CN102020777B - 一种纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料和医学工程领域，具体涉及一种纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法，制备所使用到的原料有海藻酸钠，Ca²⁺离子溶液，纳米羟基磷灰石，三者的重量比为：（0.5-5）：（0.5-5）：（0.1-5）。制备步骤为：在经过超声分散或加热溶解后的海藻酸钠溶液当中加入一定浓度的纳米羟基磷灰石溶液配成混合溶液，超声分散均匀，再将配置好的一定浓度的Ca²⁺离子溶液边搅拌边加入到混合溶液当中，迅速搅拌摇匀，即可得到成胶的纳米羟基磷灰石海藻酸钙水凝胶。本发明所述方法操作简便，制得的水凝胶具有良好的生物活性和生物相容性，对细胞有较强吸附性，易塑形，营养物质易于渗透，具有更高强度和韧性，可广泛用作药物控释可注射型支架材料。

Description

一种纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于高分子材料和医学工程领域，具体涉及一种纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

近年来国内外对组织工程支架材料研究甚多，进展也很快，在骨组织工程支架材料方面，早期的传统支架材料是一种非降解性材料，仅起到支撑固定的作用，存在二次手术的问题。因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，例如天然生物材料海藻酸钠、壳聚糖、胶原，合成生物材料聚乳酸、聚己内酯等。

组织工程研究中的支架材料为细胞的黏附与增殖提供了赖以存在的物质基础，同时维持或促进细胞的功能分化。组织工程支架材料主要分为预成型支架和可注射支架两种，预成型支架存在种植率低和需要外科手术等问题，而可注射型支架克服了这些困难。

可注射型支架是将一种具有流动性的生物相容性良好的材料与异体或自体细胞复合后注射到机体缺损部位，或直接注人体内，材料到达缺损部位后能在原位形成具有一定机械强度、形状、并且可与体液进行交换的支架。支架通过注射完成植入，故可降低手术难度，减少手术创伤，特别适用于微创伤的修复。水凝胶具有在一定条件下可保持流动状态而在外部的物理或化学刺激下可形成一定形状和强度的体型材料的特性，因此成为可注射型支架的首选材料。水凝胶作为可注射型支架材料具有许多优点，如具有良好的生物相容性;材料又有亲水性，与周围流体无界面张力；水溶液环境有利于保护细胞以及营养物和分泌产物的运输;易用细胞黏附配体进行改性等等。

可注射材料主要包括两大类：一.无机材料，如羟基磷灰石和双相钙磷生物陶瓷等，它们具有良好的生物相容性和骨诱导性；二.有机材料，主要包括天然生物材料和合成生物材料。海藻酸钠就是很典型的天然生物材料，但它的力学性能无法满足要求，合成生物材料如聚乳酸虽然克服了天然生物材料的缺点，但其缺乏细胞识别信号，不利于细胞黏附，无法提供骨再生和重建的最佳化学环境。以水凝胶为载体的可注射型支架虽具备许多优点，但其机械强度太低、操作不易控制。为克服上述缺点，研究者将水凝胶与无机材料复合来达到补强增韧的效果，以获得具有优异组织相容性、良好的机械性能、可控的生物降解性的骨组织工程支架。

羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)是动物和人体骨骼的主要无机矿物成分，分子式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，它赋予骨抗压强度，是骨组织的主要承力者，具有良好的生物相容性和生物活性，但因其生物降解性较差，研究者将目光投向了纳米羟基磷灰石（nHA）。nHA是一种性能优良的无机陶瓷材料，由于纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的特性，当羟基磷灰石的尺寸达到纳米级时表现出一系列的独特性能。nHA的粒子大小为1-100nm，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积（SSA）大、表面能较大的优点，其晶体在形态、尺寸、组成、结构和结晶度上与人骨羟基磷灰石晶体高度类似，因此纳米羟基磷灰石具有更高的扭转模量、拉伸模量、拉伸强度和疲劳抗力，与人体不会发生排异反应，具有良好的生物安全性、骨相容性和骨传导性。

海藻酸是从海带、马尾藻中分离的天然线性多聚糖，主要以L-古洛糖醛酸(记为G)和其立体异构体D-甘露糖醛酸(记为M)通过α-(1,4)糖苷键链接而成的一种无支链的线性嵌段共聚物，分子量为10⁶左右，各种生物合成的海藻酸结构基本相似，但是组成海藻酸的两种醛糖酸的比例因生物的不同而有所差异，M/G比值的不同影响其理化性质。海藻酸钠是海藻酸被钠的碱溶液中和后的产物，具有MM、GG、MG三种结构单元，多为白色或淡黄色粉末，溶解在水里是具有一定粘度的溶胶状态。海藻酸含有游离的羧基，性质活泼，具有很高的离子交换功能，遇到一定浓度的钙等二价阳离子时会交联形成稳定的“egg-box”结构的海藻酸钠、钙混合盐凝胶。其强度与钙离子浓度和藻酸盐浓度有关，海藻酸钙水凝胶载体对细胞具有较强的吸附性，在体内降解成甘露糖醛酸和葡萄糖醛酸。

在海藻酸钠溶液当中加入纳米羟基磷灰石，综合两者的优点，可以得到生物相容性和生物活性良好，具有适宜的机械强度和生物降解速度的可注射型水凝胶材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单方便，易于操作，便于控制的纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法及其应用，所得水凝胶具有良好的生物活性和生物相容性，对细胞有较强吸附性，易塑形，营养物质易于渗透，具有更高强度和韧性，可广泛用于药物控释可注射型支架材料。

本发明提出的纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法，具体步骤如下：

（1）分别配制定量浓度的海藻酸钠、纳米羟基磷灰石和Ca²⁺离子溶液，进行超声分散或加热搅拌溶解直至分散均匀；

（2）将纳米羟基磷灰石溶液与海藻酸钠溶液按照一定比例混合，超声分散均匀；

（3）将一定量的Ca²⁺离子溶液在搅拌条件下加入到步骤(2)配置好的混合溶液中，迅速搅拌使分散均匀，即得到所需产品；其中：海藻酸钠、Ca²⁺离子溶液、纳米羟基磷灰石的重量比为：（0.5-5）：（0.5-5）：（0.1-5）。

本发明中，所述Ca²⁺离子溶液可以是但不局限于CaCl₂溶液、Ca(NO₃)₂溶液、CaHPO₄溶液、Ca(H₂PO₄)₂溶液、葡萄糖酸钙、酒石酸钙或枸橼酸钙中的一种或几种。

本发明中，所采用的海藻酸钠溶液浓度为5~25mg/mL，纳米羟基磷灰石溶液浓度为1~10mg/mL，Ca²⁺离子溶液浓度为10~50mg/mL。

本发明中，步骤(2)中纳米羟基磷灰石与海藻酸钠溶液混合搅拌反应3~5小时。

本发明中，步骤(3)中Ca²⁺离子溶液加入到混合溶液中后搅拌0.2~2小时。

本发明中，步骤(3)中将Ca²⁺离子溶液逐滴加入到混合溶液中，滴加速率控制在2~4滴/分钟。

本发明中，步骤(3)中将纳米羟基磷灰石溶液、海藻酸钠溶液和Ca²⁺离子溶液混合时使用机械搅拌，搅拌速率控制在50~500r/min。

利用本发明方法制备得到的纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶在药物控释可注射型支架材料中的应用。

本发明中，步骤(3)将Ca²⁺离子溶液加入混合溶液中时成胶速度很快，故一定要迅速搅拌，防止混合不均匀，生成纤维状的凝胶。

本发明中，步骤(3)滴加Ca²⁺离子溶液的速率不宜太快，防止海藻酸钠被Ca²⁺离子交联过度而纤维化。

本发明中，步骤(3)中搅拌速度应严格控制在500r/min以内，防止搅拌过于剧烈而破坏了海藻酸钙水凝胶交联结构使水凝胶溶解。

本发明中，提高Ca²⁺总量、凝胶化温度或降低藻酸盐浓度可以加快凝胶化过程。

本发明中，减慢固化速度、提高Ca²⁺总量、藻酸盐溶液浓度以及使用相对分子质量较高的藻酸盐，则有利于增强水凝胶的力学性能。

本发明采用简便的方法将无机材料纳米羟基磷灰石与天然生物材料海藻酸盐混合制得的水凝胶具有良好的生物活性和生物相容性，对细胞有较强吸附性，易塑形，营养物质易于渗透，具有更高强度和韧性，可广泛用于药物控释可注射型支架材料。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1

制备纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶材料的具体步骤如下：

（1）配制浓度为10mg/mL的海藻酸钠溶液，进行超声分散或加热溶解直至分散均匀呈溶胶状；

（2）配制浓度为10mg/mL的纳米羟基磷灰石溶液，超声分散直至均匀；

（3）配制浓度为25mg/mL的CaCl₂溶液，搅拌均匀；

（4）将10mL纳米羟基磷灰石溶液与10mL海藻酸钠溶液混合，超声分散均匀；

（5）将1.5mLCaCl₂溶液在250r/min机械搅拌条件下加入到步骤4配置好的混合溶液中，迅速搅拌摇匀，即可得到成胶的纳米羟基磷灰石海藻酸钙水凝胶。

实施例2

制备纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶材料的具体步骤如下：

（1）配制浓度为10mg/mL的海藻酸钠溶液，进行超声分散或加热溶解直至分散均匀呈溶胶状；

（2）配制浓度为2mg/mL的纳米羟基磷灰石溶液，超声分散直至均匀；

（3）配制浓度为25mg/mL的葡萄糖酸钙溶液，搅拌均匀；

（4）将10mL纳米羟基磷灰石溶液与20mL海藻酸钠溶液混合，超声分散均匀；

（5）将2mL葡萄糖酸钙溶液在300r/min机械搅拌条件下加入到步骤4配置好的混合溶液中，迅速搅拌摇匀，即可得到成胶的纳米羟基磷灰石海藻酸钙水凝胶。

实施例3

制备纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶材料的具体步骤如下：

（1）配制浓度为20mg/mL的海藻酸钠溶液，进行超声分散或加热溶解直至分散均匀呈溶胶状；

（2）配制浓度为5mg/mL的纳米羟基磷灰石溶液，超声分散直至均匀；

（3）配制50mg/mL的Ca(NO₃)₂溶液，搅拌均匀；

（4）将10mL纳米羟基磷灰石溶液与30mL海藻酸钠溶液混合，超声分散均匀；

（5）将3mLCa(NO₃)₂溶液在400r/min机械搅拌条件下加入到步骤4配置好的混合溶液中，迅速搅拌摇匀，即可得到成胶的纳米羟基磷灰石海藻酸钙水凝胶。

实施例4

制备纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶材料的具体步骤如下：

（1）配制浓度为25mg/mL的海藻酸钠溶液，进行超声分散或加热溶解直至分散均匀呈溶胶状；

（2）配制浓度为5mg/mL的纳米羟基磷灰石溶液，超声分散直至均匀；

（3）配制浓度为50mg/mL的CaHPO₄溶液，搅拌均匀；

（4）将10mL纳米羟基磷灰石溶液与10mL海藻酸钠溶液混合，超声分散均匀；

（5）将2mLCaHPO₄溶液在200r/min机械搅拌条件下加入到步骤4配置好的混合溶液中，迅速搅拌摇匀，即可得到成胶的纳米羟基磷灰石海藻酸钙水凝胶。

实施例的测试结果：

通过本发明制备的可注射型水凝胶，采用如下测试方法进行测试：

水凝胶溶胀率的测定是将干水凝胶在水中溶胀72h后，使其达到溶胀平衡，用湿滤纸擦去水凝胶表面的水后称重。水凝胶拉伸强度的测定是用拉力试验机将固定好的水凝胶样条以10mm/min的速度拉断。水凝胶分解温度的测定是将水凝胶在35℃温度条件下干燥12h，然后在差示扫描量热仪上测定得到热分析谱图。每个指标平行做三次试验，取其平均值，以上性能指标均按国家相应标准测定。

具体数据见下表：

测试项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					溶胀率/(比值)	2.67	2.93	2.54	2.362
拉伸强度/( kj/m2)	1.7	0.8	2.3	4.1
					分解温度/(℃)	67	53	76	91

 表中：

水凝胶溶胀率是指水凝胶在水中达到溶胀平衡状态的质量与干凝胶质量的比值，水凝胶溶胀率越大，交联密度越小，从而对细胞有更强吸附性，营养物质更易渗透。

水凝胶拉伸强度将固定好的水凝胶样条以10mm/min的速度拉断所消耗的能量，其单位为kj/m²，水凝胶拉伸强度越大说明其力学强度越大。

水凝胶分解温度是指干凝胶通过差示扫描量热仪测量得到的分解温度，其单位为℃，分解温度越高，说明水凝胶越稳定，交联密度越大。

Claims (5)

1.一种纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）分别配制定量浓度的海藻酸钠、纳米羟基磷灰石、Ca²⁺离子溶液，进行超声分散或加热搅拌溶解直至分散均匀；其中：海藻酸钠溶液浓度为5~25mg/mL，纳米羟基磷灰石溶液浓度为1~10mg/mL，Ca²⁺离子溶液浓度为10~50mg/mL；

（2）将纳米羟基磷灰石溶液与海藻酸钠溶液按照一定比例混合，超声分散均匀；

（3）将一定量的Ca²⁺离子溶液在搅拌条件下加入到步骤(2)配置好的混合溶液中，迅速搅拌使分散均匀，即可得到所需产品；其中：海藻酸钠、Ca²⁺离子溶液、纳米羟基磷灰石的重量比为：（0.5-5）：（0.5-5）：（0.1-5）；纳米羟基磷灰石溶液、海藻酸钠溶液和Ca²⁺离子溶液混合时使用机械搅拌，搅拌速率为50~500r/min。

2.根据权利要求1所述的可注射型水凝胶的制备方法，其特征在于所采用Ca²⁺离子溶液为CaCl₂溶液、Ca(NO₃)₂溶液、CaHPO₄溶液、Ca(H₂PO₄)₂溶液、葡萄糖酸钙、酒石酸钙或枸橼酸钙中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的可注射型水凝胶的制备方法，其特征在于步骤(3)中将Ca²⁺离子溶液加入到混合溶液中后搅拌0.2~2小时。

4.根据权利要求1所述的可注射型水凝胶的制备方法，其特征在于步骤(3)中将Ca²⁺离子溶液逐滴加入到混合溶液中，滴加速率控制在2~4滴/分钟。

5.一种如权利要求1所述制备方法得到的纳米羟基磷灰石海藻酸钙可注射型水凝胶在药物控释可注射型支架材料中的应用。