CN106620873A - 一种复合水凝胶软骨修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合水凝胶软骨修复材料及其制备方法。所述复合水凝胶软骨修复材料由碳点、纳米羟基磷灰石、聚乙烯醇、纤维蛋白凝胶制备而成。本发明采用碳点作为优良的荧光信号源，聚乙烯醇作为高分子网络结构，纤维蛋白凝胶作为诱导成骨细胞生长因子，制备得到碳点/纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇复合水凝胶软骨修复材料。该材料保留了聚乙烯醇良好的抗拉、压力学机械性能，并在制备过程中将纳米羟基磷灰石及碳点掺杂于聚乙烯醇高分子网络结构中，赋予了该水凝胶材料良好的骨组织亲和性及荧光示踪性能；本发明不仅可通过调节聚乙烯醇与纤维蛋白原的比例，调控该骨修复材料的降解速率，而且可根据观察碳点荧光强度的变化情况，掌握降解规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合水凝胶软骨修复材料及其制备方法，特别涉及制备具有降解速率可调控，且降解行为荧光可视化功能的软骨修复材料的方法。
背景技术
软骨是一种透明的软组织，在关节润滑、减震和承重中起重要作用。当人体内的软骨发生损伤时，由于缺乏血液供应，其再生能力很弱，要想治疗只有采取体外移植软骨替代材料进行修复。因此研发力学性能优良、在体降解程度可控及可视的软骨修复材料具有迫切的必要性。
聚合物水凝胶因具有良好的力学性能、生物兼容性等性质，引起了生物医学界的广泛关注。采用水凝胶制备生物体内软骨损伤修复材料具有诸多优势。聚乙烯醇(PVA)是一种无毒、无腐蚀性并且拥有良好的生物相容性的聚合物，其力学性能良好，且可生物降解，目前已被广泛应用于组织工程的支架材料、软骨组织替代、修复等领域(J. P. Gong, Advanced Materials, 2003, 15，1155-1158)。目前已有许多研究者在PVA中掺杂与成骨细胞具有高度亲和能力的纳米羟基磷灰石（HA），从而达到提高软骨修复材料的生物亲和性并改善其力学性能的目的。
碳点是一种具有良好的上转换荧光性能及生物兼容性的纳米材料(Y. Y. Zhang, M. Wu, Y. Q. Wang, Talanta, 2013, 117, 196-202)，其较高的荧光量子产率为它在生物医药领域的广泛应用奠定了基础。目前，碳点在与聚合物材料的结合方面取得许多进展(P. Zhang, W. C. Li, X. Y. Zhai, Chemical Communications, 2012, 48, 10431- 10433；P. P. Li, Nanotechnology, 2014, 25, 055603-055609)。在临床医学应用中，外科医生发现，传统的软骨修复材料虽然力学性能良好，但是在实时、可视化跟踪研究方面并不方便。要想跟踪研究复合水凝胶软骨修复材料移植入体内后随着生理代谢及机体正常的生命活动，其转移、变形及老化情况、受力后的变形情况及在体内的降解程度等相对来说较为困难。
发明内容
本发明旨在提供一种具有优良力学性能、荧光自示踪性能及降解速率可控功能的复合水凝胶软骨修复材料及其制备方法，拓宽了人工关节软骨的应用范畴。该制备方法过程简单，制备所得的复合水凝胶材料具有荧光示踪性能，降解可控性能及良好的力学性能。
本发明提供了一种复合水凝胶软骨修复材料，包括以下重量配比的原料：
碳点（CDs） 0-1.5%
纳米羟基磷灰石（HA） 2%~6%
聚乙烯醇（PVA） 65%~85%
纤维蛋白凝胶 7.5%~33%
本发明提供了一种上述复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，首先采用碳点作为优良的荧光信号源，采用聚乙烯醇作为高分子网络结构，采用纳米羟基磷灰石作为共掺杂试剂，赋予了该水凝胶材料良好的骨组织亲和性，制备得到碳点/纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇（CDs/HA/PVA）复合水凝胶软骨修复材料，然后在其孔穴内进一步填充纤维蛋白凝胶。
上述复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，具体包括以下步骤：
①碳点的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入乳糖，再加入三羟甲基氨基甲烷，最后加入二次水，并搅拌均匀，在90℃-100℃下加热回流，反应进行20-30h后即得到黄色的CDs溶液，所得产物透析24-48h；
②CDs/HA/PVA复合水凝胶的合成：称取聚乙烯醇与纳米羟基磷灰石并溶于去离子水中，90-100℃下加热回流1-2h，然后将上述步骤①制备所得碳点溶液加入其中，于80-90℃下磁力搅拌1-4h，最后将该混合溶液冷却至室温并浇注于模具中，放入-15--20℃冰箱冷冻15-25h，然后取出并在室温下放置10-15h解冻，如此冷冻-解冻循环3-10次，即可制备得到CDs/HA/PVA复合水凝胶，随后采用冷冻干燥的方式将该水凝胶制成固体支架材料，冷冻干燥处理时间为36-48h；
③导入纤维蛋白原溶液：将纤维蛋白原溶液在负压的条件导入到CDs/HA/PVA多孔支架中，然后在负压的作用下把凝血酶的氯化钙溶液导入，用无菌纱布吸去支架表面液体，将该材料置于恒温培养箱中，充分孵育0.5-1h，待纤维蛋白原完全凝胶，最终得到孔穴内填充有纤维蛋白凝胶的CDs/HA/PVA复合水凝胶软骨修复材料。
上述制备方法中，所述碳点（CDs）的合成中，乳糖溶液的浓度为1.0-6.0g/L，三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为20.0-100.0g/L，采用逐滴加入NaOH稀溶液的方式调节该混合溶液的pH为9.5-11.5，随后于100℃下加热回流24-48小时。
上述制备方法中，所述CDs/HA/PVA复合水凝胶的合成中，所用碳点的浓度为0.5-4.0 mg/mL，所用各试剂比例为：水、碳点溶液的体积比为10：1-20：1，水、聚乙烯醇的质量比为10:1-40:1。
上述制备方法中，所述步骤③中，CDs/HA/PVA复合水凝胶置于负压中，采用注射器导入10-25mg/mL的纤维蛋白原溶液，随后导入凝血酶（2-10U/mL)的氯化钙溶液，氯化钙溶液的浓度为0.01-0.05mol/mL，用无菌纱布吸去支架表面液体，最后将该材料置于35℃-40℃的恒温培养箱中，充分孵育0.5-1h。
本发明在PVA水凝胶材料中掺杂碳点，由于碳点表面富含大量的羟基，可与聚乙烯醇上的羟基间形成良好的氢键相互作用，从而使碳点掺杂于HA/PVA的高分子网状结构中。通过观察荧光信号的强度及范围，便可实时掌握该软骨替代材料在机体内的降解程度。纤维蛋白原是人体血液蛋白的重要组成部分，含量极其丰富，其具有优异的生物相容性和生物降解性能。纤维蛋白凝胶可诱使软骨细胞再生并与周围组织自然融合。通过调节PVA水凝胶中纤维蛋白原的比例，即可调节该软骨支架材料的生物降解过程，从而实现软骨修复材料的降解速率可控性。
本发明的有益效果：
1）碳点通过氢键作用力结合于聚丙烯酰胺的网络结构中，不仅可赋予该软骨修复材料荧光自示踪能力，而且可提高其力学性能。
2）将纤维蛋白凝胶填充于水凝胶网络结构内，可赋予该软骨修复材料诱导成骨细胞生长与分化的能力，并且通过调节纤维蛋白凝胶的比例，可以实现对该软骨修复材料降解速率的调控。
附图说明
图1是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶在受到初始长度50%的拉伸变形情况下，循环加载-卸载时的应力-应变曲线图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比分别为0%，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%。
图2是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶的荧光发射光谱图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比分别为0%，0.6%，1.2%，1.5%。
图3是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶的溶胀率曲线图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比重分别为0%，0.9%，1.5%。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
具体制备过程包括如下步骤：
①碳点（CDs）的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入0.2g乳糖，再加入4.0g三羟甲基氨基甲烷（Tris），最后加入100mL的二次水，并搅拌均匀，在100℃下加热回流，采用稀NaOH溶液逐滴加入的方式调节溶液pH至10.5，反应进行24h后即得到黄色的CDs溶液，所得产物透析48h；
②称取3g聚乙烯醇(PVA)与0.1g纳米羟基磷灰石(HA)并溶于20mL去离子水中，90℃下加热回流1h，然后将4.5mL的上述步骤①制备所得碳点溶液加入其中，于85℃下磁力搅拌2h，最后将该混合溶液冷却至室温并浇注于模具中，放入-20℃冰箱冷冻20h，然后取出并在室温下放置10h解冻，如此冷冻-解冻循环,5次，即可制备得到CDs/HA/PVA复合水凝胶；
③采用冷冻干燥的方式将该水凝胶制成固体支架材料，冷冻干燥时间为48h，随后将20mg/mL的纤维蛋白原溶液在负压的条件导入到CDs/HA/PVA多孔支架中，并在负压的作用下把3.0U/mL凝血酶的氯化钙溶液导入，用无菌纱布吸去支架表面液体，将该材料置于37℃恒温培养箱中，充分孵育30min，待纤维蛋白原完全凝胶，最终得到孔穴内填充有纤维蛋白凝胶的CDs/HA/PVA水凝胶软骨修复材料，如图1中曲线2所对应即为按照实施例1的步骤制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为0.3%。
实施例2：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
实验条件和操作步骤与实施例1部分相同，改变的条件如下：
将0mL的碳点溶液加入该混合溶液，制备得到HA/PVA复合水凝胶。如图1中曲线1所对应即为按照本实施例制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为0%。
实施例3：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
实验条件和操作步骤与实施例1部分相同，改变的条件如下：
将9mL的碳点溶液加入该混合溶液，制备得到HA/PVA复合水凝胶。如图1中曲线3所对应即为按照本实施例制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为0.6%。
实施例4：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
实验条件和操作步骤与实施例1其他相同，改变的条件如下：
将13.5mL的碳点溶液加入该混合溶液，制备得到HA/PVA复合水凝胶。如图1中曲线4所对应即为按照本实施例制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为0.9%。
实施例5：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
实验条件和操作步骤与实施例1其他相同，改变的条件如下：
将18mL的碳点溶液加入该混合溶液，制备得到HA/PVA复合水凝胶。如图1中曲线5所对应即为按照本实施例制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为1.2%。
实施例6：一种复合水凝胶软骨修复材料的制备方法
实验条件和操作步骤与实施例1其他相同，改变的条件如下：
将22.5mL的碳点溶液加入该混合溶液，制备得到HA/PVA复合水凝胶。如图1中曲线6所对应即为按照本实施例制备所得样品，该样品中所对应碳点的重量比为1.5%。
用荧光分光光度计测定制备所得的CDs/HA/PVA水凝胶（荧光分光光度计：Horiba，日本，FluoroMax-4；激发狭缝10nm，发射狭缝10nm，激发波长设定在400nm，在450-750nm范围内记录荧光发射光谱的实验数据，光电培增管的电压为950V）。
图1是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶在受到初始长度50%的拉伸变形情况下，循环加载-卸载时的应力-应变曲线图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比重分别为0%，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%。图中显示，随着复合水凝胶中碳点所占的质量百分比的增加，复合材料的抗拉刚度逐渐减小，但是总体影响不大，复合材料的机械强度仍在软骨修复材料的可应用范围。
图2是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶的荧光发射光谱图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比重分别为0%，0.6%，1.2%，1.5%。图中显示，随着碳点所占质量百分比的增加，复合水凝胶的荧光强度也在逐渐增强。
图3是不同碳点含量的CDs/HA/PVA复合水凝胶的溶胀率曲线图。该复合水凝胶材料中碳点所占的质量比重分别为0%，0.9%，1.5%。图中显示，随着碳点所占质量百分比的增加，复合水凝胶达到溶胀平衡所需的时间越短。
Claims (7)
1. 一种复合水凝胶软骨修复材料，其特征在于：包括以下重量配比的原料：
碳点 0-1.5%
纳米羟基磷灰石 2%~6%
聚乙烯醇 65%~85%
纤维蛋白凝胶 7.5%~33%。
2.一种权利要求1所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：首先采用碳点作为优良的荧光信号源，采用聚乙烯醇作为高分子网络结构，采用纳米羟基磷灰石作为共掺杂试剂，制备得到碳点/纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇复合水凝胶软骨修复材料，然后在其孔穴内进一步填充纤维蛋白凝胶。
3.根据权利要求2所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①碳点的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入乳糖，再加入三羟甲基氨基甲烷，最后加入二次水，并搅拌均匀，在90℃-100℃下加热回流，反应进行20-30h后即得到黄色的CDs溶液，所得产物透析24-48h；
②CDs/HA/PVA复合水凝胶的合成：称取聚乙烯醇与纳米羟基磷灰石并溶于去离子水中，90-100℃下加热回流1-2h，然后将上述步骤①制备所得碳点溶液加入其中，于80-90℃下磁力搅拌1-4h，最后将该混合溶液冷却至室温并浇注于模具中，放入-15--20℃冰箱冷冻15-25h，然后取出并在室温下放置10-15h解冻，如此冷冻-解冻循环3-10次，即可制备得到CDs/HA/PVA复合水凝胶，随后采用冷冻干燥的方式将该水凝胶制成固体支架材料；冷冻干燥处理时间为36-48h；
③导入纤维蛋白原溶液：将纤维蛋白原溶液在负压的条件下导入到CDs/HA/PVA固体支架材料中，然后在负压的作用下把凝血酶的氯化钙溶液导入，用无菌纱布吸去支架表面液体，将该材料置于恒温培养箱中，充分孵育，待纤维蛋白原完全凝胶，最终得到孔穴内填充有纤维蛋白凝胶的CDs/HA/PVA复合水凝胶软骨修复材料。
4.根据权利要求3所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：所述碳点的合成中，乳糖溶液的浓度为1.0-6.0g/L，三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为20.0-100.0g/L，采用逐滴加入NaOH稀溶液的方式调节该混合溶液的pH为9.5-11.5，于100℃下加热回流24-48小时。
5.根据权利要求3所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：所述CDs/HA/PVA复合水凝胶的合成中，所用碳点的浓度为0.5-4.0 mg/mL，所用各试剂比例为：水、碳点溶液的体积比为10：1-20：1，水、聚乙烯醇的质量比为10:1-40:1。
6.根据权利要求3所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤③导入纤维蛋白原溶液中，CDs/HA/PVA复合水凝胶置于负压中，采用注射器导入纤维蛋白原溶液，随后导入凝血酶的氯化钙溶液，用无菌纱布吸去支架表面液体，最后将该材料置于35℃-40℃的恒温培养箱中，充分孵育0.5-1h。
7.根据权利要求6所述的复合水凝胶软骨修复材料的制备方法，其特征在于：所述纤维蛋白原溶液的浓度为10-25mg/mL，氯化钙溶液的浓度为0.01-0.05mol/mL，凝血酶含量为2-10U/mL。
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