CN114404665A - 一种磁性水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种磁性水凝胶及其制备方法和应用。本发明的磁性水凝胶包括含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴和双键单体改性的生物大分子材料交联固化得到的凝胶网络结构。本发明利用含双键硅烷偶联剂改性铁酸钴可以有效改善铁酸钴的生物相容性，同时减少铁酸钴团聚，增强铁酸钴在体系中的稳定性以及与生物大分子材料之间的结合强度，还能够改善生物大分子材料的力学强度，同时保持良好的磁热响应和加热效率，杀死肿瘤组织，同时其生物降解出的钴离子具有细胞毒性，也可杀死肿瘤部位细胞。

Description

一种磁性水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种磁性水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

骨肿瘤是目前全球共同面对的公共卫生挑战，原发性骨肿瘤的发病率在儿童和青少年常见的恶性肿瘤种类中高居前列，其预后较差。而且大部分癌症晚期患者都会发生转移性骨肿瘤，随着癌症患者生存期延长，骨转移的发病率逐年上升，已严重威胁人类健康，因而针对骨肿瘤治疗的探索一直以来都是医学研究的热点。目前传统的治疗方法主要包括手术治疗、化学疗法、放射疗法等。但是手术治疗无法将骨肿瘤的病灶完全清除。并且由于大多数骨转移瘤都具有多重耐药性和辐射抗性，化疗和放疗的治疗效果往往不够理想，还会对患者造成一定的毒副作用。相比于外科手术治疗、放疗和化疗，热疗被认为是一种副作用小的治疗方法。传统的热疗主要依靠超声、微波和射频的方法，但这三种方法在治疗肿瘤时也有一定的局限性，超声存在骨吸收和骨反射等问题，热疗效率较低；微波只能加热较浅部位，其深度有一定的限制，难以治疗人体组织深处的肿瘤；射频的电场较为发散，难以达到对肿瘤部位的精准加热，容易损伤正常人体组织。

磁热疗通过磁性材料植入到治疗靶区，并在交变磁场中磁感应加热达到杀伤肿瘤目的。近年来随着多功能纳米材料的发展，磁性纳米颗粒在热疗中备受广泛关注，它可以在交变磁场作用下将电磁能转换为热能，为骨肿瘤的治疗提供一种合适的策略。相比于其他尖晶石结构的铁氧体，铁酸钴(CoFe₂O₄，CFO)具有高饱和磁化强度、高磁导率和具有较大的正磁晶各向异性常数。此外，它还有良好的力学性能、快速在体内清除和生物降解性，这些良好的特性使其可用于药物释放系统、医学成像和癌症治疗等医学用途。而且CFO在体内被细胞吞噬，会降解出Co²⁺，而Co²⁺具有较强的细胞毒性；将其注射到肿瘤部位，可杀死肿瘤细胞。由于CFO仍具有低的细胞毒性，因而限制了其在医学领域的广泛使用。

对于骨肿瘤来说，杀死肿瘤细胞和后续的骨重建同样重要，所以选择合适的材料来填充缺损区域也是骨肿瘤治疗中的重要环节之一。水凝胶是一种物化性质与天然组织相似的交联聚合物体系，它具备良好的生物相容性、生物降解性和高保水性等优点，是良好的细胞外基质的候选者，可作为出色的热疗纳米颗粒的储存媒介和组织工程的理想支架材料。甲基丙烯酸化明胶(GelMA)是明胶的一种衍生物，同明胶一样，GelMA含有许多促进细胞附着的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列和基质金属蛋白酶的目标序列，它有利于细胞黏附，具有良好的生物相容性。由于甲基丙烯酰基的光聚合作用，引入甲基丙烯酰基赋予明胶可以在光引发剂的作用下通过光照进行光交联的性能，这使得GelMA更容易被制造成所期望的3D结构，从而对细胞行为进行调控，是组织工程中较为理想的生物材料，在各组织工程领域都有着广泛的应用。然而GelMA的力学性能较差，仍需加强。

可见，铁酸钴虽具有高饱和磁化强度、高磁导率和具有较大的正磁晶各向异性常数，但生物毒性较大，GelMA虽是一种理想的生物材料，但其力学性能较差。因此，制备一种磁热疗效率高、力学强度高、生物相容性好的水凝胶是本领域目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种磁性水凝胶，具有较高的磁热效率、良好的力学强度、优异的生物相容性。

本发明还提出磁性水凝胶的制备方法和应用。

本发明的第一个方面，提出了磁性水凝胶，所述磁性水凝胶包括含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴和双键单体改性的生物大分子材料交联固化得到的凝胶网络结构。

根据本发明的第一方面，本发明至少具有如下的有益效果：

本发明利用含双键硅烷偶联剂改性铁酸钴可以有效提高铁酸钴的细胞相容性，同时减少铁酸钴团聚，增强铁酸钴在体系中的稳定性以及与生物大分子材料之间的结合强度，还能够改善生物大分子材料的力学强度，同时保持良好的磁热响应和加热效率，杀死肿瘤组织，同时其生物降解出的钴离子具有细胞毒性，也可杀死肿瘤部位细胞。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴由含双键硅烷偶联剂与铁酸钴反应得到，所述铁酸钴与含双键硅烷偶联剂的固液比为1mg：30～60μL；更优选的固液比为1mg：45～55μL，如1mg：50μL左右。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂包括甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酸酰氧基)丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三异丙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二乙氧基硅氧烷中的至少一种。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂包括甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酸酰氧基)丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三异丙氧基硅烷中的至少一种。

优选地，所述双键单体改性的生物大分子材料中，所述生物大分子材料包括明胶、壳聚糖、氧化海藻酸钠中的至少一种。

优选地，所述双键单体包括甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸、丙烯酸中的至少一种；更优选甲基丙烯酸酐。

优选地，所述双键单体改性的生物大分子材料为双键单体改性的明胶，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴与所述双键单体改性的明胶交联固化，得到所述磁性水凝胶。含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴与双键单体改性的明胶之间共价结合，改善了与双键单体改性的明胶基体材料之间的结合强度、增强基体材料的力学强度。

优选地，所述双键单体改性的明胶的氨基取代度为30～100％，更优选85～95％；所述双键单体改性的明胶的分子量为100～200kDa，所述双键单体改性的明胶可选用甲基丙烯酸化明胶。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴占双键单体改性的生物大分子材料质量的0.005～0.2％，更优选0.01～0.1％，如0.01％、0.05％或0.1％。

所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴和双键单体改性的生物大分子材料的交联固化方式包括光交联固化；所述交联反应在光引发剂的作用下发生交联反应。

优选地，所述光引发剂包括裂解型光引发剂和夺氢型光引发剂。更优选地，所述光引发剂包括2-羟基-1-[4-(羟基乙氧基)-苯基]-2-甲基-1-丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(Irgacure 2959)中的至少一种。

本发明的第二方面，提出一种磁性水凝胶的制备方法，包括如下步骤，使所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴与双键单体改性的生物大分子材料进行交联固化反应，得到所述磁性水凝胶。

优选地，所述磁性水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤，将双键单体改性的生物大分子材料溶液、引发剂溶液、含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散液混合，发生交联固化反应得到所述磁性水凝胶。

优选地，所述双键单体改性的生物大分子材料溶液由双键单体改性的生物大分子材料溶解于PBS缓冲溶液中得到。双键单体改性的生物大分子材料溶液在使用前避光存放。

优选地，所述双键单体改性的生物大分子材料溶液的质量体积浓度(w/v)为2～12％，更优选5～10％。

优选地，所述双键单体改性的生物大分子材料在PBS缓冲溶液中的溶解的温度为30～60℃，优选50℃左右。

优选地，所述引发剂溶液由引发剂溶于PBS缓冲溶液中得到。引发剂溶液在使用前避光存放。所述引发剂溶液的质量体积浓度为0.1～1％，更优选0.1～0.5％，进一步优选0.1～0.4％。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散液由含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散到PBS缓冲溶液中得到。所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴溶液的质量体积浓度为0.005～0.2％，更优选0.01～0.1％，如0.1％。所述分散的方法可采用超声，超声的时间为10～50min，更优选30～50min。

优选地，所述磁性水凝胶的制备方法更具体为，取800～1200体积份双键单体改性的大分子材料溶液、300～700体积份引发剂溶液、1～150体积份含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散液和200～600体积份的PBS缓冲溶液混合，发生交联固化反应，得到所述磁性水凝胶。

优选地，所述磁性水凝胶的制备方法更具体为，取900～1000体积份双键单体改性的大分子材料溶液、400～600体积份引发剂溶液、1～130体积份含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散液和300～600体积份的PBS缓冲溶液混合，发生交联固化反应，得到所述磁性水凝胶。

优选地，所述磁性水凝胶的制备方法更具体为，取950～1000体积份双键单体改性的大分子材料溶液、400～500体积份引发剂溶液、1～100体积份含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴分散液和400～500体积份的PBS缓冲溶液混合，发生交联固化反应，得到所述磁性水凝胶。

优选地，所述交联固化为紫外光固化，交联固化时间为5～20min，如10min。

优选地，所述交联固化反应的温度为20～80℃，更优选20～60℃，进一步优选室温。

优选地，所述PBS缓冲溶液pH值为7～8，更优选7.2～7.4。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴的制备方法包括如下步骤，使含双键硅烷偶联剂与铁酸钴反应，得到所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴的制备方法具体为，将含双键硅烷偶联剂加入铁酸钴分散液中进行反应，透析、干燥得到含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴。

优选地，对所述铁酸钴分散液使用的溶剂不做限定，能够均匀分散铁酸钴即可，如本发明中使用的无水乙醇。

优选地，所述含双键硅烷偶联剂与铁酸钴的反应的温度为30～70℃，更优选30～50℃，进一步优选50℃左右。所述含双键硅烷偶联剂与铁酸钴反应的时间为8～16h，更优选10～14h，进一步优选12h左右。

优选地，所述透析中无水乙醇中进行。所述透析时间为2～5天，如3天。

本发明的第三方面，提出了磁性水凝胶在制备骨肿瘤治疗药物、骨重建支架中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有如下的有益效果：

本发明以双键单体改性的生物大分子材料作为基体材料，如甲基丙烯酸化明胶(GelMA)，具有细胞黏附性和生物相容性；同时利用含双键硅烷偶联剂改性铁酸钴，如甲酸丙烯酸酯改性的铁钴酸，能够有效改善铁酸钴的细胞相容性、减少团聚现象、增强铁酸钴在溶液中的稳定性，使得甲酸丙烯酸酯改性后的铁酸钴能够均匀分布于水凝胶并保持水凝胶的形态，与甲基丙烯酸化明胶之间共价结合，有效改善甲基丙烯酸化明胶的力学性能。在磁场作用下，甲基丙烯酸酯改性的铁钴酸发生磁热响应，加热杀死肿瘤细胞，同时生物降解出的钴离子具有细胞毒性，可以杀死肿瘤部位细胞，通过磁热效应和Co²⁺细胞毒性协同高效杀死肿瘤细胞。而且，在骨肿瘤治疗中不仅能够杀死肿瘤细胞，还可以填充骨肿瘤导致的骨缺损。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明MeCFO、CFO粉末的XPS光谱图；

图2为本发明MeCFO、CFO粉末的TEM图；

图3为本发明MeCFO粉末的能谱扫描图；

图4为本发明MeCFO、CFO粉末的磁滞曲线图；

图5为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的FITR光谱图；

图6为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的SEM图；

图7为本发明(a)MeCFO/GelMA水凝胶、(b)不同磁性水凝胶的应力-应变曲线图；

图8为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的(a)黏度、(b)时间扫描图；

图9为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的(a)溶胀率、(b)溶胀平衡率图；

图10为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的孔隙率图；

图11为本发明MeCFO/GelMA水凝胶3D打印MeCFO/GelMA水凝胶的形貌图；

图12为本发明(a)MeCFO/GelMA水凝胶、(b)不同磁性水凝胶的细胞增殖实验结果图；

图13为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的活死染色实验图；

图14为本发明MeCFO/GelMA水凝胶的温度分布图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

以下各实施例和对比例中采用的甲基丙烯酸化明胶，如无特殊说明，均为苏州智能制造研究院生产的EFL-GElMA-90。

实施例1

本实施例制备了一种磁性水凝胶，具体过程为：

将甲酸丙烯酸酯改性的铁钴酸MeCFO以0.1％(w/v)的浓度加入到PBS缓冲溶液中超声30min，使其均匀分散，配制成A溶液(0.1％MeCFO)。称取一定量购置的EFL-GelMA-90以10％(w/v)的浓度溶于PBS缓冲溶液中，置于50℃的水浴锅中溶解，制得B溶液(10％GElMA)。Irgacure 2959以0.4％(w/v)的浓度完全溶解于PBS缓冲溶液中，制得C溶液(0.4％Irgacure 2959)。取不同量A、B和C溶液与PBS缓冲溶液混合一起(用量见表1)，充分震荡混匀后，将其加入模具中，并进行紫外交联10min固化成形，得到不同MeCFO固含量的磁性水凝胶，标记为x％MeCFO/GelMA，其中x％表示磁性水凝胶的MeCFO固含量，GelMA最终浓度为5％，Irgacure 2959最终浓度为0.1％。

其中，MeCFO的制备方法如下：

将购置的CFO在无水乙醇中超声20min，使其均匀分散，按照每毫克CFO加入50μL甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯溶液的比例，将甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯溶液缓慢加入到铁酸钴悬浮液，加热到50℃下保温并搅拌12h。其混合溶液在无水乙醇中透析。透析3天后，真空干燥获得产物MeCFO。

表1不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶的制备配方(μL)

对比例1

本对比例制备了一种CFO固含量为0.05％的磁性水凝胶，与实施例1的区别在于使用CFO(没有改性的铁酸钴)等量替换MeCFO，具体制备过程与实施例1中0.05％MeCFO/GelMA的制备方法一致，所得磁性水凝胶标记为CFO/GelMA。

对比例2

本对比例制备了一种Fe₃O₄固含量为0.05％的磁性水凝胶，与实施例1的区别在于使用Fe₃O₄(没有改性的Fe₃O₄)等量替换MeCFO，具体制备过程与实施例1中0.05％MeCFO/GelMA的制备方法一致，所得磁性水凝胶标记为Fe₃O₄/GelMA。

对比例3

本对比例制备了一种MeFe₃O₄固含量为0.05％的磁性水凝胶，与实施例1的区别在于使用MeFe₃O₄(甲酸丙烯酸酯改性的Fe₃O₄)等量替换MeCFO，具体制备过程与实施例1中0.05％MeCFO/GelMA的制备方法一致，所得磁性水凝胶标记为MeFe₃O₄/GelMA。

其中，MeFe₃O₄的制备方法如下：

将购置的Fe₃O₄在无水乙醇中超声20min，使其均匀分散，按照每毫克Fe₃O₄加入50μL甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯溶液的比例，将甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯溶液缓慢加入到Fe₃O₄悬浮液，加热到50℃下保温并搅拌12h。其混合溶液在无水乙醇中透析。透析3天后，真空干燥获得产物MeFe₃O₄。

试验例

本试验例测试了实施例和对比例制备的磁性水凝胶的性能和磁性纳米颗粒粉末MeCFO和CFO的性能。

一、MeCFO和CFO

(1)成分和形貌

采用X射线光电子能谱采集MeCFO和CFO的组成元素，测试结果如图1所示。图1中，XPS数据经avantage软件分析可得出MeCFO的组成元素包括Fe、Co、O、C和Si，这间接表明CFO上存在甲基丙烯酸酯基团，即成功制备了MeCFO。

采用透射电子显微镜(TEM)对铜网上MeCFO和CFO粉末进行形貌和能谱分析，测试结构如图2和图3所示。图2为CFO和MeCFO粉末的TEM图像，结果表明MeCFO的表面明显有一涂层，这表明CFO成功涂覆上甲基丙烯酸酯，图3为能谱扫描结果，显示MeCFO粉末主要包含Fe、Co和O元素，这说明其表面甲基丙烯酸酯涂层较薄，MeCFO上的Si和C元素较少，所以能谱扫描未出现这两个元素，这与TEM图像上涂层厚度的结果相符。但XPS结果(图1)显示MeCFO中含有Si元素，表明CFO表面成功接枝甲基丙烯酸酯基团。

(2)磁性性能

采用磁滞回线测试仪在室温和±2T磁场范围下测试MeCFO和CFO粉末磁滞回线，测试结果如图4所示。图4显示CFO与MeCFO粉末的饱和磁化强度没有明显的差异，CFO和MeCFO的饱和磁化强度分别为58.55emu/g与59.52emu/g，这表明MeCFO有较好的磁化性能。

二、磁性水凝胶

(1)成分和形貌表征

采用傅里叶变换红外光谱仪进行MeCFO/GelMA水凝胶的红外测试，其参数设置为分辨率为4cm^-1，波束范围为4000～500cm^-1，测试结果如图5所示。图5的FTIR光谱显示，MeCFO/GelMA与GelMA水凝胶的酰胺带3330cm^-1、1634cm^-1、1537cm^-1和1234cm^-1，其中酰胺Ⅰ带1634cm^-1与C＝O伸缩振动引起，酰胺Ⅱ带1537cm^-1与C-N伸缩振动和N-H弯曲振动共同引起，而酰胺Ⅲ带1234cm^-1主要与CH₂、N-H和C-N的振动共同引起。

采用扫描电子显微镜(SEM)对不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶的形貌进行分析测试，将制得的MeCFO/GelMA水凝胶样品，冷冻干燥后液氮脆断，截面喷金处理后利用扫描电子显微镜(SEM)对溅射金样品进了形貌和显微结构测试，测试结果如图6所示。图6显示不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶的表面呈多孔状结构，随着MeCFO固含量的增加，孔隙变小。

(2)力学性能

采用机械试验机对不同固含量的MeCFO/GelMA和CFO/GelMA、MeFe₃O₄/GelMA、Fe₃O₄/GelMA水凝胶的力学性能进行测试，将光固化后的磁性水凝胶浸泡在PBS缓冲溶液中，到达溶胀平衡后在机械试验机上进行压缩试验，对四组支架的力学性能进行测试；支架直径6～7mm左右，高度4～6mm；测试设置为2mm/min，测试结果如图7所示。

图7(a)展示了不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶的压缩曲线，图7(b)为0.05％MeCFO/GelMA与各种不同磁性水凝胶的压缩曲线。由图7(a)可知，随着MeCFO固含量的增加，其水凝胶的力学性能也逐渐增强，其中MeCFO固含量为0％的水凝胶的力学性能最差，0.1％MeCFO/GelMA在50％应变处的应力为8.18±1.59KPa，这表明磁性纳米粒子利于改善磁性水凝胶的力学性能。由图7(b)可知，各种不同磁性水凝胶中磁性纳米粒子的固含量均为0.05％时，MeCFO/GelMA水凝胶的力学性能强于CFO/GelMA水凝胶的力学性能，MeFe₃O₄/GelMA水凝胶的力学性能强于Fe₃O₄/GelMA水凝胶的力学性能，表明CFO和Fe₃O₄经过甲基丙烯酸酯修饰后均能增强GelMA水凝胶的力学强度。磁性纳米颗粒改性之前，CFO/GelMA水凝胶的力学性能弱于Fe₃O₄/GelMA水凝胶的力学性能；但是磁性纳米颗粒改性之后，MeCFO/GelMA水凝胶的力学性能明显强于MeFe₃O₄/GelMA水凝胶的力学性能，即磁性纳米颗粒改性后，MeCFO/GelMA水凝胶的力学性能增幅更大。这表明与MeFe₃O₄相比，MeCFO对GelMA水凝胶力学性能的增强效果更佳。

(3)流变学分析

采用旋转流变仪对不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶前体溶液进行黏度测试和时间扫描。所述不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶前体溶液为10％GelMA、0.1％MeCFO、0.4％Irgacure 2959以及PBS溶液混合(用量参考表1)，未交联固化得到的MeCFO固含量分别为0％、0.01％、0.05％、0.1％的溶液。黏度测试：制备不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶前体溶液，转移至流变仪样品台，设置温度为10℃，剪切速率设为0.1～100s^-1，观察样品粘度随剪切速率的变化。时间扫描：制备不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶，转移至流变仪样品台，设置温度为10℃，选择应变值为“恒定值”，剪切应变为0.5％，时间为5min，设定取点时间由设备决定，观察样品弹性模量(储存模量)G’，损耗模量G”随时间的变化，测试结果如图8所示。

图8(a)为不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶前体溶液的黏度随剪切速率变化曲线。随着剪切速率的增加，不同固含量MeCFO/GelMA水凝胶前体溶液的黏度均呈下降趋势，且其剪切应力与剪切速率之间为非线性关系，这表现为剪切稀化。随着水凝胶中MeCFO固含量的增加，剪切稀化的现象越明显。图8(b)为MeCFO/GelMA水凝胶的储存模量随时间的变化曲线，曲线大致平稳，这表明固化后的水凝胶具有一定的力学性能，而且随着MeCFO固含量的增加，MeCFO/GelMA水凝胶的储能模量也表现增强。同时，经测试，0.1％MeCFO/GelMA的压缩模量为6.50±0.24KPa。

(4)溶胀性能和孔隙率

测试不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶溶胀性能。水凝胶溶胀性能的测试方法：将冷冻干燥后的水凝胶称重，标记初始干重质量为W₁。将冻干后的样品浸泡在PBS缓冲溶液中，温度为37℃下，每隔一段时间，用滤纸吸掉水凝胶表面的水分，电子分析天平进行称量，标记为W₂。每次测量之后水凝胶浸泡在PBS中继续溶胀，每组做3个平行样品。水凝胶的溶胀率记为Swelling Ratio(SR)，计算过程如公式1，测试结果如图9。

SR＝(W₂-W₁)/W₁×100％ 公式1

图9(a)显示，随着时间的增加，不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶都是在2h内溶胀最快，后面慢慢趋于稳定，24h后基本达到溶胀平衡状态。图9(b)的结果展示不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶的溶胀率，并且它们之间没有明显的统计学差异。其中0.1％MeCFO/GelMA的溶胀率为679.60±9.62％。

测试不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶孔隙率。孔隙率的测试方法：取冻干的MeCFO/GelMA水凝胶在无水乙醇中浸泡，用无水乙醇置换的方法测定孔隙率。具体先称冻干的水凝胶，记为W₅，用无水乙醇浸没样品，用真空泵进行抽真空，直到水凝胶不再冒出气泡，取出称重，记为W₆，计算孔隙率，每组3个平行样品。水凝胶的孔隙率记为Porosity(P)，计算过程如公式2。

P＝(W₆–W₅)/ρV×100％ 公式2

其中，ρ为无水乙醇的密度，V是水凝胶的体积。

图10表明不同固含量的MeCFO/GelMA水凝胶的孔隙率都超过60％以上，而且它们之间没有明显的差异。其中0.1％MeCFO/GelMA的孔隙率为64.02±2.01％。

(5)3D打印的可行性

测试MeCFO/GelMA水凝胶3D打印的可行性。在打印前，先将配好的0.1％MeCFO/GelMA前体溶液置于4℃条件下放置20min，使GelMA发生可逆的物理交联以增加GelMA黏度，然后将料筒装到已开启低温模式的生物3D打印机上，控制平台温度在4℃，打印喷头温度24℃、打印气压200KPa、打印速度200mm/s；设置打印高度0.23mm，打印间距1×1mm，打印大小10×10mm，设置完毕后开启3D打印。在打印的同时使用紫外照射固化，打印出来的支架能在4℃的打印平台上维持稳定的形态，最后将支架用紫外照射10min使其永久固化。

图11展示了3D打印MeCFO/GelMA水凝胶的大体、光镜和电镜形貌，表明3D打印水凝胶具有完整的形态，没有出现歪曲、变形和坍塌等现象，孔径大小均一，组成的网格结构比较光滑和粗细一致，层与层之间可以清晰可见，这说明网格内部相同，可以为细胞提供一个良好的三维培养环境，同时也表明MeCFO/GelMA水凝胶的性能和所使用的打印参数均满足3D打印的需求。

(6)细胞相容性

测试不同固含量的MeCFO/GelMA以及不同磁性水凝胶的细胞相容性。将骨髓间充质干细胞种植在磁性水凝胶上，检测其增殖情况和细胞活性，测试结果如图12和图13所示。图12(a)的细胞增殖实验显示，不同固含量的MeCFO/GelMA磁性水凝胶均具有良好的细胞相容性，各组之间没有显著的统计学差异，且图12(b)表明，不同磁性水凝胶中磁性纳米粒子的固含量均为0.05％时，MeCFO/GelMA磁性水凝胶的细胞相容性明显优于CFO/GelMA磁性水凝胶，同时也优于Fe₃O₄/GelMA和MeFe₃O₄/GelMA磁性水凝胶。图13的活死染色实验也表明了0.1％MeCFO/GelMA水凝胶具有良好的细胞相容性，其结论与细胞增殖实验的结果一致。

(7)有限元仿真模拟测试

对0.1％MeCFO/GelMA磁性水凝胶磁流体进行有限元仿真模拟测试。设置COMSOLMultiphysics软件上的磁流体相关的参数和外部磁场参数：电导率为12.6e^-6S/m，热容为836J/(kg·K)，导热系数为0.34W/(m*K)，密度为5300kg/m³，交变磁场的磁场强度为15kA/m，频率100kHz，从而得到凝胶磁流体温度场的分布，结果如图14。图14显示了COMSOLMultiphysics软件上0.1％MeCFO/GelMA磁性水凝胶磁流体的温度场分布，这表明其中MeCFO具有良好的磁热响应，温度能够达到40～50℃，该温度足以杀死肿瘤细胞，满足肿瘤热疗的要求，因而负载MeCFO磁性纳米粒子的GelMA水凝胶有良好的磁热疗功效。

综上，MeCFO/GelMA具有优异的力学性能和细胞相容性，且具有磁热性能，可用于骨肿瘤磁热治疗和骨重建。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种磁性水凝胶，其特征在于，所述磁性水凝胶包括含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴和双键单体改性的生物大分子材料交联固化得到的凝胶网络结构。

2.根据权利要求1所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴由含双键硅烷偶联剂与铁酸钴反应得到，所述铁酸钴与含双键硅烷偶联剂的固液比为1mg：30～60μL。

3.根据权利要求1所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述含双键硅烷偶联剂包括甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酸酰氧基)丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三异丙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二乙氧基硅氧烷中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述双键单体改性的生物大分子材料中，所述生物大分子材料包括明胶、壳聚糖、氧化海藻酸钠中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述双键单体包括甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸、丙烯酸中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述双键单体改性的生物大分子材料为双键单体改性的明胶，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴与所述双键单体改性的明胶交联固化，得到所述磁性水凝胶。

7.根据权利要求6所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述双键单体改性的明胶的氨基取代度为30～100％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的磁性水凝胶，其特征在于，所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴占双键单体改性的生物大分子材料质量的0.005～0.2％。

9.如权利要求1-8任一项所述的磁性水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，使所述含双键硅烷偶联剂改性的铁酸钴与双键单体改性的生物大分子材料进行交联固化反应，得到所述磁性水凝胶。

10.如权利要求1-8任一项所述的磁性水凝胶在制备肿瘤治疗药物、骨重建支架中的应用。

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