一种水凝胶及其制备方法与应用

本发明属于生物材料应用，具体涉及一种水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、糖尿病(diabetes mellitus,dm)是一种因胰岛素分泌缺陷、胰岛素作用缺陷或两种因素都存在而导致的以高血糖为特征的代谢性疾病，涉及到糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等多个方面的机体代谢紊乱。据2020年数据显示，我国18岁及以上居民糖尿病患病率为11.9％。在糖尿病患者机体内，由于免疫响应依赖于正常的代谢调控，而长期的高糖环境会引起代谢紊乱，进而导致免疫功能障碍。在局部微环境中，这种功能代谢紊乱表现为巨噬细胞极化、功能失调和炎性因子浸润，从而引起成骨功能的明显受损和血管形成的障碍。因此，糖尿病患者不仅罹患骨质疏松和骨折等疾病的风险大大增加，并且一旦发生骨折，糖尿病患者的骨修复再生过程也更加缓慢，往往导致骨不连、延迟愈合和骨缺损。研究显示，与健康人群相比，糖尿病患者骨折风险增加了20％至300％，在骨密度正常的情况下，2型糖尿病(t2d)骨骼脆性显著提高，并且骨折后结局(包括死亡)更差。

2、目前，基于生物材料的骨缺损修复工具具有广阔的应用前景，其中，明胶甲基丙烯酰(gelma)水凝胶因其适宜的生物学特性和可调节的物理性质而被广泛应用于骨组织工程。gelma水凝胶与天然细胞外基质(ecm)的一些关键特性非常相似，其具有细胞附着和基质金属蛋白酶响应肽基序，这些基序允许细胞在基于gelma的支架中增殖和扩散。然而，这种材料的生物优势和加工优势难以兼顾。例如，高浓度的gelma具有出色的加工优势，但却减少了细胞生存所需的营养物质和氧气的扩散。相反，低浓度的gelma水凝胶由于其细胞亲和性而更适合用作携带细胞的生物墨水。然而，低浓度gelma水凝胶在印刷适性、机械强度和交联时间方面存在一些不可避免的问题。为了克服这个问题，一些研究致力于将低浓度gelma与其他成分(如明胶、海藻酸盐和纳米粘土)混合。这种引入额外组分的方法，可以使得gelma水凝胶在力学特性上得到增强，但同时需要确保gelma与其他物质之间的连接稳定性。在近年来的研究中，金属离子与非金属之间的配位连接因其优秀的动态稳定性和自我修复性受到更加广泛的关注。但是各种金属离子不受控制的积累可能导致骨形成和功能的抑制，甚至具有细胞毒性。

3、除了交联方式，药物的适当负载也是影响生物材料在骨缺损修复中效果的另一个重要因素。目前用于骨再生的药物主要直接靶向成骨细胞或破骨细胞。然而，在糖尿病环境中，骨缺损修复策略应当表现出差异，单纯的靶向成骨细胞或破骨细胞表现出局限性。正常上生理情况下，在骨折或骨缺损发生后，骨损伤部位最初被大量免疫细胞(主要是巨噬细胞和中性粒细胞)的浸润，进入炎症期。巨噬细胞不仅会吞噬骨折部位的坏死细胞和组织碎片，还会启动从骨膜、骨髓和循环中招募间充质干细胞和血管祖细胞。随着炎症逐渐消退，间充质干细胞和其他祖细胞开始增殖，形成肉芽组织，最终促进软骨愈伤组织的形成，以稳定骨折部位。因此，巨噬细胞在串联炎症期和骨痂形成过程中发挥着至关重要的作用。然而在高糖环境下，糖尿病机体始终处于一种慢性炎症状态，m1/m2型巨噬细胞比例明显升高，经典活化的巨噬细胞(m1型巨噬细胞)在促炎状态下占主导地位，m1型巨噬细胞分泌许多促炎细胞因子(如il-1β、il-6和肿瘤坏死因子tnf-α)，过多的促炎细胞因子通过影响多种信号通路来抑制骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cell,bmsc)的成骨分化和成骨细胞的成骨功能。m2型巨噬细胞在分泌抗炎细胞因子(如il-4、il-10等)和促进受损组织修复和新生血管形成中的作用被消除。此外，m2型巨噬细胞对转化生长因子-β(tgf-β)、骨桥蛋白(opn)和骨形态发生蛋白-2(bmp-2)的分泌也减少，进一步抑制了bmscs的迁移和成骨分化。因此，重编程巨噬细胞由m1极化转向m2极化、纠正缺损区域的骨免疫微环境紊乱对于成骨功能恢复和血管形成至关重要，从而最终达到加速骨再生的目标。目前，格列美脲和胰岛素可以作为特定的口服糖尿病药物，但这些药物主要通过肠道代谢发挥作用，作用速度较慢，无法快速发挥原位作用的优势，并且直接原位作用可能会引起不良反应。

4、综上，糖尿病条件下的骨再生修复面临严峻的挑战，其主要受到糖尿病诱导的巨噬细胞极化失调和骨微环境炎性紊乱的影响。因此，亟需找到一种骨生物材料，调整糖尿病微环境下的巨噬细胞极化失调和骨微环境炎性紊乱。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水凝胶及其制备方法与应用。所述水凝胶可以调节糖尿病骨免疫微环境，从而加速骨组织修复。

2、第一方面，本发明提供一种水凝胶，包括巯基化凝胶、负载有脂溶性糖尿病药物的巯基化环糊精以及金属离子；

3、所述巯基化凝胶和巯基化环糊精分别与金属离子配位交联；

4、所述金属离子选自金离子、铁离子或锌离子中的任意一种或多种。

5、优选地，所述巯基化凝胶、金属离子、负载有脂溶性糖尿病药物的巯基化环糊精的质量比为(40～60):1:(6～8)。

6、更优选地，所述巯基化凝胶、金属离子、负载有脂溶性糖尿病药物的巯基化环糊精的质量比为(45～55):1:(7～8)。

7、优选地，所述巯基化环糊精中脂溶性糖尿病药物的包封率为95～98％。

8、优选地，所述巯基化凝胶为巯基化明胶。

9、优选地，所述巯基化环糊精选自巯基化α环糊精或巯基化β环糊精。

10、优选地，所述巯基化β环糊精为6-巯基-6-去氧-β-环糊精。

11、优选地，所述脂溶性糖尿病药物选自列汀类药物。

12、第二方面，本发明提供一种上述水凝胶的制备方法，包括：

13、将巯基化凝胶、金属源和负载有脂溶性糖尿病药物的巯基化环糊精混合，静置，得到水凝胶；

14、所述金属源选自四氯金(ⅲ)酸水合物、硫酸铁或硫酸锌中的任意一种或多种。

15、第三方面，本发明提供一种上述水凝胶在制备糖尿病骨修复材料中的应用。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、本发明提供了一种水凝胶，包括巯基化凝胶、负载有脂溶性糖尿病药物的巯基化环糊精以及金属离子(金离子、铁离子或锌离子中的任意一种或多种)。本发明中，所述巯基化凝胶与金属离子通过配位作用交联，进一步金属离子与巯基化环糊精通过配位作用交联，从而得到一种动态水凝胶。其中，所述巯基化环糊精中负载有脂溶性糖尿病药物，通过巯基化环糊精与脂溶性糖尿病药物的疏水作用结合构成药物缓释体系，同时利用该药物调控巨噬细胞极化的功能，进而调节糖尿病骨免疫微环境，从而加速骨组织修复相连接。

18、经表征，发现所述水凝胶内部呈现微米级的三维网状立体结构，平均孔径达到在50-100μm左右，分布均一，具有良好的结构稳定性、自愈合性能、成型性能、溶胀性能和抗降解能力。

19、经体外实验，发现所述水凝胶具有药物缓释效果，对成骨分化、血管形成均具有促进作用，具备优异的骨组织成骨功能，能够有效促进巨噬细胞ml向m2转化，且减轻了局部炎症反应，可以调节糖尿病骨的免疫微环境，从而加速骨组织修复。