一种可促进内源性骨再生的生物材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及生物材料及生物医药技术领域，尤其涉及一种可促进内源性骨再生的生物材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.大范围骨缺损的组织工程修复目前仍是一个巨大的临床挑战。由于大范围骨缺损的组织工程生物材料修复过程中主要面内源性细胞无法快速迁移至生物材料表面、难以于细胞外基质整合、血运不足、成骨效能低下等问题。因此开发具有快速的生物材料内部血管形成能力和强大的骨诱导生物材料将是解决这一临床问题的关键。


技术实现要素：

3.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种可促进内源性骨再生的生物材料及其制备方法和应用，通过在水凝胶表面修饰天然磷脂酰丝氨酸，得到的生物材料具有高效捕获细胞外泌体，同时缓释给迁移至该材料内部的干细胞的能力；将其用于促进动物体内骨缺损再生修复，可快速促进内源性干细胞迁移至缺损部位，快速诱导血管生成，从而促进原位大范围骨缺损的再生。
4.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
5.一种可促进内源性骨再生的生物材料，其特征在于：包括磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖和苯醛基修饰的聚醚f127，所述磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖与苯醛基修饰的聚醚f127的质量比为1～5％：20～50％，所述磷脂酰丝氨酸与壳聚糖上氨基的摩尔比为5～20％：80～95％，且所述生物材料的含水量为65％～80％。
6.进一步的，一种可促进内源性骨再生的生物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
7.s1：使用磷脂酰丝氨酸和壳聚糖制备天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖；
8.s2：使用天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖制备捕获外泌体特性的水凝胶；
9.s3：将捕获外泌体特性的水凝胶进行脱水塑形，得到可促进内源性骨再生的生物材料。
10.进一步的，步骤s1的具体操作包括以下步骤，
11.s101：将1.0g壳聚糖溶解在100ml二甲基亚砜和去离子水的混合溶液中，利用36.5％的醋酸将溶液ph值调节到4.5～5.5，室温下搅拌使壳聚糖完全溶解；
12.s102：取0.5g磷脂酰丝氨酸溶于50ml二氯甲烷溶液中；
13.s103：将步骤s102得到的磷脂酰丝氨酸溶液逐滴滴加至步骤s101的壳聚糖溶液中，在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和n-n-羟基琥珀酰亚胺作用下进行酰胺化反应，得到天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖；
14.s104：将步骤s103中制备得到的天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖先后在二氯甲烷和去离子水中分别透析3天，并将最终产物冷冻干燥。
15.进一步的，步骤s101中二甲基亚砜和去离子水的体积比为1:1。
16.进一步的，步骤s103中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和n-n-羟基琥珀酰亚胺的质量比为0.96:0.71，酰胺化反应的溶液ph值为5.0，室温下反应48h。
17.进一步的，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
18.s201：将聚醚f127与甲基磺酰氯反应，得到磺酰基修饰的f127；
19.s202：将磺酰基修饰的f127与对羟基苯甲醛进行反应，得到两端酚醛基修饰的聚醚f127醛，也即fcho；
20.s203：将天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖溶液与fcho溶液进行混合反应，得到具有捕获外泌体特性的水凝胶。
21.进一步的，步骤s201的具体操作包括以下步骤，
22.s2011：取12.6g的平均分子量12.6kda的聚醚f127进行干燥，加入120ml ch2cl2，并置于冰浴中，快速加入0.875ml的三乙胺；
23.s2012：在氮气氛围保护下，取0.32ml的ch3clo2s溶于20ml的ch2cl2中，并缓慢加入到步骤s201的混合液中，室温下反应24小时；
24.s2013：反应结束后，加入150ml去离子水，并用100ml ch2cl2萃取3次；
25.s2014：分别用100ml 1m的盐酸溶液和饱和盐水清洗2次有机相，然后加入无水硫酸钠除去多余水分，向浓缩后的混合液中加入乙醚沉淀产物，纯化三次后得到磺酰基修饰的f127，将磺酰基修饰的f127真空干燥。
26.进一步的，步骤s202的具体操作包括以下步骤，
27.s2021：将步骤s2014中得到的磺酰基修饰的f127与0.74g的对羟基苯甲醛和1.5g的碳酸钾加入到100ml二甲基甲酰胺中，在氮气氛围保护下80℃反应72小时；
28.s2022：反应结束冷却后，加入150ml去离子水，并用100ml ch2cl2萃取产物，在得到的有机相产物中加入无水硫酸钠除去多余水分，旋蒸浓缩后加入乙醚沉淀纯化产物，将沉淀过滤后室温真空干燥，得到两端酚醛基修饰的聚醚f127醛，也即fcho。
29.进一步的，步骤s203的具体操作包括以下步骤，
30.s2031：取500mg fcho在4℃下溶于1.6ml去离子水中，另取40mg的天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖超声分散于0.4ml去离子水中；
31.s2032：将天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖溶液快速加入fcho溶液中进行混合，得到捕获细胞外泌体的水凝胶。
32.进一步的，一种可促进内源性骨再生的生物材料的应用，其特征在于：将所述生物材料植入动物大段骨缺损部位，通过捕获细胞外泌体促进动物的内源性骨缺损再生修复。
33.本发明的有益效果是：
34.1、本发明中的生物材料包括磷脂酰丝氨酸和水凝胶，以捕获细胞外泌体的水凝胶作为主体，再通过磷脂酰丝氨酸作为捕获基团，具有高效捕获细胞外泌体，同时缓释给迁移至该材料内部的干细胞的能力；将其用于促进动物体内骨缺损再生修复，能够有效作用于骨缺损患者流经创伤部位血液中的细胞外泌体，快速促进内源性干细胞迁移至缺损部位，快速诱导血管生成，从而促进原位大范围骨缺损的再生。
35.2、本发明中的水凝胶采用天然聚合物水凝胶壳聚糖，有良好的生物相容性、吸水能力、扩散特性和可调节的生物降解性，与合成水凝胶相比，以壳聚糖为代表的天然聚合物
水凝胶不需要使用有毒的交联剂，并且提供了促进细胞功能(如黏附和增殖)的细胞外基质样微环境；通过控制水凝胶的形状，很好的克服各种形状的骨缺损，甚至也可以通过3d打印来实现该水凝胶的制备；
36.3、本发明中生物材料的制备方式方便、简单，作用与动物骨缺损的方式安全、有效。
附图说明
37.图1为本发明中使用磷脂酰丝氨酸和壳聚糖制备天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖的原理示意图。
38.图2为本发明中制备出来的天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖的nmr 1
h谱图。
39.图3为本发明中捕获细胞外泌体的水凝胶的sem图。
40.图4为本发明实施例一中骨髓来源的中性粒细胞的鉴定以及中性粒细胞外泌体的鉴定结果。
41.图5为本发明实施例二中micro-ct重建骨及血管的结果以及马松三色染色结果。
具体实施方式
42.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
43.实施例一：
44.一种可促进内源性骨再生的生物材料，包括磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖和苯醛基修饰的聚醚f127，所述磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖与苯醛基修饰的聚醚f127的质量比为5％：25％，所述磷脂酰丝氨酸与壳聚糖上氨基的摩尔比为20％：80％，且所述生物材料的含水量为77.5％。
45.进一步的，一种可促进内源性骨再生的生物材料的制备方法，包括以下步骤，
46.s1：使用磷脂酰丝氨酸和壳聚糖制备天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖；
47.具体的，s101：将1.0g壳聚糖溶解在100ml二甲基亚砜和去离子水(二甲基亚砜和去离子水的摩尔比为1:1)的混合溶液中，利用36.5％的醋酸将溶液ph值调节到5.0，室温下搅拌使壳聚糖完全溶解；
48.s102：取0.5g磷脂酰丝氨酸溶于50ml二氯甲烷溶液中；
49.s103：分将步骤s102得到的磷脂酰丝氨酸溶液逐滴滴加至步骤s101的壳聚糖溶液中，在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和n-n-羟基琥珀酰亚胺作用下进行酰胺化反应，得到天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖；
50.具体的，分别将0.96g的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和0.71g的n-n-羟基琥珀酰亚胺溶于5ml的去离子水中，并加入磷脂酰丝氨酸溶液和壳聚糖溶液的混合溶液中，调节溶液ph值稳定在5左右，室温下反应48h，得到天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖；
51.s104：反应结束后，将步骤s103中制备得到的天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖先后在二氯甲烷和去离子水中透析3天，并将最终产物冷冻干燥。
52.使用磷脂酰丝氨酸和壳聚糖制备天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖的原理示意图如附图1所示，最终制备出来的天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖的nmr 1
h谱图如附图2所示。从
附图2中可以看出，δ3.05-4.06处位移同时出现壳聚糖和磷脂丝胺酸特征峰，证明磷脂丝胺酸成功修饰到壳聚糖分子链上。
53.进一步的，步骤s2：使用天然磷脂酰丝氨酸修饰壳聚糖制备捕获外泌体特性的水凝胶；
54.具体的，s201：将聚醚f127与甲基磺酰氯反应，得到磺酰基修饰的f127；
55.取12.6g的平均分子量12.6kda的聚醚f127进行干燥，加入120ml ch2cl2，并置于冰浴中，快速加入0.875ml的三乙胺；
56.在氮气氛围保护下，取0.32ml的ch3clo2s溶于20ml的ch2cl2中，并缓慢加入到步骤s201的混合液中，室温下反应24小时；
57.反应结束后，加入150ml去离子水，并用100ml ch2cl2萃取3次；
58.分别用100ml 1m的盐酸溶液和饱和盐水清洗2次有机相，然后加入无水硫酸钠除去多余水分，向浓缩后的混合液中加入乙醚沉淀产物，纯化三次后得到磺酰基修饰的f127，将磺酰基修饰的f127真空干燥。
59.s202：将磺酰基修饰的f127与对羟基苯甲醛进行反应，得到两端酚醛基修饰的聚醚f127醛，也即fcho；
60.将步骤s201中得到的磺酰基修饰的f127与0.74g的对羟基苯甲醛和1.5g的碳酸钾加入到100ml二甲基甲酰胺中，在氮气氛围保护下80℃反应72小时；
61.反应结束冷却后，加入150ml去离子水，并用100ml ch2cl2萃取产物，在得到的有机相产物中加入无水硫酸钠除去多余水分，旋蒸浓缩后加入乙醚沉淀纯化产物，将沉淀过滤后室温真空干燥，得到两端酚醛基修饰的聚醚f127醛，也即fcho。
62.s203：将天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖溶液与fcho溶液进行混合反应，得到具有捕获外泌体特性的水凝胶。
63.取500mg fcho在4℃下溶于1.6ml去离子水中，另取40mg的天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖超声分散于0.4ml去离子水中；
64.将天然磷脂酰丝氨酸修饰的壳聚糖溶液快速加入fcho溶液中，舒勇混匀仪快速混匀，得到捕获细胞外泌体的水凝胶。
65.步骤s2中制备得到的捕获细胞外泌体的水凝胶的sem图如附图3所示，从附图3中可以看出，水凝胶呈疏松多孔结构。
66.进一步的，步骤s3：将捕获外泌体特性的水凝胶置于液氮中快速冷冻，并利用冷冻干燥机将其干燥，实现捕获细胞外泌体水凝胶的脱水塑形。
67.进一步的，将该实施例中制备得到的生物材料应用在内源性骨缺损再生修复中，具体应用方式为将生物材料植入动物大段骨缺损部位，该生物材料可通过捕获细胞外泌体促进动物的内源性骨缺损再生修复。
68.实施例二：
69.为了验证实施例一中制备得到的生物材料对外泌体的捕获能力，实施例二进行了体外捕获大鼠中性粒细胞外泌体实验，通过分离提取大鼠骨髓来源的中性粒细胞的外泌体，在体外模拟体内环境的条件下对该生物材料的外泌体捕获能力进行了实验验证，实验结果表明该材料对细胞外泌体具有很强的捕获能力。具体实验步骤如下：
70.步骤一、中性粒细胞的分离提取：脱颈处死小鼠，用75％酒精浸泡5分钟。剥离小鼠
的胫骨与股骨，利用注射器用含有血清的细胞培养液(中性粒细胞提取试剂盒中的细胞培养液)将骨髓腔中的细胞吹出。70μm滤网过滤细胞，除去多余的组织。250g离心10min，重悬在适当体积mojosorttmbuffer中，调节细胞浓度为1
×
108/ml；吸100μl细胞悬液(107细胞)均分到新管中；加入10μl biotinantibody cocktail混合后，孵育15min(冰上)；加入4mlmojosorttm buffer清洗细胞，300g离心5min，弃上清，重悬于100μl的mojosorttm buffer中；加入10μl重悬后的磁珠(streptavidinnanobeads)，充分混匀后孵育15min(冰上)；加入mojosorttmbuffer至4ml以清洗细胞；将细胞以300g离心5min，丢弃上清液；加入2ml mojosorttm buffer，将试管放入磁铁中5min；倒出未标记部分至新的无菌管中，保留，重复刚才的步骤，倒出未标记的部分并与先前收集的未标记的细胞合并后放入磁铁中5min。细胞悬于含有10％无外泌体的rpmi medium modified培养基中，接种至皿内，放于37℃，5％co2细胞培养箱中。
71.步骤二、外泌体的分离提取：中性粒细胞培养24h后，收集细胞培养上清。将培养基转移至离心管中，300
×
g，10min，取上清2000
×
g，10min，取上清10000
×
g，30min，取上清100000
×
g～200000
×
g，70min，弃上清pbs重悬100000
×
g～200000
×
g，70min弃上清用适量模拟体液(sbf)重悬外泌体，即刻实验或放于-80℃冰箱保存。
72.步骤三、向含有0.5μg/ml中性粒细胞外泌体的5ml sbf模拟体液加入实施例一中制备的塑形好的约5mg的生物材料，分别在0h、6h、12h、24h利用bca蛋白标定法检测sbf模拟液中所含的外泌体的浓度，仅为23ng/ml，表明sbf中的外泌体被该材料捕获，实验结果如图4所示，附图4中，a为流式细胞仪鉴定大鼠来源的中性粒细胞，b为中性粒细胞外泌体的粒径检测结果，c为中性粒细胞来源的外泌体透射电镜检测结果，d为wb鉴定中性粒细胞来源的外泌体，e为检测该生物材料体外捕获中性粒细胞外泌体能力实验结果。从附图4中可以看出，促内源性骨再生修复生物材料(cs-ps-f127)在体外具有良好的外泌体捕获能力，其外泌体的捕获容量可达93.8
±
9.6ng/mg。
73.实施例三：
74.为了进一步的验证实施例一中制备得到的生物材料在促进内源性骨再生方面的效果，实施例三中将实施例一制备得到的生物材料植入大鼠下颌骨缺损部位，进行促内源性骨再生效果的实验验证，分别在4周与8周后对该生物材料的成骨效果进行检测，结果表明该材料具有很明显的促内源性骨再生的作用。具体实验步骤如下：
75.步骤一、大鼠颌骨缺损模型的建立：选用300g左右的雄性大鼠，用3％戊巴比妥钠0.167ml/100g麻醉大鼠，剔除左侧面部皮肤毛发，切开皮肤及肌肉组织，暴露左侧下颌骨，在其颌骨前端下缘(第一磨牙与第二磨牙根部正下方)处用钻裂制造直径为3mm的圆柱形颌骨全段缺损模型，分别在缺损处植入对应水凝胶后缝合伤口，并注射1ml 2000u的抗生素，术后两周内给予流体食物。
76.步骤二、促内源性骨缺损材料的植入：在用钻裂成功造成全段骨缺损模型后，将塑形好的生物材料放入缺损位置，一次缝合肌肉与皮肤组织并注射1ml 2000u的抗生素，术后两周给与流体食物，共造模并植入促内源性骨缺损材料，同时以单纯壳聚糖合成的水凝胶材料为对照组。实验与对照组各10只大鼠，分别在4周与8周后各取材5只，进行micro-ct及组织切片检测。
77.步骤三、成血管与成骨分析：将大鼠麻醉后，从大鼠心脏左心室进针注射生理盐
水，剪开右心耳至血液全部被冲出，再用注射泵由大鼠左侧颈动脉向大鼠灌注15ml血管灌注剂直至右心耳处见血管造影剂流出，4℃过夜后，取大鼠左侧下颌骨，在同一扫描参数下对标本进行micro-ct扫描及三维重建，选取颌骨区域，分别对血管与骨组织进行三维重建，并以骨体积分数(bv/tv)、骨小梁厚度(tb.th)、骨小梁数目(tb.n)、骨小梁分离度(tb.sp)以及皮质骨体积分数(bv/tv)，皮质骨厚度(ct.th)和皮质骨宽度(ct.wi)等参数进行定量分析。此外，对未灌注血管造影剂的大鼠颌骨，固定脱钙后进行甲苯胺蓝染色，分析骨组织的修复再生效果，结果如图3所示。组织切片常规脱蜡至水。入甲苯胺蓝液30min。稍水洗,入冰醋酸液分化，直到胞核和颗粒清晰。稍水洗，用冷风吹干。二甲苯透明，中性树胶封固，结果如附图5所示。
78.从附图5中可以看出，该促内源性骨再生生物材料植入4周后与对照组相比，具有显著的骨修复能力，且在新骨形成的局部具有显著的新生血管网络，提示该促内源性骨再生的生物材料具有良好的骨修复能力，且其可能的机制是通过该材料中捕获的细胞来源的外泌体来促进新生血管及新骨形成。
79.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。