水凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及医用生物材料技术领域，尤其涉及一种促进骨修复复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

骨缺损是临床上的常见病，往往发生于外伤时骨折块穿出肢体或发生于开放性骨折清创时失活骨被清除。骨修复的需要在骨科手术和神经外科以及口腔颌面外科手术中普遍存在。

目前治疗骨缺损的方法有自体骨和异体骨移植、组织工程技术和基因治疗拒绝法及生长因子、物理治疗法的辅助治疗等。生物医学植入物作为现代医学的一个重要组成部分，用于替代人体缺失的结构或功能，在组织修复和重建、骨折固定、髋膝关节置换、电子感觉或监测到器官移植等多种临床应用中发挥着重要作用。然而，植入物相关感染和组织再生延迟是两种主要的临床并发症。尤其是对于骨科植入物，可导致功能不良、植入失败、附加手术甚至死亡。理想的植入物应具有较好的定植效果，并诱导适当的细胞反应，以促进骨整合，同时不牺牲所需的结构和物理化学性质和功能。

明胶来源于动物的骨、键、软骨、皮肤、肌膜等结缔组织中的胶原蛋白，是胶原蛋白的不可逆降解产物，但是其仍然保持了很好的生物相容性，在医药、生物材料领域有广泛的应用。明胶是典型的两亲型聚电解质，明胶水溶液在温度降至35℃以下时形成热可逆性凝胶。单独的明胶所成的水凝胶并不稳定，可通过接枝其他基团对其进行改性，以增强其稳定性。因明胶分子中含有大量氨基，可通过甲基丙烯酸酐对其进行接枝改性，制得甲基丙烯酸改性明胶(GelMA)。然而，GelMA所成的水凝胶质地较硬，缺乏弹性和粘性，定植效果较差，限制了其应用。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种促进骨修复复合水凝胶及其制备方法与应用。该复合水凝胶具有优异的粘附性能和合适的力学性能，还具有良好的生物相容性和降解性能，是理想的骨修复支架材料，可用于负载及缓释利于骨修复的药物和/或生长因子等，用于骨修复治疗。

为实现其目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供了一种促进骨修复复合水凝胶，其包括如下组分：甲基丙烯酸改性明胶和多巴胺改性海藻酸钠；所述复合水凝胶中，所述甲基丙烯酸改性明胶的含量为8～12％w/v，所述多巴胺改性海藻酸钠的含量为0.5％w/v～2％w/v。

最优选地，所述复合水凝胶中，所述甲基丙烯酸改性明胶的含量为10％w/v，所述多巴胺改性海藻酸钠的含量为1％w/v。

多巴胺改性海藻酸钠的分子结构中含有邻苯二酚结构，具有优异的粘附性能。本发明以甲基丙烯酸改性明胶作为水凝胶的基材，并通过掺入多巴胺改性海藻酸钠来改善水凝胶的力学性能和粘附性能，使其具有优异的粘性及适宜的柔软度和弹性，适用于骨修复治疗。

优选地，所述促进骨修复复合水凝胶的制备方法为：将甲基丙烯酸改性明胶和多巴胺改性海藻酸钠分别溶于溶剂中制成甲基丙烯酸改性明胶溶液和多巴胺改性海藻酸钠溶液，然后通过光交联制得所述促进骨修复复合水凝胶。

优选地，所述溶剂为PBS溶液或MES溶液。

优选地，所述光交联采用的光引发剂为苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(光引发剂LAP)。光引发剂LAP是一种水性紫外光引发剂，其光聚合反应条件温和，可使光交联的时间大大缩短。优选地，所述光引发剂LAP的添加量为0.08％w/v～1.5％w/v。

优选地，所述甲基丙烯酸改性明胶(GelMA)的制备方法为：将明胶溶于水中制成明胶溶液，将甲基丙烯酸酐溶于水中制成甲基丙烯酸酐溶液，将甲基丙烯酸酐溶液缓慢滴加至明胶溶液中，水浴搅拌反应，反应完成后，将混合溶液进行稀释，透析，最后冷冻干燥，即得GelMA。

优选地，所述明胶溶液的浓度为4～6％w/v，所述甲基丙烯酸酐与明胶的用量比为0.54～0.64mL/g，所述水浴搅拌反应的温度为55～65℃，时间为3～6h，所述混合溶液稀释后的明胶浓度为1.5％～3％w/v。

优选地，所述多巴胺改性海藻酸钠(SA-DA)的制备方法为：将海藻酸钠溶于水中制备海藻酸钠溶液，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(英文名：EDC)，调节溶液pH至弱酸性，活化，加入N-羟基琥珀酰亚胺(英文名：NHS)，搅拌均匀，加入盐酸多巴胺，将反应体系的pH值保持在5～6，惰性气体保护下反应，反应完成后，先用弱酸性的盐酸溶液透析，再用蒸馏水透析，最后冷冻干燥，即得SA-DA。本申请中，活化的目的是活化海藻酸钠的羧基基团，使其与多巴胺发生酰胺化反应。

海藻酸钠(SA)具有良好的生物降解性和生物相容性，易溶于水，糊化性能良好，吸湿性强，保水性能良好。由于SA分子结构中含有羧酸根分子，因此，本发明在酸性条件下，用盐酸多巴胺(DA)对SA进行反应接枝，制得的SA-DA分子结构中含有邻苯二酚结构。研究表明，邻苯二酚结构对强力粘附起关键作用，可在各种基材表面牢固且稳定粘附。

优选地，所述海藻酸钠溶液的浓度为0.8％w/v～1.2％w/v，所述蒸馏水透析截留的分子量为8000～15000Da。在上述SA-DA的制备方法中，EDC与NHS作为催化剂，对其添加量没有严格要求，能发挥有效催化作用即可，在后续步骤中会通过透析去除。而盐酸多巴胺可添加过量，多余未反应的盐酸多巴胺会在后续透析中被去除。作为参考，所述EDC的添加量为1％g/mL，NHS的添加量为1.5％g/mL，所述盐酸多巴胺的加入量为0.5％g/mL。该三种物质为上述添加量时，在本制备方法中，催化剂能发挥较好的催化效果，使反应接枝率高，盐酸多巴胺的加入量充足，改性产物SA-DA的收率高，且不会造成过多的盐酸多巴胺浪费，制备成本较低。

本发明还提供了所述促进骨修复复合水凝胶的用途，包括所述促进骨修复复合水凝胶在生物支架材料中的应用，优选为在骨修复支架材料中的应用。

本发明还提供了一种骨修复支架材料，所述骨修复支架材料由本发明所述的促进骨修复复合水凝胶形成。

优选地，所述骨修复支架材料上还负载有促进骨修复的生物活性因子和/或药物。

优选地，所述生物活性因子包括血小板源性生长因子(PDGF)。PDGF具有促进骨形成细胞的迁移募集、分裂增殖、分化及局部血液循环的重建等重要功能，其与本发明的复合水凝胶结合成缓释系统，能有效加快骨折愈合、促进骨缺损的连接。

优选地，所述骨修复支架材料的制备方法为：将甲基丙烯酸改性明胶和多巴胺改性海藻酸钠分别溶于溶剂中制成甲基丙烯酸改性明胶溶液和多巴胺改性海藻酸钠溶液，将甲基丙烯酸改性明胶溶液和多巴胺改性海藻酸钠溶液混合，加入促进骨修复的生物活性因子和/或药物，然后通过光交联制得所述骨修复支架材料。

优选地，所述生物活性因子和/或药物的添加量为0.15％w/v～0.3％w/v。生物活性因子和药物的添加量控制在上述范围时，可使水凝胶具有较好的骨修复效果，且不会产生副作用。若生物活性因子和药物的添加量过高，会因药物浓度过高而引发副作用，若添加量过低，则会影响水凝胶的骨修复效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的复合水凝胶是一种理想的骨修复支架材料，其具有适合的力学性能和优异的粘性，可保证水凝胶不会从伤口处脱落，还可保证水凝胶不会因力学性能过小而导致破碎，也不会因力学性能过大而导致过硬、造成伤口不适等，其还具有良好的生物相容性和降解性能，使用安全。体外实验结果表明，本发明的复合水凝胶能负载并缓释促进骨修复的生物活性因子和/或药物，并在骨缺损模型中表现出良好的修复效果，能够显著促进骨缺损伤口的愈合。

附图说明

图1为SA、DA和SA-DA紫外吸收光谱图；

图2为Gel和GelMA的核磁氢谱图；

图3为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4制备的GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶的溶胀性能曲线图；

图4为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4制备的GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶的降解曲线图；

图5为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4～7制备的复合水凝胶的压缩强度测试图；

图6为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4～7制备的复合水凝胶的粘性强度测试图；

图7为实施例3制备的GelMA水凝胶、实施例5制备的GelMA/1％SA-DA复合水凝胶和实施例8制备的GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料的生物相容性测试结果；

图8为GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料的体外药物释放曲线。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。

实施例中使用的PBS溶液的浓度为0.01M，pH＝7.4。

实施例1

甲基丙烯酸改性明胶(GelMA)的制备：称取5g固体明胶于100mL纯水中，60℃水浴搅拌溶解，配成5％w/v的明胶溶液。量取3mL甲基丙烯酸酐，将其溶于15mL纯水中，配成甲基丙烯酸酐溶液。将甲基丙烯酸酐溶液缓慢滴加至明胶溶液中，60℃水浴搅拌反应4h。反应完毕后，将混合溶液稀释成含明胶2.5％w/v的溶液，然后用8000～12000Da透析袋在纯水中进行透析，最后-50℃冷冻干燥，即得GelMA。

实施例2

多巴胺改性海藻酸钠(SA-DA)的制备：称取1g海藻酸钠溶于100mL去离子水中，配成1％w/v的海藻酸钠溶液。称取1.0g EDC加入海藻酸钠溶液中，调节pH为5.5，活化15min，然后加入1.5g NHS，搅拌15min后，快速加入0.5g盐酸多巴胺，然后用浓度为0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸溶液调节反应体系的pH并将pH值控制在5～6之间，氮气保护下室温反应12h，用pH＝5.5的盐酸溶液透析1日，再用蒸馏水透析2日(截留分子量：8000～15000Da)，最后-50℃冷冻干燥，即得SA-DA。

实施例3

GelMA水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为10％w/v的GelMA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA水凝胶。

实施例4

GelMA水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为8％w/v的GelMA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA水凝胶。

实施例5

GelMA水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为12％w/v的GelMA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA水凝胶。

实施例6

GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为15％w/v的GelMA溶液。将实施例2制备的SA-DA溶于PBS溶液中，配成浓度为1.5％w/v的SA-DA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液和0.1mL上述SA-DA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，轻轻搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶。

实施例7

GelMA/1％SA-DA复合水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为15％w/v的GelMA溶液。将实施例2制备的SA-DA溶于PBS溶液中，配成浓度为3％w/v的SA-DA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液和0.1mL上述SA-DA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，轻轻搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA/1％SA-DA复合水凝胶。

实施例8

GelMA/1.5％SA-DA复合水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为15％w/v的GelMA溶液。将实施例2制备的SA-DA溶于PBS溶液中，配成浓度为4.5％w/v的SA-DA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液和0.1mL上述SA-DA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，轻轻搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA/1.5％SA-DA复合水凝胶。

实施例9

GelMA/2％SA-DA复合水凝胶的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为15％w/v的GelMA溶液。将实施例2制备的SA-DA溶于PBS溶液中，配成浓度为6％w/v的SA-DA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液和0.1mL上述SA-DA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.1％w/v的光引发剂LAP，轻轻搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA/2％SA-DA复合水凝胶。

实施例10

GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料的制备：将实施例1制备的GelMA溶于PBS溶液中，配成浓度为15％w/v的GelMA溶液。将实施例2制备的SA-DA溶于PBS溶液中，配成浓度为3％w/v的SA-DA溶液。将0.2mL上述GelMA溶液和0.1mL上述SA-DA溶液置于48孔细胞孔板中，添加0.2％w/vPDGF，再添加0.1％w/v的光引发剂LAP，轻轻搅拌均匀后用紫外灯照射1min，即得GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料。

实验例

1、紫外测试

分别称取1mg SA、DA和实施例2制备的SA-DA，分别配成1mg/mL的溶液，用紫外分光光度计于190～400nm的波长范围内测定样品溶液的吸光度。

图1为SA、DA和SA-DA紫外吸收光谱图，从图中可发现，DA在280nm处有强吸收，归因为DA分子结构中苯环的存在；而SA-DA在276nm处出现强吸收，是因为SA与DA反应生成酰胺键，酰胺键为吸电子基团，使得苯环上电子云密度降低，导致其吸收波长发生蓝移。此处可证明DA已成功接枝于SA上。

2、¹H NMR测试

分别称取Gel和实施例1制备的GelMA样品10mg，溶于氘代重水，核磁共振仪检测¹HNMR。

图2为Gel和GelMA的核磁氢谱图，从图中可发现，在化学位移为5～6之间出现两吸收峰，归属于甲基丙烯酸烯键上氢的吸收峰，可证明甲基丙烯酸成功接枝于Gel上。

3、溶胀率测试

用天平称量水凝胶的重量，记为W₀，将水凝胶置于PBS(0.01M，pH＝7.4)溶液中，在特定的时间点，用稍微润湿的滤纸(润湿不易损伤凝胶)迅速拭去水凝胶表面的水分，称重，记为W_s。每个样品平行做三次实验，求其平均值，样品溶胀率按照如下公式计算：

其中，W₀为水凝胶的初始重量(g)；W_s为吸水后水凝胶的重量(g)；X为水凝胶的溶胀率(％)。

图3为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4制备的GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶的溶胀性能曲线图。从图中可发现，惨杂了SA-DA的复合水凝胶相比于纯GelMA水凝胶的溶胀率略有增加，两者溶胀率相差不大，且溶胀率在50％左右，这一溶胀率既能保证在骨损伤处吸收掉多余的水分，又能保证其不会过度膨胀引起伤口处肿胀不适。

4、水凝胶降解性能测试

将水凝胶从模具中脱模后称其质量，记为W0，再将其浸泡在PH＝7.4的PBS溶液中，置于恒温摇床(37℃，70rpm)。在测量的时间点(1、3、7、14、21天)，取出水凝胶，用稍微润湿的滤纸快速拭去水凝胶表面的水分，准确称取质量，记为W1。采用公式计算出降解后重量比率：

图4为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4制备的GelMA/0.5％SA-DA复合水凝胶在PH＝7.4的PBS溶液中的降解曲线。从图中可发现，水凝胶基本上能够维持两周，这也保证了水凝胶不至于降解过快导致骨损伤处缺乏支撑物，同时也不会因为降解时间过长影响骨细胞生长。

5、水凝胶的压缩模量测试

使用游标卡尺测量水凝胶的直径和长度，在40％形变内，以1mm/min的形变速率，采用电子万能试验机测试样品的压缩弹性模量。

图5为实施例3～5制备的GelMA水凝胶和实施例6～9制备的复合水凝胶的压缩强度测试图。从图中可发现，当GelMA浓度为10％时，GelMA水凝胶压缩强度最大，加入SA-DA后水凝胶的压缩强度略有增强，应该是SA-DA与GelMA之间氢键相互作用的原因，当水凝胶中SA-DA的浓度为1％w/v时压缩强度增加最大。

6、水凝胶粘附性能测试

取两块长宽分别为80mm和18mm的猪皮，然后将水凝胶裁剪成长、宽、高分别为28mm、18mm和1.9mm，在37℃条件下，用材料力学试验机测量水凝胶对猪皮的粘附力。

图6为实施例3制备的GelMA水凝胶和实施例4～7制备的复合水凝胶的粘性强度测试图。从图总可看出，纯GelMA水凝胶基本上没什么粘性，添加了SA-DA后，水凝胶的粘性明显增加，当水凝胶中SA-DA的浓度为1％w/v时粘性增加趋势较大，当继续增加SA-DA浓度时，粘性增加不明显。

7、生物相容性测试

分别以实施例3制备的GelMA水凝胶、实施例5制备的GelMA/1％SA-DA复合水凝胶和实施例8制备的GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料为实验材料。

将培养的间充质干细胞用0.25％胰酶消化悬浮后，以每孔密度为2×10⁴个/mL的细胞悬液接种在48孔板上。培养12h后取出原培养液，并分别在每孔皿中加入加入500μL实验材料浸提液，以只添加500μL完全培养基为空白对照组。每组至少设5孔。每隔24h换液一次，实验设置24h、48h、72h三个时间点。具体操作方法如下：

细胞存活率：采用CCK8定量分析细胞的存活率。在指定的时间间隔取出相应的孔板，每孔加100μL CCK8工作液，，在37℃恒温二氧化碳培养箱(含5％的CO₂)中孵育1～2h后，用酶标仪在450nm波长处测定吸光度(OD)，按照公式计算细胞存活率：

细胞存活率(％)＝OD_实验组/OD_对照组×100％

图7为实施例3制备的GelMA水凝胶、实施例5制备的GelMA/1％SA-DA复合水凝胶和实施例8制备的GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料的生物相容性测试结果。从图中可发现，GelMA及GelMA/1％SA-DA水凝胶的细胞存活率相对于空白对照组要小，但两者的细胞存活率都超过了80％，证明水凝胶材料基本上是无毒的。而GelMA/1％SA-DA/PDGF材料的细胞存活率超过了100％，说明其具有促进细胞增殖的效果。

8、体外药物释放测试

将实施例8制备的GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料加入到10mL PBS溶液中，放置在37℃恒温摇床中，在特定的时间点取出1mL溶液后加入1mL新的PBS以保持10mLPBS溶液体积不变，用PDGF试剂盒测定PDGF的浓度，对载药水凝胶的释放行为进行连续7天测定。

图8为GelMA//1％[email protected]骨修复支架材料的体外药物释放曲线，从图中可看出，支架材料在第一天释放较多，而到了第三天后基本释放完全，PDGF最终释放量为75％左右，还有部分PDGF未释放出来，应该是被水凝胶包封住的缘故。由此证明，本发明的复合水凝胶能负载并缓释PDGF。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。