CN104307049A - 一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶及其制备方法与应用，该水凝胶主要由巯基化明胶、巯基化多糖、或含RGD的细胞粘附肽通过与聚乙二醇双丙烯酸酯发生交联反应来制备。本发明水凝胶的组成成分与细胞外基质类似，具有良好的生物相容性，性能上具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的作用，可以方便地满足对生长因子或药物不同释放速率的要求；同时还满足临床上可注射和原位成型的操作要求，在组织修复和再生中具有良好的应用前景。

Description

一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术
一直以来，人类都在探索机体组织的修复与再生。近年来，随着生物材料、组织工程以及干细胞技术的发展，组织修复与再生领域的研究也不断取得突破。目前的研究主要集中在两个方面：一是给予药物治疗如生长因子来诱导内源性细胞在病患部位进行组织重建；另一种是通过植入细胞使其在病患部位发挥治疗作用。在这两种策略中，载体材料的设计和开发无疑扮演了越来越重要的角色。
首先，载体材料的降解应该与组织生长相匹配。其次，用于药物传递的载体还必须具有可控释放药物的性能(Vítor E.Santo,Manuela E.Gomes,F.Mano et al.Tissue Engineering Part B 2013,19,308-326)；而作为细胞传递的载体则应具有控制细胞命运的作用(MP Lutolf,PM Gilbert,HM Blau.Nature2009,462,433-441；J Thiele，Y Ma,S Bruekers et al.Adv.Mater 2014,26,125-148)。
使用原位水凝胶作为药物或细胞传递载体具有明显的优势，既可以直接注射到植入部位，也可以将细胞在体外培养一段时间后再植入体内。因此，开发这种原位水凝胶载体受到了越来越多的关注。已报道的各种原位水凝胶的凝胶机理包括：紫外光引发的自由基聚合；Michael加成反应；酶交联以及热引发的物理交联等。紫外光引发的自由基聚合是报道最多的一种，通过在分子链上引入双键后，引发剂在紫外光照射下而发生交联。但是由于紫外光的使用，以及紫外光穿透性有限等原因，使其在临床上的应用受到了限制。而Michael加成反应可以在生理条件下进行，不需要引发剂和其它引发条件，反应通过巯基和双键而发生交联。
中国专利CN101864178A公开了一种用于药物缓释和细胞培养的可注射蛋白/多肽原位水凝胶，但该水凝胶是由带有可交联的酚羟基基团的天然或合成蛋白质/多肽、辣根过氧化物酶和过氧化氢组成，在生理条件下快速形成化学交联水凝胶，该方法所制备的水凝胶不具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的功能，并且采用过氧化氢交联会对细胞产生氧化毒性。
中国专利CN102718991A公开了一种利用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的双键与巯基化天然聚合物上的巯基发生Michael加成反应，同时以聚乙二醇与聚己内酯(PEG-PCL-PEG)的三嵌段共聚物的纳米粒子为增强剂而形成的水凝胶，中国专利CN103665397A公开了一种水凝胶及其制备方法，采用高分子量的聚乙二醇和透明质酸为原料，使水凝胶具有较强的伸缩性和一定的力学强度，两者均采用Michael加成反应来制备原位水凝胶，但是制备的水凝胶都不具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的功能。中国专利CN103467755A公开了一种药物缓释水凝胶及其制备方法与用途，采用高压静电液滴法制备单分散含药物的海藻酸钙微球，将载药海藻酸钙微球置入水凝胶网状结构中，该方法的步骤复杂，且也不具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的功能。
为了提高治疗效果，不同的活性成分，不同的症状或部位，往往需要不同的释放速率。例如，对于成骨生长因子骨形态发生蛋白来说，要实现骨再生的作用就要求水凝胶能逐步缓慢释放骨形态发生蛋白，防止爆释现象的发生；而对于血管内皮生长因子来说，要实现促血管再生却要求水凝胶能在初始阶段快速释放生长因子。
现有水凝胶载体材料，通常只具有单一的释放速率，在实际应用时往往受到限制，当需求的释放速率改变后，就需要重新再来选择合适的载体材料种类和用量，载体材料的种类和用量可能都将会发生改变，从而导致人们在面对不同释放速率需求的活性成分时，又需要在载体材料上耗费时间、精力和成本。
因此，若能够提供一种释放速率可控调节、且速率调节机制明确的水凝胶载体材料，可以方便地满足实际应用时对不同活性成分的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶，性能上具有可控降解的作用，且降解速率调节机制明确，可以方便地满足对生长因子或药物不同释放速率的要求；同时还满足临床上可注射和原位成型的操作要求，在组织修复和再生中具有良好的应用前景。
具体地，一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶，按重量百分比，所述水凝胶主要由以下组分组成：
进一步选择为，按重量百分比，所述水凝胶主要由以下组分组成：
更进一步选择为，按重量百分比，所述水凝胶主要由以下组分组成：
多糖是由多个单糖分子缩合、失水而成，是一类分子机构复杂且庞大的糖类物质。凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均称为多糖。巯基化多糖是指通过巯基化方法在多糖分子中引入巯基的多糖。
所述巯基化明胶的巯基含量为0.4～0.6mmol/g；所述巯基化多糖的巯基含量为0.4～0.6mmol/g；所述聚乙二醇双丙烯酸酯的分子量为2～10KDa，进一步选择为，聚乙二醇双丙烯酸酯的分子量为3～8KDa。
所述的原位水凝胶，所述聚乙二醇双丙烯酸酯的摩尔含量为巯基化明胶和巯基化多糖中总巯基摩尔含量的1/4。
所述的原位水凝胶，所述巯基化多糖为巯基化海藻酸钠、巯基化透明质酸、巯基化肝素、巯基化硫酸软骨素中的任意一种或多种；
所述溶剂为生理盐水、磷酸缓冲液、细胞培养基溶液中的任意一种或多种。
本发明所述的巯基化明胶或巯基化多糖，可以通过目前常规的巯基化反应制备得到，如本发明一个具体实施方式中，就采用如下方法进行巯基化反应：
将明胶或多糖溶解后，加入胱胺二盐酸盐、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，调节pH至4～5，室温反应完全，透析，加入二硫苏糖醇，调节pH至8.5反应完全后，调节pH至4.0，氮气保护下透析，过滤除菌、冷冻干燥，即得。
本发明原位水凝胶通过调节巯基化明胶和巯基化多糖的比例来调控水凝胶降解速率，其中，增大巯基化明胶的比重，降解速率随之提高，降低巯基化明胶的比重，降解速率随之减小。
在体外0.01mg/ml浓度的胰酶降解液中，不同比例巯基化明胶和巯基化多糖制备的水凝胶在降解60分钟时的降解率在0～80％范围内。
本发明的另一目的在于提供一种包括生长因子的原位水凝胶，上述所述仿细胞外基质可注射的原位水凝胶的组成还包括生长因子。
所述的包括生长因子的原位水凝胶，所述生长因子在水凝胶中的含量为0.005～0.02μg/μl；进一步选择为，所述生长因子在水凝胶中的含量为0.01μg/μl。
所述的包括生长因子的原位水凝胶，所述生长因子为骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子中的任意一种或多种。
本发明一个具体实施方式中，所述的生长因子为骨形态发生蛋白-2(BMP-2)和/或碱性成纤维生长因子(bFGF)时，巯基化明胶与巯基化多糖的质量比为1:1。
本发明通过调控巯基化明胶和巯基化多糖的比例，制备得到的原位水凝胶具有可控的生长因子和/或药物释放性能，可以满足实际应用时对不同释放速率的多种需求。
本发明原位水凝胶，在32天的体外释放中，第1天的初始释放低于15％，而后释放表现出线性释放的特征，在第32天时的释放百分率在68～76％。将该载BMP-2的水凝胶用于骨再生实验表明4周时新生骨含量在90％左右。
本发明的另一目的还在于提供一种包括含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶，上述所述仿细胞外基质可注射的原位水凝胶的组成还包括含RGD的细胞粘附肽。
所述的包括含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶，所述聚乙二醇双丙烯酸酯的摩尔含量为巯基化明胶和巯基化多糖中总巯基摩尔含量的1/4与含RGD的细胞粘附肽的摩尔含量之和。
所述的包括含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶，所述含RGD的细胞粘附肽，在水凝胶中的浓度为100～1000μmol/L。
所述的包括含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶，所述巯基化明胶与巯基化多糖的质量比为(5/3～3):1。
本发明一个具体实施方式中，巯基化明胶与巯基化多糖的质量比为3:1。
所述的包括含RGD的细胞粘附肽，是指分子中含有RGD且分子的其中一个末端为半胱氨酸的多肽。
本发明一个具体实施方式中，所述含RGD的细胞粘附肽为GRGDSPC或CGRGDSPC等。
本发明加入含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶，还具有调控细胞行为的性能，细胞行为通过水凝胶的降解和含RGD的细胞粘附肽来调控；水凝胶中巯基化明胶含量和含RGD的细胞粘附肽的浓度影响细胞的形态，另外含RGD的细胞粘附肽的浓度对细胞的迁移影响显著。
本发明还提供了上述所述原位水凝胶的制备方法。
制备上述所述仿细胞外基质可注射的原位水凝胶的方法，包括由以下步骤组成：
(1)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液；
(2)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(3)将巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液混合均匀，即得。
制备包括生长因子的原位水凝胶的方法，包括由以下步骤组成：
(i)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液；
(ii)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(iii)将巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液、生长因子混合均匀，即得。
制备包括含RGD的细胞粘附肽的原位水凝胶的方法，包括由以下步骤组成：
(a)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯、含RGD的细胞粘附肽分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液、含RGD的细胞粘附肽溶液；
(b)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(c)含RGD的细胞粘附肽溶液与聚乙二醇双丙烯酸酯溶液先反应5-10min，再加入巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液，混合均匀，即得。
本发明中，聚乙二醇双丙烯酸酯、含RGD的细胞粘附肽和生长因子均可以通过市场购买；含RGD的细胞粘附肽还可以使用多肽合成仪合成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明水凝胶，具有下述多种功能：可控降解、可控释放；
它是通过调控巯基化明胶和巯基化多糖的比例，调节原位水凝胶的释放性能，当增大巯基化明胶的比重，降解速率提高，释放速率也随之提高，反之，降低巯基化明胶的比重，降解速率减小，释放速率也随之减小；
(2)本发明水凝胶，用于骨形态发生蛋白-2的载体材料时，具有缓慢释放生长因子的特性，避免了骨形态发生蛋白-2的爆释现象，从而达到持续高效发挥作用的效果；用于骨再生实验表明其成骨能力强；
(3)本发明水凝胶，具有调控细胞行为的作用，通过控制水凝胶的组成可实现对细胞形态、迁移等的调控；不但能用于体外细胞培养，而且能满足细胞治疗中植入体内的需要，具有广泛的临床应用前景。
(4)本发明水凝胶，采用Michael加成反应引入一些含有双键或巯基的活性分子，例如RGD或MMP(金属蛋白酶)降解位点的蛋白，可以设计出满足组织修复和再生要求的微环境的载体材料；
本发明水凝胶的组成成分与细胞外基质类似，具有良好的生物相容性，性能上具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的作用，可以方便地满足对生长因子或药物不同释放速率的要求；同时还满足临床上可注射和原位成型的操作要求，在组织修复和再生中具有良好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1实施例1-5制备巯基化明胶和巯基化多糖的示意图。
图2实施例1-5制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶的示意图。
图3巯基化明胶-巯基化透明质酸钠仿细胞外基质可注射原位水凝胶的体外降解曲线。
图4巯基化明胶-巯基化肝素仿细胞外基质可注射原位水凝胶体外释放BMP-2和bFGF两种生长因子的释放曲线。
图5载BMP-2的巯基化明胶-巯基化肝素仿细胞外基质可注射原位水凝胶用于骨再生的HE染色切片(A)和碱性磷酸酶活性(B)。
图6不同比例混合的巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶(不加入含RGD的细胞粘附肽)包裹rMSC后的细胞形态的共聚焦图片。
图7复合不同浓度RGD的巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶包裹rMSC后细胞形态的共聚焦图片。
图8rMSC在复合不同浓度RGD的巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶中的迁移距离随时间的变化关系图。
具体实施方式
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。
实施例1 制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶
(1)巯基化明胶的制备
将1g明胶加入100ml超纯水中加热至40℃搅拌溶解后冷却至室温。按照1:2:2:2(明胶中的羧基摩尔比为1)的摩尔比例加入胱胺二盐酸盐、EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)，调节反应溶液pH至4.75，室温下反应4h后开始透析，每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT(二硫苏糖醇)，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化明胶，其制备示意图如图1。
巯基含量由Ellman方法(参考Butterworth,P.H.W.；Baum,H.；Porter,J.W.Arch.Biochem.Biophys.1967,118,716-723.)测定为0.51mmol/g。
(2)巯基化海藻酸钠的制备
将0.5g海藻酸钠溶于70ml 50mM的MES(2-(N-吗啉)乙磺酸一水合物)溶液中，按摩尔比例1:2:2:2(海藻酸钠中的羧基摩尔比为1)分别加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS。调节反应溶液pH至4.75，室温下反应24h后开始透析,每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化海藻酸钠，其制备示意图如图1。
巯基含量由Ellman方法测定为0.48mmol/g。
(3)含RGD的细胞粘附肽的制备
使用多肽合成仪合成含RGD的细胞粘附肽1：GRGDSPC。
(4)仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备
分别取巯基化明胶、巯基化海藻酸钠溶于DMEM(细胞培养基)水溶液中，两种溶液调节pH至8.0；分别取含RGD多肽GRGDSPC和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量3400)溶于PBS(磷酸盐缓冲液)溶液中，得到含RGD多肽溶液和PEGDA溶液。
含RGD多肽溶液先与PEGDA溶液通过Michael加成反应5分钟后再加入巯基化明胶和巯基化海藻酸钠，所得混合溶液(密度约为1g/ml)中PEGDA、巯基化明胶和巯基化海藻酸钠的重量百分比分别为2.05％、3％和1％，含RGD多肽的含量为1000μmol/L，即得到本发明所述可注射原位水凝胶。
实施例2：制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶
(1)巯基化明胶的制备
将1g明胶加入100ml超纯水中加热至40℃搅拌溶解后冷却至室温。按照1:1:2:2(明胶中的羧基摩尔比为1)的摩尔比例加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS，调节反应溶液pH至4.75，室温下反应4h后开始透析，每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化明胶。
巯基含量由Ellman方法测定为0.42mmol/g。
(2)巯基化透明质酸钠的制备
将0.5g透明质酸钠溶于50ml的超纯水中，按摩尔比例1:2:2:2(透明质酸钠中的羧基摩尔比为1)分别加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS。调节反应溶液pH至4.75，室温下反应24h后开始透析,每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化透明质酸钠。
巯基含量由Ellman方法测定为0.43mmol/g。
(3)含RGD的细胞粘附肽的制备
使用多肽合成仪合成含RGD的细胞粘附肽2：CGRGDSPC。
(4)仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备
分别取巯基化明胶、巯基化透明质酸钠溶于PBS溶液中，两种溶液调节pH至7.4；分别取含RGD多肽CGRGDSPC和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量3400)溶于PBS溶液中，得到含RGD多肽溶液和PEGDA溶液。
含RGD多肽溶液先与PEGDA溶液通过Michael加成反应5分钟后再加入巯基化明胶和巯基化透明质酸钠，所得混合溶液(密度约为1g/ml)中PEGDA、巯基化明胶和巯基化透明质酸钠的重量百分比分别为2.91％、5％和3％，含RGD多肽的含量为100μmol/L，即得到本发明所述可注射原位水凝胶。
实施例3：制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶
(1)巯基化明胶的制备
将1g明胶加入100ml超纯水中加热至40℃搅拌溶解后冷却至室温。按照1:3:3:3(明胶中的羧基摩尔比为1)的摩尔比例加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS，调节反应溶液pH至4.75，室温下反应4h后开始透析，每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化明胶。
巯基含量由Ellman方法测定为0.6mmol/g。
(2)巯基化肝素的制备
将1g肝素溶于100ml的超纯水中，按摩尔比例1:4:4:4(肝素中的羧基摩尔比为1)分别加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS。调节反应溶液pH至4.75，室温下反应24h后开始透析,每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化肝素。
巯基含量由Ellman方法测定为0.58mmol/g。
(3)骨形态发生蛋白生长因子BMP-2通过市场购买得到。
(4)仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备
分别取巯基化明胶、巯基化肝素溶于DMEM水溶液中，两种溶液调节pH至8.0；分别取BMP-2和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量3400)溶于PBS溶液中，得到BMP-2溶液和PEGDA溶液。
将BMP-2、PEGDA、巯基化明胶和巯基化肝素溶液混合均匀，所得混合溶液(密度约为1g/ml)中PEGDA、巯基化明胶和巯基化肝素的重量百分比分别为3％、3％和3％，BMP-2的含量为0.01μg/μl，即得到本发明所述可注射原位水凝胶。
实施例4：制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶
(1)巯基化明胶的制备
将1g明胶加入100ml超纯水中加热至40℃搅拌溶解后冷却至室温。按照1:2:4:4(明胶中的羧基摩尔比为1)的摩尔比例加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS，调节反应溶液pH至4.75，室温下反应4h后开始透析，每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化明胶。
巯基含量由Ellman方法测定为0.48mmol/g。
(2)巯基化硫酸软骨素的制备
将1g硫酸软骨素溶于100ml的超纯水中，按摩尔比例1:4:4:4(硫酸软骨素中的羧基摩尔比为1)分别加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS。调节反应溶液pH至4.75，室温下反应24h后开始透析,每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化硫酸软骨素。
巯基含量由Ellman方法测定为0.56mmol/g。
(3)仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备
分别取巯基化明胶、巯基化硫酸软骨素溶于PBS溶液中，两种溶液调节pH至7.6；取聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量8000)溶于PBS溶液中，得到PEGDA溶液。
将PEGDA、巯基化明胶和巯基化硫酸软骨素溶液混合均匀，所得混合溶液(密度约为1g/ml)中PEGDA、巯基化明胶和巯基化硫酸软骨素的重量百分比分别为4％、3％和1％，即得到本发明所述可注射原位水凝胶。
实施例5 制备仿细胞外基质可注射原位水凝胶
(1)巯基化明胶的制备
将1g明胶加入100ml超纯水中加热至40℃搅拌溶解后冷却至室温。按照1:2:2:2(明胶中的羧基摩尔比为1)的摩尔比例加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS，调节反应溶液pH至4.75，室温下反应4h后开始透析，每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化明胶。
巯基含量由Ellman方法测定为0.51mmol/g。
(2)巯基化海藻酸钠的制备
将0.5g海藻酸钠溶于70ml 50mM的MES溶液中，按摩尔比例1:2:2:2(海藻酸钠中的羧基摩尔比为1)分别加入胱胺二盐酸盐、EDC和NHS。调节反应溶液pH至4.75，室温下反应24h后开始透析,每24h更换一次透析液，透析3天后加入0.5gDTT，调节反应液pH至8.5反应2h后调节pH至4.0，在氮气保护下透析3天，每天更换一次透析液。透析完成后过滤除菌、冷冻干燥得到巯基化海藻酸钠，其制备示意图如图1。
巯基含量由Ellman方法测定为0.48mmol/g。
(3)仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备
分别取巯基化明胶、巯基化海藻酸钠溶于DMEM水溶液中，两种溶液调节pH至8.0；取聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量10000)溶于PBS溶液中，得到PEGDA溶液。
将PEGDA、巯基化明胶和巯基化海藻酸钠溶液混合均匀，所得混合溶液(密度约为1g/ml)中PEGDA、巯基化明胶和巯基化海藻酸钠的重量百分比分别为4.88％、1％和3％，即得到本发明所述可注射原位水凝胶。
为了说明本发明的有益效果，本发明提供以下试验例：
试验例1：仿细胞外基质可注射原位水凝胶的可控降解性
根据实施例2制备巯基化明胶-巯基化透明质酸钠仿细胞外基质可注射原位水凝胶，不加入含RGD的细胞粘附肽，通过改变巯基化明胶与巯基化透明质酸钠的混合比例，得到比例分别为100/0、70/30、50/50、30/70和0/100的5种水凝胶。
体外降解通过水凝胶在降解液中的失重来测定。降解液为:0.01mg/mlTrypsin/PBS。在设定时间下取出试样并用滤纸吸干表面多余的降解液后称重。剩余重量率根据以下公式计算得到：
剩余重量率＝Wt/W0×100％
其中，W0和Wt分别为初始试样重量和设定时间下称得的试样重量。
水凝胶的体外降解如图3所示。在胰液酶的降解液中，100/0的水凝胶表现出较快的降解速率，在90min时可完全降解。当混合巯基化透明质酸后，降解速率明显变慢。70/30的水凝胶在胰液酶的溶液中降解150min时的剩余重量率为54.3±6.1％。30/70的水凝胶在150min内降解不明显。50/50的水凝胶在150min时的剩余重量率为86.3％。以上结果表明通过控制巯基化明胶和巯基化透明质酸钠的混合比例可以调控水凝胶的降解速率。
试验例2：仿细胞外基质可注射原位水凝胶用于控制释放生长因子
根据实施例3制备载生长因子的仿细胞外基质可注射原位水凝胶。将PEGDA、巯基化明胶、巯基化肝素、生长因子(分别为骨形态发生蛋白-2(BMP-2)和碱性成纤维生长因子(bFGF))混合后即制备出载生长因子的水凝胶。其中，巯基化明胶与巯基化肝素的混合比例为1:1，生长因子混入量为2μg，制备出的载生长因子的仿细胞外基质可注射原位水凝胶的体积为200μl。
体外生长因子释放测试时，将制备的载生长因子水凝胶置于10ml含1％BSA，10μg/ml肝素和1mM EDTA(乙二胺四乙酸)的PBS缓冲液中，并在37℃以150转/分的速度条件下震荡。分别在第1小时，6小时,12小时，1天，2天，4天，8天，16天，32天时吸取50μl释放液并冻存于-80℃下，每次吸取后同时添加等量的缓冲液。吸取的释放液中生长因子浓度采用Elisa方法检测。生长因子的累积释放率为释放的含量除以初始的加入量2μg的百分率。
巯基化明胶-巯基化肝素仿细胞外基质可注射原位水凝胶体外释放BMP-2和bFGF两种生长因子的情况，如图4所示。对于这两种生长因子，水凝胶在第1天内表现出较小剂量的释放特征，分别为14.3(±1.5)％和14.6(±1.5)％。但是在后期32天的释放时间内表现出线性释放的特征，在第32天时的释放百分率分别为75.7(±6.1)％和68.3(±3.1)％。
以上结果表明该水凝胶具有可控释放生长因子的特性。
试验例3：载生长因子的仿细胞外基质可注射原位水凝胶用于骨组织再生
根据试验例2中载生长因子的仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备方法，将载BMP-2的巯基化明胶-巯基化肝素水凝胶直接注射到大鼠腹部肌肉内，不含BMP-2的水凝胶作对照。4周后处死大鼠，植入材料连同周围组织取出，平均切分为2份。1份经固定、脱钙、包埋、石蜡切片后，采用HE染色后在显微镜下观察照相分析(见图5(A))，用新生骨形成指数打分评价成骨情况。
新生骨形成指数打分定义：超过40％新骨生成并含有骨髓，打5分；20％新骨生成打4分；10％新骨生成打3分；只有软骨打2分；只有纤维组织打1分。载BMP-2的仿细胞外基质可注射原位水凝胶的成骨百分数为89.3％，对照组无新骨生成。
另1份匀浆后取上清检测碱性磷酸酶(ALP)活性，载BMP-2的仿细胞外基质可注射原位水凝胶组的ALP值为183±10μmol/mg蛋白/min，结果如图5(B)所示。
试验结果说明，本发明原位水凝胶的成骨能力强、ALP活性高。
试验例4：仿细胞外基质可注射原位水凝胶用于调控细胞行为
根据实施例1中载细胞的仿细胞外基质可注射原位水凝胶的制备方法，将大鼠骨髓基质干细胞rMSC包裹于水凝胶中，通过水凝胶的组成来调控细胞的行为。
将1×105的rMSC细胞包裹于100μl各种水凝胶中分别培养1天和7天后，采用Invitrogen公司的live/dead试剂盒对细胞进行染色，然后使用激光共聚焦显微镜照相观察细胞形态。
将2×106的rMSC包裹于15μl的3％的巯基化明胶水凝胶中制备细胞簇。然后将此细胞簇加入各水凝胶的预凝胶溶液中，待成凝胶后培养在含10％FBS的DMEM培养液中。细胞迁移使用倒置显微镜观察并照相。
不同比例混合的巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶(不加入含RGD的细胞粘附肽)包裹rMSC后的细胞形态的共聚焦图片，如图6所示。100/0的水凝胶中细胞呈铺展的形态，随着培养时间的增加，铺展的细胞越来越多，并且部分细胞之间有连接。当混合巯基化海藻酸钠后，细胞在70/30的水凝胶中培养7天后，只有少部分的细胞呈铺展形态。而当巯基化海藻酸钠含量继续增加时，所有的细胞在7天内都呈圆形状。
rMSC细胞在含有不同浓度的含RGD的细胞粘附肽的巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶中形态的共聚焦图片，如图7所示。随着含RGD的细胞粘附肽浓度的增加，可以观察到越来越多的细胞呈铺展的形态。其中，当含RGD的细胞粘附肽浓度为100μM时，相比于不含有含RGD的细胞粘附肽的水凝胶，到第7天时，已经有很多的细胞呈铺展形态。当含RGD的细胞粘附肽浓度继续增加后，铺展形的细胞数量也逐渐增加。
以上结果表明通过控制水凝胶中巯基化明胶和巯基化海藻酸钠的混合比例或者通过复合不同浓度的含RGD的细胞粘附肽到巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶中均可以调控细胞的形态。
在巯基化明胶-巯基化海藻酸钠水凝胶(不加入含RGD的细胞粘附肽)中，rMSC细胞只能在100/0的水凝胶中迁移，到第5天时迁移距离为240μm。在其它水凝胶中，均没有明显的细胞迁移。当复合含RGD的细胞粘附肽后(如图8)，随着含RGD的细胞粘附肽浓度的增加，细胞的迁移距离也逐渐增大。到第5天时，rMSC在RGD浓度为100，200，400和800M中的水凝胶中的迁移距离分别为295±35、452±36、640±45和658±35μm。
以上结果表明通过控制水凝胶中不同浓度的含RGD的细胞粘附肽可以调控细胞的迁移。
综上所述，本发明的水凝胶具有以下有益效果：
(1)本发明，通过控制巯基化明胶和巯基化透明质酸钠的混合比例，可以调控水凝胶的降解速率；
(2)本发明，通过调控巯基化明胶和巯基化多糖的比例，制备得到的原位水凝胶具有可控的释放性能；
本发明水凝胶，用于骨形态发生蛋白-2的载体材料时，具有缓慢释放生长因子的特性，避免了骨形态发生蛋白-2的爆释现象；
(3)本发明含生长因子的水凝胶，其成骨能力强、ALP活性高；
(4)本发明水凝胶，通过控制水凝胶中巯基化明胶和巯基化海藻酸钠的混合比例或者通过复合不同浓度的含RGD的细胞粘附肽到水凝胶中，可以调控细胞的形态和/或迁移。
本发明水凝胶的组成成分与细胞外基质类似，具有良好的生物相容性，性能上具有可控降解、可控释放和/或调控细胞行为的作用，可以方便地满足对生长因子或药物不同释放速率的要求；同时还满足临床上可注射和原位成型的操作要求，在组织修复和再生中具有良好的应用前景。

Claims (17)

1.一种仿细胞外基质可注射的原位水凝胶，其特征在于：按重量百分比，所述水凝胶主要由以下组分组成：
2.根据权利要求1所述的原位水凝胶，其特征在于：按重量百分比，所述水凝胶主要由以下组分组成：
3.根据权利要求1或2所述的原位水凝胶，其特征在于：所述巯基化明胶的巯基含量为0.4～0.6mmol/g；所述巯基化多糖的巯基含量为0.4～0.6mmol/g；所述聚乙二醇双丙烯酸酯的分子量为2～10KDa。
4.根据权利要求1或2所述的原位水凝胶，其特征在于：所述聚乙二醇双丙烯酸酯的摩尔含量为巯基化明胶和巯基化多糖中总巯基摩尔含量的1/4。
5.根据权利要求1或2所述的原位水凝胶，其特征在于：所述巯基化多糖为巯基化海藻酸钠、巯基化透明质酸、巯基化肝素、巯基化硫酸软骨素中的任意一种或多种；
所述溶剂为生理盐水、磷酸缓冲液、细胞培养基溶液中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的原位水凝胶，其特征在于：所述水凝胶的组成还包括生长因子。
7.根据权利要求6所述的原位水凝胶，其特征在于：所述生长因子，在水凝胶中的含量为0.005～0.02μg/μl。
8.根据权利要求6或7所述的原位水凝胶，其特征在于：所述生长因子为骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子中的任意一种或多种。
9.根据权利要求6或7所述的原位水凝胶，其特征在于：所述的生长因子为骨形态发生蛋白-2和/或碱性成纤维生长因子时，巯基化明胶与巯基化多糖的质量比为1:1。
10.根据权利要求1～3或5任意一项所述的原位水凝胶，其特征在于：所述水凝胶的组成还包括含RGD的细胞粘附肽。
11.根据权利要求10所述的原位水凝胶，其特征在于：所述水凝胶中，聚乙二醇双丙烯酸酯的摩尔含量为巯基化明胶和巯基化多糖中总巯基摩尔含量的1/4与含RGD的细胞粘附肽的摩尔含量之和。
12.根据权利要求10或11所述的原位水凝胶，其特征在于：所述巯基化明胶与巯基化多糖的质量比为(5/3～3):1。
13.根据权利要求10或11所述的原位水凝胶，其特征在于：所述含RGD的细胞粘附肽，在水凝胶中的浓度为100～1000μmol/L。
14.根据权利要求10～13任意一项所述的原位水凝胶，其特征在于：所述的含RGD的细胞粘附肽，是指分子中含有RGD且分子的其中一个末端为半胱氨酸的多肽。
15.制备权利要求1～5任意一项所述水凝胶的方法，其特征在于：该方法包括由以下步骤组成：
(1)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液；
(2)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(3)将巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液混合均匀，即得。
16.制备权利要求6～9任意一项所述水凝胶的方法，其特征在于：该方法包括由以下步骤组成：
(i)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液；
(ii)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(iii)将巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液、生长因子混合均匀，即得。
17.制备权利要求10～14任意一项所述水凝胶的方法，其特征在于：该方法包括由以下步骤组成：
(a)将巯基化明胶、巯基化多糖、聚乙二醇双丙烯酸酯、含RGD的细胞粘附肽分别溶解在所述溶剂中，分别制成巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液、聚乙二醇双丙烯酸酯溶液、含RGD的细胞粘附肽溶液；
(b)分别调节巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液的pH至7.0～8.0；
(c)含RGD的细胞粘附肽溶液与聚乙二醇双丙烯酸酯溶液先反应5-10min，再加入巯基化明胶溶液、巯基化多糖溶液，混合均匀，即得。
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