CN115105464B - 一种纳米复合水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米复合水凝胶及其制备方法和应用，属于生物医药技术领域。本发明通过交联O‑羧甲基壳聚糖和醛基化透明质酸与表没食子儿茶素‑3‑没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒交联，成功制备了一种可注射的纳米复合水凝胶HAP‑EGCG@CS‑HA，其具有自愈能力，可承受来自任何方向的力和能量，并且具有可生物降解性，从而可在体外诊断中释放HAP‑EGCG纳米棒，用于椎间盘变性等相关疾病的治疗，从而具有良好的实际应用之价值。

Description

一种纳米复合水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种纳米复合水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
椎间盘(IVD)变性(IVDD)是腰痛的主要病理基础，是全球残疾的主要原因之一。目前IVDD的治疗包括保守治疗（例如，物理治疗、口服镇痛药和补充剂）和侵入性治疗（例如，后路腰椎椎间融合术和经椎间孔腰椎椎间融合术）。然而，这些治疗是对症而非治疗，并且都不能再生IVD的结构和功能。
IVD由三个主要结构组成：软骨终板、内髓核（NP）和外纤维环（AF）。NP具有高度水合性，能够保持IVD高度和整个软骨终板的均匀负载转移。因此，NP的退化是IVDD的主要原因之一。NP的退化是由细胞外基质（ECM）合成代谢和分解代谢之间的不平衡引起的级联反应。在NP退化过程中，退化的髓核细胞（NPC）中ECM的分解代谢降低，基质金属蛋白酶（MMPs）的表达增加，从而促进了ECM的分解代谢。上述现象导致ECM合成代谢和分解代谢失衡。各种因子（生长和分化因子-5、全氟三丁胺和骨形态发生蛋白-7）已被用于诱导髓核分化和ECM合成代谢。然而，很少有研究对具有多向性能的天然衍生生物材料进行，这些生物材料既能促进ECM合成，又能抑制ECM分解代谢。因此，建立纳米复合生物材料体系对重建ECM合成代谢和分解代谢之间的平衡非常有必要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种纳米复合水凝胶及其制备方法和应用。本发明通过交联O-羧甲基壳聚糖（CMCS）和醛基化透明质酸（HA）与表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）包覆的羟基磷灰石（HAP）纳米棒交联，成功制备了一种可注射的纳米复合水凝胶HAP-EGCG@CS-HA，可用于椎间盘变性等相关疾病的治疗，并具备良好的实际应用之价值。
具体的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种纳米复合水凝胶，所述纳米复合水凝胶命名为HAP-EGCG@CS-HA，其是通过交联O-羧甲基壳聚糖和醛基化透明质酸与表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒交联获得；
其中，所述表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒均匀分布在水凝胶中，且不会破坏CS-HA的微观结构。
本发明的第二个方面，提供纳米复合水凝胶的制备方法，所述制备方法包括：
S1、制备HAP-EGCG复合物；
S2、将O-羧甲基壳聚糖的水溶液与负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液混合后即得纳米复合水凝胶。
具体的，所述步骤S1中，所述HAP-EGCG复合物采用如下方法制备得到：向表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中加入羟基磷灰石纳米棒进行超声分散后振荡即得。
所述羟基磷灰石纳米棒可采用现有任意已知方法（如共沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、溶剂热法等）获得或通过市售方式购得。
所述步骤S2中，
所述负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液具体为将HAP-EGCG复合物加入醛基化透明质酸的水溶液中混匀后即得。
本发明的第三个方面，提供上述纳米复合水凝胶在制备椎间盘退变药物中的应用。
本发明的第四个方面，提供一种药物，所述药物其活性成分包含上述纳米复合水凝胶。
本发明的第五个方面，提供一种椎间盘退变治疗的方法，所述方法包括向受试者施用治疗有效剂量上述纳米复合水凝胶或药物。
以上一个或多个技术方案的有益技术效果：
上述技术方案通过交联O-羧甲基壳聚糖和醛基化透明质酸与表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒交联，成功制备了一种可注射的纳米复合水凝胶HAP-EGCG@CS-HA，首先，作为生物活性成分的HAP-EGCG在修复NP中起主要作用。一方面，HAP可以通过大鼠骨髓间充质干细胞（rBMMSCs）的成核分化促进ECM的合成代谢。另一方面，EGCG能够通过诱导巨噬细胞表型2(M2)极化来减少NP中ECM的分解代谢。因此，HAP-EGCG纳米棒可以通过调节ECM合成代谢和分解代谢之间的平衡来有效修复NP。然后将HAP-EGCG纳米棒装入CS-HA并通过注射运输到IVD。最后，纳米复合水凝胶HAP-EGCG@CS-HA具有自愈能力，可承受来自任何方向的力和能量，以及可生物降解的特性，可在体外诊断中释放HAP-EGCG纳米棒，从而具有良好的实际应用之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中通过混合CMCS和HA溶液制备的水凝胶的照片以及用于证明可注射性和自愈性的过程。
图2为本发明实施例中HAP-EGCG@CS-HA的SEM图像（箭头指向HAP-EGCG纳米棒）。
图3为本发明实施例中CMCS和HA混合物的相图。
图4为本发明实施例中HAP-EGCG@CS-HA随时间的储能模量（G'）和损耗模量（G''）。CMCS 和HA的浓度分别为40 mg/mL 和 30 mg/mL，具有0.2 mg/mL HAP-EGCG纳米棒。G'和G''曲线的交叉时间点定义为机械凝胶点（tgel）。
图5为本发明实施例中G'和G''相对于时间的测量，以秒为单位。通过在前 100 秒内对水凝胶施加低应变（γ = 0.1%），然后在接下来的 50 秒内施加高应变（γ = 1000%）并重复两次来建立应力-应变测试。
图6为本发明实施例中HAP纳米棒、EGCG和HAP-EGCG纳米棒的紫外-可见光谱；插图分别是 HAP 纳米棒和HAP-EGCG的溶液。
图7为本发明实施例中HAP纳米棒和HAP-EGCG纳米棒的zeta电位。
图8为本发明实施例中不同浓度的HAP和HAP-EGCG的DPPH清除特性。
图9为本发明实施例中体内IVDD模型注射后0、4和8周的T2加权MRI冠状位图像。
图10为本发明实施例中体内IVDD模型注射后0、4 和8周T2加权MRI图像中IVD的灰度值。
图11为本发明实施例中体内IVDD模型注射后4周和8周HE和番红O染色的组织学分级。
图12为本发明实施例中体内IVDD模型注射后4周和8周时，IVD的HE和番红O染色。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下列具体实施方式中如果未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域技术内的生物学的常规方法和条件，这种技术和条件在文献中有完整解释。
如前所述，现有技术中鲜有对具有多向性能的天然衍生生物材料进行研究，因此，建立纳米复合生物材料体系对重建ECM合成代谢和分解代谢之间的平衡，进而用于IVDD等相关疾病的治疗非常有必要。
有鉴于此，本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种纳米复合水凝胶，所述纳米复合水凝胶命名为HAP-EGCG@CS-HA，其是通过交联O-羧甲基壳聚糖和醛基化透明质酸与表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒交联获得；其中，所述表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒均匀分布在水凝胶中，且不会破坏CS-HA的微观结构。
上述纳米复合水凝胶具有自愈合，可注射递送性能。同时，在治疗IVDD等相关疾病，表现出对髓核变性的逆转能力，从而介导IVD的再生。
本发明的又一具体实施方式中，提供纳米复合水凝胶的制备方法，所述制备方法包括：
S1、制备HAP-EGCG复合物；
S2、将O-羧甲基壳聚糖的水溶液与负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液混合后即得纳米复合水凝胶。
具体的，所述步骤S1中，所述HAP-EGCG复合物采用如下方法制备得到：
向表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中加入羟基磷灰石纳米棒进行超声分散后振荡即得。
其中，表没食子儿茶素-3-没食子酸酯与羟基磷灰石纳米棒的质量比为10-30：10，如12：10；
所述表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中表没食子儿茶素-3-没食子酸酯浓度控制为1-5 mg/mL，优选为2 mg/mL，溶液中的溶剂为tris-HCl缓冲液。
所述羟基磷灰石纳米棒可采用现有任意已知方法（如共沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、溶剂热法等）获得或通过市售方式购得，在本发明的一个具体实施方式中，所述羟基磷灰石纳米棒采用油酸-乙醇-水相转移体系通过溶剂热反应制备羟基磷灰石纳米棒，采用上述方法制备得到的羟基磷灰石纳米棒具有尺寸均等优点。
所述步骤S2中，
所述负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液具体为将HAP-EGCG复合物加入醛基化透明质酸的水溶液中混匀后即得。
其中，CMCS和HA分别溶解在水中，两种溶液混合后立即形成水凝胶（CS-HA），避免了使用化学连接剂或辐射光；表明CMCS的氨基和HA的醛基之间的席夫碱键有助于水凝胶的形成；此外，动态席夫碱键使CS-HA可注射和自愈。且由于氨基和醛基之间强烈而快速的席夫碱反应，CMCS和HA的浓度可以在很宽的范围内调节以形成水凝胶。具体的，在CMCS浓度不低于20 mg/mL和HA浓度不低于10 mg/mL时即可观察到水凝胶形成；在本发明的一个具体实施方式中，所述CMCS 浓度为20-50 mg/mL，如20-30 mg/mL、30-40 mg/mL或40-50 mg/mL；所述HA 浓度为10-50 mg/mL，如10-20 mg/mL、20-30 mg/mL、30-40 mg/mL或40-50 mg/mL。
所述HAP-EGCG复合物在混合液中浓度控制为0.1-1 mg/mL，如0.1 mg/mL、0.2 mg/mL、0.5 mg/mL、或1 mg/mL。由于EGCG的电负性，HAP-EGCG的zeta 电位低于HAP。此外，作为一种天然多酚，EGCG是一种优异的抗氧化剂，具有很强的自由基清除能力，在体外应用浓度为0.2 mg/mL时可清除50%的 DPPH，表明具有抑制炎症的能力。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述纳米复合水凝胶在制备椎间盘退变药物中的应用。
本发明的又一具体实施方式中，提供一种药物，所述药物其活性成分包含上述纳米复合水凝胶。
根据本发明，所述药物还包括至少一种药物非活性成分。所述药物非活性成分可以是药学上通常使用的载体、赋形剂及稀释剂等。在此不做具体限定。
本发明的一个具体实施方式中，上述纳米复合水凝胶或药物其剂型可以为注射剂；具体的，可将上述纳米复合水凝胶或药物注射到体外诊断的穿刺部位，从而实现治疗效果。经试验证明，其具备治疗椎间盘退变，缓慢释放EGCG-HAP，调节免疫微环境的能力。
本发明的又一具体实施方式中，所述药物施用对象可以是人和非人哺乳动物，如小鼠、大鼠、豚鼠、兔、狗、猴、猩猩等。
本发明的又一具体实施方式中，提供一种椎间盘退变治疗的方法，所述方法包括向受试者施用治疗有效剂量上述纳米复合水凝胶或药物。
所述受试者是指已经是治疗、观察或实验的对象的动物，优选指哺乳动物，最优选指人。所述“治疗有效量”是指包括本发明化合物在内的活性化合物或药剂的量，该量可引起研究者、兽医、医生或其他医疗人员所追求的组织系统、动物或人的生物学或医学响应，这包括减轻或部分减轻受治疗的疾病、综合征、病症或障碍的症状。必须认识到，本发明所述活性成分的最佳给药剂量和间隔是由其性质和诸如给药的形式、路径和部位以及所治疗的特定哺乳动物等外部条件决定的，而这一最佳给药剂量可用常规的技术确定。同时也必须认识到，最佳的疗程，即同时化合物在额定的时间内每日的剂量，可用本领域内公知的方法确定。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
HAP纳米棒通过将8 mL油酸和0.5 g NaOH水溶液在剧烈搅拌下混合。随后，依次加入176mg CaCl2水溶液和230mg NaH2PO4·2H2O水溶液。乙醇与水的比例为8:6，总体积为36mL。搅拌15分钟后，将混合物转移到40 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中。180摄氏度加热12 h，产物用乙醇和去离子水洗涤4次，然后离心收集并干燥。其次，将 12 mg EGCG溶解在6 mLtris-HCl（10 mM，pH=8.5）中。在EGCG溶液中加入10mg HAP，超声分散，室温振荡24h，形成HAP-EGCG复合物。在离心和用水洗涤两次后，将HAP-EGCG纳米棒分散在去离子水中进行表征，在PBS溶液中进行生物实验。为了确认EGCG在HAP表面上的修饰，在FTIR光谱仪（德国Bruker Tensor II）上监测500-4000 cm-1范围内的FTIR光谱。在 Shimadzu UV-2600(Japan) 分光光度计上记录紫外-可见光谱。使用 Malvern Zetasizer (Nano ZS90, UK)测量 zeta 电位。通过扫描电子显微镜（SEM，Zeiss G300，Germany）对形态和元素分析进行成像。
通过混合水溶性CMCS和负载HAP-EGCG 纳米棒的HA（HAP-EGCG@CS-HA）制备可注射的纳米复合水凝胶。如图1所示，CMCS和HA分别溶解在水中，两种溶液混合后立即形成水凝胶（CS-HA），避免了使用化学连接剂或辐射光。这些结果表明CMCS的氨基和HA的醛基之间的席夫碱键有助于水凝胶的形成。此外，动态席夫碱键使CS-HA可注射和自愈。在双注射器涂药器内将等体积的CMCS和HA溶液混合后，装载有HAP纳米棒或HAP-EGCG纳米棒的CS-HA可以通过窄针 (20 G) 注射。将三片水凝胶（即CS-HA、HAP@CS-HA和HAP-EGCG@CS-HA）切成两半后，可在3分钟内逐渐融合成完整的水凝胶通过将三种水凝胶放在一起，可以避免水凝胶碎片在体内流向周围的组织液。图2中的SEM图像显示CS-HA呈现多孔结构，HAP-EGCG纳米棒均匀分布在水凝胶中，不会破坏CS-HA的微观结构。由于氨基和醛基之间强烈而快速的席夫碱反应，CMCS和HA的浓度可以在很宽的范围内调节以形成水凝胶。特别地，如图3所示，在CMCS浓度不低于20 mg/mL和HA浓度不低于10 mg/mL时观察到水凝胶形成。流变分析表明，储能模量(G')和损耗模量(G″)的变化反映了水凝胶的状态转变。图4表明了HAP-EGCG@CS-HA的G′和G″随时间的变化。开始时G′小于G″，对应体系的溶胶态。随后，G'比G"增加得更快，由于CMCS和HA之间形成席夫碱键，导致出现18 s的凝胶点 (tgel)。当时间大于tgel时，G'明显大于G''，这意味着形成了稳定的水凝胶。通过在前100秒内向水凝胶施加低应变(γ =0.1%)，然后在接下来的50秒内向水凝胶施加高应变(γ = 1000%)，并重复两次来建立扫描步应变测试。凝胶在低应变下不受影响（G' > G”）并在高应变下变成溶胶（G' < G”）（图5）。该结果表明水凝胶具有自愈能力，这得益于动态席夫碱键。通过将EGCG和HAP纳米棒在碱性溶液 (pH=8.5)中混合获得HAP-EGCG纳米棒。如图6所示，HAP纳米棒和HAP-EGCG纳米棒的溶液分别为白色和灰色。在紫外-可见光谱中，EGCG和HAP-EGCG在206 nm处的吸收峰代表苯。从透射电子显微镜 (TEM)图像可以看出，HAP表面的EGCG并未改变纳米棒的形态，但影响了表面的电位，如图7所示。由于EGCG的电负性，HAP-EGCG的zeta电位低于HAP。此外，作为一种天然多酚，EGCG是一种优异的抗氧化剂，具有很强的自由基清除能力，在体外应用浓度为0.2 mg/mL时可清除50%的DPPH（图8），表明具有抑制炎症的能力。
为了评估体内体外诊断的再生效果，将0.08毫升水凝胶（CS-HA、HAP@CS-HA和HAP-EGCG@CS-HA）注射到体外诊断的穿刺部位。注射后4周和8周，在不同时间点对切片进行MRI和组织学染色，以评估体内IVD再生等级。MRI反映IVD的含水量，灰度值越高表明T2加权图像中的含水量越高。通过MRI测量的每组获得的冠状图像和4周和8周的定量分析如图9和图10所示。对照组在0、4、8周时IVD的灰度值相似，而针刺组在4周和8周时灰度值显着降低。注射CS-HA并没有显着改善针刺引起的灰度值变化。HAP@CS-HA和HAP-EGCG@CS-HA在4周和8周改善了针刺引起的灰度值变化，效果比CS-HA强。因此，基于MRI分析，HAP@CS-HA和HAP-EGCG@CS-HA 都减轻了IVD的退化。组织切片（H&E和番红O染色）用于观察髓核（NP）和纤维环的组织学以及IVD的胶原蛋白表达。我们还根据之前的研究计算了组织学评分。注射8周后，HAP-EGCG@CS-HA组在NP和纤维环之间显示出明显的边界，与4周观察到的相比，NP细胞结构和形态有显着改善（图11和图12）。此外，在CS-HA组和针刺组中，观察到纤维环和NP之间的边界模糊，并且NP的状况也恶化了。番红O染色可用于评估IVD中的胶原蛋白水平。与对照组相比，HAP-EGCG@CS-HA组的胶原蛋白水平较高，而CS-HA和针灸组的胶原蛋白水平较低（图12）。在HAP-EGCG@CS-HA组中，注射后8周组织学评分显着降低，表明注射后水凝胶的逆转能力和再生作用。在CS-HA组中，8周时的组织学评分高于4周时（图11）。
同时，接种在水凝胶上的体外大鼠骨髓间充质干细胞（rBMMSCs），其中HAP-EGCG@CS-HA可以诱导ECM合成代谢（ACAN、SOX9和COL2）并下调MMPs的表达。接种在水凝胶上的体外巨噬细胞，其中，HAP-EGCG@CS-HA可以诱导巨噬细胞M2极化和抗炎细胞因子（IL4和IL10），体内IVDD模型则证明HAP-EGCG@CS-HA可介导IVD再生过程。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米复合水凝胶，所述纳米复合水凝胶命名为HAP-EGCG@CS-HA，其是通过交联O-羧甲基壳聚糖和醛基化透明质酸与表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒交联获得；
其中，所述表没食子儿茶素-3-没食子酸酯包覆的羟基磷灰石纳米棒均匀分布在水凝胶中，且不破坏CS-HA的微观结构；
所述纳米复合水凝胶的制备方法包括：
S1、制备HAP-EGCG复合物；
S2、将O-羧甲基壳聚糖的水溶液与负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液混合后即得纳米复合水凝胶；
所述步骤S1中，所述HAP-EGCG复合物采用如下方法制备得到：
向表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中加入羟基磷灰石纳米棒进行超声分散后振荡即得；
所述步骤S2中，所述O-羧甲基壳聚糖浓度为20-50 mg/mL；
所述醛基化透明质酸浓度为10-50 mg/mL；
所述HAP-EGCG复合物在混合液中浓度控制为0.1-1 mg/mL。
2.权利要求1所述纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1、制备HAP-EGCG复合物；
S2、将O-羧甲基壳聚糖的水溶液与负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液混合后即得纳米复合水凝胶；
所述步骤S1中，所述HAP-EGCG复合物采用如下方法制备得到：
向表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中加入羟基磷灰石纳米棒进行超声分散后振荡即得；
所述步骤S2中，所述O-羧甲基壳聚糖浓度为20-50 mg/mL；
所述醛基化透明质酸浓度为10-50 mg/mL；
所述HAP-EGCG复合物在混合液中浓度控制为0.1-1 mg/mL。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，表没食子儿茶素-3-没食子酸酯与羟基磷灰石纳米棒的质量比为10-30：10；
所述表没食子儿茶素-3-没食子酸酯溶液中表没食子儿茶素-3-没食子酸酯浓度控制为1-5 mg/mL，溶液中的溶剂为tris-HCl缓冲液。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，
所述负载有HAP-EGCG复合物的醛基化透明质酸的水溶液具体为将HAP-EGCG复合物加入醛基化透明质酸的水溶液中混匀后即得。
5.权利要求1所述纳米复合水凝胶在制备椎间盘退变药物中的应用。
6.一种药物，其特征在于，所述药物其活性成分包含权利要求1所述纳米复合水凝胶。
7.如权利要求6所述药物，其特征在于，所述药物还包括至少一种药物非活性成分。
8.如权利要求6或7所述药物，其特征在于，所述药物剂型为注射剂。
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