CN112679759A - 一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，具体步骤如下：S1，将蛋白质为主要原料的可降解生物材料在生理盐水或磷酸缓冲液中分散制成溶液A；S2，往溶液A中加入核黄素或核黄素衍生物搅拌混合制成溶液B；S3，将溶液B灌装到注射器或3D打印机中；S4，使用注射器体内注射填充，并在注射的同时利用内窥镜光源探头照射所注射的溶液B；或者使用3D打印机打印，在打印的同时使用光束发生器发出的光束照射3D打印机墨水喷口喷出的溶液B。该发明中凝胶是湿态条件下原位交联成型的，方法简单易操作，无任何有毒交联试剂添加，制备的凝胶能有效提高蛋白质的抗酶解性能，具有良好的生物相容性。

Description

一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法

技术领域

本发明涉及生物医学材料领域，尤其是一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法。

背景技术

生物材料的降解性能直接关系到材料在体内的功能性和治疗效果。在医疗美容、受损组织修复领域，为了维持植入材料在体内时间一般会对材料进行交联处理。比如专利CN102924731B为了延长胶原蛋白在体内的降解时间，使用了醛类交联剂、亚胺交联剂和环氧类交联剂对胶原蛋白进行了交联。这些交联剂的使用可以提高胶原蛋白的交联度，延长胶原蛋白的降解时间，但是这些交联剂以小分子的形式残留在与材料中难以去除，并产生有较大的细胞毒性。此外醛类交联剂(如：戊二醛)交联后的胶原蛋白植入人体后容易引起钙化(Biomaterials 1996；17(15)：1489-1497)。为了降低交联后的材料毒性，一些低毒的植物提取物也用于材料的交联，特别是蛋白类材料(胶原蛋白、纤维蛋白、丝素蛋白)等。比如京尼平(Genipin)被用于胶原蛋白，明胶的交联，并表现出良好的细胞相容性(J BiomedMater Res A.2018；106(5):1258-1268)，但是交联后的材料颜色变成了深蓝色，并且交联时间长。因此这种方式交联的材料不适用于皮下的植入，限制了其在医疗美容领域的应用。

核黄素，又称维生素B2，维他命B2。分子式C₁₇H₂₀N₄O₆。它是人体必需的13种维生素之一。核黄素除了是人体的必须的维生素外，还由于其具有很高的光敏性，在紫外线或可见光的照射下，产生活性氧，活性氧诱导蛋白质分子内部和蛋白质分子间氨基间产生新的共价键，提高蛋白质的交联度和增加材料的生物力学稳定性。目前在临床上已经广泛使用核黄素联合紫外线照射的方式治疗行进性圆锥角膜病变(Ophthalmol CHN,2009,18(3):150-152)。由于核黄素和紫外照射的交联方式具有安全性高，操作简单的优势，该交联方式也被开发用于多种植入类的生物医用材料的交联。但是现有的均是在干燥的蛋白质类材料上进行交联处理，无法进行同步的原位交联凝胶，在干燥以及将干燥材料转移至进行光照交联的容器间的过程中还会存在有被污染的风险，不利于后期的使用。

发明内容

针对现有的不足，本发明提供一种湿法状态下可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，具体步骤如下：

S1，将蛋白质为主要原料的可降解生物材料在生理盐水或磷酸缓冲液中均匀分散并调节pH值为5.0-9.0制成溶液A；

S2，往溶液A中加入核黄素或核黄素衍生物搅拌混合制成溶液B；

S3，将溶液B灌装到注射器或3D打印机墨水盒中；

S4，使用注射器体内注射填充，并在注射的同时使用内窥镜光源探头中发射的紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种照射所注射的溶液B使其在体内原位交联生成凝胶；或者使用3D打印机打印，在打印的同时使用光束发生器发出的光束照射3D打印机的墨水喷口使得溶液B喷出后交联凝胶，所述光束发生器能发出紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种光束。

作为优选，所述可降解生物材料中添加有透明质酸、壳聚糖中的一种或多种，所述透明质酸的浓度为0.1-10％(W/V)，所述壳聚糖的浓度为0.1-15％(W/V)。

作为优选，所述核黄素衍生物是黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸中的一种或两种，所述核黄素或核黄素衍生物的浓度为0.0001-1％(W/V)。

作为优选，所述蛋白质的浓度为0.1-10％(W/V)。

作为优选，所述溶液B是通过注射器进行体内注射的，所述内窥镜光源产生的照射光束的波长为300-500nm，辐照强度为2-500mW/cm²，辐照时间1-30min。

作为优选，所述光束照射是以每间隔5秒,然后照射10秒的方式在所设定的辐照时间内照射的。

作为优选，所述溶液B是通过3D打印机打印的，所述光束发生器发出的光束的波长为300-500nm，辐照强度为100-10000mW/cm²,辐照时间1-90min。

作为优选，所述光束发生器器是以围绕3D打印机的墨水喷口为中心转动照射的。

作为优选，所述可降解生物材料中还添加有浓度为0.001-1％的多糖化合物、浓度为0.001-100ng/ml的生长因子、细胞悬浮液中的一种或多种。

作为优选，所述3D打印机采用的是同轴打印喷头，所述打印喷头外层内的墨水是溶液B，内层内的墨水为细胞悬浮液。

本发明的有益效果在于：该发明使用核黄素及其衍生物在水溶条件下对蛋白质为主要成分的生物医用材料注射到体内或者3D打印时在光辐照条件下原位同步交联成型，使用的核黄素或其衍生物是完全无毒副作用的，而且制备的凝胶中残留的核黄素也是人体必需维生素，不需要除去；交联凝胶是在湿态条件下同步进行，方法简单易操作，不易受到污染，无任何有毒交联试剂添加，制备的凝胶能有效提高蛋白质的抗酶解性能，具有良好的生物相容性，还能提供有益于人体的维生素。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合实施例对本发明作进一步说明，进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。此外，本发明中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附加图示的方向，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指本发明必须具有的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例，一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，具体步骤如下：

S1，将蛋白质为主要原料的可降解生物材料在生理盐水或磷酸缓冲液中均匀分散并调节pH值为5.0-9.0制成溶液A，pH值的调节则用盐酸、醋酸以及氢氧化钠溶液来进行调节，蛋白质则从各种类型的胶原蛋白，丝素蛋白，纤维蛋白，弹性蛋白、明胶等得来；其浓度为0.1-10％(W/V)，此时在原料不溶解的情况下，就使得原料以微米级的颗粒均匀分散制成悬浮液状态的溶液A。此时可根据不同的需要，就往可降解生物材料中添加透明质酸、壳聚糖中的一种或多种来协助凝胶的形成，透明质酸包括有甲基丙烯酸基团修饰的透明质酸、硫醇化透明质酸，壳聚糖则包括有甲基丙烯酸基团修饰的壳聚糖，所述透明质酸的浓度为0.1-10％(W/V)，所述壳聚糖的浓度为0.1-15％(W/V)；

S2，往溶液A中加入核黄素或核黄素衍生物搅拌混合制成溶液B，此时所述核黄素衍生物是黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸中的一种或两种，它们作为蛋白质或酶的辅基来协助氧化还原反应的进行，所述核黄素或核黄素衍生物的浓度为0.0001-1％(W/V)；

S3，将溶液B灌装到注射器或3D打印机墨水盒中，通过注射器就可以用于注射填充，通过3D打印机就可以打印水凝胶支架，比如用于皮肤老化褶皱的填充、子宫内膜修复、体内缺损部位填充以及诱导干细胞的分化用于缺损组织的修复和再生等；

S4，使用注射器体内注射填充，并在注射的同时使用内窥镜光源探头中发射的紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种照射所注射的溶液B使其在体内原位交联生成凝胶；此时就可以根据所注射填充部位对交联度的不同需求，通过对蛋白质的浓度、核黄素或其衍生物的添加量、光束辐照强度及辐照时间来调节；或者使用3D打印机打印，在打印的同时使用光束发生器发出的光束照射3D打印机的墨水喷口使得溶液B喷出后交联凝胶，所述光束发生器能发出紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种光束，3D凝胶支架的力学强度则可根据蛋白质的浓度、核黄素或其衍生物的添加量、光束辐照强度和时间来调整，对于没有负载细胞的凝胶支架可以通过冷冻真空干燥的方式制备成固态支架，就可以长期保存，使用时再复合细胞悬液来使用，也可以直接填充于受损组织，而负载细胞的凝胶支架就可以置于细胞培养液中体外培养一段时间后移植填充于受损部位，也可以将制备好的凝胶支架移植于受损部位。这样同步的原位凝胶方法，在湿态条件下的同步进行，简单安全，减少了工序，既能有效提高蛋白质的抗酶降解性能，进行交联的同时还能提供有益于人体的维生素，也不会存在原材料受到污染的问题，同时湿法状态也利于注射或打印的进行还能提高材料交联的交联度。

进一步的改进，在同步原位交联凝胶的两种方式中，一种是所述溶液B是通过注射器进行体内注射的，所述内窥镜光源产生的照射光束的波长为300-500nm，辐照强度为2-500mW/cm²，辐照时间1-30min，在这样的辐照条件下核黄素或其衍生物受到光束的辐照，利用其光敏性产生活性氧来促进蛋白质的交联，增加材料在体内的稳定性，而且还不会对皮肤细胞产生影响，优选波长为460nm的蓝光，辐照强度为500mW/cm²，辐照时间10min。而为了保证交联凝胶的均匀稳定，可以以每间隔5秒,然后照射10秒的方式在所设定的辐照时间内辐照。

另一种是所述溶液B是通过3D打印机打印的，所述光束发生器发出的光束的波长为300-500nm，辐照强度为100-10000mW/cm²,辐照时间1-90min这样的方式是在体外进行的，就可以增强辐照强度来加速其交联凝胶成型，在短时间内增强了其交联度，就能很好的成型，此时紫外线发生器就设置在3D打印机墨水喷口的上方，作为墨水的溶液B从3D打印机喷出后就会受到光束的辐照，就会加速进行交联成型，同样的可选择波长为370nm的紫外线。而为了能在交联成型的过程中能够全方位的辐照到喷出的溶液B，使其交联成型的更均匀完整，此时所述光束发生器是以围绕3D打印机的墨水喷口为中心转动照射的，转动中就可以辐照一周，不会产生由于位置固定，背面无法辐照到而导致背面交联度不好的问题产生，该转动可以通过设置围绕3D打印机墨水喷口一周的圆形轨道，然后将光束发生器滑设在圆形轨道上，之后通过驱动电机的驱动使其转动，转动的频率则依据所用蛋白质的浓度、核黄素或其衍生物的添加量、光束辐照强度和时间来进行调节。此时为了使得蛋白质凝胶后具有更好的使用效果，所述可降解生物材料中还添加有浓度为0.001-1％的多糖化合物、浓度为0.001-100ng/ml的生长因子、细胞悬浮液中的一种或多种，多糖化合物则可以选用肝素、硫化肝素、低分子量肝素、硫酸软骨素等；生长因子则选用VEGF、TGF、bFGF、BMP；细胞悬浮液中的细胞则包括但不限于：表皮细胞、软骨细胞、巨噬细胞、内皮细胞、骨髓间充质干细胞、脂肪来源间充质干细胞、成骨细胞、毛囊干细胞、成纤维细胞、施万细胞、中枢神经系统神经干细胞，角膜缘干细胞，脐带血干细胞，羊膜干细胞等。通过这些辅助物质的添加，就使得其交联凝胶成型后在使用中能更好的融入使用环境中发挥相应的作用。而对于3D打印机来说，除了使用常规的3D打印机外，其还可以采用同轴打印喷头，就可以在内外层装入不同的溶液来进行喷墨打印，此时所述打印喷头外层内的溶液是溶液B，内层内的溶液使细胞悬浮液，这样在制备细胞负载的凝胶支架过程中，所形成的凝胶外层就可以对内层的细胞具有良好的保护作用，减少紫外线对所负载细胞的影响。

实施例1：用于注射的蛋白质凝胶

1)称取适量的猪的I型胶原蛋白，将其分散在磷酸缓冲液中(pH＝7)搅拌至胶原蛋白充分溶解(分散)制备成3％的胶原蛋白溶液(悬浮液)，然后在该液中加入透明质酸充分混合搅拌，最终透明质酸的浓度为0.5％，标记为溶液A；

2)在溶液A中加入适量的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，充分搅拌混合，最终的FAD浓度为0.02％，标记为溶液B；

3)将溶液B灌装到注射器中然后在关节镜手术中注入关节中的软骨缺损部位，使用关节镜手术器械中的蓝光光束(460nm)对注射溶液B的部位进行照射，辐照强度为50mW/cm²，辐照时间为10min。

实施例2：用于组织修复和再生的3D打印的凝胶支架

1)称取适量的牛的I型胶原蛋白，将其分散在磷酸缓冲液中(pH 4.5-6.8)充分搅拌至胶原蛋白充分溶解(分散)制备成3％的胶原蛋白溶液(悬浮液)，然后在该液中加入透明质酸和肝素充分混合搅拌，最终透明质酸的浓度为1％，肝素的浓度为0.2％，标记为溶液A。

2)在溶液A中加入重组化的生长因子bFGF和VEGF充分搅拌混合，bFGF和VEGF在溶液中的终浓度分别为20ng/ml和10ng/ml。然后再向其中加入适量的核黄素，充分搅拌是核黄素完全溶解浓度为0.1％，标记为溶液B。

3)将溶液B转移到3D生物打印机的墨盒中作为打印的生物墨水。

4)对3D生物打印机的喷头处做以改进，使紫外线发生器所发射出的紫外线束能保持对准墨水喷头喷出的物体进行照射，紫外线的波长为370nm，照射强度为500mW/cm²,喷头喷出的作为生物墨水的溶液B经过紫外照射后能快速的生产凝胶并保持其形态，打印好的3D生物凝胶材料就可以用于损伤组织的填充，也可以作为体外细胞培养的载体，经过细胞培养后再移植到体内对损伤组织进行填充。

实施例3：用于卸载细胞的组织修复和再生3D打印凝胶支架

1)称取适量的鼠的I型胶原蛋白，将其分散在磷酸缓冲液中(pH 4.0-6.5)充分搅拌至胶原蛋白充分溶解(分散)制备成2％的胶原蛋白溶液(悬浮液)，然后在该液中加入肝素充分混合搅拌，肝素的浓度为0.2％，标记为溶液A。

2)在溶液A中加入重组化的生长因子BMP-2和VEGF充分搅拌混合，BMP-2和VEGF在溶液中的终浓度分别为20ng/ml和10ng/ml。然后再向其中加入适量的核黄素，充分搅拌是核黄素完全溶解浓度为0.2％，标记为溶液B。

3)提取人体的骨髓并分离骨髓间充质干细胞(BMSCS)，进行体外培养，而后收集BMSCs分散到细胞培养液中(1×10⁵cells/ml),标记为溶液C。

4)将溶液B和溶液C分别转移到3D生物打印机的墨盒中作为生物墨水。3D打印机采用双墨同轴的喷头，喷头中喷出的生物墨水分成壳-芯两层，壳层(外层)和芯层(内层)分别喷两种不同生物墨水，溶液B为壳层墨水，溶液C为芯层墨水，此外，蓝光发生器发出的蓝光能保持转动中对墨水喷头喷出的物体进行照射，蓝光的波长为460nm，照射强度为300mW/cm²,喷头喷出的生物墨水B经过紫外照射后能快速的生产凝胶并将墨水C中的细胞包裹起来，并形成携载细胞的3D生物凝胶支架，这样制备的携载细胞的3D生物凝胶支架就可以直接用于机体受损组织的现充(如：骨缺损部位)，也可以在体外进行细胞培养一段时间后再移植填充。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于：具体步骤如下：

S1，将蛋白质为主要原料的可降解生物材料在生理盐水或磷酸缓冲液中均匀分散并调节pH值为5.0-9.0制成溶液A；

S2，往溶液A中加入核黄素或核黄素衍生物搅拌混合制成溶液B；

S3，将溶液B灌装到注射器或3D打印机墨水盒中；

S4，使用注射器体内注射填充，并在注射的同时使用内窥镜光源探头中发射的紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种照射所注射的溶液B使其在体内原位交联生成凝胶；或者使用3D打印机打印，在打印的同时使用光束发生器发出的光束照射3D打印机的墨水喷口使得溶液B喷出后交联凝胶，所述光束发生器能发出紫外光束、蓝光束或可见光束中的任意一种光束。

2.根据权利要求1所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述可降解生物材料中添加有透明质酸、壳聚糖的一种或多种，所述透明质酸的浓度为0.1-10％(W/V)，所述壳聚糖的浓度为0.1-15％(W/V)。

3.根据权利要求1所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述核黄素衍生物是黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸中的一种或两种，所述核黄素或核黄素衍生物的浓度为0.0001-1％(W/V)。

4.根据权利要求1所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述蛋白质的浓度为0.1-10％(W/V)。

5.根据权利要求1所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述溶液B是通过注射器进行体内注射的，所述内窥镜光源产生的照射光束的波长为300-500nm，辐照强度为2-500mW/cm²，辐照时间1-30min。

6.根据权利要求5所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述光束照射是以每间隔5秒,然后照射10秒的方式在所设定的辐照时间内照射的。

7.根据权利要求1所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述溶液B是通过3D打印机打印的，所述光束发生器发出的光束的波长为300-500nm，辐照强度为100-10000mW/cm²,辐照时间1-90min。

8.根据权利要求7所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述光束发生器是以围绕3D打印机的墨水喷口为中心转动照射的。

9.根据权利要求7所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述可降解生物材料中还添加有浓度为0.001-1％的多糖化合物、浓度为0.001-100ng/ml的生长因子、细胞悬浮液中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述可降解蛋白质的原位交联成型凝胶方法，其特征在于:所述3D打印机采用的是同轴打印喷头，所述打印喷头外层内的墨水是溶液B，内层内的墨水为细胞悬浮液。