一种促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物工程材料技术领域。更具体地，涉及一种促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

由于某种因素如外伤、感染、肿瘤等使骨丧失了一些骨质，形成较大的间隙，称为骨缺损。骨缺损在临床上发病率较高，其治疗是骨科重要的技术问题。全世界每年因严重的创伤、骨折合并感染、骨折后治疗不当、骨肿瘤或伴有其他合并症造成的骨缺损患者数以千万。在我国，随着人口老龄化社会的到来，骨骼疾病的发病率呈上升趋势，直接导致医疗费用增加，生产效率和生活质量下降。虽然近年来骨折治疗早期多采取积极的治疗手段，已使骨不连及骨缺损发病率明显下降，但仍是骨科医生需要面对的一个难题。目前，修复骨缺损的方法主要有骨移植、组织工程技术、膜引导性组织再生技术、基因疗法等，但没有彻底的进行骨缺损修复的方法。因此，迫切需要制定有效的替代策略，以安全的方式促进骨再生，从而达到完整的骨缺损修复。

研究各类人工植骨替代材料是近年来研究的热点，其能够克服自体或异体骨固有的缺点，而这正是临床迫切需要解决的问题。理想的骨修复材料首先应该具备的特性有：

(1)生物相容性：可与骨直接进行化学结合，不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰其周围骨细胞的自然再生过程，对骨组织的分解吸收具有传导性；

(2)具有可塑性和一定的机械强度；

(3)生物降解性：在一定时间内被宿主骨替代，不影响骨组织的修复，无毒副作用；

(4)诱导再生性：通过自身或添加骨诱导因素，刺激或诱导骨骼生长。

目前，临床常用的人工骨材料有各种类型的骨水泥、生物陶瓷、组织工程骨等。其中，骨水泥类材料主要有磷酸钙骨水泥、丙烯酸酯类骨水泥等。但骨水泥由于力学强度不足、部分产品聚合热过高及单体释放、抗水溶性(血溶性)差、降解速度与固化时间难以控制等缺点，其临床应用受到一定限制。生物陶瓷主要包括羟基磷灰石、生物活性玻璃等，羟基磷灰石主要缺点在于本身的力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用；生物活性玻璃的脆性和疲劳性也是一个需要解决的问题，而且其孔型结构会造成氧自由基、代谢物的四处扩散。组织工程骨则是利用组织工程技术研制出来的新型人工骨材料。人工骨材料还包括纳米晶胶原基骨材料、硫酸钙osteoset颗粒骨移植替代品、锶羟基磷灰石骨水泥、纳米碳酸钙/聚左旋乳酸复合材料等。这些人工合成材料在不同程度上都存在生物相容性的问题，会引发物理刺激引起的无菌炎症及慢性排异引起的后遗症。

目前更多的骨修复材料，主要侧重于“转运药物”，如专利cn106730035a等通过装载相关促成骨药物、抗菌药物等活性物质，刺激宿主细胞迁移至骨缺损部位，实现原位骨再生。而直接作为细胞载体，将成骨细胞或者干细胞植入骨缺损部位的研究较少。原因在于载体本身可以促进细胞增殖生长，同时参与调控干细胞分化，促进成骨过程的高强度弹性骨修复材料较少。如专利cn106730035a的发明人张立群课题组在《明胶基生物弹性体载药型纳米复合材料的制备及性能表征》中指出，在埃洛石纳米管的明胶基载药型复合材料中，埃洛石纳米管对细胞的生长有一定的抑制作用，此时复合材料很大程度上抑制了细胞的生长，细胞在明胶基复合材料的表面几乎不生长，很多细胞都不再是梭型等正常的细胞形态而是死亡的或者是发生断裂的情况。而且不同种类的细胞载体支架对组织细胞的功能产生不同的影响。

因此，研发一种性价比高、生物相容性良好、生物可吸收性佳且本身具有骨形成促进作用的骨修复材料用于骨缺损修复上具有良好的创新和应用价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种性价比高、生物相容性良好、生物可吸收性佳且促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶的制备方法。

本发明的另一目的是提供使用上述方法制备得到的埃洛石复合水凝胶。

本发明的再一目的是提供上述埃洛石复合水凝胶的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶的制备方法，由经双键修饰的明胶、光引发剂和埃洛石进行光交联反应得到；其中，所述埃洛石的浓度为0.1％～20％。

本发明以埃洛石和经双键修饰的明胶成功合成促进骨缺损修复的复合水凝胶，该复合水凝胶可作为优异的骨组织工程支架材料，同时具备良好的机械性能、力学性能和生物学性能，可支持骨细胞的生长及成骨分化，能够明显促进新生骨生成以及骨缺损修复。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石在复合水凝胶中的浓度为1％～10％。例如，埃洛石在复合水凝胶中的浓度可以为1％、2％、2.5％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％等。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石在复合水凝胶中的浓度为5％～7％。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石呈纳米管状结构。本发明不仅能通过化学修饰明胶有针对性地构建具备适宜性能的水凝胶基体；同时通过引入纳米管状埃洛石，可制备满足不同条件的牙周和骨缺损组织工程支架材料。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石纳米管的长度为200～1000nm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述经双键修饰的明胶的浓度为5％～30％。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述经双键修饰的明胶的总浓度为10％～20％。例如，经双键修饰的明胶的浓度可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％等。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述经双键修饰的明胶为甲基丙烯酸酯化明胶。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，甲基丙烯酸酯化明胶的制备方法为：50℃水浴下，将明胶溶于磷酸盐缓冲液(pbs)中配成质量体积浓度为10％的溶液，后按质量体积比5：1将甲基丙烯酸酐与明胶溶液反应，以0.5ml/min的速度加入甲基丙烯酸酐，反应于50℃水浴中持续3～6h，加入4～6倍量的pbs停止反应；所得液体透析4～7d后，冷冻干燥得到白色松软的海绵状产物，产物透析干燥后得到白色松软的海绵状产物即为甲基丙烯酸酯化明胶(gelma)。

所述埃洛石复合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

s1.将经双键修饰的明胶灭菌并用溶剂溶解后，得到修饰后的明胶溶液；向修饰后的明胶溶液加入光引发剂和埃洛石，混匀，得到预聚液；

s2.将预聚液混匀、除去气泡后，置于模具中，在紫外光照射下进行光交联反应，即可得到所述的埃洛石复合水凝胶。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤s2中，所述紫外光照射的时间为5～200s。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤s2中，所述紫外光照射的时间为15～30s。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述光引发剂为i2959、二苯甲酮、安息香丁醚、异丙基硫杂蒽酮、二苯基乙酮或苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述光引发剂为i2959。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤s1所述溶剂为纯水。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤s1中，先将所述光引发剂溶于dmso后，再加入修饰后的明胶溶液中。

本发明可通过改变紫外光照射时间、光引发剂的用量、种类或预聚液的浓度等条件调控水凝胶的交联率与成胶速度。

使用上述方法制备得到的促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶，也在本发明的保护范围之呃逆。

本发明所述埃洛石复合水凝胶具有致密的多孔三维网络结构。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石复合水凝胶的弹性模量为0.05～1mpa。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述埃洛石复合水凝胶的平均孔隙直径大小为100μm。

所述埃洛石复合水凝胶在作为或制备细胞载体中的应用，及其作为细胞载体在修复牙周或骨组织缺损中的应用，也在本发明的保护范围之内。例如，所述埃洛石复合水凝胶可以制备成软骨组织替代物，覆盖在人或动物的软骨损伤部位，起到临时的保护作用，在微骨折技术治疗软骨损伤的手术中，可以覆盖于手术穿刺部位，吸收骨髓细胞，同时作为细胞支架将这些细胞固定在损伤位置，促进软骨组织的再生；也可以制备成细胞-支架复合物，将人或动物的软骨细胞或者干细胞接种在支架材料上，形成细胞-支架复合物，在体外培养一段时间或者直接移植到软骨损伤部位，促进软骨组织或缺损骨组织的再生和修复。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用光聚合方法制备了具有独特的性质埃洛石与水凝胶复合体，可作为生物支架用于牙周组织或骨组织缺损等疾病的高效治疗，应用前景十分广阔。

本发明所制得复合水凝胶材料克服了埃洛石纳米管本身对细胞生长的抑制作用，不仅具有传统水凝胶的特点(多孔性、可降解性等)，而且具有诸多自身的优良特性：(1)具有孔径适宜的多孔微观结构，为骨细胞的粘附、迁移、生长和增殖提供了足够的空间，最大程度重建周围组织环境；(2)具有适宜的溶胀率，为细胞营养供应有利的稳定性和吸水性，再生骨可以同正常骨保持同样的活性，参与溶解-重建的循环，从而面对外界冲击时，具有一定“弹性”；(3)提高了水凝胶的力学性能，可为骨组织再生提供足够的强度；(4)无细胞毒性，兼具良好的生物相容性与骨诱导性，能加速骨细胞的增殖分化，促进骨组织再生；(5)本发明所获得的埃洛石复合水凝胶的交联率和成胶时间均可控(可根据需要实现原位成胶)，通过改变紫外光照射时间、光引发剂的用量、种类或预聚液的浓度等条件调控水凝胶的交联率与成胶速度。

附图说明

图1为本发明埃洛石复合水凝胶的扫描电子显微镜放大100倍图。

图2为本发明埃洛石复合水凝胶在pbs溶液中随时间而溶胀的折线统计图。

图3为本发明埃洛石复合水凝胶拉伸性能检测折线统计图。

图4为本发明埃洛石复合水凝胶的细胞相对存活率图(mts法检测)。

图5为使用荧光显微镜观察活死细胞染色检测细胞生物相容性图。

图6为westernblotting检测细胞在凝胶上生长后成骨相关蛋白表达结果图。

图7为本发明埃洛石复合水凝胶后用于大鼠颅骨缺损2月后修复情况图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1埃洛石复合水凝胶的制备

1、一种促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：

(1)制备预聚液：将明胶经甲基丙烯酸酯化修饰后，用纯水溶解配制成浓度为15％的甲基丙烯酸酯化明胶溶液，加入0.1％(w/v)的溶于dmso的光引发剂i2959，再加入浓度为5％埃洛石纳米管，将三者混匀，得到预聚液；

其中，将明胶甲基丙烯酸酯化的方法为：将猪皮来源的特级明胶在50℃水浴下溶于pbs缓冲液中，制备成10％(w/v)浓度的溶液，以0.5ml/min的速度缓慢滴加甲基丙烯酸酐，其与明胶的比例为5：1(w/v)，在50℃水浴中搅拌反应6h后加4倍量的pbs停止反应；将所得乳白色液体装入透析袋(8～14kd)中，于蒸馏水中透析7d待溶液透析至透明状后，冷冻干燥得到白色松软的海绵状产物，即为甲基丙烯酸酯化明胶(gelma)材料；其中，甲基丙烯酸酯化明胶的接枝率为50％～80％；

(2)复合水凝胶的制备：将上述得到的预聚液除去气泡后置于模具中，紫外光照30s，即可得到具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例2埃洛石复合水凝胶的制备

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的埃洛石纳米管的浓度变为7％。通过该反应，获得具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例3埃洛石复合水凝胶的制备

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的埃洛石纳米管的浓度变为3％。通过该反应，获得具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例4埃洛石复合水凝胶的制备

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的埃洛石纳米管的浓度变为10％。通过该反应，获得具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例5埃洛石复合水凝胶的制备

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的甲基丙烯酸酯化明胶溶液和埃洛石纳米管的浓度分别变为10％和0.1％。通过该反应，获得具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例6埃洛石复合水凝胶的制备

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的甲基丙烯酸酯化明胶溶液和埃洛石纳米管的浓度分别变为20％和20％。通过该反应，获得具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例7埃洛石复合水凝胶的制备

(1)制备预聚液：将明胶经甲基丙烯酸酯化修饰后，用纯水溶解配制成浓度为5％的甲基丙烯酸酯化明胶溶液，加入0.3％(w/v)的溶于dmso的光引发剂二苯甲酮，再加入浓度为5％埃洛石纳米管，将三者混匀，得到预聚液；

(2)复合水凝胶的制备：将上述得到的预聚液除去气泡后置于模具中，紫外光照15s，即可得到具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

实施例8埃洛石复合水凝胶的制备

(1)制备预聚液：将明胶经甲基丙烯酸酯化修饰后，用纯水溶解配制成浓度为30％的甲基丙烯酸酯化明胶溶液，加入0.5％(w/v)的溶于dmso的光引发剂二苯甲酮，再加入浓度为5％埃洛石纳米管，将三者混匀，得到预聚液；

(2)复合水凝胶的制备：将上述得到的预聚液除去气泡后置于模具中，紫外光照5s，即可得到具有致密的多孔三维网络结构，可作为细胞支架材料能加速骨细胞和牙周细胞的增殖分化，促进骨组织和牙周组织再生的埃洛石复合水凝胶。

对比例1

进行类似于实施例1中的反应，除了将在实施例1中的埃洛石纳米管的浓度变为0％(即不加入埃洛石纳米管)。通过该反应，与埃洛石复合水凝胶相比，本对比例获得的水凝胶其溶胀率(图2)和力学性能均较差(图3所示)。

实施例9水凝胶的电镜观察和性质测试

1、水凝胶电镜检测

将实施例1(5％埃洛石纳米管)、实施例2(7％埃洛石纳米管)、实施例3(3％埃洛石纳米管)、实施例4(10％埃洛石纳米管)的埃洛石复合水凝胶，以及对比例1的水凝胶(0％埃洛石纳米管)的扫描电子显微镜图放大100倍，见图1所示。从图中可以看出本发明的埃洛石复合水凝胶具有致密的多孔三维网络结构。经统计，所述埃洛石复合水凝胶的平均孔隙直径大小为100μm。

2、水凝胶的溶胀实验

(1)方法

溶胀实验表明了水凝胶的吸收水分的能力。水凝胶的溶胀比通过称重法来测定。将干燥的样品称重后置于pbs溶液中，然后置于37℃的恒温水浴，在设定的时间下，取出样品，用滤纸拭干其表面的多余水分，称重，按下式计算水凝胶的溶胀率：溶胀率(％)＝溶胀前后的质量差/溶胀前的质量×100％。

(2)结果

上述水凝胶的溶胀率结果见图2。在700min溶胀测试中，可以观察到实施例1～4各组的埃洛石复合水凝胶的溶胀率无明显差异。与埃洛石复合水凝胶相比，对比例1水凝胶(0％埃洛石纳米管)的溶胀率较差。

3、水凝胶的压缩性能检测

(1)方法

将上述水凝胶切成长条状(40×10mm)，在h5k-s型万能材料试验机上进行拉伸测试，速率为50mm/min，至样品断裂停止。每个样品只是检测3次，结果取平均值。水凝胶的拉伸强度为凝胶最大拉伸应力与样品截面面积的比值。

(2)结果

水凝胶的压缩性能结果见图3。结果表明，随着埃洛石含量的增加，埃洛石复合水凝胶的拉伸强度随着增强。与埃洛石复合水凝胶相比，对比例1水凝胶(0％埃洛石纳米管)的拉伸强度较差。

上述结果说明，本发明所制得埃洛石复合水凝胶材料具有适宜的溶胀率，为细胞营养供应有利的稳定性和吸水性，再生骨可以同正常骨保持同样的活性，参与溶解-重建的循环，从而面对外界冲击时，具有一定“弹性”，同时提高了水凝胶的力学性能，可为骨组织再生提供足够的强度。本发明所制得埃洛石复合水凝胶同时具备良好的机械性能、力学性能和生物学性能。

实施例10埃洛石复合水凝胶的生物相容性检测

为了考察水凝胶的生物相容性，采用mts法和活死细胞染色测定了细胞与水凝胶共培养后，细胞的存活率变化。

1、方法

材料：实施例1(5％埃洛石纳米管)、实施例2(7％埃洛石纳米管)、实施例3(3％埃洛石纳米管)、实施例4(10％埃洛石纳米管)的埃洛石复合水凝胶，以及对比例1的水凝胶(0％埃洛石纳米管)。

(1)首先将灭菌后的上述水凝胶平铺在孔板底部，再将细胞种植在24孔板内，密度10⁴cells/well，每孔含200μl的dmem(10％fbs，含青霉素和链霉素各100u/ml)；

(2)将上述培养板置于二氧化碳培养箱(37℃，5％co2)中，培养到设定的时间，去除培养基后用pbs清洗三遍，加入含有5mg/mlmts试剂的dmem，继续培养4h后，去除培养基，每孔中加200μl的dmso溶液，将紫色物质溶解后，在酶标仪上测定吸光度值；

(3)将直接于细胞培养板培养的组定义为control组；不加入水凝胶所培养的细胞的第一天存活率定义为100％，其余各组数值与之相比，分别观察1、4、7天的细胞相对存活率。

2、结果

(1)如图4所示，细胞相对存活率高，说明细胞在本发明埃洛石复合水凝胶上能较好地生长，细胞形态良好，制备的埃洛石复合水凝胶无明显毒性，具有良好的细胞相容性。

(2)同时，在1、4、7天使用活死细胞染色试剂染色细胞后，倒置荧光显微镜观察，得出相似的结果：本发明所制得埃洛石复合水凝胶材料克服了埃洛石纳米管本身对细胞生长的抑制作用，具有良好的细胞生物相容性(见图5)。

实施例11水凝胶的促成骨性能检测

材料：实施例1(5％埃洛石纳米管)、实施例2(7％埃洛石纳米管)、实施例3(3％埃洛石纳米管)、实施例4(10％埃洛石纳米管)的埃洛石复合水凝胶，以及对比例1的水凝胶(0％埃洛石纳米管)。

1、成骨相关蛋白(col-1、runx2、bmp4、bsp)表达情况

(1)将牙髓干细胞培养于上述水凝胶后，进行14天成骨诱导，收集细胞总蛋白；进行westernblotting检测成骨相关蛋白(col-1、runx2、bmp4、bsp)表达情况。

(2)结果表明：本发明所制得埃洛石复合水凝胶材料克服了埃洛石纳米管本身对骨细胞生长的抑制作用，能够明显促进牙髓干细胞中成骨相关蛋白(col-1、runx2、bmp4、bsp)的表达，可支持骨细胞的生长及成骨分化，有明显的促进新生骨的生成。其中7％埃洛石复合水凝胶中的牙髓干细胞表达的成骨相关蛋白含量高于其他组(见图6)。

2、骨组织缺损修复情况

(1)spf级sd大鼠30只，腹腔注射苯巴比妥(3.5mg/100g)，在颅骨表面皮肤作切口，暴露颅骨，并以低速齿科钻在颅骨作一直径为5mm的缺损；将30处缺损随机分为6组(n＝5)，阴性对照组不作任何处理，水凝胶组植入细胞水凝胶支架复合体，2个月后取出颅骨进行micro-ct扫描；micro-ct扫描：将颅骨进行micro-ct扫描，为避免扫描过程中样本移位，在样本周围放置泡沫垫固定。具体参数设置如下：图像分辨率1024×1024，层间距20μm。ct值高于225定为骨组织，进行ct三维重建，观察颅骨缺损新生骨量。

(2)结果发现，如图7所示，本发明埃洛石复合水凝胶能够参与调控干细胞的分化，明显促进骨细胞的粘附、迁移、生长和增殖，最大程度重建周围组织环境，有明显的促进新生骨生成、骨缺损修复的作用，可用于牙周组织或骨组织缺损等疾病的高效治疗。其中，牙髓干细胞新生骨较多的组为5％埃洛石复合水凝胶组和7％埃洛石复合水凝胶组。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。