CN115607736A - 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115607736A
CN115607736A CN202211047012.0A CN202211047012A CN115607736A CN 115607736 A CN115607736 A CN 115607736A CN 202211047012 A CN202211047012 A CN 202211047012A CN 115607736 A CN115607736 A CN 115607736A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mesoporous silica
msns
bone
group
bmp4
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211047012.0A
Other languages
English (en)
Inventor
章浩
隋钧皓
王光超
丁晨
陈梦晨
丁云
常欣宇
孙智
刘澍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
First Affiliated Hospital of Naval Military Medical University of PLA
Original Assignee
First Affiliated Hospital of Naval Military Medical University of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by First Affiliated Hospital of Naval Military Medical University of PLA filed Critical First Affiliated Hospital of Naval Military Medical University of PLA
Priority to CN202211047012.0A priority Critical patent/CN115607736A/zh
Publication of CN115607736A publication Critical patent/CN115607736A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/34—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/30—Inorganic materials
    • A61L27/306—Other specific inorganic materials not covered by A61L27/303 - A61L27/32
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/20—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing organic materials
    • A61L2300/204—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing organic materials with nitrogen-containing functional groups, e.g. aminoxides, nitriles, guanidines
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/20—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing organic materials
    • A61L2300/252—Polypeptides, proteins, e.g. glycoproteins, lipoproteins, cytokines
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/404—Biocides, antimicrobial agents, antiseptic agents
    • A61L2300/406—Antibiotics
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/41—Anti-inflammatory agents, e.g. NSAIDs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/60—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a special physical form
    • A61L2300/606—Coatings
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2420/00—Materials or methods for coatings medical devices
    • A61L2420/04—Coatings containing a composite material such as inorganic/organic, i.e. material comprising different phases
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2420/00—Materials or methods for coatings medical devices
    • A61L2420/06—Coatings containing a mixture of two or more compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明为一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法，涉及医学纳米材料领域，具体是一种抗感染，促进骨髓间充质干细胞成骨分化及抑制骨吸收、抑制炎症反应的多种生物功能化的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法。本发明通过共价接枝的方法固定骨形态发生蛋白4到介孔二氧化硅颗粒表面，并将抗生素依诺沙星负载到其表面孔隙中，使得该纳米材料能够保持其抗菌生物活性并且能够促进骨髓间充质干细胞成骨分化及骨矿化，除此之外还具有抑制骨吸收和抑制炎症因子的分泌。该方法条件简单、成本低、制备的纳米材料具备多种生物功能；减少植入物植入体内后的感染与早期因过度的炎症反应引起的松动相关并发症。

Description

一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及医学纳米材料技术领域，具体地说，是一种抗感染，促进成骨分化及抑制骨吸收和抑制炎症反应的多种生物功能化的新型骨科植入物纳米涂层及其制备方法。
背景技术
骨科植入物在临床上应用越来越广泛，然而，植入物术后感染是骨科手术的灾难性并发症，植入物周围细菌生物膜形成是造成感染治疗困难的主要原因。目前常用的治疗方法欠佳，清创术后是否保留内固定一直以来也是争论的热点。另外更换新的植入物费用昂贵，给社会和家庭带来了巨大的经济负担。
随着医用植入物的应用，随之而来的骨科植入物表面的细菌生物膜感染日益增多，由于处理起来相当棘手，成为了困扰骨科临床医师的重要难题。目前，尚无非常有效的无创性生物膜破坏技术，主要靠清创手术，抗生素治疗，甚至取出移植物，感染控制后再重新安装(翟骁,何帆,赵检,等.实用骨科杂志,2016,22(4):4.)。这些方法增加了患者的痛苦，且费用昂贵、周期较长。
针对目前骨科植入物术后感染的现状，在现有的抗感染的基础上，研发一种有效的内植物抗菌材料，从根源上抑制细菌生物膜的形成，提高局部抗菌效率，将显著改善骨感染的救治效果。目前国内外主要通过研发骨科内植物抗菌材料来预防及治疗骨感染，主要以钛合金为基体，通过物理或化学方法，在表面形成不同性质的涂层，从而提高并改善金属材料表明的抗菌性能。但由于长期抗菌效果不明确、骨愈合不理想、耐药性和制作成本高等原因，目前的抗菌材料仍不能广泛应用于临床(常正奇,陈宇,康健,等.中国矫形外科杂志,2019,27(22):2063-2066.)。近些年，国内外研究人员相继报道，介孔二氧化硅纳米颗粒(Mesoporous silica nanoparticles，MSNs)因其良好的材料特性和生物相容性，常被用作药物运输的理想载体(田蕊竹.上海:东华大学,2020.)。其具有有序的孔道、较大的比表面积、丰富的表面化学性质和高的孔体积，因而在药物释放方面具有巨大的吸引力(Xu C,Xiao L,Cao Y,et al.Nano Research,2020.)。Gao X等人报道，骨形态发生蛋白质家族中的骨形态发生蛋白4(BMP4)可以促进骨组织愈合时的血管生成和骨的再生(Gao X.FASEBJ,2014,28(8):3792-3809.)。X.Liu等人研究发现，依诺沙星(EN)作为一种广谱抗生素，还可以通过抑制c-Jun氨基末端激酶信号通路来抑制破骨细胞的生成(X.Liu.Biomaterials,2014(35)：5721-5730.)。
另外，国内外现有的抗感染涂层，例如：抗生素涂层、无机抗菌剂涂层、生物材料涂层，功能较为单一，且尚未将抗感染与促进骨愈合较好的结合起来。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种抗感染，促进成骨分化及抑制骨吸收和抑制炎症反应的用于新型骨科植入物纳米涂层的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法。将不同功能的蛋白和药物通过优化设计负载在该材料上，使其具有包括抗感染在内的多种功效，骨科植入物涂层同时具有抗感染和促骨修复双重功能，将大大减少骨感染的几率并缩短愈合期。
本发明的第一方面，提供一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，是采用化学共价接枝的方式，在介孔二氧化硅颗粒(MSNs)表面固定骨形态发生蛋白4(BMP4)，并在其表面孔隙负载抗生素依诺沙星(Enoxacin)。
进一步的，所述的在MSNs表面固定BMP4的方法，是首先在MSNs表面引入功能官能团氨基，通过MSNs上的氨基与BMP4上的羧基发生共价结合。
更进一步的，接枝BMP4利用的化学反应为氨基与羧基发生的脱水缩合反应，即为BMP4上的羧基与MSNs上面的氨基(MSNs先与APTES进行氨基化)发生共价结合。
进一步的，所述的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：MSNs颗粒用无水乙醇重悬，加入APTES加热搅拌氨基化后，与BMP4反应生成BMP4共价修饰的MSNs-BMP4；在上述得到的修饰后的MSNs-BMP4中加入依诺沙星，搅拌加热并离心干燥后得到所述的介孔二氧化硅纳米复合材料(MSNs-BMP4-EN)。
更进一步的，MSNs与APTES搅拌加热，反应时间为6小时，反应温度为90℃，搅拌速度为500r/min。
更进一步的，依诺沙星与溶液的反应时间为6小时。
进一步的，采用溶胶-凝胶法制备MSNs颗粒，将十六烷基三甲基氯化铵(cetyltrimethylammonium chloride，CTAC)、三乙胺(triethylamine，TEA)和硅酸四乙酯(tetraethyl orthosilicate，TEOS)混合搅拌加热处理，通过回流、离心、清洗得到MSNs颗粒。
在本发明的一个优选实施方式中，CTAC在去离子水中搅拌加热在80℃、20分钟、500r/min条件下为佳，加入TEOs时以逐滴加入、反应4小时为佳。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)MSNs表面引入功能官能团氨基：首先在MSNs中加入APTES，在90℃、500r/min的搅拌速度下反应6h，然后取出后高速离心10min可得到氨基化的MSNs(即MSNs-NH2)，用甲醇和盐酸的混合液萃取3次(60℃，500r/min)，每次12h；最后再用无水乙醇和去离子水超声清洗3次，干燥；
(2)MSNs表面共价键固定BMP4：将步骤(1)获得的MSNs-NH2，与BMP4加入去离子水中，加热搅拌避光6h，后可获得MSNs-BMP4；
(3)MSNs表面负载依诺沙星：将上一步获得的MSNs-BMP4中加入依诺沙星，搅拌加热6h后高速离心(离心速度：10000r/min)，无水乙醇超声重悬后干燥获得MSNs-BMP3-EN。
上述实施方式中优选的参数决定了最终制备的纳米颗粒的粒径、孔径在较佳的大小；决定了氨基团、BMP4蛋白和抗生素能否共价接枝、载入到MSNs表面。
本发明的第二方面，提供一种采用如上所述的制备方法制备得到的多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料。
本发明采用化学共价键接枝方式，在MSNs表面固定BMP4，并在孔隙负载依诺沙星，与具有单一抗菌生物学性能的涂层相比，本发明的BMP4和依诺沙星修饰的MSNs除了具有抗感染性能外，还具有促进成骨分化、抑制骨吸收及抑制巨噬细胞炎症反应的性能。
本发明的第三方面，提供一种如上所述的多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料在制备骨科植入物纳米涂层中的应用。
利用多巴胺在植入物表面自聚合形成聚多巴胺层，聚多巴胺层表面的氨基通过静电作用力诱导无机硅源在植入物表面脱水缩合，形成致密且透明的介孔二氧化硅涂层。
进一步的，所述的纳米涂层为抗感染、促进成骨分化及抑制骨吸收和抑制炎症反应的纳米涂层。
更进一步的，所述的抗感染主要针对骨科感染常见菌：革兰氏阳性球菌：金黄色葡萄球菌等。
更进一步的，所述的促进成骨分化为促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化及骨细胞外基质矿化。
更进一步的，所述的抑制骨吸收为抑制TRAP，NFATc1，CTSK，DC-STAMP等相关破骨基因的表达。
更进一步的，所述的抑制炎症反应为抑制巨噬细胞炎症反应，具体为抑制白介素-1β(IL-1β)，白介素-10，iNOS及相关炎症基因的表达。
本发明的第四方面，提供一种如上所述的多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料作为纳米涂层在制备骨科植入物中的应用。
本发明优点在于：
1、本发明提供了一种具备多种生物活性的介孔二氧化硅纳米材料及其制备方法，通过该方法对MSNs进行多种功能化，可以解决骨科内植入物仅有抗感染的单一功能的现状。本发明通过对MSNs进行化学共价修饰，使其能接枝、负载多种蛋白及药物达到多种生物功能化，即抗感染，促进成骨分化及抑制骨吸收和抑制巨噬细胞炎症反应。
2、本发明为介孔二氧化硅提供一种生物活性药物修饰，该生物活性药物为BMP4和依诺沙星，具有促进骨髓间充质干细胞成骨分化的作用和广谱的抗菌活性，同时具有抑制骨吸收和抑制巨噬细胞炎症的作用。
3、本发明所用的介孔二氧化硅、BMP4已被本发明及众多研究证明无毒无害，依诺沙星是临床上常用的抗生素，说明该药物的安全及可靠性较好，并且本发明制备工艺简单、成本低、效率高、可重复性好。本发明所提供的纳米复合材料，具有良好的稳定性和多种生物学性能，抗感染，促进骨髓间充质干细胞成骨分化及抑制骨吸收并抑制巨噬细胞炎症反应，减少植入物植入体内后的感染与早期因过度的炎症反应引起的松动相关并发症，可以改善目前骨科植入物临床应用中的局限性。
附图说明
图1：各组材料的扫描(A)和透射(B)图像：A1(MSNs)，A2(MSNs-BMP4)，A3(MSNs-BMP4-EN)，A4(MSNs-EN)。B1(MSNs)，B2(MSNs-BMP4)，B3(MSNs-BMP4-EN)，B4(MSNs-EN)。
图2：各组的CCK-8细胞毒性试验；三组材料在0-50vg/mL的浓度之间是安全无毒的。(A组：MSNs；B组：MSNs-BMP4；C组：MSNs-BMP4-EN)。
图3：各组材料的骨髓间充质干细胞成骨细胞分化的碱性磷酸酶活性检测；其中A图为各对照组实验组成骨诱导4和7天后碱性磷酸酶染色的视图，B图为各组的碱性磷酸酶活性的定量评价。实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
图4：各组材料胶原染色及定量试验；其中A图为各组成骨诱导10和14天后胶原染色的视图，B图为各组的天狼星红染色的定量评价。实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
图5：细胞外基质茜素红染色及定量试验；其中A图为各组成骨诱导14和21天后茜素红染色的视图，B图为各组茜素红染色的定量评价。实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的促成骨作用。
图6：各组材料体外钙黄绿素、茜素红染色电镜及成骨基因PCR分析；其中A图为各组(对照组，MSNs，MSNs-EN，MSNs-BMP4-EN)大鼠股骨切片钙黄绿素、茜素红染色共聚焦显微镜图像，B图为在第7、14和21天对成骨基因ALP、BMP、BSP、OCN、OPN和RUN进行实时PCR分析的结果。实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
图7：各组材料VG染色；实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组,MSNs组相比具有明显的促成骨作用，与MSNs-BMP4组相比也有较好的效果。
图8：各组材料抑制破骨基因PCR分析；实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的抑制骨吸收作用。
图9：各组材料炎症基因PCR分析；实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的抑制巨噬细胞炎症的作用。
图10：各组材料体内抗感染试验中MicroCT图像(A)及骨体积分数、骨小梁数目、结构模式指数、骨小梁间隙分析(B)；实验组MSNs-BMP4-EN的促成骨作用优于其他各组。
图11：各组材料的体内骨修复试验中的MicroCT图像(A)及骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量、结构模式指数分析(B)；实验组MSNs-BMP4-EN的促成骨作用优于其他各组。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
实施例1：
(1)MSNs表面引入功能官能团氨基：首先在MSNs中加入APTES，在90℃、500r/min的搅拌速度下反应6h，然后取出后高速离心10min可得到氨基化的MSNs(即MSNs-NH2)，用甲醇和盐酸的混合液萃取3次(60℃，500r/min)，每次12h。最后再用无水乙醇和去离子水超声清洗3次，干燥。
(2)MSNs表面共价键固定BMP4：将步骤(1)获得的MSNs-NH2，与BMP4加入去离子水中，加热搅拌避光6h，后可获得MSNs-BMP4。扫描电镜及投射电镜对其进行表征。
(3)MSNs表面负载依诺沙星：将上一步获得的MSNs-BMP4中加入依诺沙星，搅拌加热6h后高速离心(离心速度：10000r/min)，无水乙醇超声重悬后干燥获得MSNs-BMP3-EN。
实施例2：共价接枝BMP4并负载依诺沙星的MSNs的生物学性能(抗菌及促进成骨分化抑制骨吸收及抑制巨噬细胞炎症反应)实验
采用的细菌为金黄色葡萄球菌(ATCC:25923)，采用的细胞为大鼠骨髓间充质干细胞(SD大鼠股骨提取并体外培养而来)，但其他人成体干细胞(脂肪间充质干细胞，内皮祖细胞等)具有成骨分化潜能的干细胞同样适用于本实验。
体外实验分为四组：对照组(只有BMSCs细胞)，MSNs组，MSNs-BMP4组，MSNs-BMP4-EN组。将24孔板中每组设3个复孔。第三代大鼠骨髓间充质干细胞(rat bonemesenchymalmarrow stem cell，rBMMSC)接种于各孔内上，控制细胞密度(1×105)，每孔1ml。37℃、5％CO2条件下在细胞培养箱内培养24小时达到细胞贴壁后，细胞培养基更换为含有成骨诱导液的DMEM培养基(成骨诱导液：10％胎牛血清培养液中加入50μM维生素C，10mMβ-甘油磷酸钠和100nM地塞米松)。此后，每3天换液，分别进行4、7天碱性磷酸酶染色定量实验，10、14天胶原染色实验，14、21天茜素红染色实验。同样在6孔板中进行第7、14、21天的聚合酶链式反应分析以及蛋白印迹分析来比较各组材料对骨髓间充质干细胞的促成骨作用。
各组材料的骨髓间充质干细胞成骨细胞分化的碱性磷酸酶活性检测结果见图3。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
各组材料胶原染色及定量试验结果见图4。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
细胞外基质茜素红染色及定量试验结果见图5。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的促成骨作用。
各组材料体外钙黄绿素、茜素红染色及成骨基因PCR分析结果见图6。其中A为各组(对照组，MSNs，MSNs-EN，MSNs-BMP4-EN)大鼠股骨切片钙黄绿素、茜素红染色共聚焦显微镜图像。B为在第7、14和21天对成骨基因ALP、BMP、BSP、OCN、OPN和RUN进行实时PCR分析的结果。图中显示出MSNs-BMP4-EN组的共聚焦显微镜图像中的成骨分化程度明显优于其他三组。实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组相比具有明显的促成骨作用，MSNs-BMP4组与实验组效果相当。
各组大鼠股骨VG染色显微镜图像见图7。图中也显示出MSNs-BMP4-EN组的成骨分化程度明显优于其他三组。
取4周龄雌性C57小鼠股骨BMM细胞，在含有M-CSF(50ng/ml)和10％胎牛血清的α-MEM培养基中增值培养4天，加入RANKL(100ng/ml)进行诱导3-6天，其余同前，分别于第3天、第6天收集细胞进行聚合酶链式反应分析。各组材料抑制破骨基因的PCR分析结果见图8。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的抑制骨吸收作用。实验组MSNs-BMP4-EN的破骨基因表达降低，表明该材料具有抑制破骨分化的作用。
同样以RAW细胞为对照组，设置MSNs、MSNs-BMP4和MSNs-BMP4-EN三个实验组。其余同前，分别与第一天、第三天提取RNA进行聚合酶链式反应，来比较不同组之间的炎症因子的表达。各组材料炎症基因PCR分析结果见图9。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN与空白对照组、MSNs组、MSNs-BMP4组相比具有明显的抑制巨噬细胞炎症的作用。
获得并培养金葡菌。取16只7-8周SD雄性大鼠随机分为4组，腹腔注射1％戊巴比妥进行麻醉。无菌条件下沿膝外侧切开其左膝关节，将髌骨移向内侧，暴露股骨下端。用电钻股骨逆行扩髓，加入各组复合材料(①羟基磷灰石(HA)+细菌，②HA+细菌+MSNs，③HA+细菌+MSNs-BMP4-EN，④HA+细菌)，骨蜡封口，缝合膝关节，闭合切口。除第4组术后腹腔注射依诺沙星(3mg/kg)外，其余各组手术前后均不应用全身或局部抗生素。饲养2周后处死，取大鼠左侧股骨进行Micro-CT分析体内成骨，并提取股骨细菌涂板，探查各组材料在大鼠体内的成骨情况和抗感染效果。各组纳米复合材料体内动物试验研究结果见图10。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN的促成骨作用优于其他各组。
同样获得并培养金葡菌。取16只7-8周SD雄性大鼠随机分为4组，腹腔注射1％戊巴比妥进行麻醉。手术方法同上述。每组加入10vl金葡菌(106个/ml)和HA，骨蜡封口，缝合膝关节，闭合切口。术后每三天各组分别腹腔注射生理盐水和材料的混合液(3mg/Kg)(生理盐水+MSNs、生理盐水+MSNs-EN、生理盐水+MSNs-BMP4-EN)，第1组为单纯注射生理盐水的对照组。饲养2月后处死，取左侧股骨进行Micro-CT放射及组织切片处理，观察各组材料对大鼠骨修复的影响。各组纳米复合材料体内骨修复实验结果见图11。图中显示出实验组MSNs-BMP4-EN的促成骨作用优于其他各组。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，是采用化学共价接枝的方式，在介孔二氧化硅颗粒表面固定骨形态发生蛋白4，并在其表面孔隙负载依诺沙星。
2.根据权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：介孔二氧化硅颗粒用无水乙醇重悬，加入APTES加热搅拌氨基化后，与骨形态发生蛋白4反应生成骨形态发生蛋白4共价修饰的介孔二氧化硅MSNs-BMP4；在上述得到MSNs-BMP4中加入依诺沙星，搅拌加热并离心干燥后得到所述的介孔二氧化硅纳米复合材料。
3.根据权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，介孔二氧化硅与APTES搅拌加热，反应时间为6小时，反应温度为90℃，搅拌速度为500r/min。
4.根据权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，依诺沙星与溶液的反应时间为6小时。
5.一种采用如权利要求1-4任一所述的制备方法制备得到的多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料。
6.一种如权利要求5所述的多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料在制备骨科植入物纳米涂层中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的纳米涂层为抗感染、促进成骨分化及抑制骨吸收和抑制炎症反应的纳米涂层。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的抗感染针对骨科感染常见菌：革兰氏阳性球菌、金黄色葡萄球菌。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的促进成骨分化为促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化及骨细胞外基质矿化；所述的抑制骨吸收为抑制相关破骨基因TRAP，NFATc1，CTSK，DC-STAMP的表达。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的抑制炎症反应为抑制抑制白介素-1β，白介素-10，iNOS及相关炎症基因的表达。
CN202211047012.0A 2022-08-30 2022-08-30 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法 Pending CN115607736A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211047012.0A CN115607736A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211047012.0A CN115607736A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115607736A true CN115607736A (zh) 2023-01-17

Family

ID=84856706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211047012.0A Pending CN115607736A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115607736A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140079741A1 (en) * 2011-03-18 2014-03-20 Katholieke Universiteit Leuven Ku Leuven Research & Development Inhibition and treatment of biofilms
WO2016058244A1 (zh) * 2014-10-14 2016-04-21 四川大学 表面抗菌功能化的类骨磷灰石-聚氨酯骨修复支架及制备方法
CN108371726A (zh) * 2018-05-16 2018-08-07 新疆医科大学第附属医院 一种载携pdgf-bb的载银介孔氧化硅纳米颗粒及其制备方法和应用
CN113842498A (zh) * 2021-08-31 2021-12-28 上海市第六人民医院 一种促进肩袖腱骨愈合和抑制肌肉脂肪浸润的电纺膜支架及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140079741A1 (en) * 2011-03-18 2014-03-20 Katholieke Universiteit Leuven Ku Leuven Research & Development Inhibition and treatment of biofilms
WO2016058244A1 (zh) * 2014-10-14 2016-04-21 四川大学 表面抗菌功能化的类骨磷灰石-聚氨酯骨修复支架及制备方法
CN108371726A (zh) * 2018-05-16 2018-08-07 新疆医科大学第附属医院 一种载携pdgf-bb的载银介孔氧化硅纳米颗粒及其制备方法和应用
CN113842498A (zh) * 2021-08-31 2021-12-28 上海市第六人民医院 一种促进肩袖腱骨愈合和抑制肌肉脂肪浸润的电纺膜支架及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOJUN ZHOU等: "《BMP-2 Derived Peptide and Dexamethasone Incorporated Mesoporous Silica Nanoparticles for Enhanced Osteogenic Differentiation of Bone Mesenchymal Stem Cells》", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》, vol. 7, no. 29, pages 15777 - 15789 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guan et al. Human urine-derived stem cells can be induced into osteogenic lineage by silicate bioceramics via activation of the Wnt/β-catenin signaling pathway
Przekora The summary of the most important cell-biomaterial interactions that need to be considered during in vitro biocompatibility testing of bone scaffolds for tissue engineering applications
Liu et al. Biomimetic organic-inorganic hybrid hydrogel electrospinning periosteum for accelerating bone regeneration
Liu et al. Synthesis and characterization of a hydroxyapatite-sodium alginate-chitosan scaffold for bone regeneration
CN103861154B (zh) 一种双层复合骨组织工程支架及其制备方法
CN110478528B (zh) 一种新型的促组织修复材料的制备方法及其应用
Li et al. A cell-engineered small intestinal submucosa-based bone mimetic construct for bone regeneration
Olyveira et al. Human dental pulp stem cell behavior using natural nanotolith/bacterial cellulose scaffolds for regenerative medicine
Feng et al. Stem-cell-derived ECM sheet–implant complexes for enhancing osseointegration
Shrestha et al. Micro/nanometer-sized porous structure of zinc phosphate incorporated Ti (HPO4) 2 hydrate bioceramic induces osteogenic gene expression and enhances osteoporotic bone regeneration
Wu et al. Electrospun fibers immobilized with BMP-2 mediated by polydopamine combined with autogenous tendon to repair developmental dysplasia of the hip in a porcine model
Yu et al. Electrospun fibrous scaffolds with iron-doped hydroxyapatite exhibit osteogenic potential with static magnetic field exposure
Farmani et al. Preparation and in vitro osteogenic evaluation of biomimetic hybrid nanocomposite scaffolds based on gelatin/plasma rich in growth factors (PRGF) and lithium-doped 45s5 bioactive glass nanoparticles
Mostajeran et al. Effects of cerium-doped bioactive glass incorporation on an alginate/gelatin scaffold for bone tissue engineering: In vitro characterizations
CN115607736A (zh) 一种多种功能化修饰的介孔二氧化硅纳米复合材料及其制备方法
CN110292654A (zh) 一种负载抗菌多肽的钛合金表面胶原涂层及其制备方法
CN115463263B (zh) 一种可注射双网络水凝胶体系及其制备方法和应用
Nafary et al. Electrospun poly-L-lactic acid coated with silicate bioceramic nanoparticles enhance osteogenic differentiation of adipose tissue derived mesenchymal stem cells
Zhang et al. [Retracted] Restoration of Critical‐Sized Defects in the Rabbit Mandible Using Autologous Bone Marrow Stromal Cells Hybridized with Nano‐β‐tricalcium Phosphate/Collagen Scaffolds
Wang et al. Coating polyelectrolyte multilayers loaded with quercetin on titanium surfaces by layer-by-layer assembly technique to improve surface osteogenesis under osteoporotic condition
CN114748692B (zh) 一种基于介孔二氧化硅的表面功能化钛基植入体及其制备方法与应用
Liu et al. Porous PLGA/MBG scaffold enhanced bone regeneration through osteoimmunomodulation
CN115737939A (zh) 一种基于羟基磷灰石涂层的sis膜、其制备方法及应用
Yun et al. Local delivery of recombinant human bone morphogenic protein-2 (rhBMP-2) from rhBMP-2/heparin complex fixed to a chitosan scaffold enhances osteoblast behavior
Li et al. Osteoimmunity-regulating nanosilicate-reinforced hydrogels for enhancing osseointegration

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination