一种自愈性水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及医用水凝胶，具体涉及一种自愈性水凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、骨缺损是指因手术或创伤等原因导致的骨质短缺，其治疗一直是骨科医生面临的难题之一。在骨缺损修复治疗中，通常需要植入修复材料以恢复缺损的组织结构。常用的骨修复材料有自体骨、同种异体骨和人工骨材料等。自体骨来源于自身，成骨性、骨诱导性和骨传导性高，且能避免免疫排斥反应，曾被认为是骨缺损治疗的“金标准”，但是供骨来源不足的问题严重妨碍了自体骨移植的开展应用。同种异体骨虽解决了自体骨来源不足的问题，但是存在免疫排斥的风险。近年来，随着生物材料技术和组织工程技术的飞速发展，各种人工骨材料如无机骨材料(如金属材料和生物陶瓷材料)、有机骨材料(如天然高分子材料和人工合成有机高分子材料等)以及复合骨材料(如纳米材料和水凝胶材料等)逐渐被研究甚至用于临床治疗骨缺损。

2、与其他生物材料相比，水凝胶具有与细胞外基质相似的多孔结构，良好的生物相容性和降解性，因此可用作细胞或骨生长的载体材料；此外，水凝胶质地柔软，形态可变，可以很好地适配较深层和不规则的骨缺损，促进骨修复。然而，多数传统水凝胶由于刚性过强且不具有动态性质，在临床应用中易因物理/化学/机械形变而产生破损，缩短使用寿命，继而引起感染和炎症反应。

3、在骨再生愈合过程中，血管生成和新骨生成是至关重要的两个步骤，其中，新骨生成涉及成骨细胞成骨行为和破骨细骨吸收行为间的精妙平衡。大量研究显示，包括bmscs和脐带来源间充质干细胞(ucmscs)等在内的mscs可通过促进成骨分化和血管生成，抑制破骨分化等方式，促进骨再生。因此，将mscs作为种子细胞，是提高骨移植材料疗效的重要手段之一。然而，此类技术存在诸多问题，如干细胞来源有限、细胞在体内难以维持活性、存在安全问题及伦理争议，极大地限制了其临床应用转化。因此，寻找一种既可以发挥mscs优点，又能克服其不利因素的替代方案迫在眉睫。

4、近年来研究显示，mscs通过旁分泌作用产生的外泌体在促进组织修复过程中发挥了关键作用。作为一种新型的脱细胞因子，外泌体保留了mscs诸多优点，且更易制备、处理、表征和存储，在促进组织修复与再生方面显示出了巨大的应用前景。在骨缺损方面，takeuchi等人发现bmscs条件培养基来源外泌体(msc-exo)在细胞试验中可促进mscs细胞迁移，成骨和血管生成基因表达；而在大鼠颅骨骨缺损模型中，msc-exo能促进骨再生和血管生成。在另外一项实验中ying等人发现，突变型hif-1α修饰bmscs来源外泌体(bmsc-exos-hif-1α)可促进bmscs增值和成骨分化，bmsc-exos-hif-1α结合β-tcp支架可通过促进新骨生成和血管化促进临界骨缺损修复。

5、限制外泌体治疗应用的难点之一是其递送方式。传统方法包括全身/局部注射，鼻内给药等。这些递送方式具有严重的不足，如需要极大量的外泌体、外泌体流向其他组织导致异位效应等。最近，越来越多研究证据表明，水凝胶有诸多特点如良好的生物相容性、类似细胞外基质的三维结构、合适的孔隙结构、可塑性强等，可作为外泌体理想载体，通过缓释(延长外泌体体内作用时间)和靶向(直接放置于缺损部位)方式，促进骨缺损修复。比如，lu等人利用甲基丙烯酸明胶(gelma)、甲基丙烯酸透明质酸(hama)和纳米羟基磷灰石(nhap)构建了一种注射用复合水凝胶，然后负载人尿源性干细胞外泌体(uscexos)，结果发现外泌体能从水凝胶中缓释出来，此外，uscexos/gelma-hama/nhap复合水凝胶可促进bmscs成骨分化和内皮祖细胞血管生成，体内实验进一步证实这种复合水凝胶可促进大鼠颅骨骨缺损修复。wang等人利用珊瑚羟基磷灰石(cha)/丝素蛋白(sf)/乙二醇壳聚糖(gcs)/双醛功能化聚乙二醇(df-peg)构建一种自愈性水凝胶，并以此作为人ucmscs来源外泌体的载体，结果发现负载外泌体的自愈性水凝胶对大鼠骨缺损的修复作用最为明显。zhang等人同样发现，水凝胶负载ucmscs来源外泌体可通过增强血管生成促进骨修复。上述资料表明，通过合适的水凝胶递送外泌体，有益于促进骨缺损修复。

6、为此，本发明旨在提供一种自愈性水凝胶及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种自愈性水凝胶及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种自愈性水凝胶，所述自愈性水凝胶由一级网络和二级网络构成；所述自愈性水凝胶由甲基丙烯酸明胶(gelma)、氧化葡聚糖(odex)和蓝光引发剂(lap)构成。

4、在本方案中，通过甲基丙烯酸酐化明胶氨基和右旋糖酐醛基间的席夫碱形成水凝胶的一级网络，然后通过甲基丙烯酰基间的光交联反应形成水凝胶二级网络。

5、本发明还提供了一种自愈性水凝胶的制备方法，将甲基丙烯酸明胶(gelma)和蓝光引发剂(lap)在50℃下溶于pbs溶液，最终浓度分别为10％和0.25％。然后用氧化葡聚糖(odex)溶液将溶液稀释至1％(w/v)。在37℃温育30分钟后，生成一级网络水凝胶(s-gog)。然后用405nm(25mw/cm2)的光照射s-gog 90秒，生成二级网络水凝胶(gog)，并负载间充质干细胞来源外泌体和仿生多肽，获得自愈性水凝胶。

6、本发明还提供了自愈性水凝胶的应用，所述自愈性水凝胶用于负载wk(合成仿生多肽)和bmscs来源evs(间充质干细胞来源外泌体)，进而用于治疗骨缺损的药物的制备。

7、进一步地，所述自愈性水凝胶用于负载wk和bmscs来源evs的方法为：

8、s1、先将wk肽(合成仿生多肽)溶液/evs溶液(间充质干细胞来源外泌体)与氧化葡聚糖(odex)溶液预混合；

9、s2、将甲基丙烯酸明胶(gelma)和蓝光引发剂(lap)在50℃下溶于pbs溶液，最终浓度分别为10％和0.25％。然后用预混了wk肽(合成仿生多肽)/evs的氧化葡聚糖(odex)溶液将上述溶液稀释至1％(w/v)。在37℃温育30分钟后，生成负载wk肽与evs的一级网络水凝胶(s-gog@wk-evs)。然后用405nm(25mw/cm2)的光照射s-gog 90秒，生成负载wk肽与evs的二级网络水凝胶(gog@wk-evs)。

10、与现有技术相比，本方案的有益效果：

11、本发明提供的自愈性水凝胶，通过甲基丙烯酸酐化明胶氨基和右旋糖酐醛基间的席夫碱形成水凝胶的一级网络，然后通过甲基丙烯酰基间的光交联反应形成水凝胶二级网络，并负载间充质干细胞来源外泌体和仿生多肽，获得自愈性水凝胶。本发明的这种由动态共价键形成的水凝胶具有自愈合和剪切变薄特性，在注射前保持凝胶形式，注射过程中变成液体形态，而在注射后，水凝胶在损伤区域快速自愈合。此外，通过光聚合反应形成二级增强网络，强化其机械性能，避免在损伤部位快速降解，促进骨缺损修复。

技术特征：

1.一种自愈性水凝胶，其特征是：所述自愈性水凝胶由一级网络和二级网络构成；所述自愈性水凝胶由甲基丙烯酸明胶、氧化葡聚糖(odex)和蓝光引发剂(lap)构成。

2.如权利要求1所述的一种自愈性水凝胶的制备方法，其特征是：通过将甲基丙烯酸明胶和蓝光引发剂在50℃下溶于pbs溶液，使甲基丙烯酸明胶浓度为10％，蓝光引发剂浓度0.25％，然后用氧化葡聚糖溶液将甲基丙烯酸明胶和蓝光引发剂稀释至1％(w/v)，并在37℃温育30分钟后，生成一级网络水凝胶，然后用405nm的光照射s-gog90秒，生成二级网络水凝胶，即制得自愈性水凝胶。

3.如权利要求2所述的一种自愈性水凝胶的制备方法，其特征是：所述自愈性水凝胶用于负载wk和bmscs来源evs，进而用于治疗骨缺损的药物的制备。

4.如权利要求3所述的一种自愈性水凝胶的制备方法，其特征是：所述自愈性水凝胶用于负载wk和bmscs来源evs的方法为：

技术总结
本发明公开了一种自愈性水凝胶及其制备方法，涉及医用水凝胶技术领域，其技术要点为：自愈性水凝胶由一级网络和二级网络构成；自愈性水凝胶由甲基丙烯酸酐化明胶氨基、右旋糖酐醛基和甲基丙烯酰基构成。其制备方法为：通过甲基丙烯酸酐化明胶氨基和右旋糖酐醛基间的席夫碱形成水凝胶的一级网络，和甲基丙烯酰基间的光交联反应形成水凝胶二级网络，并负载间充质干细胞来源外泌体和仿生多肽，获得自愈性水凝胶。本发明的水凝胶具有自愈合和剪切变薄特性，在注射前保持凝胶形态，注射过程中变成液体形态，注射后水凝胶在损伤区域能快速自愈合。此外，通过光聚合反应形成二级增强网络，强化其机械性能，避免在损伤部位快速降解，促进骨缺损修复。

技术研发人员：殷翔,罗科宇,靳宇飞,刘佰易,王腾宇,刘瑶瑶,赵建华
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军特色医学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25