CN113336969B - 一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医用水凝胶组织工程材料制备技术领域，公开了一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶及其制备方法与应用。该水凝胶的制备方法包括以下步骤：步骤一、高碘酸钠氧化海藻酸钠，获得纯醛基化海藻酸钠；步骤二、用氢氧化钠处理聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米纤维后经液氮研磨，获得PMAA纳米短纤维；步骤三、将纳米短纤维均匀分散在醛基化海藻酸钠中，获得到可注射自修复壳聚糖‑海藻酸钠‑PMAA纳米纤维水凝胶。本发明提供的方法简单有效，操作简便，制备得到的水凝胶由于具有自修复、可注射和较好力学性能，成胶时间短，生物相容性好，在软骨组织支架材料工程领域具有广泛的应用前景。

Description

一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于医用水凝胶组织工程材料制备技术领域，涉及一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术
日常生活中，引起关节软骨损伤的因素多种多样，包括：瞬间重力冲击导致的急性损伤、长时间超负荷运动累积所致的慢性损伤、缺乏运动导致的软骨退化以及关节炎等。但关节软骨内无血管供应、淋巴回流以及神经支配，导致其自愈能力极其有限，如大面积的骨缺损则需要通过外部干预的方法进行治疗。目前，自体骨移植被认为是骨再生领域的最有效的方法，也是临床治疗的“黄金标准”，但有限的骨供给和获取给体骨时供体部位的高发病率限制了其实际应用。因此，寻找理想的软骨组织支架材料是修复大面积骨缺损的关键所在。
壳聚糖(CS)是一种天然的氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖的线性阳离子聚合物，由于其具有生物相容性，广泛应用于药物和组织工程领域及活性和生物降解性。一些报道表明CS作为一种生物材料促进角膜和皮肤组织的血管生成。此外，其他研究也报道了基于CS的水凝胶在体外和体内不显示任何血管生成潜力。如复旦大学丁建东老师课题组使用壳聚糖与多醛基PEG制备了可注射水凝胶，细胞实验结果表明，软骨细胞可以在水凝胶中保持较高的活性并呈现出球形形状，随着培养时间增长，Ⅱ型胶原与蛋白聚糖的表达都有较大程度的增加。海藻酸钠是一种阴离子线性多糖，可以与二价金属离子如钙离子形成水凝胶，已被广泛应用于药物传递和组织工程应用。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)属于丙烯酸系树脂的一种，它是一种无定形聚合物，有着优异的光学性能和表面性能以及良好的耐候性、化学稳定性、良好的绝缘性、良好的加工性能、机械性能等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。结合PMMA的优势，将其应用于组织工程领域，改善组织工程材料的机械性能，具有非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶的制备方法，该制备方法制备得到的水凝胶生物相容性好，成胶速度快，具有优良的机械性能和自修性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
S1.高碘酸钠氧化海藻酸钠，获得纯醛基化海藻酸钠；
S2.用氢氧化钠溶液处理聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维后经液氮研磨，获得PMAA纳米短纤维，所述氢氧化钠溶液的溶剂为乙醇溶液；
S3.将所述纯醛基化海藻酸钠溶于pH为7.4的PBS缓冲液，得到醛基化海藻酸钠溶液，将所述PMAA 纳米短纤维均匀分散在所述醛基化海藻酸钠溶液中，得到混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液，然后向所述混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液中加入羧甲基壳聚糖溶液，混合，形成可注射自修复纳米短纤维水凝胶，其中所述羧甲基壳聚糖溶液的溶剂为pH为7.4的PBS缓冲液。
进一步的，所述步骤S1的具体过程为：将海藻酸钠溶解于蒸馏水中，加入高碘酸钠，室温反应4～6h，加入乙二醇搅拌1.5～2h终止反应，透析3～5天，冷冻干燥获得纯醛基化海藻酸钠。
进一步的，所述步骤S1中，海藻酸钠、蒸馏水、高碘酸钠和乙二醇的用量比为1～2g：50～100mL： 3～6g：0.5～1mL。
进一步的，所述步骤S2的具体过程为：将聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维在乙醇溶液中浸泡30～40分钟，取出冲洗数次，置于氢氧化钠溶液中，45℃振荡2～6h，取出冲洗数次，烘干，液氮研磨处理，获得PMAA 纳米短纤维。
进一步的，所述乙醇溶液的体积浓度为20％；所述氢氧化钠溶液的浓度为20mg/mL。
进一步的，所述烘干的温度为40℃。
进一步的，步骤S3中，所述醛基化海藻酸钠溶液的浓度为30～50mg/ml；所述羧甲基壳聚糖溶液的浓度为50～70mg/mL；所述混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液与所述羧甲基壳聚糖溶液的体积比为1:1；所述PMAA纳米短纤维与所述醛基化海藻酸钠溶液的用量比为1～5mg：1ml。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的可注射自修复纳米短纤维水凝胶。
本发明还提供了一种上述可注射自修复纳米短纤维水凝胶在软骨组织支架材料中的应用。
现有技术相比，本发明制备方法得到的可注射自修复纳米短纤维水凝胶，纯醛基化海藻酸钠中的醛基与羧甲基壳聚糖中的氨基产生可逆共价键，PMAA纳米短纤维中羧基和羧甲基壳聚糖中的氨基产生可逆非共价键，增加水凝胶的成胶速率、可注射性能、机械性能和自修性能，该水凝胶所使用的材料均为天然聚合物，生物相容性好，应用于临床修复软骨组织缺损，有利于骨干细胞的增殖与分化。
附图说明
图1是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶的自修复示意图。
图2是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶和未添加PMAA纳米短纤维得到的水凝胶的凝胶时间示意图。
图3是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶的可注射示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释，下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
实施例1
1)取2g海藻酸钠溶解于100mL蒸馏水中，加入6g高碘酸钠，室温反应6小时，再加入1mL乙二醇搅拌2h终止反应，透析3天，冷冻干燥获得纯醛基化海藻酸钠。
2)将PMMA纳米纤维浸泡于20％乙醇40分钟，冲洗数次，再将其置于浓度为20mg/mL氢氧化钠溶液(含20％乙醇)，45℃振荡6h，冲洗数次，置于40℃烘箱烘干，液氮研磨处理，获得PMAA纳米短纤维。
3)将纯醛基化海藻酸钠溶于pH为7.4的PBS缓冲液，得到浓度为35mg/ml的醛基化海藻酸钠溶液。
4)将1mg的PMAA纳米短纤维超声均匀分散在1ml的35mg/ml醛基化海藻酸钠溶液中，将其与等体积的浓度为50mg/mL的羧甲基壳聚糖(溶剂为pH为7.4的PBS缓冲液)混合，形成可注射自修复纳米短纤维水凝胶(可注射壳聚糖-海藻酸钠-PMAA纳米纤维自修复水凝胶)。
图1是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶的自修复示意图。图1中A图为实施例1制备得到的水凝胶，B图为实施例1制备过程中加入染料后得到的具有颜色的水凝胶；C图为将A图水凝胶和B图水凝胶各切一半后靠近并接触5min后结合得到的水凝胶；D图为采用镊子将C图中结合得到的水凝胶提起状态的示意图，根据C图和D图可知，实施例1得到的水凝胶能够快速自修复并能够克服自身重力被提起且不会破裂，同时也说明了该水凝胶的机械性能得到很好的恢复效果。
图2是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶和未添加PMAA纳米短纤维得到的水凝胶的凝胶时间示意图。根据图2可知，添加PMAA纳米短纤维能够缩短凝胶时间。
图3是实施例1制备出的可注射自修复纳米短纤维水凝胶的可注射示意图。该水凝胶经2mL注射器注射可形成如图3 所示的
Figure BDA0003100978790000031
图案。根据图3 可知，该图案为连续的，可注射性较好。
实施例2
1)取1g海藻酸钠溶解于50mL蒸馏水中，加入3g高碘酸钠，室温反应4小时，再加入0.5mL乙二醇搅拌2h终止反应，透析3天，冷冻干燥获得纯醛基化海藻酸钠。
2)将PMMA纳米纤维浸泡于20％乙醇30分钟，冲洗数次，再将其置于浓度为20mg/mL氢氧化钠溶液(含20％乙醇)，45℃振荡2h，冲洗数次，置于40℃烘箱烘干，液氮研磨处理，获得PMAA纳米短纤维。
3)将纯醛基化海藻酸钠溶于pH为7.4的PBS缓冲液，得到浓度为50mg/ml的醛基化海藻酸钠溶液。
4)将3mg的PMAA纳米短纤维超声均匀分散在1ml的50mg/ml醛基化海藻酸钠溶液中，将其与等体积的浓度为70mg/mL的羧甲基壳聚糖(溶剂为pH为7.4的PBS缓冲液)混合，形成可注射自修复纳米短纤维水凝胶(可注射壳聚糖-海藻酸钠-PMAA纳米纤维自修复水凝胶)。
实施例3
1)取1.5g海藻酸钠溶解于75mL蒸馏水中，加入4.5g高碘酸钠，室温反应5小时，再加入0.75mL 乙二醇搅拌2h终止反应，透析3天，冷冻干燥获得纯的醛基化海藻酸钠。
2)将PMMA纳米纤维浸泡于20％乙醇30分钟，冲洗数次，再将其置于浓度为20mg/mL氢氧化钠溶液(含20％乙醇)，45℃振荡4h，冲洗数次，置于40℃烘箱烘干，液氮研磨处理，获得PMAA纳米短纤维。
3)将纯醛基化海藻酸钠溶于pH为7.4的PBS缓冲液，得到浓度为50mg/ml的醛基化海藻酸钠溶液。
4)将3mg的PMAA纳米短纤维超声均匀分散在1ml的50mg/ml醛基化海藻酸钠溶液中，将其与等体积的浓度为70mg/mL的羧甲基壳聚糖(溶剂为pH为7.4的PBS缓冲液)混合，形成可注射自修复纳米短纤维水凝胶(可注射壳聚糖-海藻酸钠-PMAA纳米纤维自修复水凝胶)。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种可注射自修复纳米短纤维水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.高碘酸钠氧化海藻酸钠，获得纯醛基化海藻酸钠；
S2.用氢氧化钠溶液处理聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维后经液氮研磨，获得PMAA纳米短纤维，所述氢氧化钠溶液的溶剂为乙醇溶液；
S3.将所述纯醛基化海藻酸钠溶于pH为7.4的PBS缓冲液，得到醛基化海藻酸钠溶液，将所述PMAA纳米短纤维均匀分散在所述醛基化海藻酸钠溶液中，得到混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液，然后向所述混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液中加入羧甲基壳聚糖溶液，混合，形成可注射自修复纳米短纤维水凝胶，其中所述羧甲基壳聚糖溶液的溶剂为pH为7.4的PBS缓冲液。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：将海藻酸钠溶解于蒸馏水中，加入高碘酸钠，室温反应4～6h，加入乙二醇搅拌1.5～2h终止反应，透析3～5天，冷冻干燥获得纯醛基化海藻酸钠。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，海藻酸钠、蒸馏水、高碘酸钠和乙二醇的用量比为1～2g：50～100mL：3～6g：0.5～1mL。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：将聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维在乙醇溶液中浸泡30～40分钟，取出冲洗数次，置于氢氧化钠溶液中，45℃振荡2～6h，取出冲洗数次，烘干，液氮研磨处理，获得PMAA纳米短纤维。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述乙醇溶液的体积浓度为20％；所述氢氧化钠溶液的浓度为20mg/mL。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为40℃。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述醛基化海藻酸钠溶液的浓度为30～50mg/ml；所述羧甲基壳聚糖溶液的浓度为50～70mg/mL；所述混有PMAA纳米短纤维的醛基化海藻酸钠溶液与所述羧甲基壳聚糖溶液的体积比为1:1；所述PMAA纳米短纤维与所述醛基化海藻酸钠溶液的用量比为1～5mg：1ml。
8.权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到的可注射自修复纳米短纤维水凝胶。
9.如权利要求8所述的可注射自修复纳米短纤维水凝胶在软骨组织支架材料中的应用。
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