CN114984325A - 一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法，包括：(1)以PEG作为引发剂，辛酸亚锡作为催化剂，通过开环聚合反应，连接丙交酯和乙交酯，得到三嵌段共聚物；(2)将硫酸软骨素加入到PLGA纺丝液中搅拌，通过静电纺丝得到纳米纤维膜；将纳米纤维膜剪碎，浸泡在叔丁醇溶液中，经过均质处理、离心筛选，取上层溶液冷冻干燥后得到纳米短纤维；(3)将三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解，之后加入抗炎药物双氯芬酸钠和纳米短纤维充分搅拌分散，得到纳米短纤维基温敏水凝胶。本发明的温敏水凝胶通过局部注射的方式植入软骨缺损区域，释放抗炎药物双氯芬酸钠和促骨修复药物硫酸软骨素，实现抗炎和促软骨修复一体化治疗。

Description

一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于组织修复再生技术领域，具体涉及一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法。
背景技术
近年来，以可注射水凝胶为基体的组织修复材料得到了快速发展。可注射水凝胶是一种可体外注射、体内成胶的水凝胶材料，具有可微创植入，填充不规则创面，高效包载药物、细胞及生物活性物质等优点，在组织修复与药物载体等方面受到广泛关注。温敏水凝胶作为最常见的一种可注射水凝胶，其可通过温度变化影响“疏水-亲水平衡”而原位成胶，包括：聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、壳聚糖衍生物、PLGA-PEG-PLGA等，其中PLGA-PEG-PLGA可注射温敏水凝胶，具有生物安全性好、可生物降解等优势，且可通过调节两亲性嵌段共聚物(DA/GA)的配比以及溶液浓度获得不同凝胶转变温度、凝胶化时间和不同降解周期的可注射温敏水凝胶。
现有技术中，通过温敏水凝胶注射植入的方式，可以获得较好的软骨修复效果；但是，由于可注射水凝胶本身力学性能和尺寸稳定性差，往往导致新生软骨在结构连续性和生物力学性能较差，不能很好地实现天然软骨所具有的功能。因此，亟待开发一种新型水凝胶体系在实现软骨修复再生的同时保证其生物力学性能和结构功能性。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的是提供一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶及其制备方法，温敏水凝胶可通过局部注射的方式植入软骨缺损区域，并释放抗炎药物双氯芬酸钠(DS)和促骨修复药物硫酸软骨素(CS)，用于软骨损伤的抗炎和促软骨修复一体化治疗。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)以PEG作为引发剂，辛酸亚锡作为催化剂，通过开环聚合反应，连接丙交酯和乙交酯，得到三嵌段共聚物；
(2)将硫酸软骨素加入到PLGA纺丝液中充分搅拌，通过静电纺丝得到纳米纤维膜；
将纳米纤维膜剪碎，浸泡在叔丁醇溶液中，经过均质处理、离心筛选，取上层溶液冷冻干燥后得到纳米短纤维；
(3)将三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解，之后加入抗炎药物双氯芬酸钠和纳米短纤维充分搅拌分散，得到纳米短纤维基温敏水凝胶。
作为优选方案，所述步骤(1)中，PEG的分子量为1500g/mol，丙交酯与乙交酯的摩尔比为3：1，开环聚合的反应条件为140℃反应12h。
作为优选方案，所述步骤(2)中，硫酸软骨素与PLGA的质量比为(1～3)：20，PLGA纺丝液的浓度为25～30％。
作为优选方案，所述PLGA纺丝液中的PLGA的质量与溶剂的体积之比为0.25～0.3g/mL，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的组合。
作为优选方案，所述步骤(2)中，静电纺丝的工艺条件为：纺丝电压14～18kV，注射泵流速为0.057～0.088mm/min，接收距离为14～20cm，环境温度30～35℃，湿度25～40％。
作为优选方案，所述步骤(2)中，均质处理的转速为14000～18000rpm，处理时间为10～40min；
纳米纤维膜的质量与叔丁醇的体积之比为(1～5)g：50mL。
作为优选方案，所述步骤(2)中，离心筛选的条件为：转速为500～1000rpm，离心时间1～3min，弃去离心沉淀，取上层溶液。
作为优选方案，所述步骤(3)中，双氯芬酸钠、纳米短纤维、三嵌段共聚物的质量配比为(1～2)：(2～5)：20。
作为优选方案，所述步骤(3)中，三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解得到的三嵌段共聚物溶液的浓度为17～19wt％。
本发明还提供一种如上任一项方案所述的制备方法制得的软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
(1)针对新生软骨生物力学性能不足等问题，创新性地将载药纳米短纤维引入温敏水凝胶体系，构建纳米短纤维基温敏水凝胶，通过纳米短纤维形成的网络结构，提高水凝胶体系的结构稳定性和连续性，最终改善新生软骨的生物力学性能和结构功能性。
(2)通过在纳米短纤维中装载硫酸软骨素CS，水凝胶基体掺入双氯芬酸钠DS，实现药物的梯度缓释；DS率先从水凝胶基体中释放发挥抗炎镇痛作用，减缓损伤初期关节肿胀和疼痛症状，避免炎症和积水等的发生；随后短纤维中CS逐步释放，且PLGA短纤维赋予CS长效稳定缓释性能，持续促进损伤软骨修复再生，从而实现抗炎和促软骨修复一体化治疗。
附图说明
图1为本发明实施例1的PLGA-PEG-PLGA嵌段共聚物的合成示意图；
图2为本发明实施例1的温敏水凝胶的制备过程示意图；
图3为本发明实施例1的PLGA-PEG-PLGA的核磁共振氢谱(1H NMR)；
图4为本发明实施例1的CS@PLGA纳米纤维膜的扫描电子显微镜(SEM)照片和纤维直径分布直方图(图2a)、CS@PLGA纳米短纤维的SEM图(图2b)；
图5为本发明实施例1的纳米短纤维基温敏水凝胶在不同温度下(4℃和26℃)的照片；
图6为本发明实施例1的纳米短纤维基温敏水凝胶的注射过程照片；
图7为本发明实施例1的纳米短纤维基温敏水凝胶的药物缓释曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本实施例的软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)PLGA-PEG-PLGA的合成
以PEG(Mn＝1500g·mol-1)作为引发剂，辛酸亚锡作为催化剂，通过开环聚合反应，真空、干燥条件下140℃反应12h连接丙交酯(LA)和乙交酯(GA)(LA/GA＝75:25，mol/mol)，冷却至室温后加入乙醚沉淀，抽真空至恒重得到三嵌段共聚物PLGA-PEG-PLGA(如图1所示)。
(2)载药纳米纤维膜的制备
将0.6g聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)溶于0.5mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和1.5mL四氢呋喃(THF)的混合溶液中，室温下磁力搅拌12h，得到PLGA纺丝液，随后向上述PLGA纺丝液中加入60mg硫酸软骨素(CS)，继续磁力搅拌24h，得到CS/PLGA纺丝液。
选用10mL注射器吸取配制的CS/PLGA纺丝液进行静电纺丝，静电纺丝工艺参数如下：纺丝电压14kV，注射泵流速为0.088mm/min，接收距离为15cm，环境温度35℃，湿度27％；将静电纺丝得到的纳米纤维膜在45℃条件下真空干燥12h，得到CS@PLGA纳米纤维膜。
(3)纳米短纤维的制备
将步骤(2)得到的CS@PLGA纳米纤维膜，从硅油纸上揭下，并剪成面积大约为1cm2的碎片，然后浸泡分散在30mL叔丁醇溶液中，之后采用均质机在转速为16000rpm条件下处理30min；之后对均质后的混合溶液低速离心，1000rpm离心1min后，弃去离心沉淀，此时沉淀主要是未能破碎的纤维膜碎片，取上层溶液冷冻干燥后得到CS@PLGA纳米短纤维，具体制备流程如图2a所示。
(4)纳米短纤维基温敏水凝胶的制备
在冰浴条件下，取1.7g步骤(1)中制备的PLGA-PEG-PLGA充分溶解在8.3g PBS溶液(pH＝7.4)中，得到质量分数为17wt％的PLGA-PEG-PLGA溶液；随后向PLGA-PEG-PLGA溶液中加入85mg抗炎药物双氯芬酸钠(DS)和250mg步骤(3)中制备的CS@PLGA纳米短纤维，充分搅拌分散后得到纳米短纤维基温敏水凝胶，制备过程如图2b所示。
以下对本实施例的中间产物以及最终产物进行表征，具体如下：
以核磁共振氢谱(1H NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、小瓶倒置法、扫描电子显微镜(SEM)等手段表征本发明中制备的PLGA-PEG-PLGA的结构和凝胶转变温度、CS@PLGA纳米纤维的形貌和结构以及纳米短纤维基温敏水凝胶的温敏性能和可注射性能。
一、结构与分子量测试
通过1H NMR表征实施例1步骤(1)中制备的PLGA-PEG-PLGA，结果显示各处化学位移均正常分配，其中a为DL-LA的-CH，b为GA的-CH2，b为PEG末端游离的-CH2，d为b为PEG的-CH2，e为DL-LA的-CH3，表明PLGA-PEG-PLGA的成功合成(图3)。凝胶渗透色谱(GPC)测试实施例1步骤(1)中制备的PLGA-PEG-PLGA分子量Mw＝7422。
二、扫描电子显微镜测试
通过SEM表征实施例1步骤(2)中得到的CS@PLGA纳米纤维膜和实施例1步骤(3)中得到的CS@PLGA短纤维的形貌和尺寸，SEM结果如图4所示，CS@PLGA纳米纤维表面光滑、形貌均匀，纤维平均直径为763nm(图4a)；均质处理后得到的CS@PLGA纳米短纤维的长度约为10-40μm。
三、小瓶倒置法表征
通过小瓶倒置法表征实施例1步骤(4)中制备的纳米短纤维基温敏水凝胶，小瓶倒置法结果显示，制备的纳米短纤维基温敏水凝胶的凝胶相变温度约为26～28℃(图5)，该凝胶化转变温度可保证水凝胶溶液在注射后(37℃)快速成胶固化。
四、可注射性评价
对实施例1步骤(4)中制备的纳米短纤维基温敏水凝胶进行可注射性评价，结果显示纳米短纤维基温敏水凝胶具有良好的注射流畅性，且注射的水凝胶可在加热板表面迅速成胶(图6)。
五、力学性能评价
采用流变仪和纳米压痕仪测试37℃条件下实施例1步骤(1)中制备的PLGA-PEG-PLGA水凝胶(即共聚物PLGA-PEG-PLGA配置成17～19％的水溶液)和步骤(4)中制备的纳米短纤维基温敏水凝胶的储能模量、黏度(剪切速度1/s)以及压痕深度为3000nm时的荷载和弹性模量。结果显示，纳米短纤维基温敏水凝胶的储能模量为PLGA-PEG-PLGA水凝胶的1.5～1.8倍，弹性模量可以达到PLGA-PEG-PLGA水凝胶的30倍，黏度为PLGA-PEG-PLGA水凝胶的6.5倍；更重要的是纳米压痕载荷结果显示，加入纳米短纤维后的温敏水凝胶的力学性能得到了显著提高，约为原来的3倍(表1)。
表1 PLGA-PEG-PLGA水凝胶和温敏水凝胶的性能测试结果
Figure BDA0003626556400000051
六、药物缓释性能表征
通过体外药物缓释试验评价本实施例的纳米短纤维基温敏水凝胶的药物缓释性能。如图7所示，纳米短纤维基温敏水凝胶表现出稳定的药物缓释性能，CS的药物缓释周期超过20天，且短纤维内部负载CS与温敏水凝胶中掺杂的DS出现了明显的梯度缓释效果，纳米短纤维基温敏水凝胶基体中的DS优先释放出来，可抑制软骨损伤区域炎症反应，减缓疼痛和积液；随后，短纤维负载的CS长效缓慢释放，有利于软骨持续修复。
在上述实施例及其替代方案中，硫酸软骨素与PLGA的质量比还可以为1：20、1.5：20、2.5：20、3：20等，PLGA纺丝液的浓度还可以为25％、26％、27％、28％、29％等。
在上述实施例及其替代方案中，静电纺丝的工艺条件中，纺丝电压还可以为15kV、16kV、17kV、18kV等，注射泵流速还可以为0.057mm/min、0.065mm/min、0.007mm/min、0.085mm/min等，接收距离还可以为14cm、16cm、18cm、20cm等，环境温度还可以为30℃、31℃、32℃、33℃、34℃等，湿度还可以为25％、26％、30％、35％、40％等。
在上述实施例及其替代方案中，均质机的转速还可以为14000rpm、15000rpm、17000rpm、18000rpm等，处理时间还可以为10min、20min、40min等。
在上述实施例及其替代方案中，CS@PLGA纳米纤维膜的质量与叔丁醇的体积之比还可以在(1～5)g：50mL范围内根据实际需求进行确定。
在上述实施例及其替代方案中，离心筛选的条件中，转速还可以为500rpm、600rpm、800rpm、900rpm等，离心时间还可以为1.5min、2min、3min等。
在上述实施例及其替代方案中，双氯芬酸钠、CS@PLGA纳米短纤维、三嵌段共聚物PLGA-PEG-PLGA的质量配比还可以在(1～2)：(2～5)：20范围内根据实际需求进行确定。
在上述实施例及其替代方案中，三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解得到的三嵌段共聚物溶液的浓度还可以为18wt％、18.5wt％、19wt％等。
由于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以PEG作为引发剂，辛酸亚锡作为催化剂，通过开环聚合反应，连接丙交酯和乙交酯，得到三嵌段共聚物；
(2)将硫酸软骨素加入到PLGA纺丝液中充分搅拌，通过静电纺丝得到纳米纤维膜；
将纳米纤维膜剪碎，浸泡在叔丁醇溶液中，经过均质处理、离心筛选，取上层溶液冷冻干燥后得到纳米短纤维；
(3)将三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解，之后加入抗炎药物双氯芬酸钠和纳米短纤维充分搅拌分散，得到纳米短纤维基温敏水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，PEG的分子量为1500g/mol，丙交酯与乙交酯的摩尔比为3：1，开环聚合的反应条件为140℃反应12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，硫酸软骨素与PLGA的质量比为(1～3)：20，PLGA纺丝液的浓度为25～30％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述PLGA纺丝液中的PLGA的质量与溶剂的体积之比为0.25～0.3g/mL，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的组合。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，静电纺丝的工艺条件为：纺丝电压14～18kV，注射泵流速为0.057～0.088mm/min，接收距离为14～20cm，环境温度30～35℃，湿度25～40％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，均质处理的转速为14000～18000rpm，处理时间为10～40min；
纳米纤维膜的质量与叔丁醇的体积之比为(1～5)g：50mL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，离心筛选的条件为：转速为500～1000rpm，离心时间1～3min，弃去离心沉淀，取上层溶液。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，双氯芬酸钠、纳米短纤维、三嵌段共聚物的质量配比为(1～2)：(2～5)：20。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，三嵌段共聚物在PBS溶液中充分溶解得到的三嵌段共聚物溶液的浓度为17～19wt％。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的软骨修复用纳米短纤维基温敏水凝胶。
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