CN117159802B - 一种响应性水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种响应性水凝胶及其制备方法和应用，属于医用水凝胶技术领域。所述制备方法为：将可被基质金属蛋白酶切割的多肽进行EDCI/NHS活化，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液；将Tetra‑PEG‑NH2与活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液混合并反应，得到偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的Tetra‑PEG‑pp‑NH2；将Tetra‑PEG‑pp‑NH2配成第一前体溶液，将磷脂酰丝氨酸与四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯混合并配成第二前体溶液，将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，制得响应性水凝胶。本发明中的响应性水凝胶可有效控制释放磷脂酰丝氨酸，能有效促进骨缺损修复。
Description
技术领域
本发明属于医用水凝胶技术领域，尤其涉及一种响应性水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
创伤、先天性疾病和肿瘤等引起的严重骨缺损影响着数百万人的身心健康和生活质量。大面积的骨缺损往往超过机体的自我修复能力，从而导致骨不愈合和功能丧失，这也成为临床治疗的一大挑战。目前，临床上已经开发了包括自体骨移植、异种骨移植等的治疗策略，但往往因为免疫排斥反应和有限的供体组织而效果不佳。骨组织工程研究虽然解决了上述潜在问题，但是涉及种子细胞的支架仍然存在一些缺点，如细胞资源有限、细胞扩增程序复杂和细胞存活率相对较低，而无细胞的骨组织支架材料显示出独特的优势，具有较低的免疫排斥风险和较少的伦理问题。
在骨组织工程中，良好的支架材料不仅仅作为药物载体，更应是一个能够创造有利于调节炎症、促进成骨分化的场所。水凝胶作为一种典型的生物支架材料，具有足够的机械强度、良好的细胞相容性和对不同骨缺损区域的灵活适应性等优点。但是传统的水凝胶往往药物释放不稳定，模式单一，这些缺陷限制了其在临床中的进一步应用。炎症响应性水凝胶可以实现药物精确递送到特定区域，以发挥治疗因子对调节骨缺损环境的最大作用。但一般的响应性水凝胶的构建通常涉及复杂的制备步骤，同时缺少兼具良好机械强度和生物相容性的优良体系。
此外，作为一种药物递送***，水凝胶通过加载药物来发挥其功能。研究表明，白细胞介素4（interleukin 4，IL-4）、转化生长因子(transforming growth factor-β，TGF-β)等细胞因子具有调节巨噬细胞极化的作用。尽管细胞因子对免疫具有良好的调控作用，但其生物半衰期短，缺乏长效作用，在体内的稳定性和组织选择特异性差等问题一直未能得到有效的解决，这些缺陷限制了细胞因子在临床中的进一步应用。中国专利申请CN112646202A公开了一种功能化双网络水凝胶及其制备方法，该专利申请中的功能化双网络水凝胶接枝有小分子化合物KGN（中文名称为2-([1,1-联苯]-4-基氨基甲酰)苯甲酸），KGN能够参与BMMSCs介导的软骨组织再生，但该专利申请中的功能化双网络水凝胶仍存在促进骨缺损修复效果有待进一步提高的问题。
因此，非常有必要在现有技术的基础上提供一种响应性水凝胶及其制备方法和应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种响应性水凝胶及其制备方法和应用。
本发明在第一方面提供了一种响应性水凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将可被基质金属蛋白酶切割的多肽进行EDCI/NHS活化，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液；
（2）将Tetra-PEG-NH2与活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液混合并进行反应，得到偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2；
（3）将Tetra-PEG-pp-NH2配制成第一前体溶液以及将磷脂酰丝氨酸与四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯混合并配制成第二前体溶液，然后将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，制得响应性水凝胶。
优选地，在步骤（1）中，所述EDCI/NHS活化为：用水将可被基质金属蛋白酶切割的多肽、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI和N-羟基琥珀酰亚胺NHS混合并在37℃下搅拌反应1~3h。
优选地，所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量比为（8~12）：（110~120）：（95~105）；和/或所述水的用量为所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量用量之和的80~100倍。
优选地，在步骤（2）中，所述反应的温度为30~40℃，所述反应的时间为18~30h。
优选地，步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2与步骤（1）中所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽的质量比为（30~40）：1。
优选地，所述磷脂酰丝氨酸与所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯的质量比为1：（100~400）。
优选地，步骤（3）中所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯与步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2的质量比为（0.5~2）：（0.5~2）。
优选地，所述第一前体溶液的浓度为50~250mg/mL；和/或所述第二前体溶液的浓度为50~200mg/mL。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的响应性水凝胶。
本发明在第三方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的响应性水凝胶在骨再生支架材料中的应用。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
（1）本发明方法首先是将经过活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽与Tetra-PEG-NH2前体偶联，然后将其与混合有磷脂酰丝氨酸的四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯（Tetra-PEG-SG）前体混合并静置成胶，从而制备出基于偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽实现炎症标志物基质金属蛋白酶刺激响应性的水凝胶，本发明制得的所述响应性水凝胶不仅能够有效地调控磷脂酰丝氨酸（PS）药物的释放，而且由于与四臂聚乙二醇支架的结合，具有足够的机械强度；本发明是首次通过简单高效的合成方法将磷脂酰丝氨酸负载在合适的四臂聚乙二醇支架材料上实现了促进大面积骨缺损修复的优异效果，使得本发明中的所述响应性水凝胶适用于骨缺损修复，在骨再生支架材料中具有巨大的应用前景。
（2）本发明在制备所述响应性水凝胶时，采用Tetra-PEG-NH2前体和Tetra-PEG-SG前体形成四臂聚乙二醇支架材料，本发明发现，相比采用Tetra-PEG-NH2前体和Tetra-PEG-NHS前体形成的四臂聚乙二醇支架材料，本发明形成的四臂聚乙二醇支架材料的降解时间较长，更符合骨缺损的修复过程，从而能够有效为修复提供更好的机械强度与稳定性，使制得的所述响应性水凝胶具有更好的机械强度以及骨缺损修复效果更好等特点。
（3）本发明方法制备所述响应性水凝胶时，不同于现有技术中的功能化双网络水凝胶，不需要激活处理，可以简化工序，由于静置成胶时间短，实际使用中可以用作可注射型水凝胶，在修复骨缺损时，可以直接注射在缺损部位，形成形状大小和缺损匹配的水凝胶，能够更好地适应骨缺损形态，有利于提高骨缺损修复效果。
（4）本发明采用的四臂聚乙二醇（PEG）和磷脂酰丝氨酸（PS）均经过美国食品药品监督管理局（FDA）批准，无毒性且具有良好的生物相容性，本发明制备的响应性水凝胶可有效控制释放磷脂酰丝氨酸，调节免疫炎症环境，能有效促进大面积骨缺损修复，可以起到调节巨噬细胞极化，起到增强组织修复以及具有诱导间充质干细胞成骨分化等作用，且由于磷脂酰丝氨酸（PS）属于小分子化合物，不存在免疫原性及生物半衰期短等缺点，本发明制备过程仅需通过混合两种前体溶液成胶，过程快速简单，适合临床转化应用。
附图说明
图1是本发明体外实验将不同浓度的磷脂酰丝氨酸PS与小鼠骨髓间充质干细胞共培养后进行成骨诱导的茜素红染色图；（a）为对照组（未加入PS）的茜素红染色图，（b）为含浓度为10μg/mL的PS的茜素红染色图，（c）为含浓度为50μg/mL的PS的茜素红染色图；
图2是本发明实施例1制备的响应性水凝胶的扫描电镜图；
图3是本发明实施例1制备的PEG-pp-PS水凝胶、对比例1制备的PEG水凝胶以及对比例2制备的PEG-PS水凝胶的剪切性能曲线图；G＇为储存模量，G″为耗散模量，ω为频率；
图4是本发明实施例1制备的PEG-pp-PS水凝胶以及对比例2制备的PEG-PS水凝胶的磷脂酰丝氨酸释放曲线图；
图5是空白对照组以及本发明实施例1制备的PEG-pp-PS水凝胶修复大鼠颅顶骨缺损8周的Micro-CT检测结果图；（a）为空白对照组的CT扫描图，（b）为PEG-pp-PS水凝胶的CT扫描图，（c）为新生骨体积柱状图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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的一部分实施例，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的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。
本发明在第一方面提供了一种响应性水凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将可被基质金属蛋白酶切割的多肽进行EDCI/NHS活化，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液；
（2）将Tetra-PEG-NH2与活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液混合并进行反应，得到偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2；在本发明中，步骤（1）和步骤（2）是为了使得Tetra-PEG-NH2上偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽，得到Tetra-PEG-pp-NH2，在本发明中，将可被基质金属蛋白酶切割的多肽简记为pp；具体地，步骤（1）中的所述EDCI/NHS活化是为了充分活化本发明中的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的羧基，步骤（2）是为了使活化后的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的末端羧基与Tetra-PEG-NH2的氨基之间形成化学连接的酰胺键，从而将pp偶联在Tetra-PEG-NH2上，从而获得化合物Tetra-PEG-pp-NH2；本发明对可被基质金属蛋白酶切割的多肽的种类和来源不做具体的限定，能够被基质金属蛋白酶特异性识别和特异性切割的多肽均可，使得本发明能够获得一种具有基质金属蛋白酶刺激响应性的响应性水凝胶；在一些具体实施例中，所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽例如为多肽GPLGIAGQ（也记作八肽GPLGIAGQ），该多肽GPLGIAGQ为现有技术中已知的多肽，可以从强耀生物科技有限公司购买得到；例如，本发明在一些具体实施例中采用的所述多肽GPLGIAGQ中的甘氨酸和异亮氨酸之间的位点可被基质金属蛋白酶（MMP）特异性识别与特异性切割；
（3）将Tetra-PEG-pp-NH2配制成第一前体溶液以及将磷脂酰丝氨酸（简记为PS）与四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯（简记为Tetra-PEG-SG）混合并配制成第二前体溶液，然后将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，制得响应性水凝胶；在本发明中，步骤（3）中所述混合例如可以通过圆周振荡仪进行；在本发明中，所述静置成胶的时间例如为10~20s（例如10s、15s或20s），单位“s”表示时间“秒”；在本发明中，将所述响应性水凝胶简记为PEG-pp-PS水凝胶或直接简记为PEG-pp-PS；需要说明的是，配制第一前体溶液与配制第二前体溶液的顺序对本发明的制备方法无影响，应当理解的是，先配制第二前体溶液再配制第一前体溶液、同时配制第一前体溶液和第二前体溶液的制备效果与先配制第一前体溶液再配制第二前体溶液对制备方法无影响。
在本发明中，Tetra-PEG-NH2为带有-NH2修饰基团的四臂PEG，这种四臂PEG以及四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯（Tetra-PEG-SG）均为市面上可以直接购买的产品；本发明对可被基质金属蛋白酶切割的多肽、磷脂酰丝氨酸、EDCI（中文名称为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和NHS（中文名称为N-羟基琥珀酰亚胺）等的来源没有特别的限制，均为市面上可以直接购买的产品。
本发明在水凝胶体系中通过化学方法将可被基质金属蛋白酶切割的多肽（pp）偶联接枝于合适的四臂聚乙二醇网络，通过物理方法将磷脂酰丝氨酸加载于响应性水凝胶中，使得所述响应性水凝胶能够根据局部炎症程度释放磷脂酰丝氨酸，精准调节局部免疫微环境，促进局部成骨分化，提供的是一种具有修复大面积骨缺损的优异效果的响应性水凝胶，可以起到调节巨噬细胞极化，起到增强组织修复以及具有诱导间充质干细胞成骨分化等作用，且由于磷脂酰丝氨酸（PS）属于小分子化合物，不存在免疫原性及生物半衰期短等缺点；本发明中的响应性水凝胶基于偶联可被基质金属蛋白酶切割的多肽实现炎症标志物基质金属蛋白酶刺激响应性，在基质金属蛋白酶刺激下控制磷脂酰丝氨酸释放，调节免疫炎症环境，促进局部骨缺损修复，结合四臂聚乙二醇支架为水凝胶能够提供足够的机械强度，并且本发明制备过程仅需通过混合两种前体溶液成胶，过程快速简单，适合临床转化应用；特别说明的是，本发明中的术语“大面积骨缺损”也即临界尺寸缺损，指的是骨缺损在没有外界干预的情况下不会愈合的情况。
虽然现有技术中CN112646202A和CN114854053A均有在水凝胶中偶联多肽类化合物KGN，但本发明中可被基质金属蛋白酶切割的多肽并不同于KGN，KGN中并不存在可以被基质金属蛋白酶特异性识别的氨基酸序列位点，KGN并不具有基质金属蛋白酶刺激响应性，KGN只能在原水凝胶中起到治疗作用，本发明创造性地提出通过可被基质金属蛋白酶切割的多肽对炎症标志物MMP的响应作用得到一种MMP刺激响应性的水凝胶，从而使得所述响应性水凝胶能够有效地调控磷脂酰丝氨酸（PS）药物的释放，调节免疫炎症环境，能有效促进大面积骨缺损修复；磷脂酰丝氨酸存在于健康的细胞内膜（细胞膜的内层）中，在正常情况下不暴露在外表面；而在细胞发生凋亡时，PS会作为一种信号暴露出来，被巨噬细胞等识别，从而完成凋亡细胞的清除这一过程；由外界创伤造成的骨缺损会引起局部免疫细胞剧烈的炎症反应，本发明创造性地发现通过MMP刺激响应性的水凝胶释放磷脂酰丝氨酸PS可以模拟放大局部凋亡信号，免疫细胞识别后使原本局部骨缺损带来的严重炎症反应有所缓和，能有效促进大面积骨缺损修复；本发明通过体外实验研究发现磷脂酰丝氨酸PS对细胞成骨具有明显的促进作用，本发明将不同浓度的磷脂酰丝氨酸PS与小鼠骨髓间充质干细胞共培养后进行成骨诱导，通过茜素红染色可以看到钙结节明显增多，说明磷脂酰丝氨酸PS有效促进了细胞的成骨能力，如图1所示。
本发明是首次通过简单高效的合成方法将磷脂酰丝氨酸负载（加载）在合适的四臂聚乙二醇支架材料上实现了促进骨缺损修复的优异效果，本发明中负载的磷脂酰丝氨酸相比KGN具有更优异的促进骨缺损修复的特点，使得本发明中的所述响应性水凝胶在骨再生支架材料中具有巨大的应用前景；本发明在制备所述响应性水凝胶时，采用Tetra-PEG-NH2前体和Tetra-PEG-SG前体形成合适的四臂聚乙二醇支架材料，本发明发现，相比采用Tetra-PEG-NH2前体和Tetra-PEG-NHS（带有-NHS修饰基团的四臂PEG）前体形成的四臂聚乙二醇支架材料，本发明形成的四臂聚乙二醇支架材料的降解时间较长，更符合骨缺损的修复过程，从而能够有效为修复提供更好的机械强度与稳定性，使制得的所述响应性水凝胶具有更好的机械强度以及骨缺损修复效果更好等特点。
根据一些优选的实施方式，在步骤（1）中，所述EDCI/NHS活化为：用水将可被基质金属蛋白酶切割的多肽、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI和N-羟基琥珀酰亚胺NHS混合并在37℃下搅拌反应1~3h（例如1、1.5、2、2.5或3h），以充分活化可被基质金属蛋白酶切割的多肽的羧基。
根据一些优选的实施方式，所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量比为（8~12）：（110~120）：（95~105），如此有利于保证所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽被充分活化，若所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI、所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS与所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽的用量比例过小，则无法使得所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽充分活化，从而会影响所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽与Tetra-PEG-NH2之间的反应，无法保证得到合适的Tetra-PEG-pp-NH2化合物，进而也会影响最终制得的响应性水凝胶的性能。
根据一些优选的实施方式，在进行所述EDCI/NHS活化时，所述水的用量为所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量用量之和的80~100倍。
根据一些优选的实施方式，在步骤（2）中，所述反应的温度为30~40℃（例如30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃或40℃），所述反应的时间为18~30h（例如18、20、22、24、26、28或30h）。
根据一些优选的实施方式，步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2与步骤（1）中所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽的质量比为（30~40）：1（例如30:1、35:1或40:1）。
根据一些具体的实施方式，步骤（2）按照如下方法进行：
（21）将Tetra-PEG-NH2、活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液和溶剂（例如水）混合，在30-40℃下搅拌反应，得到反应物；本发明对涉及到的搅拌反应的转速不做具体的限定，例如可以为200~600r/min；在该步骤（21）中，所述溶剂的用量为使得所述活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液稀释4~10倍；
（22）将步骤（21）得到的反应物进行透析，优选采用截留分子量为20kDa的透析袋进行透析；
（23）将经步骤（22）透析后的反应物冻干，得到偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2；本发明对冻干的条件没有特别的要求，为本领域的常规技术，例如可以在-80℃以下进行冷冻干燥24~60h。
根据一些优选的实施方式，所述磷脂酰丝氨酸与所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯的质量比为1：（100~400）（例如1:100、1:150、1:200、1:250、1:300、1:350或1:400），如此有利于保证最佳的磷脂酰丝氨酸释放性能和响应性水凝胶的整体性能；本发明发现，若所述磷脂酰丝氨酸的占比过少，会导致磷脂酰丝氨酸负载量过低，无法有效提高对大面积骨缺损修复治疗的效果，若所述磷脂酰丝氨酸的占比过高，则会导致磷脂酰丝氨酸的负载量过高，不但不会进一步提高骨缺损修复治疗的效果，反而会影响骨缺损修复效果，本发明发现过高浓度的磷脂酰丝氨酸反而会抑制骨的形成，此外，若磷脂酰丝氨酸含量过多也会在一定程度上影响响应性水凝胶的可变形性，影响响应性水凝胶在应用中的柔韧性，对适应骨组织的变化和运动会产生一定影响，同时，磷脂酰丝氨酸用量过多，也会增加制备的成本。
根据一些优选的实施方式，步骤（3）中所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯与步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2的质量比为（0.5~2）：（0.5~2）。
根据一些优选的实施方式，所述第一前体溶液的浓度为50~250mg/mL（例如50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240或250mg/mL）；和/或所述第二前体溶液的浓度为50~200mg/mL（例如50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200mg/mL）；在本发明中，所述第一前体溶液和所述第二前体溶液均以水为溶剂；特别说明的是，本发明中溶液的浓度，均指的是溶液中含有的溶质的浓度，即对于第一前体溶液而言，其浓度指的是Tetra-PEG-pp-NH2在溶剂中的浓度，对于第二前体溶液而言，其浓度指的是PS与Tetra-PEG-SG两者之和在溶剂中的浓度。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的响应性水凝胶；本发明中所述响应性水凝胶具有偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽（pp）的四臂聚乙二醇交联网络；所述四臂聚乙二醇交联网络由偶联pp的第一前体（Tetra-PEG-NH2）和混合有磷脂酰丝氨酸（PS）的第二前体（Tetra-PEG-SG）经化学反应而成。
本发明在第三方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的响应性水凝胶在骨再生支架材料中的应用。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
实施例1
①活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液的制备：
称取多肽GPLGIAGQ 10mg、1-(3-二甲氨基丙基) -3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）114mg、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）100mg溶于20mL蒸馏水中，在37℃下搅拌反应2h，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液。
②偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2的制备：
称取Tetra-PEG-NH2（购自厦门赛诺邦格，货号06020700212）400mg加入至上述活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液中，再添加蒸馏水使溶液总体积达到150mL，在37℃下搅拌反应24h，得到反应物；将反应物置于截留分子量为20kD的透析袋内透析，每12h更换一次蒸馏水，持续透析72h；将透析后的反应物冻干，得到纯化的材料，即为偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2，-20℃下保存，备用。
③PEG-pp-PS水凝胶的制备：
称取步骤②得到的偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2100mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取磷脂酰丝氨酸（PS）（购自Sigma-Aldrich，货号为P0474）0.5mg均匀混合于1mL的蒸馏水中，再加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）100mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得响应性水凝胶（PEG-pp-PS水凝胶）。
本实施例制备的响应性水凝胶的扫描电镜图如图2所示，从图2可以看出，本发明制得的响应性水凝胶具有良好的微观结构；本发明对所述响应性水凝胶进行扫描电镜测试的方法为：将响应性水凝胶在-80℃冷冻干燥48h，将干燥的样品粘在导电树脂上，并在其表面喷涂一层薄金，使用JSM-7900FSEM、以3kV的加速电压获得场发射扫描电镜图（SEM图）。
实施例2
①活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液的制备：
称取多肽GPLGIAGQ 10mg、1-(3-二甲氨基丙基) -3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）114mg、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）100mg溶于20mL蒸馏水中，在37℃下搅拌反应2h，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液。
②偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2的制备：
称取Tetra-PEG-NH2（购自厦门赛诺邦格，货号06020700212）300mg加入至上述活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液中，再添加蒸馏水使溶液总体积达到150mL，在37℃下搅拌反应24h，得到反应物；将反应物置于截留分子量为20kD的透析袋内透析，每12h更换一次蒸馏水，持续透析72h；将透析后的反应物冻干，得到纯化的材料，即为偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2，-20℃下保存，备用。
③PEG-pp-PS水凝胶的制备：
称取步骤②得到的偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2200mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取磷脂酰丝氨酸（PS）（购自Sigma-Aldrich，货号为P0474）0.5mg均匀混合于1mL的蒸馏水中，再加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）200mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得响应性水凝胶（PEG-pp-PS水凝胶）。
实施例3
①活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液的制备：
称取多肽GPLGIAGQ 10mg、1- (3-二甲氨基丙基) -3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）114mg、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）100mg溶于20mL蒸馏水中，在37℃下搅拌反应2h，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液。
②偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2的制备：
称取Tetra-PEG-NH2（购自厦门赛诺邦格，货号06020700212）360mg加入至上述活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液中，再添加蒸馏水使溶液总体积达到150mL，在37℃下搅拌反应24h，得到反应物；将反应物置于截留分子量为20kD的透析袋内透析，每12h更换一次蒸馏水，持续透析72h；将透析后的反应物冻干，得到纯化的材料，即为偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2，-20℃下保存，备用。
③PEG-pp-PS水凝胶的制备：
称取步骤②得到的偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH250mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取磷脂酰丝氨酸（PS）（购自Sigma-Aldrich，货号为P0474）0.5mg 均匀混合于1mL的蒸馏水中，再加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）50mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得响应性水凝胶（PEG-pp-PS水凝胶）。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于：
①活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液的制备：
称取多肽GPLGIAGQ 10mg、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）60.5mg、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）36.2mg溶于20mL蒸馏水中，在37℃下搅拌反应2h，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液。
对比例1
PEG水凝胶的制备：
称取Tetra-PEG-NH2（购自厦门赛诺邦格，货号06020700212）100mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）100mg溶于1mL的蒸馏水中，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得PEG水凝胶。
对比例2
PEG-PS水凝胶的制备：
称取Tetra-PEG-NH2（购自厦门赛诺邦格，货号06020700212）100mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取磷脂酰丝氨酸（PS）（购自Sigma-Aldrich，货号为P0474）0.5mg混合于1mL的蒸馏水中，再加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）100mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得PEG-PS水凝胶。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：
③PEG-pp水凝胶的制备：
称取步骤②得到的偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2100mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；往1mL的蒸馏水中加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）100mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得PEG-pp水凝胶。
对比例4
对比例4与实施例1基本相同，不同之处在于：
③PEG-pp-KGN水凝胶的制备：
称取步骤②得到的偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2100mg溶于1mL蒸馏水中，配制成第一前体溶液；称取KGN 0.5mg均匀混合于1mL的蒸馏水中，再加入四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯Tetra-PEG-SG（购自厦门赛诺邦格，货号06020702912）100mg充分溶解，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶15s，获得响应性水凝胶（PEG-pp-KGN水凝胶）。
对比例5
①活化的KGN溶液的制备：
称取KGN 120mg，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）726mg，N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）434.8mg溶于20mL蒸馏水中，调节溶液pH值至5.7，37℃下搅拌反应2h，充分活化KGN的羧基，得到活化的KGN溶液。
②CHI-KGN化合物的制备：
称取壳聚糖4000mg加入至上述活化的KGN溶液中，再添加蒸馏水使溶液总体积达到150mL，37℃条件下搅拌反应24h，得到反应物；将得到的反应物置于截留分子量为20kD的透析袋内透析，每12h更换一次蒸馏水，持续透析72h；将透析后的反应物冻干，得到纯化的材料，即为CHI-KGN化合物，-20℃下保存，备用。
③PEG-CHI-KGN DN水凝胶的制备：
称取步骤②制得的CHI-KGN化合物200mg溶于8mL的pH=7.4的PBS溶液中，再加入400mg的Tetra-PEG-NH2，充分溶解，配制成第一前体溶液；称取Tetra-PEG-NHS 400mg溶于2mL的pH=7.4的PBS溶液中，配制成第二前体溶液；将第一前体溶液和第二前体溶液混合后使用圆周震荡仪快速混匀，静置成胶，待成胶完全，得到复合水凝胶，然后加入饱和柠檬酸钠水溶液使饱和柠檬酸钠水溶液没过所述复合水凝胶进行浸泡，静置过夜，得到PEG-CHI-KGN DN水凝胶。
本发明对实施例1制得的PEG-pp-PS水凝胶、对比例1制得的PEG水凝胶和对比例2制得的PEG-PS水凝胶进行了流变学试验，测得剪切性能曲线如图3所示，从图3的流变学实验结果可以看出，本发明实施例1、对比例1及对比例2中的水凝胶均能够均匀地分布在骨缺损处并形成凝胶状态，且本发明制备的所述响应性水凝胶偶联可被基质金属蛋白酶切割的多肽不会影响成胶效果；流变学试验方法为：使用Thermo-Haake流变仪、直径35mm的锥形平行板装置测量三种水凝胶的剪切模量，频率扫描在0.1-10rad/s的频率范围内进行，恒定应变为0.05%，将水凝胶(直径d＝35mm，厚度h＝3.5mm)放置在两个平行板之间，间隙设置为3mm，测定水凝胶的剪切模量。
本发明通过高效液相色谱法测定了实施例1制得的PEG-pp-PS水凝胶、实施例4制得的PEG-pp-PS水凝胶以及对比例2制得的PEG-PS水凝胶的磷脂酰丝氨酸药物释放行为，测试方法为：将水凝胶样品完全浸泡于含有基质金属蛋白酶（MMP2，1 μg/mL）的PBS溶液（pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液）中，在12小时、1天、2天、3天、4天、5天、7天、9天、11天、13天、15天和17天的时间点收集溶液；在设备Thermo Ultimate 300上，选用Hypersil APS-2（氨基）（4.6mm×250mm，5µm）色谱柱，以乙腈-异丙醇（7:3）为流动相，流速1.0 mL/min，柱温45℃，进样量20μL，单次运行时间10 min，在波长203nm进行紫外检测测定磷脂酰丝氨酸PS浓度，计算磷脂酰丝氨酸PS累积释放量所占百分比，即为磷脂酰丝氨酸的累积释放率，得到样品在17天时磷脂酰丝氨酸的累积释放率结果（n=3）如表1所示；本发明还给出了实施例1制得的PEG-pp-PS水凝胶以及对比例2制得的PEG-PS水凝胶的磷脂酰丝氨酸释放曲线图，如图4所示；从表1和图4可以看出，本发明中制得的响应性水凝胶相比PEG-PS水凝胶可以响应基质金属蛋白酶释放磷脂酰丝氨酸PS，这是由于本发明中所述响应性水凝胶偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽，而基质金属蛋白酶的存在模拟了机体的炎症状态，在刺激响应下本发明响应性水凝胶中的磷脂酰丝氨酸更大量地释放，有助于调节机体炎症，促进骨修复，特别是本发明实施例1中的响应性水凝胶中的磷脂酰丝氨酸在17天时磷脂酰丝氨酸的累积释放率高达77%以上，特别有利于提高对机体炎症的调节能力，能够使得促进骨缺损修复的效果显著增加。
表1：磷脂酰丝氨酸的释放行为比较结果
本发明将实施例1以及实施例4制得的PEG-pp-PS水凝胶、对比例2制得的PEG-PS水凝胶、对比例3制得的PEG-pp水凝胶、对比例4制得的PEG-pp-KGN水凝胶以及对比例5制得的PEG-CHI-KGN DN水凝胶进行了大鼠颅顶骨缺损修复动物实验，实验方法为：选取8周龄雌性SD大鼠，全身麻醉后，备皮消毒，沿头盖骨正中线纵向切开皮肤约3cm，暴露颅顶骨，用棉签移去颅骨膜后，用直径5mm的打孔器于颅缝左右两侧钻孔（骨缺损区域为直径为5mm的圆形全层骨缺损区域，全层颅骨缺损厚度很薄，一般为0.2mm左右），钻孔过程中注意及时降温及去除存留骨粉，当钻头穿透全层颅骨，有落空感后即拔出钻头停止钻孔，以防止损伤颅骨下硬脑膜；实验分组：A：骨缺损空白对照组（未植入水凝胶），B：骨缺损PEG-pp-PS水凝胶（植入实施例1中的水凝胶样品）修复组，C：骨缺损PEG-pp-PS水凝胶（植入实施例4中的水凝胶样品）修复组，D：骨缺损PEG-PS水凝胶（植入对比例2中的水凝胶样品）修复组，E：骨缺损PEG-pp水凝胶（植入对比例3中的水凝胶样品）修复组，F：骨缺损PEG-pp-KGN水凝胶（植入对比例4中的水凝胶样品）修复组，G：骨缺损PEG-CHI-KGN DN水凝胶（植入对比例5中的水凝胶样品）修复组，手术后8周处死进行，通过影响学检测测试修复8周之后的新生骨体积；在大鼠颅顶骨缺损修复动物实验植入的均是形状大小与骨缺损相匹配的水凝胶样品；影像学检测为：将组织置于固定液中充分固定，使用Skyscan 1174扫描颅顶骨样本。Skyscan 1174的参数设定像素大小20μm、千伏峰值50kVp、电流800μA，利用NRecon和CTvox软件将扫描得到的数据重建，倒入CTAn软件进行图像采集（Micro-CT扫描）和新生骨体积分析，得到的A、B、C、D和E实验组在骨缺损修复8周后的新生骨体积结果（n=3）如表2所示；本发明还给出了空白对照组以及本发明实施例1制备的PEG-pp-PS水凝胶修复大鼠颅顶骨缺损8周的Micro-CT检测结果图，如图5所示。
表2：修复大鼠颅顶骨缺损能力比较结果
由表2的数据可以看出，本发明制得的响应性水凝胶对骨缺损具有优异的修复效果，在修复骨缺损8周之后可以使得新生骨体积达到0.9mm3以上，一些更优选实施例得到的响应性水凝胶，在修复骨缺损8周之后可以使得新生骨体积达到1.2mm3以上，对促进大面积骨缺损修复具有重要意义，在骨再生支架材料中具有巨大的应用前景。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种响应性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将可被基质金属蛋白酶切割的多肽进行EDCI/NHS活化，得到活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液；
（2）将Tetra-PEG-NH2与活化的可被基质金属蛋白酶切割的多肽的溶液混合并进行反应，得到偶联有可被基质金属蛋白酶切割的多肽的化合物Tetra-PEG-pp-NH2；
（3）将Tetra-PEG-pp-NH2配制成第一前体溶液以及将磷脂酰丝氨酸与四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯混合并配制成第二前体溶液，然后将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，制得响应性水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
在步骤（1）中，所述EDCI/NHS活化为：用水将可被基质金属蛋白酶切割的多肽、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI和N-羟基琥珀酰亚胺NHS混合并在37℃下搅拌反应1~3h。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量比为（8~12）：（110~120）：（95~105）；和/或
所述水的用量为所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽、所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDCI与所述N-羟基琥珀酰亚胺NHS的质量用量之和的80~100倍。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
在步骤（2）中，所述反应的温度为30~40℃，所述反应的时间为18~30h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2与步骤（1）中所述可被基质金属蛋白酶切割的多肽的质量比为（30~40）：1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述磷脂酰丝氨酸与所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯的质量比为1：（100~400）。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤（3）中所述四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯与步骤（2）中所述Tetra-PEG-NH2的质量比为（0.5~2）：（0.5~2）。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述第一前体溶液的浓度为50~250mg/mL；和/或
所述第二前体溶液的浓度为50~200mg/mL。
9.由权利要求1至8中任一项所述的制备方法制得的响应性水凝胶。
10.由权利要求1至8中任一项所述的制备方法制得的响应性水凝胶在骨再生支架材料中的应用。
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