一种基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶及其制备方法与应用

1.本发明属于生物医用材料领域的技术，尤其涉及一种基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶及其制备方法与应用。


背景技术：

2.感染是导致骨植入失败的主要原因。骨科种植体相关感染主要是由金黄色葡萄球菌引起的，且会延迟愈合过程，导致骨丢失，从而需要广泛的手术干预和长期的抗生素治疗。然而，反复的抗生素治疗增加了耐药的可能性(40％的致病性金黄色葡萄球菌为甲氧西林耐药型)。这些感染往往导致植入物失败，需要替换植入物，并导致慢性和/或复发性疾病。严重感染除了在进一步治疗中引起疼痛和经济损失外，还可能导致截肢或致命的败血症。目前对骨种植体的优化研究主要集中在表面修饰或通过改变拓扑特征来促进干细胞分化和诱导骨再生。
3.虽然各种各样的材料可通过产生ros(reactive oxygen species，活性氧自由基)达到清除细菌的目的，但是产生的ros无法识别细菌和细胞，因而在杀伤细菌的同时也会对周边的组织造成损伤，从而限制了这类材料在感染性骨损伤修复中的进一步应用。
4.因此，开发一种即可以清除细菌，又可以在保护组织不受损伤的情况下促进骨再生的材料至关重要。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶(cqd/ha/gelma复合水凝胶)及其制备方法与应用，该基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶包括arg-cqd(精氨酸碳量子点)、ha-cho(氧化透明质酸)及gelma(甲基丙烯酰化明胶)，可响应酸性骨损伤微环境释放arg-cqd，清除细菌，促进骨组织修复，可作为优异的感染性骨损伤修复材料用于骨组织工程。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.本发明的第一的目的在于提供一种基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶，包括如下组分：arg-cqd(精氨酸碳量子点)、ha-cho(氧化透明质酸)及gelma(甲基丙烯酰化明胶)。
8.在本发明的一个实施例中，所述arg-cqd为纳米粒，粒径为3～20nm。
9.在本发明的一个实施例中，所述arg-cqd纳米粒的浓度为2～20mg/ml。
10.在本发明的一个实施例中，所述ha-cho的浓度为10-30％(w/v)。
11.本发明的第二个目的在于提供一种基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将arg-cqd、ha-cho加入gelma溶液中，溶解后进行光交联反应制备得到所述基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶(即所述cqd/ha/gelma复合水凝胶)。
12.进一步的，本发明基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶的制备方法如下：(1)将
精氨酸粉末置于200～400℃条件下煅烧3～6h，然后自然冷却至室温，将煅烧的精氨酸粉末溶于超纯水中，超声30～90min后在10000～15000rpm下离心30～60min，然后将上清液加入mwco＝1000da的透析袋中于超纯水中透析24～72h，最后经冷冻干燥得到arg-cqd纳米粒；
13.(2)将ha溶于去离子水中，然后加入强氧化剂并室温搅拌2～6h，之后加入乙二醇终止反应，接着将反应液加入mwco＝8000da的透析袋中于去离子水中透析72～144h，最后经冷冻干燥得到ha-cho；
14.(3)将步骤(1)制得的arg-cqd纳米粒及步骤(2)制得的ha-cho加入gelma中，加热条件下充分溶解，经紫外光或蓝光交联制备得到cqd/ha/gelma复合水凝胶。
15.在本发明的一个实施例中，所述arg-cqd通过以下方法制备得到：将精氨酸粉末煅烧并冷却，溶于溶剂中并离心，取离心后的上清液冷冻干燥得到所述arg-cqd。
16.在本发明的一个实施例中，所述煅烧的温度为200～400℃，所述煅烧的时间为3～6h。
17.在本发明的一个实施例中，所述ha-cho通过以下方法制备得到：将ha水溶液加入强氧化剂，混合均匀，然后加入乙二醇终止反应，并将反应液冷冻干燥得到所述ha-cho。
18.在本发明的一个实施例中，所述ha与强氧化剂的质量比是1:1～5:1。
19.在本发明的一个实施例中，所述强氧化剂选自高碘酸钠或高锰酸钾。
20.本发明的第三个目的在于提供所述的基于碳量子点的抗菌和促骨修复水凝胶在制备感染性骨损伤修复药物中的应用。
21.本发明相较于现有技术的优点在于：
22.(1)cqd/ha/gelma复合水凝胶可响应感染性骨损伤部位的酸性微环境释放arg-cqd纳米粒，自身发生部分降解。
23.(2)响应感染性骨损伤微环境释放的arg-cqd纳米粒可提高细菌及细胞内的ros水平，清除损伤部位的细菌。
24.(3)arg-cqd纳米粒可提高细胞内抗氧化酶的表达，保护细胞免受过量的ros损伤。
25.(4)arg-cqd纳米粒可提高细胞内il-10(interleukin-10，白介素-10)的表达，诱导巨噬细胞m2极化，促进骨组织修复。
26.(5)cqd/ha/gelma复合水凝胶具有良好的生物相容性，可响应感染性骨损伤微环境释放arg-cqd纳米粒，持续杀菌并促进成骨分化，可作为优异的感染性骨损伤修复材料用于骨组织工程。
附图说明
27.图1为本发明实施例1中arg-cqd纳米粒的tem图；
28.图2为本发明实施例1中ha-cho的红外光谱图；
29.图3为本发明实施例2中cqd/ha/gelma复合水凝胶的sem图；
30.图4为本发明实施例2中水凝胶的压缩强度图；
31.图5为本发明实施例3中cqd/ha/gelma复合材料释放arg-cqd纳米粒的曲线图；
32.图6是本发明实施例3中cqd/ha/gelma可显著杀伤细菌情况；
33.图7是本发明实施例3中cqd/ha/gelma促进细胞产生大量的钙沉积。
具体实施方式
34.为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
35.实施例1
36.本实施例cqd/ha/gelma复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
37.s11：称取500mg精氨酸粉末置于240℃条件下煅烧3h，然后自然冷却至室温，将煅烧的精氨酸粉末溶于超纯水中，超声30min后在15000rpm下离心30min，然后将上清液加入mwco＝1000da的透析袋中于超纯水中透析24h，最后经冷冻干燥得到arg-cqd纳米粒；所述arg-cqd纳米粒的tem照片如图1所示，结果显示，arg-cqd为粒径均一的圆形纳米粒，粒径约为6nm。
38.s12：称取1.5g ha溶于150ml去离子水中，然后加入802mg高锰酸钾并室温搅拌2h，之后加入200μl乙二醇终止反应，接着将反应液加入mwco＝8000da的透析袋中于去离子水中透析72h，最后经冷冻干燥得到ha-cho；所述ha-cho的红外光谱图如图2所示，结果显示，在1731cm-1
处可见明显的-cho吸收峰，表明成功制备得到ha-cho。
39.s13：称取1g gelma及50mg lap(lithium phenyl-2,4,6-trimethyl-benzoyl phosphinate，苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)溶于20ml去离子水中，置于37℃条件下溶解完全得到浓度为5％w/v的gelma溶液。
40.s14：称取5mg步骤s11制得的arg-cqd纳米粒及100mg步骤s12制得的ha-cho，加入1ml 5％w/vgelma溶液中，置于37℃条件下溶解完全后，利用波长为405nm的光源光交联30s，制备得到cqd/ha/gelma复合水凝胶。
41.在具体应用中，优选arg-cqd纳米粒浓度为5mg/ml；复合水凝胶中arg-cqd纳米粒含量逐渐升高时，复合水凝胶的力学强度无明显变化，但复合水凝胶杀菌性能逐渐增强。
42.实施例2
43.本实施例cqd/ha/gelma复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
44.s21，称取500mg精氨酸粉末置于240℃条件下煅烧3h，然后自然冷却至室温，将煅烧的精氨酸粉末溶于超纯水中，超声30min后在15000rpm下离心30min，然后将上清液加入mwco＝1000da的透析袋中于超纯水中透析24h，最后经冷冻干燥得到arg-cqd纳米粒；
45.s22，称取1.5g ha溶于150ml去离子水中，然后加入802mg高锰酸钾并室温搅拌2h，之后加入200μl乙二醇终止反应，接着将反应液加入mwco＝8000da的透析袋中于去离子水中透析72h，最后经冷冻干燥得到ha-cho；
46.s23，称取1g gelma及50mg lap(lithium phenyl-2,4,6-trimethyl-benzoyl phosphinate，苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)溶于20ml去离子水中，置于37℃条件下溶解完全得到浓度为5％w/v的gelma溶液；
47.s24，称取5mg步骤s21制得的arg-cqd纳米粒及200mg步骤s22制得的ha-cho，加入1ml5％w/vgelma溶液中，置于37℃条件下溶解完全后，利用波长为405nm的光源光交联30s，制备得到cqd/ha/gelma复合水凝胶；其中cqd/ha/gelma复合水凝胶在中性和酸性条件下的sem图如图3所示，结果表明，ha-cho浓度为10％w/v时，相比于中性微环境，cqd/ha/gelma复合水凝胶在酸性条件下会发生部分降解，大孔结构被破坏，复合水凝胶的力学强度下降，复合水凝胶能够展现出优异的杀菌性能。gelma、ha/gelma(ha-cho与gelma混合液经光交联制
备得到的水凝胶，不含arg-cqd纳米粒)和cqd/ha/gelma复合水凝胶分别在中性和酸性条件下的压缩强度图如图4所示，结果表明，相比于中性条件(pbs)，ha/gelma与cqd/ha/gelma复合水凝胶的力学强度在酸性条件下会下降，表明ha/gelma与cqd/ha/gelma复合水凝胶会响应酸性微环境发生部分降解且结构被破坏，从而导致复合水凝胶力学强度下降。
48.实施例3
49.本实施例cqd/ha/gelma复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
50.s31，称取500mg精氨酸粉末置于240℃条件下煅烧3h，然后自然冷却至室温，将煅烧的精氨酸粉末溶于超纯水中，超声30min后在15000rpm下离心30min，然后将上清液加入mwco＝1000da的透析袋中于超纯水中透析24h，最后经冷冻干燥得到arg-cqd纳米粒；
51.s32，称取1.5gha溶于150ml去离子水中，然后加入802mg高锰酸钾并室温搅拌2h，之后加入200μl乙二醇终止反应，接着将反应液加入mwco＝8000da的透析袋中于去离子水中透析72h，最后经冷冻干燥得到ha-cho；
52.s33，称取1g gelma及50mg lap(lithium phenyl-2,4,6-trimethyl-benzoyl phosphinate，苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)溶于10ml去离子水中，置于37℃条件下溶解完全得到浓度为10％w/v的gelma溶液；
53.s34，称取5mg步骤s31制得的arg-cqd纳米粒及200mg步骤s32制得的ha-cho，加入1ml10％w/vgelma溶液中，置于37℃条件下溶解完全后，利用波长为405nm的光源光交联30s，制备得到cqd/ha/gelma复合水凝胶；所述cqd/ha/gelma复合水凝胶在中性和酸性条件下的arg-cqd纳米粒释放曲线图如图5所示，结果表明cqd/ha/gelma复合水凝胶可响应酸性微环境快速释放arg-cqd纳米粒。同时，释放出的arg-cqd纳米粒可显著杀伤细菌(图6)，且具有良好的成骨诱导活性，促进细胞产生大量的钙沉积(图7)。
54.最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。