一种生物玻璃水凝胶载药平台及其制备方法和应用

1.本技术属于生物材料技术领域，尤其涉及一种生物玻璃水凝胶载药平台及其制备方法和应用。


背景技术：

2.癌症是威胁人类健康的重大疾病，给社会经济带来沉重负担，我国癌症发病率、死亡率居全球第一。目前临床常用的方法是手术切除辅以术后放化疗。肿瘤术后常导致骨缺损，严重影响患者的生存质量，需要通过自体组织或骨修复材料进行缺损修复重建。但是手术难以完全切除肿瘤病灶，以骨肉瘤为例，术后复发转移率高达30％，3年生存率不足50％。目前临床常用的自体组织修复或异体骨修复材料均不具备抗癌能力，造成远期修复失败。使用甲氨蝶呤、紫杉醇、阿霉素等广谱化疗药进行术后化疗虽然可降低肿瘤复发风险，但将造成髓系细胞抑制、成骨功能受损等严重全身毒性，使术后修复重建的失败率增加。因此，研发一种兼备响应抗癌特性和促骨再生的术后修复材料、减少全身毒副作用是骨肿瘤治疗中亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供了一种生物玻璃水凝胶载药平台及其制备方法和应用，有解决现有水凝胶功能单一，不具备响应型释药抗癌特征，无法降低全身毒副作用的缺陷。
4.本技术第一方面提供了一种生物玻璃水凝胶载药平台的制备方法，包括：
5.步骤1、将介孔生物玻璃纳米颗粒、硅烷偶联剂和有机溶剂进行氨基化活化，得到氨基化生物玻璃；
6.步骤2、将所述氨基化生物玻璃、活化的二硫代甘醇酸、目的药物混合反应，得到载药生物玻璃纳米颗粒；
7.步骤3、将所述载药生物玻璃纳米颗粒、氧化硫酸软骨素溶液和明胶溶液混合发生交联，得到生物玻璃水凝胶载药平台。
8.具体的，步骤1中，所述有机溶剂选自丙酮或/和无水乙醇。
9.具体的，步骤1中，所述氨基化活化的温度为65℃～70℃，所述氨基化活化的时间为6h～24h。
10.具体的，步骤2中，所述氨基化活化具体包括将介孔生物玻璃纳米颗粒、硅烷偶联剂和有机溶剂进行氨基化活化，用所述有机溶剂洗涤去除多余的硅烷偶联剂，在加热下真空干燥后获得氨基化生物玻璃。
11.具体的，步骤2中，将氨基化生物玻璃滴入已被n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)活化的过量二硫代甘醇酸中，过夜反应，再加入目的药物，然后过夜反应，透析，干燥，获得载药生物玻璃纳米颗粒。
12.具体的，步骤2具体包括：将所述氨基化生物玻璃和活化的二硫代甘醇酸混合反应得到混合物，在所述混合物中加入目的药物混合反应，然后用乙醇洗涤三次，透析，干燥，得
到载药生物玻璃纳米颗粒。
13.具体的，本技术所制备的载药生物玻璃纳米颗粒具有二硫键与酰胺键，可分别识别肿瘤环境中的还原性谷胱甘肽与弱酸性；载药的氨基化生物玻璃含有丰富的氨基，可与明胶侧链的氨基、氧化硫酸软骨素的醛基键形成席夫碱反应，形成共价交联的水凝胶，具备ph响应性能，进一步提高了响应性释药性能。本技术的制备方法操作简单、成胶时间短，制得的双功能生物玻璃复合水凝胶具有三维多孔结构，有利于营养物质和细胞生长，具备与骨松质相匹配的力学性能；生理环境下水凝胶可溶出钙、磷、硅等生物活性离子，具备骨引导与骨诱导活性，有利于临床骨缺损修复的应用；可响应肿瘤微环境快速释放化疗药物，同时降低全身毒性作用。
14.另一实施例中，步骤1中，所述硅烷偶联剂选自3-氨丙基三乙氧基硅烷或/和氨丙基三甲氧基硅烷。
15.具体的，步骤1中，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
16.另一实施例中，步骤1中，所述介孔生物玻璃纳米颗粒与所述硅烷偶联剂的质量比为(0.1～0.5):1。
17.另一实施例中，步骤1中，所述活化的二硫代甘醇酸的制备方法为：n-羟基琥珀酰亚胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、二硫代二乙醇酸和溶剂混合反应，得到活化的二硫代甘醇酸。
18.另一实施例中，步骤2中，所述目的药物选自含有氨基的化疗药。
19.具体的，所示抗癌药物选自甲氨蝶呤(mtx)，阿霉素(dox)，紫杉醇(ptx)中的一种或多种。
20.另一实施例中，步骤3中，所述载药生物玻璃纳米颗粒、所述氧化硫酸软骨素溶液和所述明胶溶液的质量比为(0.05～0.2):(0.1～0.3):(0.3～0.5)；
21.所述氧化硫酸软骨素溶液的浓度为0.1-0.3g/ml，所述明胶溶液的浓度为0.2～0.3g/ml。更优选，所述明胶溶液的浓度为0.3g/ml，所述氧化硫酸软骨素溶液的浓度为0.15g/l。
22.具体的，所述明胶、所述氧化硫酸软骨素均为水溶液。本技术中，明胶、氧化硫酸软骨素可预先于60℃在水中溶解，震荡混合1～10s，得到相应的水溶液。
23.另一实施例中，步骤3中，所述交联的温度为25～45℃，所述交联的时间为30～180s。更优选的，所述交联的温度为37℃，所述交联的时间为90s。
24.具体的，步骤3中，所述明胶溶液可以为普通明胶配制的明胶溶液，也可以为甲基丙烯酸酐化明胶配制的明胶溶液，本技术不作具体限定。
25.另一实施例中，步骤1中，所述介孔生物玻璃纳米颗粒的制备方法包括：
26.以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，将硅源、钙源、乙酸乙酯、氨水和水混合反应，形成溶液，然后进行水洗离心分离沉淀，将沉淀产物煅烧，得到介孔生物玻璃纳米颗粒。
27.具体的，所述硅源选自原硅酸四乙酯；所述钙源选自四水合硝酸钙。
28.具体的，所述介孔生物玻璃纳米颗粒的制备方法中，所述煅烧的温度为700～800℃，所述煅烧的时间为2～3h。更优选的，所述煅烧的温度为760℃，所述煅烧的时间为2.5h。
29.本技术第二方面提供了一种生物玻璃水凝胶载药平台，包括所述制备方法制得的生物玻璃水凝胶载药平台。
30.本技术第三方面公开了所述制备方法制得的生物玻璃水凝胶载药平台和所述生物玻璃水凝胶载药平台在骨肿瘤手术中的应用。
31.具体的，所述生物玻璃水凝胶载药平台在骨肿瘤手术修复中的应用。
32.具体的，水凝胶是一种高分子材料，其三维交联多孔网络利于细胞和组织的长入，已成为一类重要的骨修复材料。生物玻璃纳米颗粒具有良好的细胞相容性、生物活性和骨诱导能力，临床上可常用于骨增量手术，但其本身不具备抗肿瘤能力。因此，本技术发现可利用肿瘤微环境与正常组织微环境的不同特点，开发具备肿瘤响应性的纳米颗粒载药平台，以提高治疗效果，降低毒副作用。
33.本技术发现，溶胶凝胶法制备介孔生物玻璃纳米颗粒，氨基化活化后，通过二硫代甘醇酸两端的羧基与目标化疗药物的氨基共价连接，获得载药生物玻璃纳米颗粒；所得颗粒掺杂入氧化硫酸软骨素溶液中，与明胶溶液共混发生交联，得到所述双响应型载药复合生物玻璃水凝胶载药平台。本技术的制备方法操作简单、成胶时间短，制得的双功能生物玻璃复合水凝胶具有三维多孔结构，有利于营养物质和细胞生长，具备与骨松质相匹配的力学性能；生理环境下水凝胶可溶出钙、磷、硅等生物活性离子，具备骨引导与骨诱导活性，有利于临床骨缺损修复的应用；可响应肿瘤微环境快速释放化疗药物，同时降低全身毒性作用。
34.综上所述，本技术发现将水凝胶与生物玻璃联用，得到的响应性释药抗癌和促骨再生的双功能的生物玻璃水凝胶载药平台，该水凝胶具备ph响应性能，进一步提高了响应性释药性能，还具备骨引导与骨诱导活性，有利于临床骨缺损修复的应用；可响应肿瘤微环境快速释放化疗药物，同时降低全身毒性作用。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
36.图1为本技术实施例提供的载药生物玻璃纳米颗粒和生物玻璃水凝胶载药平台的sem图；
37.图2为本技术实施例提供的载药生物玻璃纳米颗粒、介孔生物玻璃纳米颗粒、二硫代二乙醇酸和甲氨蝶呤的红外光谱图；
38.图3为本技术实施例提供的生物玻璃水凝胶载药平台的体外释药曲线；
39.图4为本技术实施例1产物、对比例1产物、对比例2产物的抗肿瘤能力示意图，其中，bf为光学明场(bright fileld)，直接观察细胞形态；钙黄绿素-am(calcein am)/碘化丙啶(pi)溶液，分别对活细胞和死细胞染色，可用于同时对活细胞和死细胞进行荧光染色；
40.图5为本技术实施例1产物、对比例1产物、对比例2产物的促成骨能力示意图；
41.图6为本技术实施例1产物、对比例1产物、对比例2产物、对比例3产物和对比例4产物的外观图；
42.图7为本技术对比例6提供的载药生物玻璃纳米颗粒的体外释药曲线。
具体实施方式
43.本技术提供了一种生物玻璃水凝胶载药平台及其制备方法和应用，用于解决现有
技术中水凝胶功能单一，不具备响应型释药抗癌特征，无法降低全身毒副作用的技术缺陷。
44.下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
45.其中，以下实施例所用原料或试剂均为市售或自制。
46.以下实施例所用明胶溶液的制备方法为：将明胶(颗粒，纯度≥85％)溶于水中配成明胶浓度为0.3g/ml的溶液。
47.以下实施例所用氧化硫酸软骨素溶液的制备方法为：将氧化硫酸软骨素溶于水中配成0.15g/ml的溶液。
48.以下实施例的介孔生物玻璃纳米颗粒采用现有常规手段制备，各原料用量和制备参数采用现有常规参数。
49.实施例1
50.本技术实施例提供了一种生物玻璃水凝胶载药平台，具体制备方法包括：
51.将2.80g十六烷基三甲基溴化铵溶解入135ml去离子水形成溶液，加入40ml乙酸乙酯，加入28ml氨水，搅拌15min，加入14.4ml原硅酸四乙酯，搅拌30min后，加入9.12g四水合硝酸钙形成乳白色溶液，搅拌4h，水洗离心分离沉淀，760℃煅烧2.5小时，得到介孔生物玻璃纳米颗粒。
52.将上述制得的500mg介孔生物玻璃纳米颗粒和1.0ml硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷添加到100ml丙酮中，并在65℃下连续搅拌6小时，用丙酮洗涤去除多余的硅烷偶联剂。在60℃下真空干燥后获得氨基化生物玻璃。
53.将57.5mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)和40.0mg n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)在20ml的pbs中溶解，室温放置30min，然后添加120mg二硫代二乙醇酸以活化两端羧基，得到活化的二硫代甘醇酸；然后在活化的二硫代甘醇酸中缓慢加入200mg上述的氨基化生物玻璃，在25℃下剧烈搅拌反应24小时。向混合物中加入120mg甲氨蝶呤，避光剧烈搅拌24小时，用乙醇洗涤三次，透析，干燥，得到载药生物玻璃纳米颗粒。
54.将1ml氧化硫酸软骨素溶液与200mg的载药生物玻璃纳米颗粒振荡混合，再加入1ml明胶溶液，在37℃下摇晃5s，交联，制得生物玻璃水凝胶载药平台。
55.本实施例的产物外观如图6所示，本实施例得到的生物玻璃水凝胶载药平台形成水凝胶结构。
56.对本实施例制得载药生物玻璃纳米颗粒和生物玻璃水凝胶载药平台进行扫描电镜(sem)观察，结果如图1所示，图1左图为本实施例的载药生物玻璃纳米颗粒的sem图，图1右图为本实施例的生物玻璃水凝胶载药平台的sem图。图1表明，所制备的载药生物玻璃纳米颗粒具有介孔状结构，粒径均一，直径约150nm；明胶、载药生物玻璃纳米颗粒和氧化硫酸软骨素之间相互交联形成了孔径约为15～30μm的复合生物玻璃水凝胶载药平台，其具有三维多孔网状结构。
57.对本实施例制得载药生物玻璃纳米颗粒、介孔生物玻璃纳米颗粒、二硫代二乙醇酸和甲氨蝶呤进行傅里叶变换红外光谱表征，结果如图2所示，图2的曲线从下往上的曲线分别表示载药生物玻璃纳米颗粒、介孔生物玻璃纳米颗粒、二硫代二乙醇酸和甲氨蝶呤。图
2表明，图谱中载药生物玻璃纳米颗粒与前驱原料(介孔生物玻璃纳米颗粒)相比，具有介孔生物玻璃纳米颗粒中的si-o-si键(1090cm-1
)，新形成了甲氨蝶呤中芳香环的c＝c伸缩振动峰(1604,1446cm-1
)、二硫代甘醇酸的二硫键(505cm-1
)等，提示新共价键的形成。
58.对本实施例制得的生物玻璃水凝胶载药平台在体外环境下改变ph环境与还原性谷胱甘肽(gsh)浓度，模拟生理环境及肿瘤微环境，评估生物玻璃水凝胶载药平台的响应型释放药物能力，结果如图3所示。图3表明，在生理环境下(ph＝7.4)，所制得的生物玻璃水凝胶载药平台几乎不释放化疗药物，加入10mm gsh后释放量略有提升；而在酸性环境下(ph＝4.0)，药物释放量大幅度增加接近20％；在模拟肿瘤的酸性、高gsh微环境下(ph＝4.0，10mm gsh)，所制得的生物玻璃水凝胶载药平台迅速释放化疗药物甲氨蝶呤，说明本技术的生物玻璃水凝胶载药平台具备响应型释放药物的能力，可减少化疗药物对正常组织的损伤。
59.对本实施例制得的生物玻璃水凝胶载药平台与umr-106大鼠骨肉瘤细胞进行共培养，将与2
×
105个umr-106大鼠骨肉瘤细胞接种到相同大小的生物玻璃水凝胶载药平台中，在12孔板中培养24小时，钙黄绿素-am(calcein am)/碘化丙啶(pi)溶液染色，clsm共聚焦显微镜观察。calcein-am仅对活细胞染色(激发:490nm，发射:515nm)，核染色染料的pi不能穿过活细胞的细胞膜，它穿过死细胞膜的无序区域而到达细胞核，并嵌入细胞的dna双螺旋从而产生红色荧光(激发:535nm，发射:617nm)，对死细胞染色。通过死活染色检测，评估生物玻璃水凝胶载药平台的体外抗肿瘤能力。如图4所示，本实施例所制备的生物玻璃水凝胶载药平台处理后，肿瘤细胞形态呈圆形，指示细胞死亡状态的红色荧光强度增加，说明生物玻璃水凝胶载药平台具有显著的肿瘤抑制作用，特别之处在于，生物玻璃水凝胶载药平台抑制肿瘤细胞生长的能力较游离药物更强。
60.对本实施例制得的生物玻璃水凝胶载药平台与骨髓间充质干细胞bmsc进行共培养，并诱导细胞成骨分化，即将2
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105个bmsc骨髓间充质干细胞接种到相同大小的水凝胶中，在12孔板中培养7d，更换成骨诱导液，甲醛固定，0.1％triton破膜，孵育一抗(runx2和opn)1:500过夜，pbs洗，孵育荧光二抗45分钟，pbs洗染，hoechst染核，clsm共聚焦显微镜观察。。如图5所示，通过对成骨分化相关蛋白的免疫荧光染色评估发现，生物玻璃水凝胶载药平台可上调runx2、opn等成骨相关蛋白表达，促进bmsc体外成骨分化，说明本实施例的生物玻璃水凝胶载药平台具有良好的促骨再生能力，逆转了甲氨蝶呤原有的抑制成骨毒副作用。
61.对比例1
62.本技术对比例提供了一种对照生物玻璃水凝胶，具体制备方法包括：
63.将2.80g十六烷基三甲基溴化铵溶解入135ml去离子水形成溶液，加入40ml乙酸乙酯，加入28ml氨水，搅拌15min，加入14.4ml原硅酸四乙酯，搅拌30min后，加入9.12g四水合硝酸钙形成乳白色溶液，搅拌4h，水洗离心分离沉淀，760℃煅烧2.5小时，得到介孔生物玻璃纳米颗粒。
64.将上述制得的200mg介孔生物玻璃纳米颗粒直接与120mg甲氨蝶呤在50ml水溶液中溶解，避光剧烈搅拌24小时，用乙醇洗涤三次，透析，干燥，得到静电吸附载的载药生物玻璃纳米颗粒。将1ml氧化硫酸软骨素溶液与200mg载药生物玻璃纳米颗粒振荡混合，再加入1ml明胶溶液，在37℃下摇晃5s，交联，制得对照生物玻璃水凝胶。
65.本对比例的产物外观如图6所示，本对比例得到的对照生物玻璃水凝胶形成水凝
胶结构。
66.参照实施例1的方法，对本对比例制得的对照生物玻璃水凝胶在体外环境下改变ph环境与还原性谷胱甘肽(gsh)浓度，模拟生理环境及肿瘤微环境，评估生物玻璃水凝胶的响应型释放药物能力。
67.本对比例制得对照生物玻璃水凝胶与实施例1相比，未使用二硫代甘醇酸作为二硫键供体进行化学枝接，所制得对照生物玻璃水凝胶不具备响应型释药特征。对比例1制得对照生物玻璃水凝胶无法实现响应型释药特征。
68.参照实施例1的方法，对本实施例制得的生物玻璃水凝胶与umr-106大鼠骨肉瘤细胞进行共培养，通过死活染色检测，评估生物玻璃水凝胶的体外抗肿瘤能力。参照实施例1的方法，对本对比例制得的对照生物玻璃水凝胶与骨髓间充质干细胞bmsc进行共培养，并诱导细胞成骨分化。
69.结果如图4和图5，本对比例制得的对照生物玻璃水凝胶的对正常组织释放具有毒副作用的甲氨蝶呤化疗药物，表现为抑制成骨分化，不具有实施例1的促骨再生能力。
70.对比例2
71.本技术对比例提供了一种对照生物玻璃水凝胶，具体制备方法包括：
72.将2.80g十六烷基三甲基溴化铵溶解入135ml去离子水形成溶液，加入40ml乙酸乙酯，加入28ml氨水，搅拌15min，加入14.4ml原硅酸四乙酯，搅拌30min后，加入9.12g四水合硝酸钙形成乳白色溶液，搅拌4h，水洗离心分离沉淀，760℃煅烧2.5小时，得到介孔生物玻璃纳米颗粒。
73.将1ml氧化硫酸软骨素溶液与上述制得的200mg介孔生物玻璃纳米颗粒振荡混合，再加入1ml明胶溶液，在37℃下摇晃5s，交联，制得对照生物玻璃水凝胶。
74.本对比例的产物外观如图6所示，本对比例得到的对照生物玻璃水凝胶形成水凝胶结构。
75.参照实施例1的方法，对本实施例制得的生物玻璃水凝胶与umr-106大鼠骨肉瘤细胞进行共培养，通过死活染色检测，评估生物玻璃水凝胶的体外抗肿瘤能力。参照实施例1的方法，对本对比例制得的对照生物玻璃水凝胶与骨髓间充质干细胞bmsc进行共培养，并诱导细胞成骨分化。
76.结果如图4和图5，本对比例制得的对照生物玻璃水凝胶与实施例1相比，未负载甲氨蝶呤化疗药物，所制得对照生物玻璃水凝胶不具备抗肿瘤能力，仅具备一定的促成骨能力。
77.对比例3
78.本技术对比例提供了一种对照生物玻璃水凝胶，具体制备方法包括：
79.本对比例的合成步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，震荡混合时仅加入明胶溶液，不加入氧化硫酸软骨素溶液。
80.本对比例的产物外观如图6所示，本对比例得到的产物无法形成水凝胶结构。
81.对比例4
82.本技术对比例提供了一种对照生物玻璃水凝胶，具体制备方法包括：
83.本对比例的合成步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，震荡混合时仅加入氧化硫酸软骨素溶液，不加入明胶溶液。
84.本对比例的产物外观如图6所示，本对比例得到的产物无法形成水凝胶结构。
85.对比例5
86.本技术对比例提供了一种对照生物玻璃水凝胶，具体制备方法包括：
87.将1ml氧化硫酸软骨素溶液与1ml明胶溶液直接混合，在37℃下摇晃5s，交联，可形成水凝胶。
88.本对比例的水凝胶不具备抑制肿瘤细胞生长、促骨再生能力的作用。
89.对比例6
90.本技术对比例提供了一种载药生物玻璃纳米颗粒，具体制备方法包括：
91.本对比例的合成步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，不使用明胶溶液、氧化硫酸软骨素溶液，制得载药生物玻璃纳米颗粒(即实施例1的载药生物玻璃纳米颗粒)，对合成的载药生物玻璃纳米颗粒直接进行体外药物释放实验。
92.参照实施例1的方法，对本对比例制得的载药生物玻璃纳米颗粒在体外环境下改变ph环境与还原性谷胱甘肽(gsh)浓度，模拟生理环境及肿瘤微环境，评估载药生物玻璃纳米颗粒的响应型释放药物能力，结果如图7所示。
93.本对比例制得载药生物玻璃纳米颗粒与实施例1的生物玻璃水凝胶相比，具备响应型释药特征，但在非目标环境下(ph为4)的释放率高于实施例1，提示单纯载药生物玻璃纳米颗粒的控制释放能力比明胶-氧化硫酸软骨素复合水凝胶载药平台(即实施例1的生物玻璃水凝胶)弱(图7)。
94.综上所述，本技术的过溶胶凝胶法制备介孔生物玻璃纳米颗粒，表面进行氨基化活化后，通过二硫代甘醇酸两端的羧基与目的药物的氨基共价连接，获得载药生物玻璃纳米颗粒；所得载药生物玻璃纳米颗粒掺杂入氧化硫酸软骨素溶液中，与明胶溶液共混发生交联，得到所述双响应型载药复合生物玻璃水凝胶载药平台。本技术的制备方法操作简单、成胶迅速，所制得的生物玻璃水凝胶载药平台具备三维多孔结构，生物相容性好，可促进骨组织再生；同时这种生物玻璃水凝胶载药平台在生理环境下稳定，而在肿瘤微环境(低ph和高谷胱甘肽还原环境)下快速响应释放化疗药物，从而减少药物对正常组织的损伤，可用于骨肿瘤手术切除后的骨组织修复。
95.以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。