CN104910360A - 一种可降解磷酸化材料及其制备方法和成骨应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可降解磷酸化材料及其制备方法和成骨应用,所述材料为磷含量0%p%9.14%的聚(癸二酸甘油酯)磷酸酯PGS-P。制备方法包括:(1)合成PGS;(2)合成PGS-P。应用于制备成组织工程支架。本发明设计了一种合成简便,结构可控的可降解磷酸化材料,其磷酸化程度可有效调控;该类材料具有良好的成骨活性,并且其活性可以通过调节磷酸化程度来调控;将为生物医学应用比如骨再生提供新材料,而其设计思路,可以用于设计其它类似的磷酸化材料和成骨活性材料;制备方法工艺简单,成本低,具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于骨组织工程支架材料领域,特别涉及一种可降解磷酸化材料及其制备方法和成骨应用。
背景技术
磷元素作为生命必须的元素之一,是骨骼,牙齿,和遗传物质核酸等的组成元素之一,磷酸化材料在生物材料领域有着广泛的应用,尤其是在骨缺损修复领域。骨缺损是临床上最为常见而又棘手的问题之一,外伤骨折、炎症、肿瘤、先天异常等都会造成骨缺损。仅在美国,一年有620万例骨折发生,其中5-10%不能被有效地治愈[Kretlow JD,Mikos AG.Review:Mineralization of synthetic polymer scaffolds for bone tissue engineering.Tissue Eng.2007;13:927-38.],再生医学是解决的潜在手段,诱导干细胞分化材料是再生医学的核心。赋予骨诱导性有很多方式,比如蛋白,生长因子,多肽,等等。但是利用小分子赋予材料对应的生物活性,则是更加实用具有应用前景的方式[Benoit DSW,Schwartz MP,Durney AR,AnsethKS.Small functional groups for controlled differentiation of hydrogel-encapsulated humanmesenchymal stem cells.Nat Mater.2008;7:816-23;Maia FR,Bidarra SJ,Granja PL,Barrias CC.Functionalization of biomaterials with small osteoinductive moieties.Acta biomaterialia.2013;9:8773-89;Place ES,Evans ND,Stevens MM.Complexity in biomaterials for tissueengineering.Nat Mater.2009;8:457-70]。从结构上看,骨组织处于一个磷酸化环境中[StevensMM,George JH.Exploring and engineering the cell surface interface.Science.2005;310:1135-8],且65-70%为无机的羟基磷灰石[Salgado AJ,Coutinho OP,Reis RL.Bone tissue engineering:State of the art and future trends.Macromol Biosci.2004;4:743-65],因此,从骨组织仿生模拟角度出发[Stevens MM.Biomaterials for bone tissue engineering.Mater Today.2008;11:18-25],磷酸化的材料具有潜在的成骨诱导性[Watson BM,Kasper FK,Mikos AG.Phosphorous-containingpolymers for regenerative medicine.Biomedical materials.2014;9:025014.
[9]Kang HM,Shih YRV,Hwang Y,Wen C,Rao V,Seo T,et al.Mineralized gelatinmethacrylate-based matrices induce osteogenic differentiation of human induced pluripotent stemcells.Acta biomaterialia.2014;10:4961-70],无机磷酸钙成骨诱导作用已被大量的报道所证实[Phadke A,Shih YRV,Varghese S.Mineralized Synthetic Matrices as an InstructiveMicroenvironment for Osteogenic Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells.MacromolBiosci.2012;12:1022-32;Vaquette C,Ivanovski S,Hamlet SM,Hutmacher DW.Effect of cultureconditions and calcium phosphate coating on ectopic bone formation.Biomaterials.2013;34:5538-51],也有研究表明含磷高分子材料具有促进成骨的作用,但是含磷高分子和干细胞的作用研究[Dadsetan M,Giuliani M,Wanivenhaus F,Brett Runge M,Charlesworth JE,Yaszemski MJ.Incorporation of phosphate group modulates bone cell attachment anddifferentiation on oligo(polyethylene glycol)fumarate hydrogel.Acta biomaterialia.2012;8:1430-9;Gandavarapu NR,Mariner PD,Schwartz MP,Anseth KS.Extracellular matrixprotein adsorption to phosphate-functionalized gels from serum promotes osteogenic differentiationof human mesenchymal stem cells.Acta biomaterialia.2013;9:4525-34]还相对较少。Anseth等研究了一种侧链含磷酸根的水凝胶,Wang,D.A等开发了一种主链含磷脂的水凝胶证实其可促hMSC成骨分化。对于磷酸化生物材料的研究多集中于磷酸化水凝胶,适合于制备组织工程中广泛应用的多孔支架的磷酸化材料尚未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可降解磷酸化材料及其制备方法和成骨应用,该材料具有良好的成骨活性,并且其活性可以通过调节磷酸化程度来调控。
本发明的一种可降解磷酸化材料,所述材料为磷含量0%<p%<9.14%的聚(癸二酸甘油酯)磷酸酯PGS-P。
所述磷含量为0.217%<p%<3.669%。
本发明的一种可降解磷酸化材料的制备方法,包括:
(1)重结晶纯化后的癸二酸和甘油按摩尔比1:0.9~1.1混合,于130~140℃下熔融,通N2搅拌16~32h,然后130~140℃下抽真空24~48h,降至室温得到PGS;
(2)将PGS加入预先除水的烧瓶中,然后将POCl3加入预先除水的反应管中,分别加入无水四氢呋喃THF完全溶解;将烧瓶置于-15~5℃下搅拌,将POCl3/THF溶液缓滴加到烧瓶中,转移至15~25℃反应12~14h;产物旋蒸浓缩后,用去离子水沉淀纯化,得到可降解磷酸化材料PGS-P;其中,PGS与POCl3的摩尔比为10:1~1:1。
本发明的一种可降解磷酸化材料的成骨应用,所述材料用于制备成多孔组织工程支架。
所述制备多孔组织工程支架的具体步骤如下:
将NaCl颗粒平铺于四氟涂层模具内,然后移入温度30~40℃、相对湿度70~90%的恒温恒湿箱中1~3h,随后真空干燥,得到盐模;将未经处理的PGS-P的反应液直接分多次均匀涂覆在干燥后的盐模上,待溶剂基本挥发后,真空干燥;冷却后放入水中,换水洗掉NaCl;最后将支架放在聚四氟乙烯板上,冰冻,然后冷冻干燥得到多孔支架。该方法优点:操作简单方便,节约原料,可最大限度的提高支架含磷量(见图2B),且能避免高活性反应产物在处理过程中因易产生交联而不能溶解后制作成支架的问题。该方法适用于其它类似高活性物质制作支架。
所述NaCl颗粒的粒径为20-500μm。
所述盐模制备过程中的真空干燥具体为真空干燥箱中,120℃、低于-0.1MPa下干燥2h。
所述PGS-P反应液涂覆过程中的真空干燥具体为真空干燥箱中,150℃、低于-0.1MPa下干燥24h。
本发明开发了一种可诱导干细胞成骨分化的骨组织工程材料,聚(癸二酸甘油酯)磷酸酯(PGS-P),它是基于聚(癸二酸甘油酯)(PGS)而开发的,PGS是在生物材料领域广泛应用的可降解材料,用于骨组织工程已有报道,但是目前尚未见其磷酸化的报道。本发明中通过适当的化学反应将磷酸根可控的接枝于PGS上,赋予材料生物活性,使其能诱导干细胞成骨分化,开发出了一种侧链含磷酸根的可降解的具有成骨诱导性的骨组织工程支架材料。
有益效果
本发明设计了一种合成简便,结构可控的可降解磷酸化材料,其磷酸化程度可有效调控;该类材料具有良好的成骨活性,并且其活性可以通过调节磷酸化程度来调控;将为生物医学应用比如骨再生提供新材料,而其设计思路,可以用于设计其它类似的磷酸化材料和成骨活性材料;制备方法工艺简单,成本低,具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明中PGS-P4的核磁氢谱(A)、核磁碳谱(B)、核磁磷谱(C);
图2为不同当量投料时支架的含磷量(A)以及材料和支架的磷含量对比(B);
图3为不同当量支架的DSC曲线;
图4为PGS-P2支架的SEM照片(A、B、C为不同倍率);
图5为兔骨髓间充质干细胞BMSCs在普通培养液中培养的结果统计;
图6为兔骨髓间充质干细胞BMSCs在普通培养液中培养7天的情况;
图7为本发明多孔支架的整体图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)PGS-P的合成
①PGS的合成
PGS的合成参考文献(Wang YD,Ameer GA,Sheppard BJ,Langer R.A tough biodegradableelastomer.Nature biotechnology.2002;20:602-6.),并对其优化。重结晶纯化后的癸二酸(J&K,98%)20.2574g(0.1mol)和甘油(Sigma Aldrich,≥99.5%)9.2037g(0.1mol)加入三口烧瓶中,135℃下熔融,通N2搅拌24h,然后135℃下抽真空(4mbar)48h,降至室温得到淡黄色蜡状固体。
②PGS-P的合成
称量0.6865g(2.6609mmol,以含有一个羟基的链段的式量作为分子量)PGS加入预先除水除氧的100ml烧瓶中,然后称量0.1631g(1.0637mmol)POCl3加入预先除水除氧的10ml反应管中,分别加入20ml和7ml无水四氢呋喃(THF)使它们完全溶解。将烧瓶置于冰浴下搅拌,然后将POCl3/THF溶液缓慢滴加到烧瓶中。转移至室温(25℃)反应12h。产物旋蒸浓缩后,用去离子水沉淀纯化,得到淡黄色固体PGS-P。相同的方法分别做了当量比为0.1,0.2,0.4,0.5,0.55,0.6,0.8,1.0的PGS-P,命名为PGS-P1,PGS-P2,PGS-P4,PGS-P5,PGS-P5.5,PGS-P6,PGS-P8,PGS-P10,对应的磷含量分别为0.217%,0.305%,1.273%,1.130%,1.117%,3.138%,2.695%,3.669%。
(2)PGS-P支架制作
将4g粒径为150-300μm的NaCl颗粒平铺于直径6cm厚度1mm的四氟涂层模具内,然后将其移入温度37℃,相对湿度85%的恒温恒湿箱中1.5h,随后将其移入真空干燥箱中,120℃,低于-0.1MPa下干燥2h,得到做支架用的盐模。将上述反应结束后未作处理的PGS-P反应液10ml(含PGS约258mg)分多次均匀涂覆在干燥后的盐模上,待溶剂基本挥发后,将其移入真空干燥箱中,150℃,低于-0.1MPa下干燥24h。冷却后将其放入水中,每隔4h换一次水,共换三次水洗掉NaCl。最后将支架放在聚四氟的板上,-20℃冰冻12h,然后冷冻干燥24h得到多孔支架。
(3)PGS-P的结构和性能表征
①核磁(NMR)表征
以PGS-P4为代表,使用Bruke AM-400(400MHz)型核磁共振仪,氘代丙酮作溶剂对其进行了1H NMR,13C NMR and 31P NMR表征,如图1所示。
②分子量及其分布表征
分子量及其分布通过GPC测试。分别配置6g L-1的PGS,PGS-P2,PGS-P4,PGS-P6四氢呋喃(THF,HPLC)溶液,使用同时配备示差检测器和多角光散射检测器(美国Brookhaven)的GPC(美国Waters)测试其分子量及分子量分布,测试温度40℃,流动速率1ml min-1。
表1接触角(a是未交联b是已交联)和分子量及其分布数据
材料 | 水接触角a | 水接触角b | Mw/104 | Mn/104 | PDI |
PGS | 59.5°±3.6° | 101.8°±1.7° | 18.42 | 3.38 | 5.46 |
PGS-P2 | 42.3°±4.8° | 96.0°±1.2° | 1.92 | 1.72 | 1.11 |
PGS-P4 | 39.7°±3.7° | 88.4°±3.0° | 2.54 | 2.27 | 1.12 |
PGS-P6 | 17.3°±1.7° | 83.9°±3.5° | 1.36 | 1.23 | 1.11 |
③ICP
材料和支架的磷含量由美国Leeman公司生产的Prodigy型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测试得到。10mg左右的样品加10ml浓硝酸高压微波消解后稀释至50ml进行测试,结果如图2所示。
④热学性质分析
如图3所示,材料的玻璃化转变温度(Tg)由NETZSCH 204F1型差示扫描量热仪(DSC)得到。N2氛围下10℃min-1的升降温速率下,从-50℃到150℃进行两次升温,一次降温得到材料的DSC曲线。
⑤接触角
用THF将未经处理的PGS-P反应液稀释至1g L-1,用100μl的注射器取100μl均匀涂于的圆形玻璃片上,每个样品涂6片,待溶剂挥发后取其中3片置于150℃低于-0.1MPa的真空干燥箱中24h进行交联。同样的方法制作PGS的玻片。使用OCA40Micro型全自动接触角测试仪(德国,Dataphysics)测试交联和未交联的样品对水的静态接触角,每个玻片测三个地方。
⑥PGS-P2支架的SEM照片
⑦降解实验
将PGS-P支架放在2000u/ml的脂肪酶(来源于疏绵状嗜热丝孢菌)的PBS缓冲液中,1小时后支架完全破碎。
⑧生物实验
通过细胞相容性试验,以常用的生物材料聚乳酸聚乙醇酸共聚酯(PLGA)做对照,对不含磷的母核PGS,磷酸化试剂(POCl3)投料比为20%、40%、60%的几种不同的PGS-P材料进行生物试验。细胞增殖实验(CCK8)显示PGS-P材料促进骨髓间充质干细胞增殖的能力与PLGA相当,40%当量的甚至还优于PLGA。接着细胞分化实验,用普通的培养基培养兔骨髓间充质干细胞,通过检测其三种典型成骨基因RNA的表达,可见PGS-P促干细胞成骨分化的能力优于PGS和PLGA。而且PGS-P4和PGS-P6又优于PGS-P2。证明磷酸化确实可以影响其成骨诱导性。
图5和6是对三种典型成骨蛋白的检测结果。对于BSP蛋白的染色实验可以明显地看到含磷的材料较多,PGS-P4最多。通过蛋白质印迹分析实验可以看到Ocn在PGS-P上表达多于PGS,明显多于PLGA。
Claims (8)
1.一种可降解磷酸化材料,其特征在于:所述材料为磷含量0%<p%<9.14%的聚(癸二酸甘油酯)磷酸酯PGS-P。
2.根据权利要求1所述的一种可降解磷酸化材料,其特征在于:所述磷含量为0.217%<p%<3.669%。
3.一种可降解磷酸化材料的制备方法,包括:
(1)重结晶纯化后的癸二酸和甘油按摩尔比1:0.9~1.1混合,于130~140℃下熔融,通N2搅拌16~32h,然后130~140℃下抽真空24~48h,降至室温得到PGS;
(2)将PGS加入预先除水的烧瓶中,然后将POCl3加入预先除水的反应管中,分别加入无水四氢呋喃THF完全溶解;将烧瓶置于-15~5℃下搅拌,将POCl3/THF溶液缓滴加到烧瓶中,转移至15~25℃反应12~14h;产物旋蒸浓缩后,用去离子水沉淀纯化,得到可降解磷酸化材料PGS-P;其中,PGS与POCl3的摩尔比为10:1~1:1。
4.一种如权利要求1所述的可降解磷酸化材料的成骨应用,其特征在于:所述材料用于制备成多孔组织工程支架。
5.根据权利要求4所述的一种可降解磷酸化材料的成骨应用,其特征在于:所述制备多孔组织工程支架的具体步骤如下:
将NaCl颗粒平铺于四氟涂层模具内,然后移入温度30~40℃、相对湿度70~90%的恒温恒湿箱中1~3h,随后真空干燥,得到盐模;将未经处理的PGS-P的反应液直接分多次均匀涂覆在干燥后的盐模上,待溶剂基本挥发后,真空干燥;冷却后放入水中,换水洗掉NaCl;最后将支架放在聚四氟乙烯板上,冰冻,然后冷冻干燥得到多孔支架。
6.根据权利要求5所述的一种可降解磷酸化材料的成骨应用,其特征在于:所述NaCl颗粒的粒径为20-500μm。
7.根据权利要求5所述的一种可降解磷酸化材料的成骨应用,其特征在于:所述盐模制备过程中的真空干燥具体为真空干燥箱中,120℃、低于-0.1MPa下干燥2h。
8.根据权利要求5所述的一种可降解磷酸化材料的成骨应用,其特征在于:所述PGS-P反应液涂覆过程中的真空干燥具体为真空干燥箱中,150℃、低于-0.1MPa下干燥24h。
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