CN112402691B - 超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及方法 - Google Patents
超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及方法 Download PDFInfo
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- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
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Abstract
本发明公开了一种超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及其方法,制备方法为:将无水氯化钙CaCl2溶液滴入聚天冬氨酸PASP溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液A;将溶液A滴加至羧甲基壳聚糖CMC溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液B;将磷酸氢二钠Na2HPO3溶液加入溶液B中,搅拌使其充分反应,随后调节混合溶液的pH值为7~8,得到超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。本发明制得的材料生物相容性良好,能够促进细胞的增殖,且可以调节巨噬细胞的极化,使巨噬细胞向M2方向发展,能够促进骨修复。
Description
技术领域
本发明属于骨植入材料领域,具体涉及一种超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及其方法。
背景技术
随着骨损伤的发病率越来越高,快速有效修复骨缺损的需求日益增加。骨移植是目前临床常用的治疗方法,但自体骨移植骨源有限,异体骨易产生免疫排斥,这些局限性刺激了骨组织工程的蓬勃发展。
受生物矿化的启发,在基质材料中掺杂无机组分以提高水凝胶的成骨诱导能力是一种有前途的策略。优秀的骨组织工程材料是能够通过充分模拟天然骨组织基质的特性实现再生的材料。矿化的胶原纤维构成了硬组织(骨头、牙本质和牙骨质)的基本组成部分,因此,胶原的生物矿化是一个必要的过程,而胶原内矿化使得这些组织具有独特的生理和机械特性,是骨再生的理想材料。
无定形磷酸钙纳米颗粒(ACP),被认为是羟基磷灰石(HAP)的前体,在胶原内矿化过程中起着重要作用。人们在从纳米到宏观尺度上探索胶原内矿化,制备与天然骨组成和结构复合材料方面做出了很大的努力,然而,矿化胶原内部的羟基磷灰石最小尺寸(厚度)仅为2nm,但目前所制备的骨组织工程材料中,大部分的无定形磷酸钙尺寸远超2nm。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,并提供一种超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及其方法,从而获得与天然硬组织结构相似的仿生矿化的基元,能更渗透入胶原纤维中,模拟骨等硬组织的不同纳米分层结构,进而为骨组织工程提供新的思路。
本发明所采用的具体技术方案如下:
本发明提供了一种制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,具体如下:
S1:将无水氯化钙溶液滴入聚天冬氨酸溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液A;
S2:将溶液A滴加至羧甲基壳聚糖溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液B;
S3:将磷酸氢二钠Na2HPO3溶液加入溶液B中,搅拌使其充分反应,随后调节混合溶液的pH值为7~8,得到超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。
作为优选,所述S1中,无水氯化钙溶液的浓度为1M,聚天冬氨酸溶液的浓度为0.3g/mL;将0.1mL的无水氯化钙溶液滴入0.15mL的聚天冬氨酸溶液中。
作为优选,所述S1中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌10min。
进一步的,所述S2中,羧甲基壳聚糖溶液的浓度为100mg/mL;将溶液A滴加至2mL的羧甲基壳聚糖溶液中。
作为优选,所述S2中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌至少6h。
进一步的,所述S3中,Na2HPO3溶液的浓度为1M,取0.134mL的Na2HPO3溶液加入溶液B中。
作为优选,所述S3中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌5min。
作为优选,所述S3中,调节混合溶液的pH值为7.4。
进一步的,所述S3中,超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料中Ca2+的浓度至少为80mM。
本发明的另一目的在于提供一种根据上述任一所述方法制备得到的超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。
本发明相对于现有技术而言,具有以下有益效果:
本发明通过使用PASP及CMC作为稳定基质,制备了一种超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。本发明所制备的复合材料不仅含有超小粒径的无定形磷酸钙颗粒,而且Ca2+的浓度高达80mM。同时,该材料为微黄透明,具有温敏流动性,可便于注射。实验结果表明,该复合材料的生物相容性良好,能够促进细胞的增殖,且可以调节巨噬细胞的极化,使巨噬细胞向M2方向发展,能够有效促进骨修复。
附图说明
图1为实施例1所得材料冷冻干燥后的扫描电镜图;
图2为实施例1所得材料溶液的透射电镜图,左上角为衍射环,白色箭头所指处为无定形磷酸钙颗粒;
图3为实施例1所得材料稀释50、100和200倍后,分别培养巨噬细胞(RAW267.4)1、2和3天时的CCK8结果,(*表示p<0.05,**表示p<0.01);
图4为实施例1所得材料稀释50、100和200倍后,分别培养巨噬细胞(RAW267.4)1、2和3天时,M1型(图a)和M2型(图b)表面标志物的流式数据结果(*表示p<0.05,**表示p<0.01);
图5为实施例1所得材料稀释50、100和200倍后,培养小鼠成骨细胞(MC3T3)14天时的ALP染色结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下,均可进行相应组合。
实施例1
在本实施例中,制备了一种超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料,制备方法具体如下:
S1:将0.1mL浓度为1M的无水氯化钙(CaCl2)溶液缓慢滴入0.15mL浓度为0.3g/mL的聚天冬氨酸(PASP)溶液中,在500rpm的转速下搅拌10min使其充分反应,得到溶液A。
在该反应过程中,PASP作为阴离子聚合物,其侧链上的羧基能够螯合Ca2+,形成聚天冬氨酸盐,从而稳定Ca2+。
S2:将S1中获得的溶液A缓慢滴加至2mL浓度为100mg/mL的羧甲基壳聚糖(CMC)溶液中,在500rpm的转速下搅拌过夜(即至少搅拌6h),使其充分反应,得到溶液B。
在该反应过程中,由于羧甲基壳聚糖(CMC)是在壳聚糖中引入了羧甲基基团,可以与更多Ca2+产生螯合作用,同时引入羧甲基后,壳聚糖具有刚好的水溶性,具有更好的生物矿化性质。然而,当与高浓度的Ca2+混合时,这种聚合物也会导致沉淀形成。通过将步骤1)中形成的溶液A缓慢滴加至CMC溶液中,搅拌过夜。PASP中的羧甲基侧链可以与CMC产生竞争作用,防止沉淀产生。且搅拌过夜后,Ca2+与PASP及CMC充分螯合,使溶液中有游离的Ca2+含量降低。
S3:取0.134mL浓度为1M的磷酸氢二钠(Na2HPO3)溶液缓慢加入S2中获得的溶液B中,在500rpm的转速下搅拌5min使其充分反应。调节混合溶液的pH值为7.4,以备后续使用,从而得到超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。
在该过程中,Na2HPO3加入溶液B后,HPO4 2-与Ca2+不会立即产生沉淀,从而可以稳定无定形磷酸钙纳米颗粒(ACP)相,从而形成具有良好性能的超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。此材料是具有温度敏感性、可流动和可注射的透明微黄色溶液,且Ca2+浓度高达80mM。
通过上述方法制备得到的超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料,在4℃时,材料的流动性较差,注射时较为困难。而在37℃时,材料的流动性较好,可用于直接注射。
实施例2
为了进一步研究实施例1制备所得超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的性能,本实施例进行了相应的实验验证。
如图1所示,为材料冷冻干燥后的扫描电镜图,从图中可以看出,该材料为三维多孔的网络结构,其空隙分布均匀,纳米级空隙上分布着均一的微米级空隙,可以模拟天然细胞外基质,支持细胞的迁移聚集和生长。
如图2所示,为材料溶液的透射电镜图,左上角为衍射环,白色箭头所指处为无定形磷酸钙颗粒。从图中可以看出,材料溶液中含有约1nm左右的磷酸钙颗粒,衍射环表明颗粒为无定形。
如图3所示,将材料稀释至不同倍数(50、100和200倍),用于培养小鼠巨噬细胞(RAW267.4),图中的C表示空白对照组。CCK8结果表明,与空白组相比,在1、2和3天时,结果表明,不同稀释倍数下材料组的细胞增殖均有明显增加,说明该材料能够明显促进细胞增殖。
如图4所示,将材料稀释至不同倍数(50、100和200倍),用于培养小鼠巨噬细胞(RAW267.4),图中的C表示空白对照组。流式结果表明,不同稀释倍数下材料组的细胞M2型转化均有明显增多,与空白组相比均有显著性差异,说明该材料能够促进巨噬细胞向M2型分化。
如图5所示,将材料稀释至不同倍数(50、100和200倍),用于培养小鼠成骨细胞(MC3T3),并于14天时进行ALP染色。结果表明,不同稀释倍数下材料组的碱性磷酸酶表达均明显高于空白组,说明该材料能够促进成骨。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,其特征在于,具体如下:
S1:将0.1mL浓度为1M的无水氯化钙溶液滴入0.15mL浓度为0.3g/mL的聚天冬氨酸溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液A;
S2:将溶液A滴加至2mL浓度为100mg/mL的羧甲基壳聚糖溶液中,搅拌使其充分反应,得到溶液B;
S3:将0.134mL 浓度为1M的Na2HPO3溶液加入溶液B中,搅拌使其充分反应,随后调节混合溶液的pH值为7~8,得到超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。
2.根据权利要求1所述制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,其特征在于,所述S1中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌10min。
3.根据权利要求1所述制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,其特征在于,所述S2中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌至少6h。
4.根据权利要求1所述制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,其特征在于,所述S3中,搅拌为在500rpm的转速下搅拌5min。
5.根据权利要求1所述制备超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料的方法,其特征在于,所述S3中,调节混合溶液的pH值为7.4。
6.一种根据权利要求1~5任一所述方法制备得到的超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料。
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