CN111956861B - 一种自粘附心肌补片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自粘附心肌补片材料，属于生物医药和生物材料技术领域，其原料包括按重量份计的下述组分：丙烯酸10‑100份，多巴胺0.1‑5份，吡咯0.1‑5份，过硫酸铵0.5‑5份，N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺0.01‑0.1份，三氯化铁0.01‑0.1份还公开了上述材料的制备方法，采用超声辅助、一锅法进行制备；本发明的心肌补片材料具有与人体心脏匹配的机械强度、电活性以及优异的自粘附性能。

Description

一种自粘附心肌补片材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医药和生物材料技术领域，尤其涉及一种自粘附心肌补片材料及其制备方法。
背景技术
近年来，我国乃至全球范围内都面临着心肌梗死患者逐年上升的趋势。虽然临床上有溶栓的药物干预、介入治疗，甚至严重的患者可以采取冠状动脉搭桥术来缓解梗死区域的扩大；但是心肌细胞是一种终末分化的细胞，上述的这些手段对坏死的心肌细胞并没有修复作用。如果大面积的心肌细胞坏死可能会引起心律失常、癒痕愈合、心衰甚至骤停。
目前临床上已经证明干细胞植入对心梗患者的心脏功能有所改善，但是干细胞植入治疗最大的瓶颈在于植入后细胞的存活率有限，细胞流失严重，细胞植入后的免疫反应还有可能导致其发生病理性的改变。
心肌补片作为修复梗死区域的心肌细胞，如果补片需要外加的帮助(比如手速缝合线固定、组织专用的固定胶带)这无疑会给心脏带来二次伤害。
另外，组织工程支架是用于修复梗死细胞比较有前景的方式，理想的心肌补片材料应该具有与心脏器官相匹配的机械强度，太弱无法承受心脏跳动所产生的力，太强与人体柔软的组织摩擦力会增大产生不舒适的体验；其次作为心脏补片还应该具有良好的导电性，这样在植入人体后可以进行生物电的传递；再其次作为植入性的补片还应该具有在体内不引起炎症反应、毒性反应及免疫排斥反应的性能，即需要具有良好的生物相容性。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种自粘附心肌补片材料，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，其原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸10-100份，多巴胺0.1-5份，吡咯0.1-5份，过硫酸铵0.5-5份，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.01-0.1份，三氯化铁0.01-0.1份。
作为优选的技术方案，其原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸50份，多巴胺0.125份，吡咯0.38份，过硫酸铵1份，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.04份，三氯化铁0.015份。
本发明的目的之二，在于提供一种自粘附心肌补片材料的制备方法，采用的技术方案为，包括以下步骤：
(1)将所述重量份的丙烯酸、过硫酸铵、N,N-亚甲基双丙烯酰胺在40-70℃条件下反应20-40小时；
(2))将所述重量份的多巴胺、吡咯0.01-0.08份的三氯化铁在室温下反应2-5小时；
(3)将步骤(1)和(2)反应后的产物混合在一起超声分散，再加入剩余的三氯化铁，40-70℃加热搅拌5-20min，在室温下静置成胶；
(4)在使用前用消毒，然后分别用生理盐水、磷酸盐缓冲液浸泡。
采用上述方法制得的心肌补片的厚度一般设置成1-3mm，凝胶补片的形状可以根据患者的病灶形状灵活设置。
作为优选的技术方案，所述步骤(2)中：
先将吡咯溶解在水溶液中，室温下搅拌20-40min，得到吡咯溶液；然后将多巴胺溶解在水中后加入到吡咯溶液中，再加入一部分三氯化铁，在室温下搅拌1-2小时；然后再加入Tris缓冲液反应1-3小时，最后在8000-12000r/min条件下离心洗涤后，备用。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中：
混合后在功率为100W的超声下，超声分散10-20min；加入0.01-0.02份三氯化铁到凝胶体系。
作为进一步优选的技术方案，在加入三氯化铁溶液的过程中在400-800r/min的磁力搅拌器上搅拌。
作为优选的技术方案，所述步骤(4)中：
所述消毒方法为：先用浓度为75％的酒精溶液浸泡10min，然后再用去离子水冲洗，冲洗干净后再用生理盐水浸泡24-48小时，并且4-6小时换一次浸泡液；之后再用磷酸盐缓冲液进行浸泡24-48小时，并且4-6小时换一次浸泡液。
本发明采用适当的原料及配比，制得了一种械强度与心脏匹配、具有自粘附功能(从而不需要对补片进行额外的固定操作，使得心脏免受二次伤害)，且具有电活性的心肌补片。该补片具有与心脏相匹配的机械强度，通过交联氧化多巴胺仿贻贝丝足蛋白实现自粘附功能，通过添加聚吡咯这种无生物毒性的高分子导电材料来增加心肌补片的电活性，从而增强心脏生物电信号的传导。
本发明的主要创新点在于：
(1)本发明通过一种简单易行的超声辅助、一锅法制备了一种具有多种功能的心肌补片。其中，上述制备方法的步骤(3)中，通过超声处理和不超声处理的凝胶对比可以看出，通过超声处理后纳米粒子不会出现团聚分层的现象，见图1(a)所示是未经超声处理的凝胶，见图1(b)是经超声处理后的凝胶；
(2)本发明通过调整组成凝胶的各组分比例来改善凝胶的相关功能。比如通过调整三氯化铁的添加量来控制形成凝胶的力学强度，通过调整吡咯的添加量来控制形成凝胶的电导率，通过调整多巴胺的氧化程度来控制其粘附强度；本发明的心肌补片可以根据患者需要进行个性化的设计；
(3)本发明采用的三氯化铁具有多重功能，首先，三价铁离子可以氧化吡咯和多巴胺聚合，其次三价铁离子可以与丙烯酸的羧酸根离子进行络合形成物理交联点，一方面可以降低丙烯酸的酸性(因为酸性环境易滋生细菌或诱发人体免疫反应)，另一方面可以增强凝胶的强度；即，添加适量三价铁离子的作用是同时改善了补片的自粘附和导电的功能；
(4)本发明的导电凝胶是离子导电凝胶和聚合物导电凝胶体系形成的多重导电网络体系，具体而言，离子导电水凝胶的体系是通过移动电子和移动离子的混合电路起作用；聚合物导电凝胶是由于导电聚合物链中的原子通过共轭不饱和键连接，从而通过聚合物的共轭键使电子离域形成的电路起作用，本发明制得的导电凝胶，正是由上述两种凝胶体系形成的多重导电网络，从而能够在1V电压条件下电亮小灯泡，如图2所示。
本发明的原理中，多巴胺作为主要的粘附功能成分，虽然中国专利CN110124104A中加入了多巴胺，但是其聚多巴胺的合成是在PBS缓冲液里合成的，本发明的聚多巴胺是在Tris缓冲液里进行的，PBS和Tris缓冲液都是在碱性条件下的溶液，但是PBS的pH为7.2左右，Tris缓冲液的PH是8.5，pH值不一样将会影响聚多巴胺的聚合度；并且，CN110124104A中加入了多巴胺其作用是与氧化石墨烯等共同作用以提高导电性和机械延展性，这与本申请中所起的增强粘附功能的作用明显不同。
另外，中国专利CN110013567A公开了“心肌修复补片表层涂布聚多巴胺，以利于组织粘附”，但是其与本申请采用多巴胺与吡咯共聚制备的纳米颗粒不同，本申请的发明人按照该专利公开的方法进行聚多巴胺的制备，从扫描电镜图上可以看出，CN110013567A涂布的聚多巴胺是大小均匀的圆形颗粒，如图3(a)所示；但是，在本申请中，当多巴胺和吡咯共聚时就形成了片状颗粒如图3(b)所示，这是由于分子间作用力及分子聚合情况导致的差异，也就是说，CN110013567A涂布的聚多巴胺与本申请采用特殊方式形成的纳米颗粒的粘附性能存在明显差异，采用本申请的方法制得的多巴胺-吡咯共聚纳米片状颗粒由于接触面积更大，其黏附性能明显强于CN110013567A所公开的圆形颗粒，而且，本申请所制得的多巴胺和吡咯共聚片状颗粒还具有导电性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的心肌补片，机械强度与心脏匹配，具有优异的自粘附功能，且具有电活性，该补片通过交联氧化多巴胺仿贻贝丝足蛋白实现自粘附功能，通过添加聚吡咯这种无生物毒性的高分子导电材料来增加心肌补片的电活性，从而增强心脏生物电信号的传导，并且制备方法简单易行，成本低，易于推广使用。
附图说明
图1、(a)未经超声处理的制得的凝胶，(b)经超声处理后的凝胶；
图2、凝胶在通电情况下可以点亮小灯泡；
图3、(a)合成聚多巴胺纳米粒子SEM图，(b)合成的聚多巴胺-聚吡咯纳米粒子SEM图
图4-6、添加不同三价铁离子含量凝胶的力学性能；
图7、凝胶的形貌图；
图8、细胞在凝胶上培养染色后观察细胞在凝胶上的铺展。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种自粘附心肌补片材料，其原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸50份，多巴胺0.125份，吡咯0.38份，过硫酸铵1份，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.04份，三氯化铁0.015份；
采用上述原料进行心肌补片制备的方法为：包括以下步骤：
(1)将所述重量份的丙烯酸、过硫酸铵、N,N-亚甲基双丙烯酰胺在60℃条件下反应30小时；
(2)将所述重量份的多巴胺、吡咯和0.01份三氯化铁在室温下反应3小时；具体的：先将吡咯溶解在水溶液中，室温下搅拌30min，得到吡咯溶液；然后将多巴胺溶解在水中后加入到吡咯溶液中，再加入0.01份三氯化铁，在室温下搅拌1小时；然后再加入1.5g Tris缓冲液反应2小时，最后在10000r/min条件下离心洗涤后，备用
(3)将步骤(1)和(2)反应后的产物混合在一起超声分散，再加入剩余的三氯化铁，60℃加热搅拌10min，在室温下静置成胶；具体的：混合后在功率为100W的超声下，超声分散15min；加入0.005份的三氯化铁溶液加入到凝胶体系，在加入三氯化铁溶液的过程中在500r/min的磁力搅拌器上搅拌；
(4)在使用前用消毒，然后分别用生理盐水、磷酸盐缓冲液浸泡，具体的：
先用浓度为75％的酒精溶液浸泡10min，然后再用去离子水冲洗，冲洗干净后再用生理盐水浸泡24小时，并且4-6小时换一次浸泡液；之后再用磷酸盐缓冲液进行浸泡24小时，并且4-6小时换一次浸泡液。
本实施例所制得的心肌补片材料的拉伸强度及断裂能分别为25KPa，3.5KJ/m2,应变伸长率可达到1800％，电导率为0.3S/m，粘附力为1000Jm-2。
实施例2：
本实施例的原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸50份，多巴胺0.1份，吡咯0.1份，过硫酸铵0.05份，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.1份，三氯化铁0.05份；
其制备方法与实施例1相同；
所制得的心肌补片材料的拉伸强度及断裂能分别为60KPa,10KJ/m2，电导率为0.4S/m，粘附力为2500Jm-2。
实施例3：
本实施例的原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸50份，多巴胺0.1份，吡咯0.1份，过硫酸铵0.5份，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.01份，三氯化铁0.01份；
其制备方法与实施例1相同；
所制得的心肌补片材料的拉伸强度及断裂能分别为15KPa,2KJ/m2，电导率为0.2S/m，粘附力为800J/m-2。
验证例1：
参照实施例1的制备方法，其余条件不变，将丙烯酸、过硫酸铵、N,N-亚甲基双丙烯酰胺在60℃条件下反应30小时，然后分别加入0、0.01、0.05、0.1份三氯化铁溶液搅拌均匀静置成胶，通过万能拉伸试验机来评价凝胶的机械性能。通过实验发现添加量为0.05份三氯化铁溶液的凝胶的断裂强度及断裂能是最大的，如图4-6所示。
验证例2：
参照实施例1的制备方法，其余条件不变，制备含有0.05、1、3、5份多巴胺/吡咯共聚导电粒子的水凝胶，增加吡咯的添加量，制备好后的凝胶电导率会随着吡咯添加量的升高而略有上升，电导率在0.2-0.4S/m之间。随着多巴胺添加量的增加，凝胶的粘附强度也随之变大，当添加含量达到5份时，粘附力可达2500J/m2。
验证例3：
参照实施例1的制备方法，其余条件不变，分别将多巴胺/吡咯粒子的凝胶冷冻干燥，然后用扫描电镜观察可见典型的水凝胶网络结构如图7所示。之后用多巴胺/吡咯添加量为5％的冻干凝胶，酒精喷洒消毒后用紫外光照24小时，然后分别称取50mg、100mg、200mg、300mg浸泡入10ml培养基中。然后按照浸提液：完全培养基＝1：1的比例用来培养L929细胞，分别培养24小时、72小时、120小时测试材料的细胞毒性。通过材料的细胞毒性实验发现，该材料没有明显的细胞毒性。之后把细胞与材料共培养观察发现细胞可以在该凝胶材料上粘附，铺展如图8所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，其原料包括按重量份计的下述组分：
丙烯酸10-100份，多巴胺0 .1-5份，吡咯0 .1-5份，过硫酸铵0 .5-5份，N ,N ′-亚甲基双丙烯酰胺0 .01-0 .1份，三氯化铁0 .015-0 .1份；
其制备方法为：包括以下步骤：
(1)将所述重量份的丙烯酸、过硫酸铵、N ,N ′-亚甲基双丙烯酰胺在40-70℃条件下反应20-40小时；
(2)将所述重量份的多巴胺、吡咯、0 .01-0 .08份的三氯化铁在室温下反应2-5小时；
(3)将步骤(1)和(2)反应后的产物混合在一起超声分散，再加入0 .005-0 .02份三氯化铁，40-70℃加热搅拌5-20min，在室温下静置成胶；
(4)在使用前消毒，然后分别用生理盐水、磷酸盐缓冲液浸泡。
2.根据权利要求1所述的一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，其原料包括按重量份
计的下述组分：
丙烯酸50份，多巴胺0 .125份，吡咯0 .38份，过硫酸铵1份，N ,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.04
份，三氯化铁0 .015份。
3.根据权利要求1所述的一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，所述步骤(2)中：
先将吡咯溶解在水溶液中，室温下搅拌20-40min，得到吡咯溶液；然后将多巴胺溶解在水中后加入到吡咯溶液中，再加入一部分三氯化铁，在室温下搅拌1-2小时；然后再加入Tris缓冲液反应1-3小时，最后在8000-12000r/min条件下离心洗涤后，备用。
4.根据权利要求1所述的一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，所述步骤(3)中：混合后在功率为100W的超声下，超声分散10-20min；加入的0 .01-0 .02份三氯化铁溶液到凝胶体系。
5.根据权利要求4所述的一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，在加入三氯化铁溶液的过程中在400-800r/min的磁力搅拌器上搅拌。
6.根据权利要求1所述的一种自粘附心肌补片材料，其特征在于，所述步骤(4)中：所述消毒方法为：先用浓度为75％的酒精溶液浸泡10min，然后再用去离子水冲洗，冲洗干净后再用生理盐水浸泡24-48小时，并且4-6小时换一次浸泡液；之后再用磷酸盐缓冲液进行浸泡24-48小时，并且4-6小时换一次浸泡液。
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