CN1539385A - 软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生物医学工程材料领域的一种软骨组织工程用可注射的改性水凝胶支架。是将水溶性氧化、还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体按重量比相混合配制成均匀溶液，在恒温水浴中反应，则可得到可用于软骨组织工程的可注射性水凝胶。提供了具有凝胶速度快、凝胶温度恒定、成形后凝胶强度大、保水能力极强、降解速度快又具有良好生物相容性的可用于软骨组织工程的可注射性水凝胶支架。应用前景非常广阔。

Description

软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架

技术领域

本发明属于生物医学工程材料领域，特别涉及一种软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架。

背景技术

软骨是一种再生能力很差的组织，由于外伤等原因所导致软骨缺损的修复是临床医学所面临的难题，目前主要采用自体移植或异体移植的方法加以修复。自体移植存在供体组织少、术后易导致供区畸形和感染等缺点，而异体软骨移植目前尚未解决软骨细胞活性与免疫原性之间的矛盾，两者均难以达到满意效果。自1907年组织培养技术开创以来，以组织细胞移植修复组织缺损为解决这一难题提供了新的方法。目前应用于软骨组织工程学研究的支架材料主要有碳纤维、聚羟基乙酸(PGA)、纤维蛋白、胶原、海藻酸盐、合成水凝胶等。

根据临床上软骨缺损和畸形整复的不同需求，目前的工程化软骨研究主要集中于两种不同的软骨构建方法，即可注射和特定形态软骨。可注射性水凝胶是国际上近几年兴起的一种相对新颖的软骨组织工程材料，提供了一类新的细胞固定机制，避免了传统组织工程材料需要表面处理等工艺，易于修复形状复杂而不规则的组织。它是指以可注射的生物材料作为软骨细胞的载体，通过组织工程的方法，将软骨细胞/载体复合物注射入机体内，形成软骨组织，从而达到修复软骨缺损的目的或用于外科整形。同特定成型的聚合物材料相比，可注射性材料用于软骨缺损修复的优势在于材料与修复组织之间嵌合连接好，塑形容易，细胞和(或)生长因子能与材料充分均匀混合，且能通过关节镜或其它微创方式操作，治疗简单、安全、有效、费用低，不会遗留明显的瘢痕。在细胞的体外培养研究表明，机械应力通过培养基质作用于细胞，可明显调节不同组织细胞的生长和表型表达。相比之下，凝胶材料适合于对细胞施加压力，因为细胞完全处于凝胶包围中，凝胶的应变易对细胞产生应力刺激。最初的可注射软骨是直接注射软骨细胞悬浮液，由于缺乏三维载体支架的生长环境，只有小的软骨结节形成，故可注射性软骨研究的重点在于载体材料的研究。

目前用于软骨组织工程的可注射性材料的相关专利有中国专利94193832，但此专利注重于用于软组织的可注射植入物组合物，包括弹性蛋白、胶原和生物相容载体，和本发明所描述的材料和方法均不相同。国外专利如US6129761中概括了几乎各类可注射材料的使用方法和范围，为今后的各种可注射性水凝胶建立起了一个标准；如在专利WO93/17669中提到了将聚乙二醇-微乳酸基-丙烯酸的聚合物做为支架材料，利用光引发反应等等。本发明选取的材料与前人的聚合物水凝胶相比，优点在于解决了诸如凝胶时间长、凝胶温度过高、凝胶强度低的问题，与本人前一专利“软骨组织工程用可注射性水凝胶支架”(已申请，未公开)相比，本发明加入了共聚物改性，选用了不同的引发剂，在原有优点的基础上进一步改进了生物相容性和降解性，提高了材料的强度和韧性，进一步缩短了凝胶时间，并且降解速度可根据不同配比调节。按照本发明制备的水凝胶支架已通过国际标准水凝胶细胞毒性的测定。

发明内容

本发明的目的是提供生物相容性良好的一种软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：将水溶性氧化还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体按重量比相混合；其氧化剂∶还原剂∶去离子水∶聚合物单体1∶聚合物单体2为1～120mg∶1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均匀溶液，在20℃-50℃恒温水浴中反应1min-60min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

所述水溶性氧化剂为过硫酸盐、过氧化氢、氢过氧化物。

所述还原剂包括：无机还原剂如NaHSO₃、Na₂SO₃、Na₂S₂O₃；有机还原剂如醇、胺。

所述聚合物单体1包括平均分子量300～5000的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯、平均分子量300～5000的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯。

所述聚合物单体2为N-乙烯吡咯烷酮。

所述醇包括无水乙醇、丙醇、丁醇、甘油。

所述胺包括NN-甲基-N-羟乙基苯胺，NN-二甲基苯胺、NN-二乙基苯胺、NN-二乙基(邻、间、对)甲苯胺、NN-二甲基(邻、间、对)甲苯胺、N-乙基-N-羟乙基苯胺、N-乙基-N-羟乙基间甲苯胺、NN-二羟乙基苯胺、NN-二羟乙基(间、对)甲苯胺、N-甲基-N-苄基苯胺、N-甲基-N-羟乙基苯胺、N-甲基-N-羟乙基间甲苯胺、NN-二丙基间甲苯胺、N-丁基-N-苄基间甲苯胺、N-丁基-N-羟乙基苯胺。

本发明的有益效果为通过采用不同的反应温度得到不同凝胶强度、凝胶速度和凝胶温度的适合不同需求的水凝胶支架，具有下述特点和优点：

(1)凝胶速度快；

(2)凝胶温度恒定；

(3)凝胶过程在均一水相中进行；

(4)凝胶力学性能优良；

(5)保水能力强；

(6)良好的生物相容性；

(7)降解速度可调。

具体实施方式

本发明为一种软骨组织工程用可注射性水凝胶支架。将水溶性氧化还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体相混合，按比例氧化剂∶还原剂∶去离子水∶聚合物单体1∶聚合物单体2为1～120mg∶1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均匀溶液，在20℃-50℃恒温水浴中反应1mim-60mim，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。仅举下面几个实施例对本发明予以进一步说明。

实施例1

取1克平均分子量为330的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDMA)、0.125克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、1毫克过硫酸铵、70毫克亚硫酸钠，1克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在50℃恒温水浴中反应15min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

实施例2

取1克平均分子量为550的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDMA)、2克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、8毫克过硫酸钾、4毫克亚硫酸氢钠，2克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在40℃恒温水浴中反应30min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

实施例3

取1克平均分子量为875的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDMA)、8克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、30毫克过硫酸铵、10毫升无水乙醇，10克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在30℃恒温水浴中反应45min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

实施例4

取1克平均分子量为1500的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDMA)、15克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、50毫克过硫酸钾、5微升N，N-甲基-N-羟乙基苯胺，15克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在20℃恒温水浴中反应60min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

实施例5

取1克平均分子量为2000的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDMA)、20克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、10毫升过氧化氢、50毫克甘油，20克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在5℃恒温水浴中反应15min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

实施例6

取1克平均分子量为2500的二丙烯酸聚乙二醇酯(PEGDA)、25克N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、90毫克过硫酸铵钾、5毫克硫代亚硫酸钠，15克去离子水，于烧杯中配制溶液，然后在40℃恒温水浴中反应45min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

从上面仅举的六个实施例中可以得到同样的未混悬软骨细胞的凝胶，由此所举其他材料的效果是显而易见，属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：将水溶性氧化还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体按重量比相混合；其氧化剂∶还原剂∶去离子水∶聚合物单体1∶聚合物单体2为1～120mg∶1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均匀溶液，在20℃-50℃恒温水浴中反应1min-60min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。

2.根据权利要求1所述软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：所述还原剂包括：无机还原剂为NaHSO₃、Na₂SO₃和Na₂S₂O₃；有机还原剂如醇和胺。

3.根据权利要求1所述软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：所述聚合物单体1包括平均分子量300～5000的二甲基丙烯酸聚乙二醇酯和平均分子量300～5000的二丙烯酸聚乙二醇酯。

4.根据权利要求1所述软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：所述聚合物单体2为N-乙烯吡咯烷酮。

5.根据权利要求2所述软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：所述醇包括无水乙醇、丙醇、丁醇和甘油。

6.根据权利要求2所述软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：所述胺包括NN-甲基-N-羟乙基苯胺，NN-二甲基苯胺、NN-二乙基苯胺、NN-二乙基(邻、间、对)甲苯胺、NN-二甲基(邻、间、对)甲苯胺、N-乙基-N-羟乙基苯胺、N-乙基-N-羟乙基间甲苯胺、NN-二羟乙基苯胺、NN-二羟乙基(间、对)甲苯胺、N-甲基-N-苄基苯胺、N-甲基-N-羟乙基苯胺、N-甲基-N-羟乙基间甲苯胺、NN-二丙基间甲苯胺、N-丁基-N-苄基间甲苯胺和N-丁基-N-羟乙基苯胺。