CN109467719B - 生物杂化梯度水凝胶支架及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开生物杂化梯度水凝胶支架及其制备方法和应用，水凝胶以丙烯酰基甘氨酰胺和N‑丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为原料制备而成，凝胶熔融后，混入磷酸三钙，以3D打印成底部掺杂磷酸三钙的支架和上部水凝胶支架，利用压电技术在水凝胶支架层上打印生长因子。磷酸三钙的掺杂增加支架的骨引导能力，并提高支架力学强度。水凝胶上层改善软骨替代材料的润滑性能，同时因子的存在促进软骨修复。本发明梯度支架一体化成型，配方简单、成分安全、制备条件温和，解决了软骨与软骨下骨层界面结合的问题，同时改善了凝胶类软骨修复材料与宿主骨结合的能力，同时负载磷酸三钙与生长因子提高了软骨及软骨下骨一体化修复的能力。

Description

生物杂化梯度水凝胶支架及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水凝胶技术领域，涉及一种软骨及软骨下骨一体化修复的生物杂化梯度水凝胶支架的制备方法，更具体地说，涉及一种以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为单体的共聚超分子水凝胶的制备方法，及采用一体化打印技术将此水凝胶打印成梯度支架的方法，成型方法简单，支架同时负载β-TCP和TGF-β1，提高了软骨及软骨下骨一体化修复的能力。
背景技术
关节软骨损伤患病率较高，据报道约60％行关节镜检查的患者有不同程度的关节软骨损伤，65岁以上人群的患病率更是高达60％-90％。但是由于关节软骨本身没有神经及血管支配、且所含细胞量极少，因此软骨损伤后很难实现自身修复，也是临床治疗的一大难题。目前临床常用的关节软骨修复的方法有微骨折技术、软骨成形技术、自体骨软骨移植技术、同种异体骨移植技术、自体软骨细胞移植技术等。其中，自体骨软骨移植技术和同种异体骨移植技术较为成熟。自体骨组织相容性好，促进骨质生长，并且有足够的强度，但是，自体骨骼移植往往非常痛苦并且对患者自身有损伤性，随时伴有爆发并发症的可能性。异体移植同样需要承担一定风险，例如基因不匹配、疾病传播以及卫生部门承担因寻找匹配的捐赠者和其他方面造成的物流延误等成本的风险。这些方法大都很难实现长期的透明样软骨修复。近年来，骨组织工程技术被寄予厚望，组织工程化软骨为关节软骨的修复提供了一种新的治疗途径。组织工程软骨技术是将机体细胞分离并经体外扩增培养后接种于支架材料上，同时加入促进软骨形成的生长因子，移植于软骨缺损部位。随着种子细胞增殖、分化，最终得到与天然软骨具有相类似生物、结构以及功能的软骨组织。
支架材料是骨组织工程的关键要素之一，寻找一种兼具有良好生物相容性、适合的力学强度、并且有较好的促进成骨能力支架材料是研究的热点与难点。水凝胶因为其高含水量(通常含水量大于总质量的80％)和结构类似于生物体组织，比如，人体中的一些软组织(如肌腱、韧带、半月板软骨等)也是由凝胶物质构成的，故在与血液、体液、人体组织相接触时表现出良好的生物相容性。同时其力学强度可以很容易的通过改变组分、单体含量、交联密度和交联机理等得以调节。再者，水凝胶均匀的多孔隙特点使其用于支架载体时可以加载不同的生长因子，类细胞外基质的3D培养微环境可以促进生长因子的表达分化生长，有利于组织再生和创伤愈合过程中细胞的迁移和生长，提高组织再生和修复的速度等优点。
3D生物打印技术的发展为仿生组织工程支架的构建提供了一种新的技术手段。3D生物打印区别于以往的构建方法，利用计算机辅助设计可以对支架形态实现个性化制作，同时其内部三维结构也可以达到近似仿生结构。3D打印水凝胶仿生支架在软骨再生和软骨缺损修复中具有独特的优势。3D打印水凝胶生物支架必须具备以下条件：凝胶材料易形成生物墨、打印后可迅速成型，支架具有稳定的三维立体结构、良好的生物相容性、良好的生物降解性或者持久的稳定性、良好的力学性能和可塑性。结构决定性能，着手从单体结构、三维网络结构出发设计材料用于3D打印水凝胶生物支架，是研究者们需要解决的问题。
目前用于打印的水凝胶大部分需要借助海藻酸钠、粘土等增加墨水的黏度，多采用先打印后交联的方法。然而交联之前容易塌陷，降低了支架的保真度，而且后交联大大降低了负载细胞，因子的成活率。此外，骨组织支架的一个重要特点是负载和缓释功能性的生长因子以提高修复功能。然而生长因子本身存在半衰期短、易失活、价格昂贵及副作用风险等问题，载生长因子支架后续的灭菌及存储也是难题。生长因子通常只能在支架成型后以特定方式负载在支架表面，工艺复杂、繁琐。因此，有必要提供一种配方简单、无毒且能适用于3D打印的高强度超分子水凝胶以制备功能性的骨组织工程支架。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供生物杂化梯度水凝胶支架及其制备方法和应用，利用双酰胺键间的氢键聚集作用制备了力学性能优异的超分子自组装水凝胶PNAGA，此凝胶生物相容性良好且具有持久的稳定性。将此凝胶体系引入N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷第二组分后得到的共聚凝胶可以在高温下熔融流动，并且可以在室温下快速凝固，这可能是因为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的引入改变了氢键的聚集用，进而使得共聚凝胶满足3D打印的条件。同时凝胶熔融后，混入β-TCP，采用一体化打印技术将此水凝胶打印成梯度支架，支架同时负载β-TCP和TGF-β1，β-TCP可以增加支架的骨引导能力，并弥补因引入N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷而使得凝胶降低的强度，拟天然软骨的钙化层，可形成与宿主骨类似的牢固的活性连接，高水含量的凝胶上层可以改善软骨替代材料的润滑性能，同时TGF-β1提高了软骨修复能力。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
生物杂化梯度水凝胶支架，由基层、中间层和顶层组成，其中：
基层由高强度温敏超分子水凝胶和分散在高强度温敏超分子水凝胶中的磷酸三钙组成，其中高强度温敏超分子水凝胶以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备，具有如下分子简式，PNAGA为丙烯酰基甘氨酰胺， PTHMMA为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷：
Figure BDA0001401810610000031
中间层为高强度温敏超分子水凝胶，以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备，具有如下分子简式，PNAGA为丙烯酰基甘氨酰胺，PTHMMA为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷：
Figure BDA0001401810610000032
顶层为生长因子TGF-β1。
在进行制备时，按照下述步骤进行：
步骤1，以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备高强度温敏超分子水凝胶；
步骤2，将高强度温敏超分子水凝胶达到溶胀平衡，加热至熔融流动状态加入磷酸三钙分散均匀，装入第一物料桶中并维持凝胶—溶胶转变温度；同时将高强度温敏超分子水凝胶达到溶胀平衡，加热至熔融流动状态装入第二物料桶中并维持凝胶—溶胶转变温度；并将生长因子TGF-β1的水溶液装入孔板；
步骤3，以第一物料桶中物料先进行3D打印，以形成基层，再3D打印第二物料桶中物料以在基层之上形成中间层，最后在作为中间层的水凝胶上利用压电打印形成顶层。
优选在形成顶层后，在打印一层中间层，之后再利用压电打印形成一层顶层，反复打印，以形成中间层和顶层的交替结构。
在步骤1中进行制备水凝胶时，引发剂用量为两种共聚单体质量之和的1％-3％，引发剂选择高分子聚合领域中常用的水相条件下的热引发剂，如过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)，或者光引发剂，如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶。选择光引发剂，其中引发剂选择了光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)，选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长(30min-1h)，相对于热引发这样可以使得实验时间大大减少。
在上述技术方案中，以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为单体，制备的水凝胶具有以(-CH2-CH2-)n的―碳-碳”单键相连的骨架结构，并且聚丙烯酰基甘氨酰胺链段的侧链上带有两个酰胺基团，形成强烈的分子间的氢键作用，聚N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷链段侧脸的酰胺间和羟基也形成分子间氢键。这些氢键协同作用，使整个水凝胶材料体现出室温下持久稳定、高强度，高温下发生凝胶-溶胶转变。
在上述技术方案中，水凝胶具有温敏性能，通过调整两单体间比例以及单体百分数来控制凝胶-溶胶转变温度，两单体间比例为丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比(即两种单体的质量比)，单体百分数(即单体浓度)为凝胶的单体质量百分数，丙烯酰基甘氨酰胺单体和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷单体的质量之和与两种单体和水的总质量的比值(即投料时单体浓度)。丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比为(5—7)：1，单体浓度为25—40wt％，控制凝胶-溶胶转变温度在65—85摄氏度。在添加β-TCP后凝胶-溶胶转变温度发生变化，随着β-TCP含量的增加而增大，即通过β-TCP含量调控水凝胶的凝胶—溶胶转变温度，添加β-TCP的质量和两种单体质量之和的比例为(1—5)：(7—10)，优选(1—3)：7，控制凝胶—溶胶转变温度在70—80摄氏度。
在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在水中直至达到溶胀平衡，如浸泡7天，每天为24小时，每隔12h更换一次水，达到溶胀平衡。达到溶胀平衡后，将水凝胶装入物料桶里，加热到凝胶的凝胶-溶胶转变温度并保温(如10—15min)，形成凝胶—溶胶转变，同时加入TCP并分散均匀得到打印用的墨水(即基于本发明的添加TCP后的高强度温敏超分子水凝胶的3D 打印浆料)，设定3D打印参数在室温20—25摄氏度下进行3D打印成型，以得到支架 (即本发明的高强度温敏超分子水凝胶在3D打印中的应用以及添加TCP后的高强度温敏超分子水凝胶在3D打印中的应用)。由于制备的高强度温敏超分子水凝胶具有温敏性能，选择在凝胶—溶胶转变温度进行加热，以使水凝胶进行溶胶转变，然后向水凝胶中添加磷酸三钙(并分散均匀，优选磷酸三钙β-TCP纳米颗粒，粒径为10—20nm)，使用 3D打印在室温(20—25摄氏度)下直接成型。
具体来说：达到溶胀平衡的水凝胶在高温下加热到熔融流动，混入β-TCP，形成生物墨水，装入物料桶里A中，并维持在凝胶的凝胶-溶胶转变温度，保持墨水状态；达到溶胀平衡的水凝胶装入物料桶里B中，升温到凝胶的凝胶-溶胶转变温度，形成墨水状态；生长因子TGF-β1的水溶液装入96孔板，利用压电打印技术用C针头打印。通过设置打印参数，物料桶A先打印，打印n层后，物料桶B再打印纯凝胶，再使用C针头从96 孔板里吸取一定量的因子，每隔一定距离喷涂一滴因子，形成顶层，优选每打印一层纯凝胶(即中间层)，用C针头从96孔板里吸取一定量的因子，每隔一定距离喷涂一滴因子，整层喷涂完后，再用B管道打印一层纯凝胶，如此重复，形成中间层和顶层相互间隔的形态，由于生长因子分散在水中，且水凝胶具有含水量，两者相互作用以使支架内均匀分散生长因子。打印方法中，事先设置好程序，多通道按照程序依次打印，一体化成型，上下两层界面良好，下层掺杂β-TCP，赋予支架骨传到能力，提高与宿主骨的结合能力，上层负载因子，提高软骨修复能力。
在本发明技术方案中，水凝胶以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为原料制备而成，凝胶熔融后，混入磷酸三钙，以3D打印成底部掺杂磷酸三钙的支架和上部水凝胶支架，利用压电技术在水凝胶支架层上打印生长因子。磷酸三钙的掺杂增加支架的骨引导能力，并提高支架力学强度。水凝胶上层改善软骨替代材料的润滑性能，同时因子的存在促进软骨修复。本发明梯度支架一体化成型，配方简单、成分安全、制备条件温和，解决了软骨与软骨下骨层界面结合的问题，同时改善了凝胶类软骨修复材料与宿主骨结合的能力，同时负载磷酸三钙与生长因子提高了软骨及软骨下骨一体化修复的能力，即生物杂化梯度水凝胶支架作为细胞支架材料的应用，作为骨修复材料的应用(在修复软骨及软骨下骨一体化中的应用)。
附图说明
图1是本发明中两单体共聚物水凝胶的傅里叶红外光谱图。
图2是本发明中添加β-TCP的水凝胶的傅里叶红外光谱图。
图3是本发明中两单体共聚物水凝胶的流变测试结果图。
图4是本发明中添加β-TCP的水凝胶的流变测试结果图。
图5是本发明中两单体共聚物水凝胶在70℃时的粘度随剪切速率的变化趋势图。
图6是本发明中添加β-TCP的水凝胶在70℃时的粘度随剪切速率的变化趋势图。
图7是以本发明的共聚物水凝胶为原料打印的支架的宏观实物图，其中A为3D打印凝胶支架的宏观实物图；B为支架能够承受自身重力而不变形的宏观实物图；C为支架能够弯曲的宏观实物图(表明弹性很好)。
图8是以本发明中添加β-TCP的水凝胶为原料打印的支架的宏观实物图(1)，其中A为3D打印凝胶支架的宏观实物图；B为支架能够承受自身重力而不变形的宏观实物图；C为支架能够弯曲的宏观实物图(表明弹性很好)。
图9是以本发明中添加β-TCP的水凝胶为原料打印的支架的宏观实物图(2)。
图10是支架植入12周后新骨生成的micro-CT3D重建模型图。
图11是本发明的生物杂化梯度水凝胶支架的结构示意图。
图12是本发明3D打印凝胶支架的宏观形貌照片，其中A为3D打印梯度凝胶支架的宏观形貌图；B为打印成复杂形状的凝，层与层之间交叉45度；C为凝胶打印成―TJU”字样。
图13是本发明的生物杂化梯度水凝胶支架上因子的释放曲线图。
图14是利用本发明水凝胶进行软骨缺损修复的切片染色照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
在实施例中合成不同总单体浓度及不同单体质量比的共聚凝胶，以单体浓度为35％，丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷质量比为6:1为例进行说明，其中单体浓度是指丙烯酰基甘氨酰胺单体和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷单体的质量之和与两种单体和水的总质量的比值。将300mg丙烯酰基甘氨酰胺单体，50mg的N-丙烯酰 (三羟甲基)氨基甲烷单体，加入到1000μL的去离子水中，完全溶解后加入光引发剂 Irgacure 1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)10.5μL。混合液经充氮气除氧后，将混合液注入密闭的模具中，模具在紫外固化箱中照射40分钟以保证充分引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，浸泡在去离子水中，每隔6h更换上述去离子水，达到溶胀平衡。在不加入β-TCP情况下，按相同步骤制备不同单体组分的凝胶，此凝胶样品命名为 PNT-X-Y，其中X代表的是凝胶的单体质量百分数(即投料时单体浓度)，Y代表丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比(即两种单体的质量比)。制备如下水凝胶样品PNT-25％-5，PNT-25％-6，PNT-25％-7，PNT-30％-5，PNT-30％-6， PNT-30％-7，PNT-35％-5，PNT-35％-6，PNT-35％-7，PNT-40％-5，PNT-40％-6，PNT-40％-7。达到溶胀平衡后的凝胶加热到凝胶的熔融转变温度，混入β-TCP，装入物料桶，按照设置好的参数，打印成型。改变β-TCP的量，此凝胶样品命名为PNT-X-Y-β-TCP-Z，其中其中X代表的是凝胶的单体质量百分数(即投料时单体浓度)，Y代表丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比(即两种单体的质量比)，Z指的是混入的β-TCP的量(mg)。首先对共聚物水凝胶进行表征和性能测试，在对添加β-TCP的水凝胶进行表征和性能测试。
对制备的水凝胶进行红外光谱表征，水凝胶样品表现出基本一致的谱线，如附图1所示，证明了共聚凝胶的成功合成，1614cm-1处未出现C＝C双键峰，说明发生了聚合反应；3419cm-1,3180cm-1,3073cm-1,2934cm-1和1550cm-1处的峰为丙烯酰基甘氨酰胺中 N–H的伸缩和弯曲震动，1672cm-1处的峰为丙烯酰基甘氨酰胺中C＝O伸缩振动；1045 cm-1处为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷中C-O伸缩峰，3266cm-1处为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷中的O-H伸缩峰，说明了单体上的双键打开进行了加聚反应。对于添加TCP 的水凝胶样品表现出基本一致的谱线，如附图2所示，1614cm-1处未出现C＝C双键峰，说明发生了聚合反应；3419cm-1,3180cm-1,3073cm-1,2934cm-1和1550cm-1处的峰为丙烯酰基甘氨酰胺中N–H的伸缩和弯曲震动，1672cm-1处的峰为丙烯酰基甘氨酰胺中C＝O 伸缩振动；1045cm-1处为N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷中C-O伸缩峰，3266cm-1处为 N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷中的O-H伸缩峰。971cm-1,740cm-1,606cm-1,553cm-1处的峰为β-TCP中的P-O键，证明了共聚凝胶的成功合成及β-TCP的掺杂。
采用如下方法测试本发明的共聚水凝胶的力学性能，测试在电子万能试验机(济南时代有限公司)上进行，拉伸力学性能测试样品的尺寸为20mm×10mm，厚为500μm，拉伸速率为50mm/min；压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱，压缩速率为10mm/min，结果如下表所示，说明这种超分子水凝胶的压缩强度都能够达到MPa的级别。
Figure 1
Figure BDA0001401810610000091
压缩强度：压缩强度为90％应变处的应力，压缩过程中凝胶样品均未出现压碎的现象。
利用如下方法检测本发明的共聚水凝胶的热塑性凝胶-溶胶转变温度，将达到溶胀平衡的水凝胶，放入离心管中，在60℃-90℃的温度下加热10分钟，倒置离心管，观察其流动性，记录凝胶-溶胶转变温度。然后将熔融流动的凝胶放置在冷水中(25℃)，15s，观察其流动性。这个过程可以反复重复，不影响凝胶的性能。利用如下方法进一步检测本发明的共聚水凝胶的凝胶-溶胶转变温度，测试在流变仪(德国)上进行，利用平板转子，在变稳模式下进行测试。测试样品的尺寸为直径35mm的圆片，厚度用游标卡尺测量，测试结果如附图3所示。在低温时，凝胶的储存模量G′与损耗模量G″随着温度的改变基本不变，并且储存模量G′远大于损耗模量G″，说明凝胶的三维网络结构很稳定，这是因为氢键的破坏与重建处于动态平衡。随着温度进一步升高，储存模量G′和损耗模量G″逐渐下降，这是因为高温破坏了网络内氢键的相互作用。当温度进一步提高时，氢键的相互作用完全被破坏，储存模量G′急剧下降，并且其数值小于损耗模量G″的数值，此时，凝胶的三维网络结构完全被破坏，发生凝胶-溶胶转变，在此温度下，凝胶成为粘性流体。凝胶的凝胶-溶胶转变温度如表格所示。
按照相同方法进行添加TCP后的水凝胶的流变性能测试，测试结果如附图4所示。在低温时，凝胶的储存模量G′与损耗模量G″随着温度的改变基本不变，并且储存模量G′远大于损耗模量G″，说明凝胶的三维网络结构很稳定，这是因为氢键的破坏与重建处于动态平衡。随着温度进一步升高，储存模量G′和损耗模量G″逐渐下降，这是因为高温破坏了网络内氢键的相互作用。当温度进一步提高时，氢键的相互作用完全被破坏，储存模量G′急剧下降，并且其数值小于损耗模量G″的数值，此时，凝胶的三维网络结构完全被破坏，发生凝胶-溶胶转变，在此温度下，凝胶成为粘性流体。掺杂β-TCP 后，β-TCP起到了物理交联点的作用，增加了分子间的链缠结，使得网络更致密，从而凝胶表现出更强的力学特性，即储存模量G′的数值更大，破坏三维网络结构所需要的能量更多，因而凝胶-溶胶转变温度随着β-TCP含量的增加而增大，即通过β-TCP含量调控水凝胶的凝胶—溶胶转变温度。PNT-35％-6，PNT-35％-6-β-TCP-50， PNT-35％-6-β-TCP-100，PNT-35％-6-β-TCP-150的凝胶-溶胶转变温度分别是70±2℃， 72±2℃，74±2℃，75±2℃。
利用如下方法检测本发明的共聚水凝胶的细胞毒性。为了测试这种高强度超分子水凝胶应用于生物材料可能性，将各种不同浓度的凝胶片以及添加TCP的凝胶片切成直径为10.2mm，在体积百分数75％的酒精中浸泡2h使其消毒，然后用PBS洗涤，这些凝胶放入到48孔板的底部。将1mL的L929细胞悬液(5×104cells/mL)种入到48孔板中，培养24小时。随后用CCK8检测到细胞存活率达到90％以上，没有发现显著的细胞毒性，实验结果表明了这种凝胶(添加TCP)具有很好的生物相容性，可以作为细胞支架等生物材料进行应用，在打印水凝胶和添加TCP水凝胶以及压电打印生长因子之后，本发明的支架仍然具有很好的生物相容性。
以PNT-35％-6水凝胶在70℃时进行剪切—黏度测试，如附图5所示，PNT-35％-6凝胶发生凝胶-溶胶转变，凝胶成为粘性流体，这时候对其施加剪切力，随着剪切速率的增大，溶胶的粘度急剧下降，表现出剪切变稀的特点。这一特点使得凝胶能够顺利的从打印针头连续挤出。利用如下方法检测本发明的共聚水凝胶的3D可打印性。将溶胀平衡后的PNT-35％-6凝胶切成碎块，装入与3D打印机(德国)配套的物料桶中，加热到70 ℃，保温十分钟，设定好打印参数(层高、层数、间隔)，调试好打印压力，打印成型。成型的支架再泡水未发现明显的尺寸变化，支架可以保持持久稳定。支架可以承受自身的重力、扭转等，详见附图7和下表所示。更换为实施例制备的其他样品均表现出剪切变稀的特点，且实现3D打印。
<u>打印温度(℃)</u> <u>70</u>
<u>打印压力(kPa)</u> <u>100</u>
<u>打印针头内径(μm)</u> <u>300</u>
<u>纤维间隔(mm)</u> <u>1.1</u>
支架的孔隙率(％) 61.4±2.7
<u>支架的压缩强度(MPa)</u> <u>1.25±0.181</u>
<u>支架的压缩模量(MPa)</u> <u>0.028±0.002MPa</u>
以添加TCP后的水凝胶NT-35％-6-β-TCP-100水凝胶在75℃下进行粘度—剪切速度测试，如附图6所示，在75℃时，PNT-35％-6β-TCP-100凝胶发生凝胶-溶胶转变，凝胶成为粘性流体，这时候对其施加剪切力，随着剪切速率的增大，溶胶的粘度急剧下降，表现出剪切变稀的特点。这一特点使得凝胶能够顺利的从打印针头连续挤出，使用上表的有关参数，将溶胀平衡后的PNT-35％-6-β-TCP-100凝胶切成碎块，装入与3D打印机 (德国)配套的物料桶中，加热到75℃，保温十分钟，设定好打印参数(层高、层数、间隔)，调试好打印压力，打印成型，支架的孔隙率(％)为68.3±2.3％，支架的压缩强度(MPa)为2.20±0.232，模量0.046±0.002MPa，超分子水凝胶的压缩强度都能够达到 MPa的级别，掺杂β-TCP打印支架后强度进一步提高。成型的支架再泡水未发现明显的尺寸变化，支架可以保持持久稳定(如附图9所示，凝胶支架在去离子水中能稳定存在，浸泡3个月之后，未观察到明显的尺寸变化)。支架可以承受自身的重力、扭转等，参见附图8所示。更换为实施例制备的其他样品(含TCP)均表现出剪切变稀的特点，且实现3D打印。
使用水凝胶支架、添加TCP后的水凝胶植入12周龄的SD大的膝关节处软骨下骨，支架植入12周后新骨生成的micro-CT3D重建模型，如附图10所示。从骨缺损部位的 3D重建模型中可以看出，支架组有明显的新生骨组织，凝胶支架组中可观察到新生骨的形状类似多孔支架的孔隙结构，表明新生骨组织可沿支架的孔隙结构向支架内部生长，说明三维多孔支架以模板的形式引导新生骨组织生长，具有良好的骨传导活性，3D打印技术提高了水凝胶在骨缺损修复中的应用。掺杂β-TCP的支架组中，支架整体表面均有新生骨组织包裹，并且支架与周围正常骨组织整合良好。表明β-TCP无机盐颗粒的引入可以增加支架的骨引导能力，并且能够形成与宿主骨类似的牢固的活性连接，在纯凝胶支架中引入β-TCP纳米颗粒有望有效地促进骨修复。
梯度支架利用多针头交替打印技术，一体化成型。下层由PNT-35％-6-β-TCP-100水凝胶打印而成，上层由PNT-35％-6打印而成。一层PNT-35％-6凝胶层打印完之后，利用压电技术在凝胶纤维上每隔100μm喷涂一滴生长因子TGF-β1(即TGF-β1的水溶液)，每一滴生长因子的体积为0.5nL，每个点处喷涂的滴数可以任意改变，两滴因子之间的距离也可以改变，打印的层数根据需要也可以任意改变，结构示意如附图所示，整体梯度支架可根据需要打印成不同形状。
Figure BDA0001401810610000111
Figure BDA0001401810610000121
在打印生长因子之后，梯度凝胶支架的压缩强度为1.90±0.242MPa。
在3D打印和压电技术制备梯度支架后进行因子释放和骨修复实验，如附图所示。利用如下方法检测本发明的支架上因子的释放速率，将负载因子的支架浸泡在500μL PBS中，每隔一定时间去除50μL，随后加入50μL新的PBS，收集的样品用试剂盒检测。在开始，因子释放量增长较快，这是因为支架的相对表面积较大，因子释放较快。之后因子的释放速率逐渐减慢，因子的释放可以持续到25天，能够持续有效促进软骨修复。选取12周龄SD大鼠，在膝关节软骨处，用牙科钻制造直径为2.5mm，深度为4mm的缺损。将支架填充入缺损，缝合。前3天每天打一次青霉素。12周后，SD大鼠处死，取膝关节处组织，浸泡多聚甲醛，脱钙后切片染色，观察缺损修复效果。HE染色结果显示支架未引起炎症反应。空白对照组，在手术12周后，缺损处凹陷严重，缺损处与正常组织间存在明显界面；水凝胶支架组比对照组修复效果有所提高，但不明显。负载因子的凝胶组，有着良好的修复效果，缺损处新生组织与周围组织结合的很好，看不出明显界面。软骨特定蛋白GAGs和COLII的染色结果显示缺损处有大量蛋白表达，表明均与负载因子的水凝胶支架改善了凝胶类软骨修复材料的修复效果。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.生物杂化梯度水凝胶支架，其特征在于，由基层、中间层和顶层组成，其中：
基层由高强度温敏超分子水凝胶和分散在高强度温敏超分子水凝胶中的磷酸三钙组成，其中高强度温敏超分子水凝胶以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备，在高强度温敏超分子水凝胶的凝胶—溶胶转变温度进行加热，以使水凝胶进行溶胶转变，然后向水凝胶中添加磷酸三钙并分散均匀，通过3D打印室温成型；
中间层为高强度温敏超分子水凝胶，以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备，在高强度温敏超分子水凝胶的凝胶—溶胶转变温度进行加热，以使水凝胶进行溶胶转变，然后通过3D打印室温成型；
顶层为生长因子TGF-β1，利用压电打印室温成型；
其中，丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比为(5—7)：1，单体浓度为25—40wt％，控制凝胶-溶胶转变温度在65—85摄氏度；添加磷酸三钙的质量和两种单体质量之和的比例为(1—5)：(7—10)，磷酸三钙为磷酸三钙β-TCP纳米颗粒，粒径为10—20nm。
2.根据权利要求1所述的生物杂化梯度水凝胶支架，其特征在于，在添加磷酸三钙后凝胶-溶胶转变温度发生变化，随着磷酸三钙含量的增加而增大，通过磷酸三钙含量调控水凝胶的凝胶—溶胶转变温度，添加磷酸三钙的质量和两种单体质量之和的比例为(1—3)：7，控制凝胶—溶胶转变温度在70—80摄氏度。
3.生物杂化梯度水凝胶支架的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，以丙烯酰基甘氨酰胺和N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷为两种共聚单体，在水相中均匀分散，通过引发剂引发两种共聚单体上的碳碳不饱和键，通过自由基聚合反应制备高强度温敏超分子水凝胶，其中，丙烯酰基甘氨酰胺与N-丙烯酰(三羟甲基)氨基甲烷的质量比为(5—7)：1，单体浓度为25—40wt％；
步骤2，将高强度温敏超分子水凝胶达到溶胀平衡，加热至熔融流动状态加入磷酸三钙分散均匀，装入第一物料桶中并维持凝胶—溶胶转变温度；同时将高强度温敏超分子水凝胶达到溶胀平衡，加热至熔融流动状态装入第二物料桶中并维持凝胶—溶胶转变温度，控制凝胶-溶胶转变温度在65—85摄氏度，其中，添加磷酸三钙的质量和两种单体质量之和的比例为(1—5)：(7—10)，磷酸三钙为磷酸三钙β-TCP纳米颗粒，粒径为10—20nm；
步骤3，以第一物料桶中物料先进行3D打印，以形成基层，再3D打印第二物料桶中物料以在基层之上形成中间层，最后在作为中间层的水凝胶上利用压电打印形成顶层，顶层采用生长因子TGF-β1，将生长因子TGF-β1的水溶液装入孔板，利用压电打印技术用C针头打印。
4.根据权利要求3所述的生物杂化梯度水凝胶支架的制备方法，其特征在于，在形成顶层后，再打印一层中间层，之后再利用压电打印形成一层顶层，反复打印，以形成中间层和顶层的交替结构。
5.根据权利要求3所述的生物杂化梯度水凝胶支架的制备方法，其特征在于，在添加磷酸三钙后凝胶-溶胶转变温度发生变化，随着磷酸三钙含量的增加而增大，即通过磷酸三钙含量调控水凝胶的凝胶—溶胶转变温度，添加磷酸三钙的质量和两种单体质量之和的比例为(1—3)：7，控制凝胶—溶胶转变温度在70—80摄氏度。
6.如权利要求1所述生物杂化梯度水凝胶支架用于制备细胞支架材料的应用和用于制备骨修复材料的应用。
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