CN113101420A - 一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架和制备方法 - Google Patents

一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光交联海藻酸盐‑聚酰胺复合水凝胶支架和制备方法，制备方法包括以下步骤，将海藻酸盐与去离子水和光引发剂混合后得到第一溶液；将聚酰胺与去离子水混合后得到第二溶液；第一溶液和第二溶液混合后得到混合浆料；将混合浆料通过三维打印得到预交联复合支架；将预交联复合支架在紫外光下交联，得到光交联海藻酸盐‑聚酰胺复合水凝胶支架。通过该方法制备得到的复合水凝胶支架提高了水凝胶的稳定性，有利于药物和生物活性因子的负载，具有较高的力学性能，可以形成力学稳定的打印墨水。

Description

一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架和制备方法
技术领域
本发明涉及骨组织工程技术领域，特别是涉及一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架和制备方法。
背景技术
肿瘤、外伤、外科手术或炎症性疾病会导致严重的骨缺损，而骨骼的自我再生能力有限，需要大量的外科手术进行重建。然而临床应用的许多疗法中，自体或同种异体移植或假体材料均具有相当大的缺点。
现有技术的水凝胶支架的力学性能和稳定性能较差，溶胀性、降解速率以及细胞相容性和粘附性较低，缺乏成骨诱导因子，不利于药物和生物活性因子的负载，难以在修复体与宿主骨之间建立牢固的连接，容易因为肢体运动造成支架脱落，限制了其在骨组织工程中的应用。
因此，研发出一种能够满足临床需要、有效促进骨骼原位再生的骨组织工程支架具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，通过该方法能够提高水凝胶的稳定性，有利于药物和生物活性因子的负载，具有较高的力学性能，可以形成力学稳定的打印墨水。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架，其具有较高的力学性能，有利于药物和生物活性因子的负载。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，包括以下步骤，将海藻酸盐与去离子水和光引发剂混合后得到第一溶液；
将聚酰胺与去离子水混合后得到第二溶液；
第一溶液和第二溶液混合后得到混合浆料；
将混合浆料通过三维打印得到预交联复合支架；
将预交联复合支架在紫外光下交联，得到光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架。
进一步，海藻酸盐为甲基丙烯酰化海藻酸钠，通过以下步骤制备，在海藻酸钠中加入去离子水，溶解后得到海藻酸钠溶液；在海藻酸钠溶液中加入甲基丙烯酸酐，混合后经过离心得到上清液，将上清液冷冻干燥，得到甲基丙烯酰化海藻酸钠。
进一步，海藻酸钠溶液pH值为8-9。
进一步，混合浆料中，光引发剂浓度为0.001-0.1m/v。
进一步，混合浆料的制备还包括以下步骤，将生物活性玻璃与去离子水混合后得到第三溶液，生物活性玻璃质量为海藻酸盐和聚酰胺质量之和的1％-50％，将第一溶液、第二溶液和第三溶液混合后得到混合浆料。
进一步，混合浆料中，海藻酸盐的羧基是聚酰胺氨基的摩尔数的0.5-4倍。
进一步，将预交联复合支架在紫外光下交联后还包括以下步骤，置于PBS溶液中清洗，然后置于-20℃冰箱中预冻12h，用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥48h。
一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架，采用一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法制得。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明能够提高水凝胶的稳定性，有利于药物和生物活性因子的负载，具有较高的力学性能、溶胀性和降解速率，提高了细胞相容性和粘附性，能够在修复体与宿主骨建立牢固的连接，避免肢体运动造成支架脱落。
附图说明
图1是海藻酸钠和甲基丙烯酰化海藻酸钠的HNMR谱图。
图2是在0.1～100rad/s频率范围内，MA-Alg-PL/BG墨水的储存(G’)模量的变化。
图3是不同BG含量MA-Alg-PL/BG支架的压缩模量柱状图。
图4是不同BG含量MA-Alg-PL/BG支架在37℃，SBF中的体外矿化SEM图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
海藻酸盐(Alg)水凝胶具有成胶能力强、毒性小、成本低等特点，是骨组织工程(BTE)和生物打印最常用的材料。它们为细胞负载提供了合适的环境，此外，美国食品药品监督管理局(FDA)已经宣布海藻酸多糖用于人体是安全的。但天然藻酸盐因富含羧基，固有地缺乏哺乳动物细胞粘附性，因此合适的配体对于促进和调节细胞相互作用至关重要。ε-聚赖氨酸(PL)是一种天然存在的富含氨基的均聚酰胺。它具有广泛的抗菌活性、可生物降解、对人体无毒、并且显示出较高的细胞粘附性，在生物医学领域具有显著的应用潜力。由于两者所带电荷相反，富含阳离子的PL与富含阴离子的Alg发生离子性相互作用，使体系更加稳定。然而海藻酸盐-聚赖氨酸复合水凝胶的力学性能相比于宿主骨还具有较大差异同时缺乏成骨诱导因子，限制其在骨组织工程中的应用。
骨是由胶原和矿物组成的天然的复合材料。从仿生的角度来看，有机和无机成分的结合是制造类似于骨骼组织材料的自然策略。生物玻璃作为增强相，可以在溶液环境里快速的不断释放Si、Ca和P离子，并且表面形成羟基磷灰石，从而与宿主骨之间形成强烈的结合。BG所释放的离子被证明可以刺激骨生成和血管生成相关的信号通路，在骨组织的生长和矿化中发挥重要作用。
本发明以海藻酸钠为原材料，通过甲基丙烯酸酐(MA)改性了海藻酸钠，制备了甲基丙烯酰化海藻酸钠(MA-Alg)，然后将其与PL、BG(生物活性玻璃)和光引发剂2959共混，在紫外光(UV)照射下结合3D打印技术制备了聚赖氨酸修饰的甲基丙烯酰化海藻酸钠水凝胶(MA-Alg-PL/BG)支架。
实施例中，聚酰胺采用聚赖氨酸，也可以采用其他种类的聚酰胺。
实施例1
一种用于骨修复的光交联海藻酸盐-聚赖氨酸复合水凝胶支架的制备方法，包括如下步骤：
甲基丙烯酰化海藻酸钠(MA-Alg)的制备：
将5g海藻酸钠加入去离子水中，制成浓度为1％w/v的海藻酸钠溶液，用5M NaOH溶液将pH值调节至8；向海藻酸钠溶液以0.5mL/min的速率加入28mL MA，边加边用NaOH调节pH值，使pH值维持在8-9之间。滴加完毕后继续在0-5℃下继续反应5h，然后室温下持续大力搅拌12h；搅拌结束后，将反应液置于12-14kDa的透析袋中，用去离子水中透析7天，期间每天换水2-3次，以除去未反应的MA及副产物；将透析好的溶液置于100mL离心管中，在8000rpm离心10min，收集上清液，弃去沉淀；将收集到的上清液在-20℃冰箱预冻后用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥，得到白色海绵状改性产物，即为MA-Alg固体。
混合浆料的制备：
将2.08g MA-Alg固体溶于去离子水中，再向其中加入0.008g光引发剂2959(0.1％m/v)混合后得到第一溶液，2.56g PL(MA-Alg羧基与PL氨基摩尔比为1：2)与去离子水混合后得到第二溶液，去离子水总体积为8ml，第一溶液和第二溶液在37℃下充分搅拌，使各组分尽可能均匀的分散在水溶液中，形成均匀稳定的浆料。
3D打印支架：
用建模软件构建支架三维模型，构建一个直径为8mm的圆柱体，并用分层软件对三维模型进行分层处理。将制备好的打印桨料装入3D打印料筒中，放入离心机中离心去除浆料中的小气泡。将打印模型导入至打印机中，打印机温度设置为25℃，针头直径为410微米，层厚约为0.32mm，打印速度设置到12mm/s，挤出压力0.25MPa，三维打印得到预交联复合支架。
支架后处理：
将打印好的预交联复合支架置于紫外固化箱中交联(6.9mW/cm2，12min)，将交联好的支架置于PBS溶液中清洗3次，然后置于-20℃冰箱中预冻12h，用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥48h，获得干燥的支架。
实施例2
一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，包括如下步骤：
甲基丙烯酰化海藻酸钠(MA-Alg)的制备：
将5g海藻酸钠加入去离子水中，制成浓度为1％w/v的海藻酸钠溶液，用5M NaOH溶液将pH值调节至8；向海藻酸钠溶液以0.5mL/min的速率加入28mL MA，边加边用NaOH调节pH值，使pH值维持在8-9之间。滴加完毕后继续在0-5℃下继续反应5h，然后室温下持续大力搅拌12h；搅拌结束后透析、离心、冻干上清液得到MA-Alg固体。
混合浆料的制备：
将2.08g MA-Alg固体溶于去离子水中，再向其中加入0.01g光引发剂2959(0.13％m/v)混合后得到第一溶液；1.28g PL(MA-Alg羧基与PL氨基摩尔比为1：1)与去离子水混合后得到第二溶液；0.08g BG(聚合物质量的1％)与去离子水混合后得到第三溶液；去离子水总体积为8ml。第一溶液、第二溶液和第三溶液充分搅拌，使各组分尽可能均匀的分散在水溶液中，形成均匀稳定的混合浆料。
3D打印支架：
将制备好的混合浆料装入3D打印机中，温度设置为25℃，针头直径为410微米，层厚约为0.32mm，打印速度设置到12mm/s，挤出压力0.3MPa，三维打印得到预交联复合支架。
支架后处理：
将打印好的预交联复合支架置于紫外固化箱中交联(6.9mW/cm2，12min)，在紫外光的作用下MA-Alg自由基聚合形成水凝胶；将交联好的支架置于PBS溶液中清洗3次，然后置于-20℃冰箱中预冻12h，用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥48h，获得干燥的支架。
实施例3
一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，包括如下步骤：
甲基丙烯酰化海藻酸钠(MA-Alg)的制备：
将5g海藻酸钠加入去离子水中，制成浓度为1％w/v的海藻酸钠溶液，用5M NaOH溶液将pH值调节至8；向海藻酸钠溶液以0.5mL/min的速率加入28mL MA，边加边用NaOH调节pH值，使pH值维持在8-9之间。滴加完毕后继续在0-5℃下继续反应5h，然后室温下持续大力搅拌12h；搅拌结束后透析、离心、冻干上清液得到MA-Alg固体。
混合浆料的制备：
将2.08g MA-Alg固体溶于去离子水中，再向其中加入0.8g光引发剂2959(10％m/v)混合后得到第一溶液；0.32g PL(MA-Alg羧基与PL氨基摩尔比为4：1)与去离子水混合后得到第二溶液；0.504g BG(聚合物质量的15％)与去离子水混合后得到第三溶液。去离子水总体积为8ml。第一溶液、第二溶液和第三溶液充分搅拌，使各组分尽可能均匀的分散在水溶液中，形成均匀稳定的混合浆料。
3D打印支架：
将制备好的混合浆料装入3D打印机中，温度设置为25℃，针头直径为410微米，层厚约为0.32mm，打印速度设置到12mm/s，挤出压力0.45，三维打印得到预交联复合支架。
支架后处理：
将打印好的预交联复合支架置于紫外固化箱中交联(6.9mW/cm2，12min)，在紫外光的作用下MA-Alg自由基聚合形成水凝胶；将交联好的支架置于PBS溶液中清洗3次，然后置于-20℃冰箱中预冻12h，用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥48h，获得干燥的支架。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)MA-Alg分子被修饰上双键(如图1所示)，在UV照射下发生自由基反应，可以快速形成共价交联的稳定的水凝胶。有利于药物和生物活性因子的负载。
(2)MA-Alg富含羧基，PL富含氨基，由于静电相互作用两者复合可以形成力学稳定的打印墨水(如图2所示)。
(3)MA-Alg-PL/BG水凝胶具有较高的力学性能(如图3所示)、良好的溶胀性、适宜的降解速率和良好的细胞相容性和粘附性。
(3)MA-Alg-PL/BG水凝胶具有较高的体外矿化能力，当其暴露在生理液体中时，BG能够促进磷酸钙晶体在其表面成核并随后生长(如图4所示)，有利于修复体与宿主骨建立牢固的连接，避免肢体运动造成支架脱落。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
将海藻酸盐与去离子水和光引发剂混合后得到第一溶液；
将聚酰胺与去离子水混合后得到第二溶液；
第一溶液和第二溶液混合后得到混合浆料；
将混合浆料通过三维打印得到预交联复合支架；
将预交联复合支架在紫外光下交联，得到光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架。
2.按照权利要求1所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：海藻酸盐为甲基丙烯酰化海藻酸钠，通过以下步骤制备，在海藻酸钠中加入去离子水，溶解后得到海藻酸钠溶液；在海藻酸钠溶液中加入甲基丙烯酸酐，混合后经过离心得到上清液，将上清液冷冻干燥，得到甲基丙烯酰化海藻酸钠。
3.按照权利要求2所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：海藻酸钠溶液pH值为8-9。
4.按照权利要求1所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：混合浆料中，光引发剂浓度为0.001-0.1m/v。
5.按照权利要求1所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：混合浆料的制备还包括以下步骤，将生物活性玻璃与去离子水混合后得到第三溶液，生物活性玻璃质量为海藻酸盐和聚酰胺质量之和的1％-50％，将第一溶液、第二溶液和第三溶液混合后得到混合浆料。
6.按照权利要求5所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：混合浆料中，海藻酸盐的羧基是聚酰胺氨基的摩尔数的0.5-4倍。
7.按照权利要求1所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法，其特征在于：将预交联复合支架在紫外光下交联后还包括以下步骤，置于磷酸缓冲盐溶液中清洗，然后置于-20℃冰箱中预冻12h，用冻干机在-50℃条件下冷冻干燥48h。
8.一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的一种光交联海藻酸盐-聚酰胺复合水凝胶支架的制备方法制得。
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