用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法

本发明涉及骨再生，尤其是涉及用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法。

背景技术：

1、由颅脑损伤引起的颅颌面骨缺损的修复仍是一个重大挑战。尽管取得了积极的成果，但由于与骨移植相关的巨额费用、骨源的有限性以及潜在的并发症，自体/异体移植在重建手术中的应用受到限制。为了解决这些问题，已经开发了包括钛网、聚醚醚酮(peek)、磷酸钙水泥和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)在内的各种替代品。然而，这些替代品存在诸如灵活性有限、骨整合不足、组织摩擦明显以及杨氏模量高等缺点。因此，它们的应用受到其无法适应颅内组织动态变化和不适合颅骨切除术后即时植入的影响。此外，颅骨的形成与毛细血管的发展密切相关，形成高度血管化的组织对于为骨再生和骨整合提供必要的氧气和营养至关重要。这强调了骨形成和血管化在颅骨发育中的关键相互作用。尽管目前所研究的颅骨再生策略取得了一定的成果，但在产生高度血管化的新骨形成方面仍显不足。因此，迫切需要一种具有适当机械强度和生物活性并且有望适应颅内微环境的功能性植入物，用于颅骨切除术后立即植入和固定于缺损部位。同时，还要有动员人脐静脉内皮细胞(huvecs)和间充质干细胞(mscs)促进颅骨组织再生的潜力。

2、纯聚乙烯醇(pva)溶液可以通过连续冻融作用形成微晶结构，无需使用可能产生细胞毒性风险的化学交联剂便能够转化为聚合物水凝胶。近年来，作为一种新型高性能聚合物系统，pva水凝胶在生物制药和生物医学领域的应用受到了广泛关注。由于其出色的生物相容性、显著的机械属性、低成本和易于加工性，它已成为组织工程和药物输送系统的重要材料。然而未改性的pva水凝胶由于其超光滑的表面，与细胞粘附性降低和伤口修复中的生物功能有限有关。这些因素严重阻碍了其在骨再生中的潜在应用。最新研究表明，用生物活性分子修饰原始pva水凝胶可以有效提高其粘附性，并实现生物活性分子的持续释放，从而促进组织修复。

3、硅酸镁锂纳米片(lap)作为一种新兴的二维生物材料，在生物医学工程中展现了令人兴奋的可能性。lap以其出色的生物相容性、双电荷特性、独特形状和高表面积-体积比而著称。这些特点使lap适合用于各种领域，包括药物、蛋白质和基因等客体分子的递送以及组织修复。lap的降解产物是非细胞毒性的硅(si)、镁(mg)和锂(li)离子，这些离子在生理微环境中作为生物活性因子发挥作用。将lap作为成骨生物活性因子对pva水凝胶进行改性将可以产生多种有益效果。

4、此外，骨骼的血管化对其健康和再生能力至关重要。血液供应不足往往会限制新骨的形成并延迟愈合过程。根据这一点，将去铁胺(dfo)与成骨生物活性分子结合使用是一种引人入胜的策略。已有研究表明它能提高缺氧诱导因子1-α(hif-1α)的水平并激活下游与血管生成相关的基因。在可用于生物医学应用中承载带正电荷dfo的不同传递系统中，使用lap作为成膜聚合物是一个合适的选择。lap的边缘带正电荷，而纳米片的表面带负电荷。lap可以作为生物活性因子和抗体递送的智能载体，这为通过lap的带负电荷的表面递送带正电的dfo提供了一种极简的方法，并能巧妙地实现dfo与生物活性因子的结合。将生物活性lap和dfo材料整合进具有显著机械特性的生物兼容性pva水凝胶中并为全面骨再生管理提供了新的设计思路。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，利用聚乙烯醇水凝胶系统作为颅骨缺损修复的基材，通过生物兼容性和粘合性的单宁酸，输送去铁胺结合的硅酸镁锂纳米材料中的活性离子和药物，满足了细胞反应和骨骼重塑长期的需求，促进了快速血管入侵并加速了骨整合。

2、为实现上述目的，本发明提供了用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤一：将去铁胺溶于去离子水中配置成混合液体，将混合液体在4℃下储存使用；

4、步骤二：将与步骤一去铁胺等量的硅酸镁锂纳米片添加到混合液体中，并继续搅拌120分钟，形成改性的硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒，得到的纳米颗粒用去离子水洗涤并在氮气条件下进行干燥处理；

5、步骤三：将纯聚乙烯醇和去离子水在烧瓶中混合，并在90℃下加热1小时，通过反复冷冻和解冻四个额外循环，使用混合液体制备纯聚乙烯醇水凝胶；

6、步骤四：将聚乙烯醇水溶液、单宁酸、步骤二所得硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒在烧瓶中混合，通过反复冷冻和解冻四个额外循环，使用混合液体制备聚乙烯醇/硅酸镁锂/去铁胺纳米水凝胶。

7、优选的，步骤一中，混合液体的浓度为1mg/ml。

8、优选的，步骤三中，纯聚乙烯醇为40g，去离子水为100ml。

9、优选的，步骤四中，单宁酸为0.1mg，硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒的质量占聚乙烯醇质量的5％、10％、15％。

10、本发明所述的用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法的优点和积极效果是：

11、1、本发明利用聚乙烯醇水凝胶系统作为颅骨缺损修复的基材，该体系不仅增强了受损骨骼组织，还作为载体，通过生物兼容性和粘合性的单宁酸，输送去铁胺结合的硅酸镁锂纳米复合材料中的活性离子和药物，单宁酸能够通过多酚基团的静电交互作用载入到聚乙烯醇中并增强水凝胶以及lap/dfo纳米复合材料的物理交联，同时水凝胶系统拥有适宜的刚度，且由于水凝胶基质的保护效果，lap/dfo纳米复合材料的自降解将显著受到抑制，大量的去铁胺通过静电相互作用被加载在lap表面上，从而产生了明显的缓释效应，提升了dfo的生物活性，满足了细胞反应和骨骼重塑长期的需求，在组织受伤的微环境中能够观察到从装载有lap/dfo的pla杂化水凝胶中顺序释放dfo及生物活性离子，创造了一个促再生的微环境。

12、2、本发明全面分析了生物功能化纳米水凝胶的理化结构与特性、体外生物活性因子释放行为，以及包括黏附、增殖、血管生成效应和成骨分化在内的细胞响应，体内研究显示，多组分的pva水凝胶植入颅骨缺损时，促进了快速血管入侵并加速了骨整合。

13、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，混合液体的浓度为1mg/ml。

3.根据权利要求1所述的用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤三中，纯聚乙烯醇为40g，去离子水为100ml。

4.根据权利要求1所述的用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤四中，单宁酸为0.1mg，硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒的质量占聚乙烯醇质量的5％、10％、15％。

技术总结
本发明涉及颅骨再生技术领域，具体公开了用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，包括如下步骤：将去铁胺溶于去离子水中，将硅酸镁锂纳米片添加到溶液中，形成硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒；将纯聚乙烯醇和去离子水在烧瓶中混合，形成纯聚乙烯醇水溶液，制备聚乙烯醇水凝胶；将聚乙烯醇水溶液、单宁酸、硅酸镁锂/去铁胺纳米颗粒在烧瓶中混合，形成聚乙烯醇/硅酸镁锂/去铁胺混合物，制备纳米水凝胶。本发明采用上述用于颅骨再生的生物功能化纳米水凝胶的制备方法，利用聚乙烯醇水凝胶作为颅骨缺损修复基材，通过水凝胶递送去铁胺修饰的硅酸镁锂纳米片中的活性离子和药物，满足细胞反应和骨骼重塑长期需求，促进血管形成并加速骨整合。

技术研发人员：陈茂文,王子健,余锐,唐玉超
受保护的技术使用者：安徽中医药大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17