利用压电效应促进软骨修复的水凝胶、制备方法及其应用

本发明涉及一种再生水凝胶，具体为一种利用压电效应促进软骨修复的水凝胶、制备方法及其应用，属于生物材料。

背景技术：

1、关节软骨损伤是常见病、多发病，严重影响患者的日常活动和生活质量。软骨损伤疾病既包括退行性疾病骨性关节炎，又包括运动损伤引起的局灶性关节软骨缺损。骨关节炎主要困扰广大中老年人，是中老年人最常见的疾病之一，导致严重的慢性疼痛和关节功能障碍，给中老年人来了巨大的痛苦和精神负担。因此，合理有效修复软骨损伤不仅可以解决广大患者的痛苦， 还可以极大减轻社会经济负担。关节软骨是覆盖在骨端的一层透明软骨，无血管分布，无自我修复能力。目前对软骨损伤缺乏积极、有效的治疗手段，只能延缓疾病的进展，进而最后进行关节置换手术。因而，再生透明软骨、修复软骨损伤、防止软骨进一步退化，进而使患者避免关节置换手术具有重要意义。再生天然软骨，恢复原有的光滑关节面一直以来是骨科中的难题，国内外学者们做过多种研究。

2、在现有技术中，公开号为cn114306732a所公开的一种促软骨修复水凝胶材料及其制备方法和应用。其采用tgf-β3对bmsc进行预处理以得到tgf-β3-mirna-细胞外囊泡，通过bmsc与tgf-β3-mirna-细胞外囊泡共同培养得到tgf-β3-mirna-细胞外囊泡的bmsc，将所得产物与具有生物相容性的水凝胶混合均匀以得到促软骨修复水凝胶材料。该材料因tgf-β3-mirna-细胞外囊泡之间的协同作用，克服了单纯使用tgf-β3促使bmsc成软骨分化的局限性，提高了bmsc软骨分化的效率，具有显著优异的软骨修复效果，可应用于受损软骨方面的治疗，该种方法虽然能部分恢复关节功能，缓解病人的疼痛。但是，只能形成纤维软骨，形成的修复组织机械性能很差，随着时间和压力的增加很容易破损退化。

3、压电材料作为一种典型的力电转换材料，能够基于压电效应将各种机械刺激 转化为电信号，是产生外力下变形引起的内电位变化的局部电刺激信号的最佳选 择之一。具有良好压电性能和优良加工性能的压电聚合物聚（偏氟乙烯）（pvdf） 作为一种电活性生物材料性质优异但是存在不可生物降解的问题，为软骨修复的 预后带来问题，而可降解的压电共聚物聚（l-乳酸）（plla）和聚（乳酸）（pla） 压电性能则较弱。因此寻找一种有良好生物降解性和生物相容性压电生物材料迫在当务之急。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种利用压电效应促进软骨修复的水凝胶、制备方法与及其应用。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种利用压电效应促进软骨修复的水凝胶，包括水凝胶本体，水凝胶为包含铌酸钠钾（kkn）、聚乙烯醇(pva）和聚丙烯酸（paa）的可生物降解三维压电水凝胶，铌酸钠钾knn填充于聚乙烯醇(pva）和聚丙烯酸（paa）凝胶的空隙中；

3、其制备方法包括以下步骤：

4、步骤一、制备4wt%的pva溶液：将100ml去离子水和4gpva在烧杯中混合，然后90℃水浴搅拌30min，直至pva完全溶解，得到透明的溶液；

5、步骤二、制备10mol/lnaoh溶液：称取20gnaoh放入小烧杯中，然后加入去离子水搅拌至naoh溶解，最后用50ml容量瓶定容；

6、步骤三、制备pva/paa/knn复合压电水凝胶：将5ml4wt%pva溶液与0.05g铌酸钠钾(knn)加入烧杯中搅拌，然后在烧杯中加入0.01gn，n’-亚甲基双丙烯酰胺(bis)再次搅拌获得分散液，然后再加入1ml丙烯酸搅拌，再加入0.725ml10mol/lnaoh溶液，使得反应体系为50mol%中和度，继续搅拌后加入催化剂100μl四甲基乙二胺(temed)并进行搅拌；最后加入引发剂0.1g过硫酸钾(kps)并进行搅拌；将最后的溶液放置于50℃水中水浴搅拌反应；当观察到体系变粘稠，停止搅拌，并取出烧杯中的固体放入密封袋中放进冰箱中在-18℃下冷冻18小时，再从冰箱中取出获得pva/paa/knn复合压电水凝胶。

7、作为本发明再进一步的方案：聚乙烯醇(pva）为具有多孔结构的凝胶态，是一种线型高分子聚合物，在一定条件下由醋酸乙烯(va)聚合而成，能以各种比例溶解于水中。

8、作为本发明再进一步的方案：聚丙烯酸（paa）为带负电荷的聚电解质，是一种带负电荷的水溶性聚电解质，其聚合物主链上含有羧基，可以与多种其他聚合物或分子发生分子间作用。

9、作为本发明再进一步的方案：铌酸钠钾（knn）为压电材料，是一种具有丰富相结构的铁电材料，随着温度的降低，依次经历从立方相(c)到四方相(t)、从四方相到正交相(o)以及从正交相到三方相(r)的一系列结构相变。

10、作为本发明再进一步的方案：步骤三中，铌酸钠钾加入到4wt%pva溶液内的搅拌时间以及加入n,n’-亚甲基双丙烯酰胺的搅拌时间均为15-20min。

11、作为本发明再进一步的方案：步骤三中，对于所获得的分散液，将分散液超声15-20min，使得分散液中knn分散均匀。

12、作为本发明再进一步的方案：步骤三中，对加入丙烯酸后的搅拌时间为15-20min。

13、作为本发明再进一步的方案：步骤三中，加入naoh溶液后的搅拌时间、加入催化剂四甲基乙二胺(temed)的搅拌时间以及加入引发剂过硫酸钾的搅拌时间均为5-10min。

14、利用压电效应促进软骨修复的水凝胶，该水凝胶可响应无线电刺激产生电信号促进干细胞成软骨分化及内源性血管生成，最终在软骨缺损处完美再生透明软骨，进而加速运动功能的恢复，该水凝胶可应用于促进损伤软骨再生对骨关节炎的治疗。

15、本发明的有益效果是：采用铌酸钠钾调控knn的相结构实现多相共存,从而增加零点场下材料内部电偶极子的极化方向,使其在外电场作用下更容易获得大的熵变,从而有望获得大的电卡效应，采用聚乙烯醇能以各种比例溶解于水中，热稳定性良好，采用聚丙烯酸作为水凝胶基质，利用有优异压电性能的无毒无害的铌酸钠钾纳米颗粒以及聚乙烯醇和聚丙烯酸为主体的压电水凝胶，开发出一种可生物降解三维压电支架，把这种可生物降解三维压电支架植入到膝关节软骨缺损，当膝关节运动时，由于应力挤压及关节自身摩擦促使三维压电支架产生电荷，而复合压电水凝胶可以响应无线电刺激产生电信号促进干细胞成软骨分化及内源性血管生成，最终在软骨缺损处完美再生透明软骨，进而加速运动功能的恢复。促进损伤软骨再生对骨关节炎的治疗具有重要意义，同时这种可生物降解三维压电支架在再生医学领域具有广发的应用前景。

技术特征：

1.一种利用压电效应促进软骨修复的水凝胶，包括水凝胶本体，其特征在于：所述水凝胶本体为包含铌酸钠钾、聚乙烯醇和聚丙烯酸的可生物降解三维压电水凝胶，所述铌酸钠钾knn填充于聚乙烯醇和聚丙烯酸凝胶的空隙中。

2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述聚乙烯醇为具有多孔结构的凝胶态，是一种线型高分子聚合物，在一定条件下由醋酸乙烯聚合而成，能以各种比例溶解于水中。

3.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述聚丙烯酸为带负电荷的聚电解质，是一种带负电荷的水溶性聚电解质，其聚合物主链上含有羧基，与多种其他聚合物或分子发生分子间作用。

4.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述铌酸钠钾为压电材料，是一种具有丰富相结构的铁电材料，随着温度的降低，依次经历从立方相到四方相、从四方相到正交相以及从正交相到三方相的一系列结构相变。

5.一种基于权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，铌酸钠钾加入到4wt%pva溶液内的搅拌时间以及加入n,n’-亚甲基双丙烯酰胺的搅拌时间均为15-20min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，对于所获得的分散液，将分散液超声15-20min，使得分散液中knn分散均匀。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，对加入丙烯酸后的搅拌时间为15-20min。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，加入naoh溶液后的搅拌时间、加入催化剂四甲基乙二胺的搅拌时间以及加入引发剂过硫酸钾的搅拌时间均为5-10min。

10.一种应用于促进损伤软骨再生对骨关节炎治疗的水凝胶，其特征在于：所述水凝胶通过权利要求5至权利要求9任一项所述的制备方法制备，所述水凝胶响应无线电刺激产生电信号促进干细胞成软骨分化及内源性血管生成，最终在软骨缺损处完美再生透明软骨，进而加速运动功能的恢复。

技术总结
本发明公开了一种利用压电效应促进软骨修复的水凝胶、制备方法及其应用，其中，水凝胶本体包括铌酸钠钾、聚乙烯醇和聚丙烯酸制备的可生物降解三维压电水凝胶。本发明的聚乙烯醇为具有多孔结构的凝胶态，聚丙烯酸为带负电荷的聚电解质，铌酸钠钾为压电材料，利用有优异压电性能的无毒无害的铌酸钠钾纳米颗粒以及聚乙烯醇和聚丙烯酸为主体的压电水凝胶，开发出一种可生物降解三维压电支架，将该支架植入到膝关节软骨缺损，当膝关节运动时，由于应力挤压及关节自身摩擦促使三维压电支架产生电荷，而复合压电水凝胶可以响应无线电刺激产生电信号促进干细胞成软骨分化及内源性血管生成，在软骨缺损处完美再生透明软骨，加速运动功能的恢复。

技术研发人员：刘玉宝,陆军
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15