CN110760103B - 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途 - Google Patents

一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途 Download PDF

Info

Publication number
CN110760103B
CN110760103B CN201911101361.4A CN201911101361A CN110760103B CN 110760103 B CN110760103 B CN 110760103B CN 201911101361 A CN201911101361 A CN 201911101361A CN 110760103 B CN110760103 B CN 110760103B
Authority
CN
China
Prior art keywords
collagen
solution
cnc
hydrogel
aldehyde
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911101361.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110760103A (zh
Inventor
肖芸
张爽
黄丹阳
林海
张兴栋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201911101361.4A priority Critical patent/CN110760103B/zh
Publication of CN110760103A publication Critical patent/CN110760103A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110760103B publication Critical patent/CN110760103B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/24—Collagen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/06—Flowable or injectable implant compositions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2301/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2301/04—Oxycellulose; Hydrocellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2389/00—Characterised by the use of proteins; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2401/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2401/02—Cellulose; Modified cellulose
    • C08J2401/04—Oxycellulose; Hydrocellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2489/00—Characterised by the use of proteins; Derivatives thereof

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明公开了一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途，由醛基改性的纤维素纳米晶和胶原蛋白复合制得，本发明黏弹性水凝胶具备良好的黏弹性和高的机械强度，可很好的保护凝胶内的活细胞，可作为细胞负载介质，同时还具备良好的剪切变稀的性质，具有良好的可注射性，可用于制备细胞注射介质材料、细胞负载的3D打印材料、药物载体材料、细胞保护材料等；同时制备方法简单，原料便宜易得，实际操作方便快捷，且保存条件不严苛，适于推广应用和大批量生产。

Description

一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及可注射水凝胶领域，特别是涉及一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途。
背景技术
关节软骨缺损是临床上常见的一种疾病，由于软骨组织处于无血管、无神经支配、无淋巴回流的环境中，其自我修复能力有限，软骨一旦被损伤，将难以再生。
传统的治疗方法包括自体细胞移植、微骨折、关节置换等，其中自体细胞移植的方法由于细胞来源有限，且易造成取材部位的损伤或功能障碍，使其应用受到很大限制；而微骨折的方案诱导形成的软骨为纤维状，我们正常的软骨组织是由透明软骨组成，纤维状软骨的力学性能较差，不能承受关节处的力学载荷，使得修复能力降低；传统的关节置换手术，可能会造成继发性损伤，有较大的翻修风险，治疗效果不能令人满意。
幸运的是，组织工程为软骨缺损的修复提供了一个新的方向，组织工程中的支架包含细胞、支架和调控因子三个要素，现研究者已经证明它在修复、替换人体损伤或坏死的组织和器官中存在较大的潜力，然而植入支架通常需要进行开放性手术，会造成较大的创伤面积，在临床上可能导致严重的感染和临床手术并发症，从而降低修复效果。
随着临床微创关节镜手术和细胞疗法的发展，许多研究者提出通过注射器将细胞注射到缺损部位来进行组织的修复，将细胞在缓冲液中作为细胞悬液来进行注射。然而，在注射过程中，细胞在注射器的不同位置会受到不同程度的剪切应力、压力等，会导致细胞大量死亡。此外，少数能够精准定位到缺陷部位的细胞也是处于游离态的，很可能被关节液冲走，从而降低疗效。
因此，由于未能有合适的注射介质，细胞治疗在微创软骨再生中的运用十分有限。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途，具备黏弹性，能够保护细胞。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种黏弹性水凝胶，包括醛基改性纤维素纳米晶4~6 mg/mL、胶原蛋白4~6mg/mL和水；所述醛基改性纤维素纳米晶是纤维素纳米晶结构中的至少一个羟基被氧化成醛基后得到的物质。
发明人意外地发现，将醛基改性纤维素纳米晶与胶原蛋白混合后制得的水凝胶，具备良好的剪切变稀能力，具有良好的注射性和自愈合性，说明醛基改性纤维素纳米晶中的醛基能与胶原蛋白中的氨基发生席夫碱（亚胺）键的反应，使席夫碱与醛、胺类反应物之间达到动态平衡。
由于水凝胶中反应处于动态平衡，原料和产物的实时浓度难以测量，本发明中，所述黏弹性水凝胶中的醛基改性纤维素纳米晶或胶原蛋白的浓度，均是指原料中醛基改性纤维素纳米晶或胶原蛋白的质量除以水凝胶总体积得到的浓度。
令人惊喜的是，发明人还发现，将醛基改性纤维素纳米晶和胶原蛋白组合后制得的水凝胶，具备好的黏弹性，具体表现为较高的弹性模量和较强的应力松弛能力，可在凝胶受到外界应力的情况下，抵抗应力保护凝胶内的物质。
进一步地，所述醛基改性纤维素纳米晶是纤维素纳米晶的部分或全部葡萄糖单元中的2,3位羟基被氧化为醛基后得到的物质。
本发明中采用NaIO4把纤维素纳米晶中的2,3位羟基氧化为醛基，反应原理如下：
Figure 615211DEST_PATH_IMAGE001
进一步地，所述醛基改性纤维素纳米晶的醛基含量为10~20%。
所述醛基含量是指醛基改性纤维素纳米晶的葡萄糖单元中被氧化的葡萄糖单元的占比。
所述胶原蛋白为I型胶原蛋白，优选牛源I型胶原蛋白。
在本发明的具体实施方式中，所述醛基改性纤维素纳米晶：胶原蛋白的质量比值为0.8~1.2。
本发明还提供了上述黏弹性水凝胶的制备方法，包括如下内容：将醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液混合得到。
在本发明的具体实施方式中，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液或胶原蛋白溶液的溶剂均为PBS缓冲液。
进一步地，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液的浓度为8~12mg/mL，所述胶原蛋白溶液的浓度为8~12 mg/mL。
进一步地，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液的pH值为5~8，所述胶原蛋白溶液的pH值为5~8。
在本发明的具体实施方式中，混合醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液制备本发明黏弹性水凝胶，是采用两个针筒注射器分别吸取醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液，推动注射器注射到相同区域使其混合。
本发明黏弹性水凝胶的制备中，醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液的混合不限于采用上述的针筒注射器，凡是具备相同功能或能实现相同目的装置均可适用于本发明，如双针筒注射器等。
本发明还提供了上述黏弹性水凝胶在制备注射介质材料、药物载体材料、细胞保护材料中一种或几种的用途。
由于本发明黏弹性具备良好的黏弹性、高的机械强度和好的可注射性能，可作为注射介质材料或药物载体材料等可装载物质进行运输或转移的介质材料。
所述注射介质材料或药物载体材料中装载的物质，可以是根据使用或功效的需要，添加的化药、各类提取物、细胞、填充物（如骨修复材料）等固体或液体形式的有效物质。
本发明通过试验证明，本发明黏弹性水凝胶具备良好的黏弹性和高低机械强度，能更好的保护细胞，提高细胞在介质中的存活率，则本发明黏弹性水凝胶可用于制备需要保护细胞存活的材料，用于细胞的转移等过程中。
进一步地，所述注射介质为细胞注射介质材料。
本发明的有益效果是：
（1）本发明醛基改性纤维素纳米晶与胶原蛋白复合的水凝胶，具有良好的黏弹性和高的机械强度，具有可注射性，同时可保护凝胶内的物质，可用于制备注射介质材料、药物载体材料、细胞保护材料等。
（2）本发明水凝胶由于具有很好的黏弹性和高的机械强度，可很好的保护凝胶内的活细胞，可作为细胞负载介质，可用于制备细胞注射介质材料、细胞负载的3D打印材料等。
（3）本发明水凝胶制备方法简单，原料便宜易得，不需要使用昂贵的仪器设备，制备方法危险系数低，实际操作方便快捷，能够在较短的时间内制备出大量的具有良好黏弹性的可注射水凝胶，且保存条件不严苛，适于推广应用和大批量生产。
附图说明
图1是CNC、a-CNC、胶原和a-CNC/胶原水凝胶的红外光谱图；
图2是两种水凝胶截面的SEM图像：（A）CNC/胶原水凝胶，（B）a-CNC/胶原水凝胶；
图3是两种水凝胶的压缩性能：（A）两种水凝胶的应力应变曲线，（B）两种水凝胶的弹性模量；
图4是两种水凝胶的流变学性能：（A）两种水凝胶的储能模量，（B）两种水凝胶的黏度流动曲线，（C）两种水凝胶的应力松弛曲线，（D）两种水凝胶的应力松弛时间；
图5是两种水凝胶的注射性能：（A）CNC/胶原水凝胶，（B）a-CNC/胶原水凝胶；
图6是两种水凝胶包载水凝胶注射之后进行FDA/PI染色后共聚焦成像：（A）a-CNC/胶原水凝胶，（B）CNC/胶原水凝胶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1、醛基改性纤维素纳米晶溶液的制备：
1）称取同质量的纤维素纳米晶（CNC）和NaIO4。
2）取足够去离子水溶解CNC和NaIO4，加入稀硫酸（浓度0.1mol/L）调节pH=3。
3）在40℃恒温避光条件下水浴，同时搅拌，反应3h。
4）反应完毕，用去离子水将样品离心，再用4000目透析袋透析三天（每2h换一次去离子水），直至无IO3 —残留：先在淀粉碘化钾试纸上滴加少量离心后的上层清液，在滴加少量稀硫酸，直至试纸不变色为止；对透析后的样品进行滴定，测得醛基含量为16.27%。
5）样品冷冻干燥得醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）。
6）将醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）溶解到一定体积的PBS中，制得a-CNC浓度为10mg/mL的a-CNC溶液，再调节a-CNC溶液的pH为7。
2、胶原溶液的制备：
将胶原蛋白溶解到一定体积的PBS中，制得胶原浓度为10mg/mL的胶原溶液，调混合溶液的pH为7，在冰浴下放置半小时进行预聚合得到胶原溶液。
3、黏弹性可注射水凝胶的制备：
在室温条件下，用两个针筒注射器分别取相同体积的胶原溶液和a-CNC溶液，推动注射器使两溶液在一容器中混合，缓慢混合半分钟使两者充分混匀、反应即得本发明a-CNC/胶原水凝胶。
实施例2
1、醛基改性纤维素纳米晶溶液的制备：
1）称取同质量的纤维素纳米晶（CNC）和NaIO4。
2）取足够去离子水溶解CNC和NaIO4，加入稀硫酸（浓度0.1mol/L）调节pH=3。
3）在40℃恒温避光条件下水浴，同时搅拌，反应3h。
4）反应完毕，用去离子水将样品离心，再用4000目透析袋透析三天（每2h换一次去离子水），直至无IO3 —残留：先在淀粉碘化钾试纸上滴加少量离心后的上层清液，在滴加少量稀硫酸，直至试纸不变色为止；对透析后的样品进行滴定，测得醛基含量为16.27%。
5）样品冷冻干燥得醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）。
6）将醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）溶解到一定体积的PBS中，制得a-CNC浓度为8mg/mL的a-CNC溶液，再调节a-CNC溶液的pH为5。
2、胶原溶液的制备：
将胶原蛋白溶解到一定体积的PBS中，制得胶原浓度为8mg/mL的胶原溶液，调混合溶液的pH为8，在冰浴下放置半小时进行预聚合得到胶原溶液。
3、黏弹性可注射水凝胶的制备：
在室温条件下，用两个针筒注射器分别取相同体积的胶原溶液和a-CNC溶液，推动注射器使两溶液在一容器中混合，缓慢混合半分钟使两者充分混匀、反应即得本发明a-CNC/胶原水凝胶。
实施例3
1、醛基改性纤维素纳米晶溶液的制备：
1）称取同质量的纤维素纳米晶（CNC）和NaIO4。
2）取足够去离子水溶解CNC和NaIO4，加入稀硫酸（浓度0.1mol/L）调节pH=3。
3）在40℃恒温避光条件下水浴，同时搅拌，反应3h。
4）反应完毕，用去离子水将样品离心，再用4000目透析袋透析三天（每2h换一次去离子水），直至无IO3 —残留：先在淀粉碘化钾试纸上滴加少量离心后的上层清液，在滴加少量稀硫酸，直至试纸不变色为止；对透析后的样品进行滴定，测得醛基含量为16.27%。
5）样品冷冻干燥得醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）。
6）将醛基改性之后的纤维素纳米晶固体（a-CNC）溶解到一定体积的PBS中，制得a-CNC浓度为12mg/mL的a-CNC溶液，再调节a-CNC溶液的pH为8。
2、胶原溶液的制备：
将胶原蛋白溶解到一定体积的PBS中，制得胶原浓度为12mg/mL的胶原溶液，调混合溶液的pH为5，在冰浴下放置半小时进行预聚合得到胶原溶液。
3、黏弹性可注射水凝胶的制备：
在室温条件下，用两个针筒注射器分别取相同体积的胶原溶液和a-CNC溶液，推动注射器使两溶液在一容器中混合，缓慢混合半分钟使两者充分混匀、反应即得本发明a-CNC/胶原水凝胶。
实施例4
制备方法同实施例1，不同之处在于：a-CNC溶液的浓度为8 mg/mL，胶原溶液的浓度为10 mg/mL。
实施例5
制备方法同实施例1，不同之处在于：a-CNC溶液的浓度为12mg/mL，胶原溶液的浓度为10 mg/mL。
试验例1
对实施例1制备得到的黏弹性可注射水凝胶进行力学性能和注射性能检测，以及细胞实验的检测；并使用CNC即未醛基改性纤维素纳米晶，溶解到一定体积的PBS中，制得CNC浓度为10mg/mL的CNC溶液，调混合溶液的pH为7，再用实施例1相同的方法与相同的胶原溶液复合制备得到CNC/胶原水凝胶作为对照组检测。
1、红外检测
实施例1是将同体积的胶原与a-CNC溶液在37℃、中性pH条件下，30秒内混合均匀，制得a-CNC/胶原水凝胶，用红外光谱对a-CNC、CNC和本发明制备得到的a-CNC/胶原水凝胶进行检测，结果见图1。
如图1所示，与CNC相比，a-CNC在1720cm-1左右出现了一个新的吸收峰，这是醛基的特征峰。胶原水凝胶中出现了1646cm-1处的特征吸收峰，这是羧酸羰基的伸缩振动峰。与纯胶原相比，a-CNC/胶原谱在1652cm-1左右有一个新的峰，胶原中羧酸羰基的伸缩振动峰消失，这证实了胶原与a-CNC成功交联形成席夫碱键（亚胺键），表明CNC已成功地被修饰成a-CNC，并形成a-CNC/胶原水凝胶。
2、扫描电镜
将a-CNC/胶原水凝胶、CNC/胶原水凝胶分别用扫描电镜检测，结果图2所示，SEM图像显示了两种水凝胶的横截面，经冻干后，a-CNC/胶原水凝胶和CNC/胶原水凝胶均获得了多孔结构。两种凝胶均有分布的孔隙，证明了两种凝胶均存在交联现象。此外，与a-CNC/胶原水凝胶相比，CNC/胶原水凝胶孔隙更大，结构更松散，交联密度更低。a-CNC/胶原水凝胶和CNC/胶原水凝胶的横断面图像显示了相互连接的多孔支架，有利于水分的吸收。
3、压缩试验
将复合水凝胶制成高度为3.00 mm，直径为10.00 mm的圆柱形状，将制备的样品（n= 3）浸入PBS中48小时，以使水凝胶保持在平衡溶胀状态，以适应机械的压缩试验。使用动态机械分析仪（DMA，TA-Q800，美国）在室温下以压缩模式表征水凝胶的弹性模量。 测试参数设置为40 mm的振幅，0.002 N的预紧力，1 Hz的固定频率和105％的力轨迹。
试验结果如图3所示，从图3中的应力-应变曲线看出，两种水凝胶的应变均与压缩应力成正比。对应力-应变曲线的线性部分进行拟合后，取曲线上应变为5%处的斜率作为弹性模量。计算得到的a-CNC/胶原水凝胶弹性模量大于CNC/胶原水凝胶弹性模量，分别约为0.5 kPa和0.4 kPa，两种水凝胶的弹性模量数据存在的显著差异。
4、流变学实验
两种水凝胶制备完成后，在37℃下平衡10分钟，使用流变仪MCR302首先对两种水凝胶进行应变和扫频实验，以表征37℃下CNC /胶原水凝胶和a-CNC/胶原水凝胶的应力松弛和剪切变稀性质。
频率扫描实验是在1到100 Hz的频率和1％的恒定应变下进行的。在1 Hz下进行了应变扫描，应变范围为0.01％至100％。结果表明，在1％的应变和1 Hz的频率下，水凝胶表现出线性黏弹性响应，这些条件用于水凝胶的流变学表征。
选择模板“应力松弛”，设置剪切应变为1％的恒定值，温度为37℃，进行应力松弛实验，分别确定两种水凝胶的应力松弛曲线和应力松弛时间。
选择模板“黏度与流动曲线”，设置温度为37℃，剪切速率为0.01-100s-1，分别确定两者的剪切变稀曲线。
试验结果如图4所示，在频率扫描模式中，我们取1Hz、5Hz、10Hz频率下的储存模量平均值作为该频率下水凝胶的储能模量。从图4（A）可以看出，a-CNC/胶原水凝胶的储能模量明显大于CNC/胶原水凝胶；图4（B）则表明a-CNC/胶原水凝胶较CNC/胶原水凝胶具有更好的剪切变稀能力，说明a-CNC/胶原水凝胶具备更好的可注射性能。
取应力松弛曲线上的应力下降为原来的一半对应的时间点为应力松弛时间，结果如图4（C）所示，a-CNC/胶原水凝胶具有更短的应力松弛时间，说明a-CNC/胶原水凝胶具有更强的应力松弛能力，说明a-CNC/胶原水凝胶具有好的黏弹性，可更好的保护细胞。
5、注射性能
分别把两种水凝胶置入注射器进行注射实验，如图5所示，CNC/胶原水凝胶立即形成许多连续的微小水滴状水凝胶，在37℃PBS溶液中均匀分散，水凝胶内的台盆蓝染料没有逸出，PBS溶液澄清。与对照组相反，稳定挤压入PBS溶液的a-CNC/胶原水凝胶无连续性断裂，内部台盼蓝染料无渗出，说明a-CNC/胶原水凝胶具有良好的有效载荷保持能力和较好的注射性。此外，如图5所示，两种水凝胶表现出不同的稳定性：强烈震动和倒置后的玻璃瓶中CNC/胶原水凝胶被划分成许多碎片,分散和悬浮在PBS溶液中，a-CNC/胶原水凝胶的PBS溶液中几乎没有碎片，稳定性较好，表明本发明a-CNC/胶原水凝胶具有良好的可注射性和稳定性，可更好的保护内容物。
6、装载细胞注射后即时的活死检测
采用兔源间充质干细胞进行装载细胞注射后即时的活死检测，将相同浓度的a-CNC悬浮液和CNC悬浮液分别与胶原溶液和细胞悬浮液混合，以构建两种细胞载水凝胶溶液，两者的细胞密度都为500000个细胞/ mL，再将水凝胶用带针的注射器（针的尺寸为26gauge）吸取，然后注入硅胶模具中，以形成直径为1cm，高度为3mm的圆盘。在充满细胞的水凝胶注入并形成后，立即用FDA/PI对复合水凝胶上附着的MSC进行染色，以鉴定活细胞还是死细胞。向每个水凝胶盘中加入2 mL分析溶液，并在室温下孵育2分钟，然后通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对细胞成像，以检查MSC的存活状态。
试验结果如图6所示，间充质干细胞在a-CNC/胶原水凝胶和CNC/胶原水凝胶中均表现出良好的活性，说明水凝胶无细胞毒性。此外，如图6所示，CNC/胶原水凝胶中的死细胞量大于a-CNC/胶原水凝胶，这说明a-CNC/胶原水凝胶可以在注射过程中更好的保护细胞，提高细胞的存活率。
综上所述，本发明a-CNC/胶原水凝胶弹性模量大、具有较强的应力松弛能力，进而具备优异的黏弹性和高的机械强度，可更好的保护被装载的细胞，使得细胞在注射后显示出更高的存活率，棒状的a-CNC在挤压过程中可以定向排列，进一步增强了聚合物网络，提高了机械稳定性，还具备良好的可注射性，使得本发明a-CNC/胶原水凝胶可用于制备细胞注射水凝胶、细胞装载介质等材料。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种黏弹性水凝胶在制备细胞注射介质材料中的用途，其特征在于，所述黏弹性水凝胶包括醛基改性纤维素纳米晶4~6 mg/mL、胶原蛋白4~6 mg/mL和水；所述醛基改性纤维素纳米晶是纤维素纳米晶结构中的至少一个羟基被氧化成醛基后得到的物质；所述醛基改性纤维素纳米晶是纤维素纳米晶的部分或全部葡萄糖单元中2,3位羟基被氧化为醛基后得到的物质；所述醛基改性纤维素纳米晶的醛基含量为10~20%；所述醛基改性纤维素纳米晶：胶原蛋白的质量比值为0.8~1.2。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述胶原蛋白为I型胶原蛋白。
3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，所述I型胶原蛋白为牛源I型胶原蛋白。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述黏弹性水凝胶的制备方法包括如下内容：将醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液混合得到。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液或胶原蛋白溶液的溶剂均为PBS缓冲液。
6.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液的浓度为8~12mg/mL，所述胶原蛋白溶液的浓度为8~12 mg/mL。
7.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述醛基改性纤维素纳米晶溶液的pH值为5~8，所述胶原蛋白溶液的pH值为5~8。
8.根据权利要求4~7任一项所述的用途，其特征在于，采用两个针筒注射器分别吸取醛基改性纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白溶液，推动注射器注射到相同区域使其混合。
CN201911101361.4A 2019-11-12 2019-11-12 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途 Active CN110760103B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911101361.4A CN110760103B (zh) 2019-11-12 2019-11-12 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911101361.4A CN110760103B (zh) 2019-11-12 2019-11-12 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110760103A CN110760103A (zh) 2020-02-07
CN110760103B true CN110760103B (zh) 2021-09-14

Family

ID=69337285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911101361.4A Active CN110760103B (zh) 2019-11-12 2019-11-12 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110760103B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113150319B (zh) * 2021-03-30 2022-07-05 武汉纺织大学 纤维素纳米晶体增强的高效自愈合水凝胶及其制备方法
CN113244453B (zh) * 2021-04-16 2022-04-19 北京科技大学 可控多级交联可注射热致相变水凝胶的制备方法及应用
CN113244454A (zh) * 2021-04-23 2021-08-13 杭州协合医疗用品有限公司 一种基于纤维素纳米晶须的胶原蛋白增强支架及制备方法
WO2023201431A1 (en) * 2022-04-21 2023-10-26 Oligo Médic Inc. Self-healing injectable super-lubricating hydrogels and biomedical applications thereof
WO2023237704A1 (en) 2022-06-08 2023-12-14 Allegro Nv Injectable hydrogel

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1944495A (zh) * 2006-09-29 2007-04-11 北京大学 含天然高分子的水凝胶及其辐射制备方法
CN103739861A (zh) * 2014-01-02 2014-04-23 河南理工大学 一种高强度水凝胶的制备方法
CN104004231A (zh) * 2014-06-12 2014-08-27 东南大学 一种生物大分子互穿网络水凝胶及其制备方法
CN104487103A (zh) * 2012-05-15 2015-04-01 泰克尼恩研究和发展基金有限公司 纤维增强水凝胶复合材料和形成纤维增强水凝胶复合材料的方法
CN105348545A (zh) * 2015-12-03 2016-02-24 郑州大学 一种制备超高强度明胶或胶原基复合水凝胶的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1944495A (zh) * 2006-09-29 2007-04-11 北京大学 含天然高分子的水凝胶及其辐射制备方法
CN104487103A (zh) * 2012-05-15 2015-04-01 泰克尼恩研究和发展基金有限公司 纤维增强水凝胶复合材料和形成纤维增强水凝胶复合材料的方法
CN103739861A (zh) * 2014-01-02 2014-04-23 河南理工大学 一种高强度水凝胶的制备方法
CN104004231A (zh) * 2014-06-12 2014-08-27 东南大学 一种生物大分子互穿网络水凝胶及其制备方法
CN105348545A (zh) * 2015-12-03 2016-02-24 郑州大学 一种制备超高强度明胶或胶原基复合水凝胶的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
氧化纤维素增强胶原水凝胶;张霞 等;《高等学校化学学报》;20151031;第36卷(第10期);第2040-2046页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110760103A (zh) 2020-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110760103B (zh) 一种黏弹性水凝胶及其制备方法和用途
Bi et al. In-situ forming thermosensitive hydroxypropyl chitin-based hydrogel crosslinked by Diels-Alder reaction for three dimensional cell culture
JP6762936B2 (ja) 軟骨修復のための移植片足場及びその製造方法
Yang et al. Mechanoadaptive injectable hydrogel based on poly (γ-glutamic acid) and hyaluronic acid regulates fibroblast migration for wound healing
KR101945938B1 (ko) 주입형 온도 감응성 키토산/목재 기반 산화 셀룰로오스 하이드로겔의 제조방법
CN108478867B (zh) 基于酰腙键的可注射高分子水凝胶、其制备方法及高分子水凝胶注射剂
Albanna et al. Improving the mechanical properties of chitosan-based heart valve scaffolds using chitosan fibers
CN105473622B (zh) 用于制造成形的交联的透明质酸产物的方法
Tang et al. Stable antibacterial polysaccharide-based hydrogels as tissue adhesives for wound healing
Wang et al. Dual-enzymatically crosslinked and injectable hyaluronic acid hydrogels for potential application in tissue engineering
Pan et al. Fabrication of modified dextran–gelatin in situ forming hydrogel and application in cartilage tissue engineering
Najberg et al. Aerogel sponges of silk fibroin, hyaluronic acid and heparin for soft tissue engineering: Composition-properties relationship
CN101474424A (zh) 高仿真组织工程神经修复材料ngcs及其制备方法
CN108853569A (zh) 一种共价交联透明质酸气凝胶及其水凝胶以及制备方法
CN110548171B (zh) 一种明胶基骨组织粘合剂、其制备方法和应用
Zhang et al. A highly transparent, elastic, injectable sericin hydrogel induced by ultrasound
Sigen et al. An injectable multi-responsive hydrogel as self-healable and on-demand dissolution tissue adhesive
CN111068116A (zh) 一种注射用软骨修复温敏凝胶及其制备方法
Tortorella et al. Biocompatible pectin-based hybrid hydrogels for tissue engineering applications
Ma et al. Bioinspired dual dynamic network hydrogels promote cartilage regeneration through regulating BMSC chondrogenic differentiation
CN112999418A (zh) 医用水凝胶组合物、医用水凝胶及其制备方法
Wang et al. Cellulose nanocrystal–fibrin nanocomposite hydrogels promoting myotube formation
Yu et al. Double network microcrystalline cellulose hydrogels with high mechanical strength and biocompatibility for cartilage tissue engineering scaffold
Ding et al. Photopolymerizable, immunomodulatory hydrogels of gelatin methacryloyl and carboxymethyl chitosan as all-in-one strategic dressing for wound healing
Wang et al. Elastic fiber-Reinforced silk fibroin scaffold with a Double-Crosslinking network for human ear-shaped cartilage regeneration

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant