基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料及其制备方法
阅读说明：本技术 基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料及其制备方法 (Bone defect repair material based on modified perovskite quantum dots/amino carbon quantum dots and preparation method thereof ) 是由 王文爽 沈文齐 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于改性钙钛矿量子点的骨缺损修复材料及其制备方法,包括以下质量百分比原料：羟基磷灰石20～30％、磷酸八钙10～20％、骨形态发生蛋白0.5～2％、胶原蛋白1～5％、硫酸软骨素0.5～2％、羧甲基壳聚糖3～5％、改性钙钛矿量子点溶液补足余量；改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的反应原料及质量份如下：钙钛矿量子点0.5～1.5份、二棕榈酰基磷脂酰乙醇胺8～16份、酸性氨基酸3～7份、还原型谷胱甘肽1～3份、EDC·HCl 0.5～1份、氯仿20～30份、去离子水100份。本发明首次在骨缺损修复材料中引入钙钛矿量子点、氨基碳量子点,利用量子点介导干细胞的转染,利用荧光显微成像技术监测干细胞行为变化；同时,诱导干细胞向成骨细胞和成软骨细胞方向分化,刺激骨细胞增殖再生。(The invention discloses a bone defect repairing material based on modified perovskite quantum dots and a preparation method thereof, wherein the bone defect repairing material comprises the following raw materials in percentage by mass: 20-30% of hydroxyapatite, 10-20% of octacalcium phosphate, 0.5-2% of bone morphogenetic protein, 1-5% of collagen, 0.5-2% of chondroitin sulfate, 3-5% of carboxymethyl chitosan and the balance of modified perovskite quantum dot solution; the modified perovskite quantum dot/amino carbon quantum dot solution comprises the following reaction raw materials in parts by mass: 0.5-1.5 parts of perovskite quantum dots, 8-16 parts of dipalmitoyl phosphatidylethanolamine, 3-7 parts of acidic amino acid, 1-3 parts of reduced glutathione, 0.5-1 part of EDC & HCl, 20-30 parts of chloroform and 100 parts of deionized water. According to the invention, perovskite quantum dots and amino carbon quantum dots are introduced into a bone defect repair material for the first time, quantum dots are utilized to mediate the transfection of stem cells, and a fluorescence microscopic imaging technology is utilized to monitor the behavior change of the stem cells; meanwhile, stem cells are induced to differentiate towards osteoblasts and chondroblasts, and the proliferation and regeneration of the osteocytes are stimulated.)
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料及其制备方法。
背景技术
骨缺损是在病理过程或手术过程中造成的骨质短缺，使骨的结构完整性被破坏。临床上，创伤、肿瘤、骨髓炎、各种先天性疾病以及外科手术等，都有可能导致骨缺损症状。由于骨缺损的存在，常造成骨不连接，延迟愈合或不愈合，及局部的功能障碍。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物理因子疗法等，但是，自体骨移植会造成二次创伤，异体骨移植可能引起免疫排斥现象，组织工程技术和基因治疗拒绝法仍处于实验室阶段，临床应用难度较高，物理因子疗法为辅助治疗，主要用于后期的复健。因此，为了满足临床应用需求，各类仿生骨修复材料应运而生。
骨修复材料是一类由人工合成、自固化成型、机械强度高、使用方便和生物学特性(无毒副作用、可以吸收和降解、生物相容性好、能诱导骨细胞和血管生长等)的新型骨修复材料。骨修复材料主要由羟基磷灰石、生物活性玻璃、纳米氧化铝等生物陶瓷颗粒与明胶、壳聚糖、聚乳酸或聚乙醇酸等复合而成，具有促进骨组织生长和实现骨整合的能力，并能在新骨再生后降解，进行替代修复。但是，在骨修复材料植入受损骨组织后，如何跟踪监测骨骼干细胞及骨髓间充质干细胞定位、分化情况以及骨组织的修复问题仍是临床应用的难题。
钙钛矿量子点作为一种半导体材料，具有合成简单、发射峰较窄、荧光量子效率高、发光峰位可调等特点，其拥有巨大的生物成像优势，在发光二极管、生物标记、荧光检测等领域具有应用前景。但是，钙钛矿量子点由于其强离子性、高表面能和亚稳结构而对环境高度敏感，易在极性溶剂或水、氧作用下，引起相转变、团聚甚至降解，从而引起荧光猝灭，尤其是以Sn2+为B位元素，在湿润的空气中，极易被氧化成Sn4+，加剧卤素空位和间隙金属的主要缺陷，进一步加速了钙钛矿结构的崩塌。由于钙钛矿量子点的稳定性差，极大地限制了其实际应用。
基于以上所述，本发明首次利用高稳定性、生物安全性的改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点制备具有荧光检测效果的骨缺损修复材料。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料及其制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料，包括以下质量份原料：
改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的原料及质量份如下：钙钛矿量子点0.5～1份、氨基碳量子点0.6～1.2份、磷脂酰丝氨酸8～16份、柠檬酸3～5份、还原型谷胱甘肽1～3份、EDC·HCl 0.5～1份、氯仿20～30份、去离子水100份；改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的制备方法为：
i：向氯仿溶剂中加入磷脂酰丝氨酸中，磁力搅拌至完全溶解后，再加入钙钛矿量子点，搅拌均匀后，60～70℃旋蒸去除氯仿，得到钙钛矿量子点脂质薄膜；
ii：将柠檬酸、还原型谷胱甘肽加入去离子水中，搅拌溶解后，再加入氨基碳量子点，40～50℃搅拌反应1～2h，得到氨基碳量子点反应液；
iii：将钙钛矿量子点脂质薄膜加入所得氨基碳量子点反应液中，搅拌分散后，再升温至50～60℃，加入EDC·HCl，继续搅拌反应2～4h，即得改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液。
优选的是，所述钙钛矿量子点包括CsPbCl3、CsPbBr3、CsPbI3、CsPbBr3-xClx、CsPbBr3-xIx、CsSnCl3、CsSnBr3、CsSnI3、CsSnBr3-xClx、CsSnBr3-xIx中的一种或多种。
优选的是，0＜x＜3。
优选的是，所述氯化钙溶液质量浓度为0.5～1％。
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料的制备方法，包括以下步骤：
S101：将骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素加入改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液中，搅拌反应0.5～1h后，得到A分散液；
S102：将羟基磷灰石、磷酸四钙加入A分散液中，浸渍吸附3～6h，并充分搅拌后，得到B分散浆液；
S103：将羟丙基壳聚糖、海藻酸钠加入B分散浆液中，45～60℃搅拌反应2～4h，再滴加氯化钙溶液，继续搅拌交联0.5～2h，即得所述的骨缺损修复材料。
本发明的有益效果：
1、本发明首次在骨缺损修复材料中引入钙钛矿量子点、氨基碳量子点，利用钙钛量子点、氨基碳量子点介导骨骼干细胞及骨髓间充质干细胞的转染，利用荧光显微成像技术监测干细胞定位、分化情况，实现缺损骨组织部位修复的整个过程进行追踪监控；同时，诱导干细胞向成骨细胞和成软骨细胞方向分化，刺激骨细胞增殖再生。
2、本发明首次利用磷脂酰丝氨酸、柠檬酸、还原型谷胱甘肽联合处理钙钛矿量子点、氨基碳量子点，提高量子点稳定性和生物安全性，利用磷脂酰丝氨酸包覆钙钛矿量子点，形成量子点脂质体，避免钙钛矿量子点与O2和极性溶剂直接接触，提高钙钛矿量子点荧光稳定性，并利用-NH2和-COOH间的酰胺化反应，使柠檬酸、还原型谷胱甘肽进一步修饰在量子点脂质体和氨基碳量子点表面，柠檬酸、还原型谷胱甘肽，均具有还原性，清除氧自由基，进一步防止钙钛矿量子点B位亚稳态元素氧化，避免钙钛矿结构的崩塌，提高荧光量子效率，同时，柠檬酸还具有优良的金属螯合性质，固定游离的金属离子Pb2+、Sn2+，进一步提高生物安全性。
3、本发明以羟基磷灰石和磷酸四钙为骨缺损修复材料的骨架结构，并作为量子点和生长类蛋白等活性成分的载体，羟基磷灰石和磷酸四钙利用两者与骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素、改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点之间的静电引力、氢键和范德华力作用，使量子点和生长类蛋白等活性成分吸附在羟基磷灰石和磷酸四钙表面，达到缓释效果，同时使羟基磷灰石和磷酸四钙富集大量-COOH和-NH2，-COOH与羟丙基壳聚糖中-NH2、-OH发生反应，-NH2与海藻酸钠中-COOH发生反应，形成相互交联的网络结构，进一步提高骨缺损材料的稳定性和药物缓释效果。
4、本发明骨缺损修复材料能有效键合受损骨组织界面，参与机体代谢循环，对骨细胞增殖、骨组织有刺激或诱导作用，进而，实现缺损骨组织的修复。
附图说明
图1为本发明基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以下实施例中的氨基碳量子点制备方法为：按质量份计数，将1份柠檬酸、10份聚乙烯亚胺溶解于200份去离子水中，置于反应釜中，180℃水热反应24h，透析、真空干燥后，即得氨基碳量子点。
实施例1
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料，包括以下质量份原料：
改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的原料及质量份如下：CsSnCl3钙钛矿量子点0.5份、氨基碳量子点0.6份、磷脂酰丝氨酸8份、柠檬酸3份、还原型谷胱甘肽1份、EDC·HCl 0.5份、氯仿20份、去离子水100份。
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料的制备方法，包括以下步骤：
S101：制备改性钙钛矿量子点溶液：
i：向氯仿溶剂中加入磷脂酰丝氨酸中，磁力搅拌至完全溶解后，再加入CsSnCl3钙钛矿量子点，搅拌均匀后，60℃旋蒸去除氯仿，得到钙钛矿量子点脂质薄膜；
ii：将柠檬酸、还原型谷胱甘肽加入去离子水中，搅拌溶解后，再加入氨基碳量子点，40℃搅拌反应1h，得到氨基碳量子点反应液；
iii：将钙钛矿量子点脂质薄膜加入所得氨基碳量子点反应液中，搅拌分散后，再升温至50℃，加入EDC·HCl，继续搅拌反应2h，即得改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液；
S102：将骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素加入改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液中，搅拌反应0.5h后，得到A分散液；
S103：将羟基磷灰石、磷酸四钙加入A分散液中，浸渍吸附3h，并充分搅拌后，得到B分散浆液；
S104：将羟丙基壳聚糖、海藻酸钠加入B分散浆液中，45℃搅拌反应2h，再滴加质量浓度为0.5％氯化钙溶液，继续搅拌交联0.5h，即得所述的骨缺损修复材料。
实施例2
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料，包括以下质量份原料：
改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的原料及质量份如下：CsSnBr3钙钛矿量子点0.8份、氨基碳量子点1.0份、磷脂酰丝氨酸12份、柠檬酸4份、还原型谷胱甘肽2份、EDC·HCl 1份、氯仿25份、去离子水100份。
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料的制备方法，包括以下步骤：
S101：制备改性钙钛矿量子点溶液：
i：向氯仿溶剂中加入磷脂酰丝氨酸中，磁力搅拌至完全溶解后，再加入CsSnBr3钙钛矿量子点，搅拌均匀后，65℃旋蒸去除氯仿，得到钙钛矿量子点脂质薄膜；
ii：将柠檬酸、还原型谷胱甘肽加入去离子水中，搅拌溶解后，再加入氨基碳量子点，45℃搅拌反应1.5h，得到氨基碳量子点反应液；
iii：将钙钛矿量子点脂质薄膜加入所得氨基碳量子点反应液中，搅拌分散后，再升温至55℃，加入EDC·HCl，继续搅拌反应3h，即得改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液；
S102：将骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素加入改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液中，搅拌反应1h后，得到A分散液；
S103：将羟基磷灰石、磷酸四钙加入A分散液中，浸渍吸附4.5h，并充分搅拌后，得到B分散浆液；
S104：将羟丙基壳聚糖、海藻酸钠加入B分散浆液中，55℃搅拌反应3h，再滴加质量浓度为0.8％氯化钙溶液，继续搅拌交联1h，即得所述的骨缺损修复材料。
实施例3
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料，包括以下质量份原料：
改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液的原料及质量份如下：CsSnI3钙钛矿量子点1份、氨基碳量子点1.2份、磷脂酰丝氨酸16份、柠檬酸5份、还原型谷胱甘肽3份、EDC·HCl1份、氯仿30份、去离子水100份。
一种基于改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点的骨缺损修复材料的制备方法，包括以下步骤：
S101：制备改性钙钛矿量子点溶液：
i：向氯仿溶剂中加入磷脂酰丝氨酸中，磁力搅拌至完全溶解后，再加入CsSnI3钙钛矿量子点，搅拌均匀后，70℃旋蒸去除氯仿，得到钙钛矿量子点脂质薄膜；
ii：将柠檬酸、还原型谷胱甘肽加入去离子水中，搅拌溶解后，再加入氨基碳量子点，50℃搅拌反应2h，得到氨基碳量子点反应液；
iii：将钙钛矿量子点脂质薄膜加入所得氨基碳量子点反应液中，搅拌分散后，再升温至60℃，加入EDC·HCl，继续搅拌反应4h，即得改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液；
S102：将骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素加入改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液中，搅拌反应1h后，得到A分散液；
S103：将羟基磷灰石、磷酸四钙加入A分散液中，浸渍吸附6h，并充分搅拌后，得到B分散浆液；
S104：将羟丙基壳聚糖、海藻酸钠加入B分散浆液中，60℃搅拌反应4h，再滴加质量浓度为1％氯化钙溶液，继续搅拌交联2h，即得所述的骨缺损修复材料。
对比例1与实施例1相同，区别在于，所述的量子点溶液的原料中不含氨基碳量子点。
对比例2与实施例1相同，区别在于，所述的量子点溶液的原料及质量份如下：氨基碳量子点0.6份、柠檬酸3份、还原型谷胱甘肽1份、EDC·HCl 0.5份、去离子水100份；其制备方法为：将柠檬酸、还原型谷胱甘肽加入去离子水中，搅拌溶解后，再加入氨基碳量子点，40℃搅拌反应1h，再升温至50℃，加入EDC·HCl，继续搅拌反应2h，即可。
对比例3与实施例1相同，区别在于，改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点溶液由去离子水代替。
实施例1～3及对比例1～2制出的骨缺损修复材料在320～500nm激发光照射下能光致发光，利用其荧光性质可对干细胞进行分子标记，进而监控其行为学变化，而对比例3制出的修复材料无发光特性。测定实施例1～3及对比例1～2制出的骨缺损修复材料的发光性能，试验结果如表1所示：
表1：
实施例1
实施例2
实施例3
对比例1
对比例2
发光量子产率/％
93.2
93.6
93.5
91.8
38.6
量子点荧光寿命/ns
20.6
20.8
20.6
17.2
4.1
实施例1～3首次在骨缺损修复材料中引入钙钛矿量子点、氨基碳量子点，利用钙钛量子点、氨基碳量子点介导骨骼干细胞及骨髓间充质干细胞的转染，利用荧光显微成像技术监测干细胞定位、分化情况，实现缺损骨组织部位修复的整个过程进行追踪监控；同时，诱导干细胞向成骨细胞和成软骨细胞方向分化，刺激骨细胞增殖再生。
实施例1～3首次利用磷脂酰丝氨酸、柠檬酸、还原型谷胱甘肽联合处理钙钛矿量子点、氨基碳量子点，提高量子点稳定性和生物安全性，利用磷脂酰丝氨酸包覆钙钛矿量子点，形成量子点脂质体，避免钙钛矿量子点与O2和极性溶剂直接接触，提高钙钛矿量子点荧光稳定性，并利用-NH2和-COOH间的酰胺化反应，使柠檬酸、还原型谷胱甘肽进一步修饰在量子点脂质体和氨基碳量子点表面，柠檬酸、还原型谷胱甘肽，均具有还原性，清除氧自由基，进一步防止钙钛矿量子点B位亚稳态元素氧化，避免钙钛矿结构的崩塌，提高荧光量子效率，同时，柠檬酸还具有优良的金属螯合性质，固定游离的金属离子Pb2+、Sn2+，进一步提高生物安全性。
实施例1～3以羟基磷灰石和磷酸四钙为骨缺损修复材料的骨架结构，并作为量子点和生长类蛋白等活性成分的载体，羟基磷灰石和磷酸四钙利用两者与骨骼生长因子、胶原蛋白、硫酸软骨素、改性钙钛矿量子点/氨基碳量子点之间的静电引力、氢键和范德华力作用，使量子点和生长类蛋白等活性成分吸附在羟基磷灰石和磷酸四钙表面，达到缓释效果，同时使羟基磷灰石和磷酸四钙富集大量-COOH和-NH2，-COOH与羟丙基壳聚糖中-NH2、-OH发生反应，-NH2与海藻酸钠中-COOH发生反应，形成相互交联的网络结构，进一步提高骨缺损材料的稳定性和药物缓释效果。
实施例1～3骨缺损修复材料能有效键合受损骨组织界面，参与机体代谢循环，对骨细胞增殖、骨组织有刺激或诱导作用，进而，实现缺损骨组织的修复。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。