CN115944777A

CN115944777A - 一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN115944777A
Application number: CN202211239438.6A
Authority: CN
Inventors: 王利环; 张成霖; 于晖; 莫锦鹏; 甘锋; 余西; 吴廷斌; 杜学贤; 梅瑞娴; 范嘉豪; 林名泉; 苏泰考
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2023-04-11

Abstract

本发明公开了一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架及其制备方法和应用，仿生支架包括分散有SiO₂‑CaO‑P₂O₅纤维的复合支架，所述的SiO₂‑CaO‑P₂O₅纤维在明胶中均匀分布，交错搭接，纤维搭接处的京尼平交联的明胶对纤维进行固定。本发明的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架具有较好的力学性能、生物相容性和光热转化性能。这是因为本发明的SiO₂‑CaO‑P₂O₅纤维均匀分散在明胶中，京尼平的加入，能够使得明胶和京尼平发生交联，交联后形成的聚合物具有光热转化性能，其能够用于骨组织结构。

Description

一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及组织工程技术领域，尤其是涉及一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架及其制备方法和应用。

背景技术

由骨肿瘤切除引起的骨缺损不但难以自发愈合，而且术后存在肿瘤细胞切除不彻底，微小肿瘤细胞转移带来复发的情况，从而需要进行多次骨肿瘤切除以及骨缺损修复治疗，对患者身体健康造成极大的危害，目前临床上对于瘤段骨切除后形成的骨缺损主要采取自体骨移植、异体骨移植、自体瘤骨灭活后再植入、骨替代物移植。自体骨需从患者自身部位获取，供应来源十分有限，产生二次手术给患者带来巨大的痛苦。异体骨的来源比较广泛，但其存在免疫排斥的风险，异体骨移植30％出现骨吸收、再次骨折、骨不愈合等并发症，给患者带来更大的生理和心理创伤。自体瘤骨灭活过程和重建步骤复杂，造成手术时间延长，使出血及感染的发生率不可避免增高。骨替代物移植在骨缺损重建中应用最广泛、效果最好的方法，但其可加工性差、形状不易控制，从而难以实现与缺损处的本体骨紧密贴合。此外，以上四种移植物均无抑制肿瘤复发的功能，所以术后还需要结合几个疗程的化疗或放疗来抑制肿瘤复发，但长期的放化疗会导致骨骼疼痛和骨骼萎缩，带来严重的副作用。

因此，有必要提供一种仿生支架能够替代骨组织结构，且具有光热疗法抑制肿瘤的效果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面提出一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，能够有效替代骨组织结构，具有光热疗法和生物相容性。

本发明第二方面还提供一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架的制备方法。

本发明的第三方面提供一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架的应用。

根据本发明的第一方面实施例的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，包括分散有SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的复合支架，所述的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维在明胶中均匀分布，交错搭接，纤维搭接处的京尼平交联的明胶对纤维进行固定。

根据本发明实施例的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，至少具有如下有益效果：

本发明的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架具有较好的力学性能、生物相容性和光热转化性能。这是因为本发明的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维均匀分散在明胶中，京尼平的加入，能够使得明胶和京尼平发生交联，交联后形成的聚合物具有光热转化性能，其能够用于骨组织结构。

本发明的仿生支架中柔性SiO₂-CaO-P₂O₅纤维相互贯穿交错形成三维网络骨架，纤维搭接处其外层包裹的京尼平交联明胶实现粘结锚定，实现了更稳定的三维空间结构。柔性SiO₂-CaO-P₂O₅纤维和京尼平交联明胶赋予了复合SiO₂-CaO-P₂O₅纤维气凝胶支架良好的力学性能和压缩回弹性能。

根据本发明的一些实施例，所述的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架的体积密度为20～300mg/cm³；平均孔径为10～1000μm，可压缩形变范围为0～90％，10次压缩后塑性形变为0～10％。

根据本发明的一些实施例，包括如下按质量份计算的制备原料：

京尼平 0.1份～30份；

明胶 20份～90份；

玻璃纤维 10份～90份；

所述玻璃纤维为SiO₂-CaO-P₂O₅纤维。

根据本发明的一些实施例，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的直径为100nm～8000nm，SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的平均长径比为10～2000。

需要说明的是，京尼平的CAS号为6902-77-8。

根据本发明的一些实施例，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维通过如下步骤制备得到：

S110、将钙盐、硅源、磷源、溶剂和酸性催化剂混合，水解形成溶胶；

S120、将模板聚合物在溶剂中溶解形成模板聚合物溶液；

S130、将步骤S110中的溶胶与模板聚合物溶液混合均匀，得到前驱体溶液；

S140、将前驱体溶液置于注射器中，采用静电纺丝装置进行纺丝得到前驱体纤维；

S150、将前驱体纤维煅烧得到SiO₂-CaO-P₂O₅纤维。

根据本发明的一些实施例，所述硅源、钙盐、磷源的质量比为(10～19)：(1～9)：1。

根据本发明的一些实施例，所述钙盐为葡萄糖酸钙、氯化钙、溴化钙、碘化钙、硝酸钙、磷酸二氢钙、碳酸氢钙、硫酸氢钙、亚硫酸氢钙、次氯酸钙、氯酸钙、高氯酸钙或高锰酸钙中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述硅源包括正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、聚硅酸乙酯和四丁基正硅酸酯中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述酸性催化剂包括甲酸、乙酸、盐酸，硝酸，磷酸，多聚磷酸、草酸、丙酸、丁酸、辛酸、己二酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸或马来酸中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述磷源包括磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸铵中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，步骤S150中，所述煅烧的温度为600～1000℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S150中，所述煅烧的时间为2h～10h。

根据本发明的一些实施例，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、异丙醇、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙腈，甲胺，三氟代乙酸、乙酸、二恶烷、丙酮、吡啶、吗啉或二甲基亚砜的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述模板聚合物包括醋酸纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲壳素、壳聚糖、硝化纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸、明胶、聚氧化乙烯、聚偏氟乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚己内酯、聚乙丙交酯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮、聚偏氟乙酸和聚环氧乙烷中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述的纺丝参数为：纺丝电压为5～50kV，接收距离为5～30cm，灌注速度为0.1～20mL/h，温度为10～40℃，相对湿度为5％～70％。

本发明的第二方面实施例提供一种仿生支架的制备方法，包括如下步骤：

S210、将步骤S150中的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维均匀分散在明胶溶液中形成第一分散液；

S220、将京尼平溶液加入步骤S210中的第一分散液得到第二分散液；

S230、将步骤S220中的第二分散液进行冷冻，再进行冷冻干燥即得京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架。

根据本发明的一些实施例，步骤S210中，所述明胶溶液通过如下方法制备：

将明胶溶解于溶剂中，形成透明的明胶溶液。

根据本发明的一些实施例，所述溶解温度为30～60℃，所述明胶溶液的浓度为1％～10％。

根据本发明的一些实施例，步骤S210中，所述分散用的搅拌转速为1000～10000rmp。

根据本发明的一些实施例，步骤S220中，所述京尼平溶液的浓度为0.2％～2％。

根据本发明的一些实施例，步骤S230中，所述冷冻成型的温度为-15℃～-196℃，所述冷冻干燥的时间为12h～72h。

本发明的第三方面提供上述所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架在模拟瘤骨缺损修复中的应用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为实施例1的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维SEM图；

图2为实施例1的仿生支架超景深显微镜图片；

图3为实施例1的仿生支架干态在1.1W的功率照射下的红外成像图；

图4为实施例1的仿生支架浸润状态在2W的功率照射下的红外成像图；

图5为实施例1的仿生支架近红外照射和未照射状态下L929细胞在支架上的活细胞荧光照片；

图6为实施例1的仿生支架近红外照射和未照射状态下L929细胞在支架上的细胞活性数据。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

实施例1提供一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，包括分散有SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的复合支架，所述的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维在明胶中均匀分布，交错搭接，纤维搭接处的京尼平交联的明胶对纤维进行固定。其制备方法如下：

SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的制备：

S110、将无水乙醇10g，超纯水1.5g，冰醋酸0.5g，磷酸三乙酯0.36g，硅酸乙酯5.6g，四水硝酸钙1.725g混合，水解形成溶胶；将19.685g的10％聚乙烯醇缩丁醛溶液和溶胶混合搅拌，得到前驱体溶液；

S120、将前驱体溶液置于注射器中，控制温度25℃±5，湿度达到50％±5，将纺丝前驱体溶液加入到10mL针管中，选用28G大小的针头。调整金属针头与接收滚筒的距离为20cm，在金属针头上加载20kV的电压，调整滚筒速度为100rpm，采用静电纺丝装置进行纺丝得到纳米纤维；

S130、将纳米纤维在800℃下煅烧8h即得SiO₂-CaO-P₂O₅纤维，纤维直径为100-2000nm，长径比为10-1000。

仿生支架的制备方法如下：

S210、将步骤S130中的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维、京尼平、明胶和水混合在-80℃下冷冻，冷冻2小时，再将其进行冷冻干燥48h即得仿生支架，其组分用量见表1。

所述支架的体积密度为20mg/cm³，孔径为30～500μm。

对实施例1制备得到的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维采用SEM成像，成像结果如图1所示；纤维直径为100-2000nm，制备得到的仿生支架进行超景深显微镜成像，成像结果如图2所示，支架具有较好的宏观大孔结构，有利于细胞生长及营养物质、代谢产物运输。

对实施例1制备得到的仿生支架进行光热性能测试，分别利用近红外光照射干态和浸润状态的支架，用红外成像仪记录支架温度变化，测试结果如图3和图4所示，当支架处于干态时，激光功率为1.1W可使支架达到106.6℃，当支架处于浸润状态时，激光功率为2W可使支架达到70.5℃，说明支架具有优异的光热效应。

将细胞接种于实施例1制备得到仿生支架上培养1天后，采用近红外激光仪进行照射，照射功率2W，照射时间5min，分别在照射后的第24、48、72小时对照射和不照射的细胞活性进行测试，测试结果如图5和图6所示：在不照射的情况下，细胞活性随着培养时间增加到72小时而增加，表明支架具有优异的生物相容性，有助于细胞的增殖；而在近红外照射的情况下，细胞活性相比于不照射的下降显著，说明近红外照射该支架可以对细胞增殖起到抑制作用，因此可用于肿瘤的抑制。

实施例2～4

实施例2～4也提供一系列仿生支架，其制备方法如下与实施例1相同，其区别在于，实施例2～4中的仿生支架的原料组分不同，具体见表1。

表1实施例1～4的组分含量(份)

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					京尼平	2.4	1.2	0.6	0.3
明胶	30	30	30	30
					SiO<sub>2</sub>-CaO-P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>纤维	70	70	70	70

实施例5

实施例5也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的SiO₂：CaO：P₂O₅摩尔比设计为14：5：1，纤维直径为200-3000nm，长径比为10～700。所述支架体积密度为30mg/cm³，孔径为20～330μm。

实施例6

实施例6也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的SiO₂：CaO：P₂O₅摩尔比设计为12：7：1。纤维直径为300-4000nm，长径比为10～500。所述支架体积密度为30mg/cm³，孔径为30～450μm。

实施例7

实施例7也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的SiO₂：CaO：P₂O₅摩尔比设计为10：9：1。纤维直径为500-8000nm，长径比为10～300。所述支架的体积密度为30mg/cm³，孔径为30～600μm。

实施例8

实施例8也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，S130、将纳米纤维在900℃下煅烧8h即得SiO₂-CaO-P₂O₅纤维。纤维直径为200-3000nm，长径比为10～200。所述支架的体积密度为30mg/cm³，孔径为20～400μm。

实施例9

实施例9也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，所用模板聚合物为聚乙烯醇，模板聚合物溶剂为水，纤维直径为200-2000nm，长径比为50～1000，所述支架体积密度为30mg/cm³，孔径为20～260μm。

实施例10

实施例10也提供一种仿生支架，其制备方法如下与实施例3相同，其区别在于，所用模板聚合物为聚乙烯吡咯烷酮，模板聚合物溶剂为水，纤维直径为100-2000nm，长径比为20～1000，所述支架体积密度为30mg/cm³，孔径为20～270μm。

经过测试，实施例2～10与实施例1具有相似的效果。

上面结合本发明实施例作了详细说明，但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作出各种变化。

Claims

1.一种京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，包括分散有SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的复合支架，所述的SiO₂-CaO-P₂O₅纤维在明胶中均匀分布，交错搭接，纤维搭接处的京尼平交联的明胶对纤维进行固定。

2.根据权利要求1所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，所述的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架的体积密度为20～300mg/cm³；平均孔径为10～1000μm，可压缩形变范围为0～90％，10次压缩后塑性形变为0～10％。

3.根据权利要求1所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，包括如下按质量份计算的制备原料：

京尼平 0.1份～30份；

明胶 20份～90份；

玻璃纤维 10份～90份；

所述玻璃纤维为SiO₂-CaO-P₂O₅纤维。

4.根据权利要求1所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的直径为100～8000nm，SiO₂-CaO-P₂O₅纤维的平均长径比为10～2000。

5.根据权利要求1～4任一项所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，所述SiO₂-CaO-P₂O₅纤维通过如下步骤制备得到：

S120、将模板聚合物在溶剂中溶解形成模板聚合物溶液；

S150、将前驱体纤维煅烧得到SiO₂-CaO-P₂O₅纤维。

6.根据权利要求5所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，所述硅源、钙盐、磷源的质量比为(10～19)：(1～9)：1。

7.根据权利要求5所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架，其特征在于，所述钙盐为葡萄糖酸钙、氯化钙、溴化钙、碘化钙、硝酸钙、磷酸二氢钙、碳酸氢钙、硫酸氢钙、亚硫酸氢钙、次氯酸钙、氯酸钙、高氯酸钙或高锰酸钙中的至少一种；

和/或，所述硅源包括正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、聚硅酸乙酯和四丁基正硅酸酯中的至少一种；

和/或，所述酸性催化剂包括甲酸、乙酸、盐酸，硝酸，磷酸，多聚磷酸、草酸、丙酸、丁酸、辛酸、己二酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸或马来酸中的至少一种；

和/或，所述磷源包括磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸铵中的至少一种；

和/或，所述的模板聚合物包括醋酸纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲壳素、壳聚糖、硝化纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸、明胶、聚氧化乙烯、聚偏氟乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚己内酯、聚乙丙交酯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮、聚偏氟乙酸和聚环氧乙烷中的至少一种；

和/或，所述的溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、异丙醇、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙腈，甲胺，三氟代乙酸、乙酸、二恶烷、丙酮、吡啶、吗啉或二甲基亚砜的至少一种。

8.权利要求1～7任一项所述的京尼平交联的明胶/玻璃纤维仿生支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S230、将步骤S220中的第二分散液进行冷冻成型，再进行冷冻干燥即得京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架。

9.根据权利要求8所述的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架的制备方法，其特征在于，步骤S240中，所述冷冻成型温度为-15℃～-196℃。

10.根据权利要求1～7任一项所述的京尼平交联明胶/玻璃纤维仿生支架在模拟瘤骨缺损修复中的应用。