一种用于关节软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于关节软骨修复的红外响应高强智能水凝胶的制备方法。
【背景技术】
[0002]水凝胶具有一种柔软而富有弹性的三维网络结构，可以为细胞的增殖与分化提供更接近于天然软骨细胞外基质的微环境，是软骨组织修复的一种理想材料。
[0003]在促进软骨修复过程中，传统负载于水凝胶中的生长因子不能按照修复需求控制释放，是制约水凝胶应用于软骨修复的一个重要问题。近年来，光响应型水凝胶因其具有感应外界环境变化，具有外界刺激-响应控制因子释放的智能性，受到越来越多的关注。但现有的光响应型水凝胶存在两大缺陷:1、生物相容性欠佳不宜用于软骨修复。例如，金纳米材料具有毒性，不能植入体内；碳纳米管、石墨烯及其衍生物作为碳的无机物，长期植入存在潜在毒性的隐患。2、力学强度差，不适于软骨修复的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于关节软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法。该方法制备出的红外响应高强水凝胶，具有良好的生物相容性且力学性能优异，在关节软骨修复领域具有良好的应用前景。
[0005]本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种用于软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法，其具体步骤如下:
[0006]—种用于软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法，其具体步骤如下:
[0007]A.多糖或蛋白的双键化改性
[0008]将多糖或蛋白充分溶于缓冲液中，再向缓冲液中加入甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐或甲基丙烯酸酯类物质，使缓冲液中多糖或蛋白的浓度为3-200mg/ml，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐或甲基丙烯酸酯类物质的浓度为2-60mg/ml ;6_24h后沉降或透析、然后干燥，即得到含有双键化改性的多糖或蛋白；
[0009]B.智能水凝胶的制备
[0010]B1.将聚多巴胺纳米颗粒、N-异丙基丙烯酰胺和A步得到的双键化改性的多糖或蛋白共同溶解于去离子水得混合液，混合液中聚多巴胺纳米颗粒的浓度为0.l-10mg/ml,N-异丙基丙烯酰胺的浓度为80-200mg/ml，双键化改性的多糖或蛋白的浓度为10_200mg/ml ；
[0011]B2.将BI步的混合液加入交联剂，使混合液中交联剂的浓度为0.1-0.5wt% ；
[0012]再加入光引发剂，使混合液中光引发剂的的浓度为0.05-lwt% ;然后，在惰性气体保护和紫外灯照射下，进行3-45min的光聚合得到水凝胶材料；
[0013]或者，再加入热引发剂，使混合液中热引发剂的浓度为l_5wt% ;然后，在惰性气体保护下进行l_24h的热聚合得到水凝胶材料；
[0014]B3.将B2步所得的水凝胶材料在水中浸泡3-14天，即得到智能水凝胶；
[0015]C.生长因子装载
[0016]将B步的智能水凝胶冷冻、干燥得到微孔结构的水凝胶支架，再将水凝胶支架浸泡于促软骨生长因子溶液中，充分溶胀后即得。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018]—、多糖或蛋白通过甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸酯类物质进行双键化改性后，使其侧链带有双键基团，将原本难以聚合成形的多糖或蛋白能够聚合形成水凝胶。在引发剂和交联剂的作用下，N-异丙基丙烯酰胺、双键化改性的多糖或蛋白原位聚合形成双网络高强度水凝胶，其力学性能显著提高。
[0019]二、该方法中的聚多巴胺纳米颗粒具有高效光热转换效应，通过感应红外光照的信息变化，使得光能转化为热能，继而使温敏型N-异丙基丙烯酰胺收缩，改变水凝胶状态，使其具有良好的光响应性。较之金纳米材料、碳纳米管、石墨烯及其衍生物等现有红外响应性材料，聚多巴胺纳米颗粒具备优异的生物相容性、组织粘附性。同时，构成水凝胶的双网络结构的主要成份为天然高分子的多糖或蛋白，进一步提高了水凝胶的生物相容性。使得制备出的水凝胶具有优良的生物相容性，长期植入体内不存在毒性隐患，可用于软骨修复。
[0020]三、聚多巴胺纳米颗粒对生长因子的亲和性良好，能够将生长因子很好地负载于水凝胶中，保护了生长因子的活性，能更好、更持久地促进软骨的修复。
[0021]进一步，本发明的甲基丙烯酸酯类物质为甲基丙烯酸缩水甘油酯或2-氨基乙基甲基丙烯酰酯。
[0022]本发明使用的多糖为海藻酸钠、氧化海藻酸钠、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、硫酸软骨素或透明质酸；本发明使用的蛋白为明胶或胶原。
[0023]本发明的热引发剂为过硫酸铵和N，N，N’，N’ -四甲基二乙胺组成的引发体系或过硫酸钾和N, N，N，，N，-四甲基二乙胺组成的引发体系；光引发剂为Irgacure2959,Irgacure651、Irgacurel84或Irgacure500 ;所述的交联剂为甲叉双丙稀酰胺或聚乙二醇二丙烯酸酯。
[0024]本发明的促软骨生长因子可以为转化生长因子TGF-β l、TGF-0 2或TGF-0 3，
[0025]本发明的促软骨生长因子也可以为胰岛素样生长因子IGF-1或IGF-1I。
[0026]本发明的促软骨生长因子也可以为碱性成纤维生长因子bFGF ;
[0027]本发明的促软骨生长因子还可以为骨形态发生蛋白BMP-2或BMP-7。
[0028]本发明的步骤A中，在向缓冲液中加入甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐或甲基丙烯酸酯类物质之前，先向缓冲液中加入多糖或蛋白0.1倍摩尔量的羟基琥珀酰亚胺(NHS)及多糖或蛋白0.1-0.2倍摩尔量的1-(3- 二甲氨基丙基)一 3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)。
[0029]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
【具体实施方式】
[0030]实施例1
[0031]—种用于软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法，其具体步骤如下:
[0032]A.壳聚糖的双键化改性
[0033]将壳聚糖充分溶于缓冲液中，再向缓冲液中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，使缓冲液中壳聚糖的浓度为10mg/ml，甲基丙烯酸缩水甘油酯的浓度为2mg/ml ；6h后沉降或透析、然后干燥，即得到含有双键化改性的壳聚糖；
[0034]B.智能水凝胶的制备
[0035]B1.将聚多巴胺纳米颗粒、N-异丙基丙烯酰胺和A步得到的双键化改性的壳聚糖共同溶解于去离子水得混合液，混合液中聚多巴胺纳米颗粒的浓度为0.lmg/ml，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为80mg/ml，双键化改性的壳聚糖的浓度为200mg/ml ;
[0036]B2.将BI步的混合液加入交联剂甲叉双丙烯酰胺，使混合液中甲叉双丙烯酰胺的浓度为0.4wt% ;
[0037]再加入光引发剂Igucure2959，使混合液中光引发剂Igucure2959的的浓度为0.05wt% ;然后，在惰性气体保护和紫外灯照射下，进行45min的光聚合得到水凝胶材料；
[0038]B3.将B2步所得的水凝胶材料在水中浸泡3天，即得到智能水凝胶。
[0039]C.生长因子装载
[0040]将B步的智能水凝胶冷冻、干燥得到微孔结构的水凝胶支架，再将水凝胶支架浸泡于转化生长因子TGF-β I溶液中，充分溶胀后即得。
[0041]实施例2
[0042]—种用于软骨修复的红外响应高强水凝胶的制备方法，其具体步骤如下:
[0043]A.羧甲基壳聚糖的双键化改性
[0044]将羧甲基壳聚糖充分溶于缓冲液中，使缓冲液中羧甲基壳聚糖的浓度为12mg/ml，加入羧甲基壳聚糖0.1倍摩尔量的NHS和羧甲基壳聚糖0.1倍摩尔量的EDC ;再向缓冲液中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，使缓冲液中甲基丙烯酸缩水甘油酯的浓度为12mg/ml ;24h后沉降或透析、然后干燥，即得到含有双键化改性的羧甲基壳聚糖；
[0045]B.智能水凝胶的制备
[0046]B1.聚多巴胺纳米颗粒、N-异丙基丙烯酰胺和A步得到的双键化改性的羧甲基壳聚糖共同溶解于和A步得到的双键化改性