CN113041393A - 可调控活性氧自由基的复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

一种可调控活性氧自由基的复合材料及其制备方法与应用，属于生物医用材料技术领域。该可调控活性氧自由基的复合材料包括ROS清除基体和基体载体；ROS清除基体为hMnO2、mPDA中至少一种；基体载体为生物相容性材料。本发明制得的复合材料可以调控ROS，加载药物和/或生长因子后，通过释放加载的药物和/或生长因子，可以进一步促进组织修复。

Description

可调控活性氧自由基的复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及的是一种生物医用材料领域的技术，具体是一种可调控活性氧自由基的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
组织损伤后，其内部会发生一系列的变化，如损伤部位的酸碱度会由最初的中性或弱碱性变为偏酸性，酸性环境会造成组织酸中毒，影响组织愈合过程；组织损伤后也会伴随血管破裂，导致损伤部位的血供不足，从而在损伤部位造成氧含量下降，形成低氧环境并产生大量的ROS(reactive oxygen species，活性氧自由基)，大量的ROS会损害细胞核酸和脂质，诱导细胞凋亡。有研究表明，抑制ROS会抑制炎症反应的发生，促进组织修复，但是目前尚未开发出有效调控ROS的材料。
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种可调控活性氧自由基的复合材料及其制备方法与应用，该复合材料可以调控ROS，并通过释放加载的药物，促进组织修复。
本发明第一方面提供一种可调控活性氧自由基的复合材料，包括ROS清除基体和基体载体。
具体地，ROS清除基体为hMnO2(hollow manganese dioxide，空心二氧化锰)、mPDA(mesoporous polydopamine，介孔聚多巴胺)中至少一种；hMnO2为空心纳米粒，粒径为250-300nm，mPDA为介孔纳米粒，粒径为100-150nm；基体载体为生物相容性材料。
优选地，ROS清除基体的载药率为30％-80％w/v(质量浓度)。
优选地，基体载体采用GelMA(Methacrylate Gelatin，甲基丙烯酸酰化明胶)、PLA(Polylactic acid，聚乳酸)、骨水泥中的一种制成。
本发明第二方面提供一种hMnO2/PLA纺丝纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
S11，水浴条件下，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加四乙氧基硅烷，搅拌完成后分离得到介孔SiO2(silicon dioxide，二氧化硅)纳米粒子；
S12，将步骤S11制得的介孔SiO2纳米粒子重悬于去离子水中，超声条件下逐滴加入KMnO4(potassium permanganate，高锰酸钾)水溶液，之后室温搅拌过夜，制得具有核壳结构的SiO2@MnO2纳米粒子；
S13，将步骤S12制得的SiO2@MnO2纳米粒子重悬于Na2CO3(sodium carbonate，碳酸钠)溶液中，油浴搅拌过夜，分离得到空心二氧化锰纳米粒；
S14，称取PLA，磁力搅拌下溶于二氯甲烷中，溶解后加入二甲基甲酰胺，得到PLA溶液；取步骤S13制得的hMnO2纳米粒子加入PLA溶液中，通过静电纺丝得到hMnO2/PLA纺丝纤维支架。
本发明第三方面提供一种hMnO2/PLA纺丝纤维支架在神经修复中的应用，hMnO2/PLA纺丝纤维支架加载有神经生长因子(nerve growth factor，NGF)。
本发明第四方面提供一种mPDA/GelMA复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S21，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌，得到mPDA纳米粒；
S22，向GelMA固体海绵中加入PBS(phosphate buffered saline，磷酸缓冲盐溶液)，置于水浴锅中溶解，得到GelMA溶液，接着加入光引发剂；将步骤S21制得的mPDA纳米粒加入GelMA溶液中，制得mPDA/GelMA复合水凝胶。
本发明第五方面提供一种mPDA/GelMA复合水凝胶在骨再生中的应用，mPDA/GelMA复合水凝胶加载促生长药物和/或生长因子；优选地，生长因子有骨形态发生蛋白(bonemorphogenetic protein，BMP-2)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growthfactor，VEGF)、神经生长因子(Nerve growth factor，NGF)等。
本发明第五方面提供一种mPDA/CaPO4复合骨水泥的制备方法，包括以下步骤：
S31，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌，得到mPDA纳米粒；
S32，将步骤S31制得的mPDA纳米粒加入CaPO4(calcium phosphate，磷酸钙)水泥粉末中，接着加入磷酸氢二钠溶液，搅拌，得到水泥浆体；再将水泥浆体装入模具中，置于室温下固化成型，得到mPDA/CaPO4复合骨水泥，将mPDA/CaPO4复合骨水泥置于37℃、100％湿度环境下保存。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1)通过hMnO2或者mPDA消除损伤部位ROS，可保护细胞免受ROS损伤，促进细胞增殖，在生物组织工程中具有非常好的应用前景；
2)hMnO2/PLA纺丝纤维支架具有取向结构，可模拟骨膜、神经等组织的结构，制备方法简单，稳定性好，具有良好的可操作性；且hMnO2可响应酸性环境发生降解，释放加载药物；
3)mPDA/GelMA具有互通的大孔结构及优异的生物相容性，制备周期短，可根据需求得到具有不同弹性模量的基材，用于模拟天然的组织结构；
4)mPDA/CaPO4骨水泥具有良好的力学性能及生物相容性，制备方法简单，mPDA的加入可有效改善组织损伤环境中因ROS过表达导致的组织损伤修复。
附图说明
图1为实施例1中hMnO2纳米粒TEM照片；
图2为实施例1中hMnO2/PLA纺丝纤维支架SEM照片；
图3为实施例2中mPDA纳米粒TEM照片；
图4为实施例3中mPDA/CaPO4骨水泥的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件进行。
实施例1
本实施例涉及hMnO2/PLA纺丝纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
S11，在50℃水浴条件下，向圆底烧瓶中加入14mL无水乙醇，2mL去离子水，500μL氨水，磁力搅拌5min至液体混合均匀，得到混合液；然后45℃条件下用恒压滴液漏斗向上述混合液中缓慢滴加500μL四乙氧基硅烷，滴加完成后继续搅拌2h，接着14800rpm离心5min，去除上清液，分别用乙醇及去离子水洗涤沉淀2遍，得到介孔SiO2纳米粒子；
S12，将步骤S11制得的介孔SiO2纳米粒子重悬于10mL去离子水中，超声条件下逐滴加入20mL的KMnO4水溶液(KMnO4的总含量为600mg)，继续超声1h，之后室温搅拌过夜，14800rpm离心5min，去除上清液，去离子水洗3遍，得到具有核壳结构的SiO2@MnO2纳米粒子；
S13，将步骤S12制得的SiO2@MnO2纳米粒子重悬于20mL浓度为2M的Na2CO3溶液中，60℃油浴搅拌过夜，然后14800rpm离心5min，去离子水洗涤4遍，得到hMnO2纳米粒；
S14，称取1g聚乳酸PLA，磁力搅拌下溶于4.5mL二氯甲烷中，溶解后加入2.25mL二甲基甲酰胺，继续搅拌0.5h得到PLA溶液；取步骤S13制得的hMnO2纳米粒10mg，加入PLA溶液中，设置纺丝电压为10kV，注射器与接收装置距离为30cm，流速为0.6mL/h，从而得到hMnO2/PLA纺丝纤维支架。
步骤S13制得的hMnO2纳米粒TEM照片如图1所示，hMnO2为粒径均一的空心球形，粒径约为250-300nm。步骤S14制得的hMnO2/PLA纺丝纤维支架SEM照片如图2所示，纺丝纤维尺寸均一，表面光滑，可取向排列。
在具体应用中，优选hMnO2载药率为50％-80％w/v；复合材料中的hMnO2含量逐渐升高时，材料的力学强度逐渐下降，但复合材料清除ROS性能逐渐增强。
实施例2
本实施例涉及mPDA/GelMA复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S21，向圆底烧瓶中加入14mL无水乙醇，90mL去离子水，2mL氨水，磁力搅拌5min至液体混合均匀，得到混合液；然后用恒压滴液漏斗向上述混合液中缓慢滴加10mL浓度为50mg/mL的多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌1d，接着14800rpm离心5min，去除上清液，用去离子水洗涤沉淀3遍，得到mPDA纳米粒；mPDA纳米粒的TEM照片如图3所示；
S22，向0.5g的GelMA固体海绵中加入10mL的PBS，然后置于37℃水浴锅中溶解至透明状液体，接着加入0.025g光引发剂苯基-2，4，6-三甲基苯甲酰膦酸锂，溶解后得到质量浓度为5％的GelMA溶液；取步骤S21制得的mPDA纳米粒10mg，加入质量浓度5％的GelMA溶液中，用波长为405nm的蓝光光源手电筒照射1min，得到质量浓度为1％的mPDA/GelMA复合水凝胶。
在具体应用中，优选mPDA载药率为30％-70％w/v；复合材料中的mPDA含量逐渐升高时，材料的力学强度逐渐下降，但复合材料清除ROS性能逐渐增强。
实施例3
本实施例涉及mPDA/CaPO4复合骨水泥的制备方法，包括以下步骤：
S31，向圆底烧瓶中加入14mL无水乙醇，90mL去离子水，2mL氨水，磁力搅拌5min至液体混合均匀，得到混合液；然后用恒压滴液漏斗向上述混合液中缓慢滴加10mL浓度为50mg/mL的多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌1d，接着14800rpm离心5min，去除上清液，用去离子水洗涤沉淀3遍，得到mPDA纳米粒；
S32，将步骤S31制得的mPDA介孔纳米粒加入一定量的磷酸钙水泥粉末中，然后置于干燥的玻璃板上；接着加入对应量的质量浓度0.25％的磷酸氢二钠溶液，搅拌，得到水泥浆体；再将水泥浆体装入模具中，置于室温下2h固化成型，得到mPDA/CaPO4复合骨水泥，mPDA/CaPO4复合骨水泥的SEM照片如图4所示；将mPDA/CaPO4复合骨水泥置于37℃、100％湿度环境下保存。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种可调控活性氧自由基的复合材料，其特征在于，包括ROS清除基体和基体载体；
ROS清除基体为hMnO2、mPDA中至少一种；
基体载体为生物相容性材料。
2.根据权利要求1所述可调控活性氧自由基的复合材料，其特征是，所述hMnO2为空心纳米粒，粒径为250-300nm。
3.根据权利要求1所述可调控活性氧自由基的复合材料，其特征是，所述mPDA为介孔纳米粒，粒径为100-150nm。
4.根据权利要求1所述可调控活性氧自由基的复合材料，其特征是，所述ROS清除基体的载药率为30％-80％w/v。
5.根据权利要求1所述可调控活性氧自由基的复合材料，其特征是，所述基体载体采用GelMA、PLA、骨水泥中的一种制成。
6.权利要求1-5任一项所述可调控活性氧自由基的复合材料在生物组织修复中的应用，可调控活性氧自由基的复合材料加载有药物和/或生长因子。
7.一种hMnO2/PLA纺丝纤维支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11，水浴条件下，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加四乙氧基硅烷，搅拌完成后分离得到介孔SiO2纳米粒子；
S12，将步骤S11制得的介孔SiO2纳米粒子重悬于去离子水中，超声条件下逐滴加入KMnO4水溶液，之后室温搅拌过夜，制得具有核壳结构的SiO2@MnO2纳米粒子；
S13，将步骤S12制得的SiO2@MnO2纳米粒子重悬于Na2CO3溶液中，油浴搅拌过夜，分离得到hMnO2纳米粒；
S14，称取PLA，磁力搅拌下溶于二氯甲烷中，溶解后加入二甲基甲酰胺，得到PLA溶液；将步骤S13制得的hMnO2纳米粒加入PLA溶液中，通过静电纺丝得到hMnO2/PLA纺丝纤维支架。
8.一种mPDA/GelMA复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌，得到mPDA纳米粒；
S22，向GelMA固体海绵中加入PBS，然后置于水浴锅中溶解，得到GelMA溶液，接着加入光引发剂；将步骤S21制得的mPDA纳米粒加入GelMA溶液中，制得mPDA/GelMA复合水凝胶。
9.一种mPDA/CaPO4复合骨水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S31，向圆底烧瓶中加入无水乙醇，去离子水，氨水，磁力搅拌至液体混合均匀，得到混合液；然后向上述混合液中缓慢滴加多巴胺溶液，滴加完成后继续搅拌，得到mPDA纳米粒；
S32，将步骤S31制得的mPDA纳米粒加入磷酸钙水泥粉末中，然后置于干燥的玻璃板上；接着加入磷酸氢二钠溶液，搅拌，得到水泥浆体；再将水泥浆体装入模具中，置于室温下固化成型，得到mPDA/CaPO4复合骨水泥。
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