CN112708147B - 一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了生物医药材料技术领域的一种Mg/Sr‑NBG增强γ‑PGA水凝胶的制备方法，以正硅酸乙酯（TEOS）、磷酸三乙脂（TEP）和氯化盐为原料经反应制备得到生物活性玻璃粉Mg/Sr‑NBG，再将生物活性玻璃粉Mg/Sr‑NBG和γ‑聚谷氨酸按一定比例混合均匀后交联得到水凝胶，不影响水凝胶生物性能的同时提高水凝胶的压缩强度和拉伸强度，水凝胶在降解过程中释放的Mg2+、Sr2+等离子，可以促进细胞的黏附、增殖和分化，诱导新骨和血管的形成，适用于软骨修复领域，制备方法操作简单，适合工业化生产应用。

Description

一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及生物医药材料技术领域，特别涉及一种纳米颗粒增强多肽水凝胶的制备方法。
背景技术
在人体中，软骨是一种无血管和淋巴的组织，一旦受损难以自我修复。而天然材料及其衍生聚合物所组成的水凝胶，其结构中含水量高、具有高度的仿生性，能够很好地模拟人体组织结构，因此，其在软骨修复上的应用具有广阔的空间。其中，由γ-聚谷氨酸（γ-PGA）制备而成的水凝胶具有较好的生物相容性、低毒性、低免疫原性、生物可降解性、易修饰性而得到广泛应用。但是，未经修饰的γ-PGA水凝胶达不到组织工程中软骨修复所需的性能要求。
大量研究证明，在聚合物水凝胶中加入无机纳米粒子，得到的复合水凝胶即可以保持良好的弹性，又能大幅度地提高水凝胶地机械强度，生物活性玻璃粉（Mg/Sr-NBG）在模拟体液中的生成物与天然骨及牙齿具有相似的组成，且具有较高的骨结合强度，释放出的Sr2+、Mg2+等离子能够诱导成骨基因表达，促进结晶相的析出和磷灰石的形成。因此，如何制备Mg/Sr-NBG，并利用Mg/Sr-NBG改善γ-PGA水凝胶的力学及生物性能是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，提高γ-聚谷氨酸水凝胶韧性和强度。
本发明的目的是这样实现的：一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）以正硅酸乙酯（TEOS）、磷酸三乙脂（TEP）和氯化盐为原料，分别加入去离子水中并混合均匀，在碱性条件下经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗之后再干燥，将干燥完的块状产物研磨成粉末状，放置在马弗炉中加热保温一段时间，得到生物活性玻璃粉（Mg/Sr-NBG）；
（3）将Mg/Sr-NBG和γ-PGA按一定质量比分别加入到去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入37℃烘箱中，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶。
进一步地，步骤（1）中所述氯化盐为氯化钙（CaCl2）、氯化镁（MgCl2）和氯化锶（SrCl2）三者的混合。
进一步地，步骤（1）中所述TEOS、TEP、CaCl2、MgCl2和SrCl2的摩尔用量比为（65-75）：5：（18-28）：（0.95~1.05）：（0.95~1.05），所述碱性条件的pH值控制在8~9。
进一步地，步骤（2）中所述干燥条件为：在鼓风干燥箱中以65℃干燥6~12 h，所述马弗炉保温温度为650℃，保温时间4~6 h。
进一步地，步骤（3）中所述γ-PGA和Mg/Sr-NBG的质量比为1：（0.1~0.6），去离子水用量为10~20 mL。
进一步地，步骤（3）中所述交联剂GPTMS用量为1~2 mL。
进一步地，步骤（3）中所述烘箱温度的控制在35℃~38℃。
进一步地，步骤（3）中溶液成胶状的时间为10~12 h。
本发明通过掺杂Sr2+、Mg2+制得的γ-PGA水凝胶，具有良好的生物相容性，可作为软骨组织修复材料或细胞载体等。Sr和Mg是人体中不可缺少的两种金属元素，当Sr2+和Mg2+含量过高时，对细胞有一定的毒副作用，因此本发明中Sr2+和Mg2+掺杂量低，低浓度的Sr2+和Mg2+对骨再生具有双重作用，且能促进细胞黏附与增殖，刺激血管形成，同时对诱导成骨细胞增殖、降低破骨细胞分化具有重要作用。适用于软骨修复领域，且制备方法操作简单，适合工业化生产应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明首先利用溶胶凝胶法制备得到Mg/Sr-NBG，Mg/Sr-NBG能有效改善γ-PGA水凝胶的力学性能。对比未添加Mg/Sr-NBG（标记为P1的水凝胶），Mg/Sr-NBG的加入（标记为P6的水凝胶）使得γ-PGA水凝胶的压缩强度由0.360 MPa提升至1.486 MPa，拉伸强度由0.051 MPa提升至0.127 MPa。
（2）Mg/Sr-NBG的引入，在人体中释放出促进骨细胞增殖生长和分化的Mg2+和Sr2+，提高了γ-PGA水凝胶的生物活性。
（3）本发明制备的γ-PGA水凝胶韧性较好，强度较高，具有良好的生物相容性，可用于软骨组织修复、生物传感器等方面。
附图说明
图1是本发明制备的γ-PGA水凝胶的压缩强度相图。
图2是本发明制备的γ-PGA水凝胶的拉伸强度相图。
图3是本发明制备的γ-PGA水凝胶中Sr2+、Mg2+离子的释放图。
图4是成骨细胞种植在γ-PGA水凝胶上培养1、3天的核膜染色图。
具体实施方式
实施例1：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=70：5：23：1：1，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为8，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥12 h，将干燥好的产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温5 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.5的质量比分别加入到10 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入2 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入37℃烘箱中烘干12 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P6。
实施例2：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=65：5：28：0.95：0.95，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为9，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥10 h，将干燥好的块状产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温4 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.1的质量比分别加入到10 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入2 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入38℃烘箱中烘干9 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P2。
实施例3：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=69：5：24：1.05：1.05，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为8，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥9 h，将干燥好的块状产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温6 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.2的质量比分别加入到20 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入1 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入36℃烘箱中烘干10 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P3。
实施例4：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=71：5：22：1：1，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为9，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥8 h，将干燥好的块状产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温5 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.3的质量比分别加入到10 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入2 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入35℃烘箱中烘干11 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P4。
实施例5：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=73：5：20：0.95：0.95，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为9，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥7 h，将干燥好的块状产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温4 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.4的质量比分别加入到20 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入1 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入37℃烘箱中烘干12 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P5。
实施例6：
（1）以TEOS、TEP和氯化盐为原料，按照摩尔比为TEOS：TEP：CaCl2：MgCl2：SrCl2=75：5：18：1.05：1.05，分别加入去离子水中并均匀混合，在碱性条件下，控制pH值为8，经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗2次，放入65℃干燥箱内干燥6 h，将干燥好的块状产物研磨成粉末状，放置在650℃马弗炉中加热保温6 h，得到Mg/Sr-NBG；
（3）将γ-PGA和Mg/Sr-NBG按1：0.6的质量比分别加入到10 mL去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入2 mL GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入36℃烘箱中烘干13 h，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶，记为P7。
对比例1：
不添加Mg/Sr-NBG，配置0.1 g/mL的γ-PGA，其他实验条件及步骤同实施例1，得到改性后的水凝胶，记为P1。
对比例2：γ-PGA和Mg/Sr-NBG用量的确定
本对比例的实验条件及步骤与实施例1相同，改变γ-PGA和Mg/Sr-NBG的用量比，试验γ-PGA和Mg/Sr-NBG的质量比为1：（0.6~0.8）和1：（0.9~1）时的成胶现象，结果发现，当Mg/Sr-NBG和γ-PGA的质量比大于0.6时，水凝胶成胶状的周期变长，且越接近于1时，水凝胶不能成胶，不能满足使用要求。
试验γ-PGA和Mg/Sr-NBG的质量比为1：（0~0.1）时的成胶现象，当Mg/Sr-NBG的添加量为零，即对比例1制备的水凝胶P1，其压缩强度和拉伸强度都低于P2~P6的水凝胶。综上，本发明中γ-PGA和Mg/Sr-NBG的质量比优选为1：（0.1~0.6）。
对编号标记为P1-P7的γ-PGA水凝胶（其中P1为未添加Mg/Sr-NBG）进行压缩强度及拉伸强度测试，结果如图1-2所示，Mg/Sr-NBG的加入，明显提高了γ-PGA水凝胶的压缩强度及拉伸强度，编号标记P6的γ-PGA水凝胶，其压缩强度为1.486 MPa，拉伸强度为0.127MPa，对比编号标记P1的γ-PGA水凝胶，压缩强度和拉伸强度分别提高了4.1倍、2.5倍，表现出良好的力学性能。
图3为P6水凝胶在PBS溶液中Mg2+、Sr2+的释放曲线图，从图中可以看出，Mg2+、Sr2+在水凝胶中能较快释放出来，Mg2+、Sr2+可以促进细胞的黏附、增殖和分化，诱导新骨和血管的形成，有利于软骨组织的修复。图4是P6水凝胶静体液培养成骨细胞的核膜染色图，在静体液中培养3天的细胞数量明显增加，且细胞形态较好，表明本发明制备的γ-PGA水凝胶具有良好的生物相容性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以正硅酸乙酯、磷酸三乙脂和氯化盐为原料，分别加入去离子水中并混合均匀，在pH为8~9条件下经过水解、聚合、缩合反应产生溶胶；
（2）将步骤（1）制得的溶胶经过去离子水和乙醇分别清洗之后再干燥，将干燥好的产物研磨成粉末状，放置在马弗炉中加热保温一段时间，得到生物活性玻璃粉；
（3）将生物活性玻璃粉和γ-聚谷氨酸按一定质量比分别加入到去离子水中，待其完全溶解并搅拌均匀后，向溶液中加入GPTMS作为交联剂，再次搅拌均匀后放入烘箱中，待溶液成胶状后取出，得到改性后的水凝胶；
其中，步骤（1）中氯化盐为氯化钙、氯化镁和氯化锶三者的混合，则正硅酸乙酯、磷酸三乙脂、氯化钙、氯化镁和氯化锶的摩尔用量比为（65~75）：5：（18~28）：（0.95~1.05）：（0.95~1.05）；
步骤（3）中所述γ-聚谷氨酸和生物活性玻璃粉Mg/Sr-NBG的质量比为1：（0.3~0.6），去离子水用量为10~20 mL。
2.根据权利要求1所述的一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述干燥条件为：在鼓风干燥箱中以65℃干燥6~12 h，所述马弗炉保温温度为650℃，保温时间4~6 h。
3.根据权利要求1所述的一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述交联剂GPTMS用量为1~2 mL。
4.根据权利要求1所述的一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述烘箱温度的控制在35℃~38℃。
5.根据权利要求1所述的一种Mg/Sr-NBG增强γ-PGA水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中溶液成胶状的时间为10~12 h。
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