CN111265714A - 黒磷功能化的可注射水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种黒磷功能化的可注射水凝胶及其制备方法和应用，采用离子交联方法，将黒磷量子点与海藻酸钠基质混合，再向其混合液中注射钙离子液，使其由液态原位转变为凝胶态。本发明提供的BPQDs不仅具有强的红外吸收能力，表现出很好的光热效应，可以有效杀灭肿瘤细胞，而且光照作用可以使得BPQDs发生氧化水解反应，所得的磷离子对生物体安全性高、无毒，同时可以为局部细胞的生物矿化提供磷源，进而促进成骨。

Description

黒磷功能化的可注射水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及黒磷功能化的可注射水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
骨肉瘤及乳腺癌骨转移等病变是骨科临床治疗中常面临的复杂难题，良性的骨肿瘤一般容易根治，而恶性的骨肿瘤由于其强破坏性很难得到有效治疗；此外，骨肿瘤部位还容易诱发骨畸变及骨折等严重问题。当前，科研界针对骨肉瘤、乳腺癌骨转移此类病症的治疗，更多是机械性的将功能化的组织工程支架材料通过外科手术的方式植入病灶部位，在外加刺激作用下，实现杀死肿瘤的效果(文献Advanced Materials,2018,30(10):1705611；Chemical Engineering Journal 381(2020)122694；专利申请号201610604486.9)；
对于体外控制体内组织治疗体系(如，药物释放、智能材料等)，具有很多不同的刺激方式，如电场、磁场、光、超声及机械力等；然而，由于近红外光具有强的组织渗透性、生物安全性，可控性以及所需设备简单，易操作的特点而受到科研界的广泛关注。近红外光照射光敏感粒子(如四氧化三铁粒子等)，可以使得四氧化三铁等吸光粒子通过光热效应杀死肿瘤细胞，因此可以应用于肿瘤治疗领域。
然而，常规的3D支架材料无法使其与病灶部位的拓扑结构及微观形貌良好的匹配，外加光/磁刺激支架时，支架因无法与目标部位有效接触，自然难以实现光热/磁热治疗的最大化，同时光热/磁热转换粒子对生物体正常组织的安全性难以得到保障；此外，这种通过手术方式将外源性材料植入病变部位，将会伴随有较大范围的创伤出现，而附加的第二术区不仅操作不便，而且容易出现术区感染风险，进而加剧体内外损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种黒磷功能化的可注射水凝胶及其制备方法和应用，针对乳腺癌骨转移及骨肉瘤等骨肿瘤疾病治疗，采用原位制备技术，将具有光热效应及原位诱导成骨功能的黒磷量子点(BPQDs)与生物相容性良好的海藻酸钠(SA)混合，再通过钙离子原位交联固化过程，形成固态的BPQDs/SA水凝胶。
这种可塑性的凝胶可以适应性的填充并匹配目标部位拓扑结构及微观形貌，通过近红外光照作用，可以简单便捷的消除肿瘤细胞，并诱导缺损骨组织原位再生，进而实现病灶部位的微创治疗。
为实现上述目的，本发明采用具体的技术方案：
该黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法包括以下步骤：
(1)将0.50～1.25g海藻酸钠溶解于超纯水中，充分搅拌，形成均匀溶液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照0.25％～1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具中，使其形成稳定溶液；
(4)再于步骤(3)中的稳定液中注射钙离子液体，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
步骤(1)中是将海藻酸钠于室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液。
步骤(2)中所述黒磷量子点的制备步骤如下：
(2.1)将25mg的黒磷粉加入到50mL的试管中，再于试管中加入25mL的甲基吡咯烷酮，通过超声探头于1200W功率下超声3h，超声波频率控制在19～25kHz；
(2.2)将上述的分散液样品再于冰超声浴中超声10h，超声功率为300W，样品冰浴温度低于277K；
(2.3)将上述的分散液于7000rpm条件下离心20min，轻轻倒出上清液，再于12000rpm的转速下离心20min，将离心后的沉淀物收集，水浸再悬浮后干燥成BPQDs粉。
步骤(4)中所述可溶性钙盐为硝酸钙或者氯化钙，浓度为1～2moL/mL。
本发明将BPQDs与SA基质均匀混合，注射入特定模具后，再通过钙离子交联固化过程形成BPQDs/SA凝胶，外加近红外光照刺激下，BPQDs/SA凝胶既可以杀灭肿瘤细胞又可以原位诱导骨缺损修复，进而实现目标部位的微创治疗。
黒磷是一种层状结构，类似氧化石墨烯，是由范德华力将单原子层堆积而成，每个磷紧邻三个磷原子共价结合，形成折叠的蜂窝状结构，通常，黒磷薄晶作为二维材料被广泛应用于纳米电子设备，如二极管，电路板等。此外，黒磷具有良好的生物相容性，利用黒磷的导电性，其可促进体内神经、血管生成；因为黒磷具有强的红外吸收能力，因此表现出很好的光热效应，被广泛应用于光热驱动药物释放体系。在生理条件下，黒磷还可被氧化降解为无毒的磷酸盐离子、膦酸盐等PxOy物质，而磷离子的释放，可以为磷灰石合成提供磷源，促进局部细胞的生物矿化，进而利于成骨。生物材料更多要考虑其生物安全性，直径小于10nm的黒磷量子点(BPQDs)可以通过肾和肝的清除作用排除体外，因此，相对于较大尺寸的黒磷片，其具有良好的体内安全性。
本发明制备了一种的功能化的可注射原位海藻酸钠(SA)基凝胶材料，用于制备治疗骨组织肿瘤和损伤修复的材料。其可通过微创手段，于病灶部位原位形成匹配组织形貌的功能化水凝胶，利用水凝胶负载的无机生物相容性黒磷量子点，在外加近红外光刺激下，可以有效杀灭肿瘤细胞，同时，黒磷氧化水解过程中释放的磷酸根，可以作为骨无机成分矿化的磷源，促进新骨生成。本发明程序简单，制备条件温和，所得水凝胶材料可塑性强，并且生物学性能良好，有望成为一种新颖的治疗骨组织肿瘤和损伤修复材料。
本发明的显著优点在于：相对于其他光热效应粒子，BPQDs不仅具有强的红外吸收能力，表现出很好的光热效应，可以有效杀灭肿瘤细胞，而且光照作用可以使得BPQDs发生氧化水解反应，所得的磷离子对生物体安全性高、无毒，同时可以为局部细胞的生物矿化提供磷源，进而促进成骨。
相对于传统的支架成型及植入策略，本发明的凝胶可以原位实现液-固相转变，具有形状可塑性，注射于病灶部位后，可以适应性的填充并匹配目标部位拓扑结构及微观形貌，在光照刺激时，有利于实现光热治疗的最大化；此外，这种凝胶原位注射成型法，不仅可以避免因外源性大块材料植入而形成的较大范围手术创伤，而且避免了第二术区操作不便、易感染等风险。
因此，本发明可以通过在骨肉瘤或乳腺癌骨转移疾病区域原位形成BPQDs/SA水凝胶，近红外光照条件下，一方面可以简单便捷的抑制和消除肿瘤生长，另一方面可诱导肿瘤累及的缺损骨组织原位再生。这种原位成型的水凝胶相对于其他骨疾病及缺损修复材料有以下优点：
(1)钙离子原位交联的凝胶材料无毒、安全；此种凝胶亦可方便负载其他如福善美、阿霉素等功能性药物；近红外光照刺激时，光热转换效率高；
(2)BPQDs具有强的光热效应，可以有效杀灭肿瘤细胞，而且BPQDs本身及其氧化产物均无毒，体内过量的BPQDs可通过肝和肾的过滤功能排出体外；
(3)光照刺激BPQDs，氧化产物所得的磷离子可以为肿瘤侵蚀导致的缺损骨组织再生矿化提供磷源，进而促进骨修复；
(4)相对于传统的支架成型方式，本专利原位形成的功能化水凝胶，可适应性的填充并匹配目标部位拓扑结构及微观形貌，从而近红外光刺激时，有利于实现光热治疗的最大化；
(5)这种凝胶可以通过注射方式进入人体目标部位，不仅可以避免手术操作不便、易感染等风险，而且避免了第二术区的创伤；
(6)凝胶制备条件温和，工艺简单，操作方便，所得水凝胶材料可塑性强，成本低，具有良好的生物相容性。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
实施例1
(1)将0.50g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照0.25％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射1moL/mL钙离子液适量，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
实施例2
(1)将0.50g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照0.5％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射1moL/mL钙离子液，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
实施例3
(1)将0.75g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射1moL/mL钙离子液，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
实施例4
(1)将1.00g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射1.5moL/mL钙离子液，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
实施例5
(1)将1.00g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射2moL/mL钙离子液，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
实施例6
(1)将1.25g海藻酸钠溶解于超纯水中，室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液；
(2)磁力搅拌下，将液体剥离法结合超声降解法制备的黒磷量子点按照1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至特定模具，使其混合液覆盖模具腔；
(4)再于上述溶液中注射2moL/mL钙离子液，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法，其特征在于：采用离子交联方法，将黒磷量子点与海藻酸钠基质混合，再向其混合液中注射钙离子液，使其由液态原位转变为凝胶态。
2.根据权利要求1所述的一种黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将0.50～1.25g海藻酸钠溶解于超纯水中，充分搅拌，形成均匀溶液；
(2)磁力搅拌下，将黒磷量子点按照0.25％～1％的质量比加入步骤(1)的溶液中，形成均匀混合液，搅拌时间30min；
(3)将步骤(2)的混合溶液通过医用注射器注射转移至模具中，使其形成稳定溶液；
(4)再于步骤(3)中的稳定液中注射钙离子液体，使步骤(3)的混合液原位转变为凝胶态BPQDs/SA。
3.根据权利要求2所述的一种黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中将海藻酸钠于室温条件下磁力搅拌30min，形成均匀的粘稠液。
4.根据权利要求2所述的一种黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述黒磷量子点的制备方法包括以下子步骤：
(2.1)将25mg的黒磷粉加入到50mL的试管中，再于试管中加入25mL的甲基吡咯烷酮，通过超声探头于1200W功率下超声3h，超声波频率控制在19～25kHz；
(2.2)将上述的分散液样品再于冰超声浴中超声10h，超声功率为300W，样品冰浴温度低于277K；
(2.3)将上述的分散液于7000rpm条件下离心20min，轻轻倒出上清液，再于12000rpm的转速下离心20min，将离心后的沉淀物收集，水浸再悬浮后干燥成BPQDs粉。
5.根据权利要求2所述的一种黒磷功能化的可注射水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述钙离子液体，采用可溶性钙盐，包括硝酸钙或者氯化钙，浓度为1～2moL/mL。
6.一种黒磷功能化的可注射水凝胶，其特征在于，采用权利要求1到5任一项所述的其制备方法制备所得。
7.根据权利要求6所述的一种黒磷功能化的可注射水凝胶的用途，其特征在于，用于制备治疗骨组织肿瘤和损伤修复的材料。
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