专利名称：一种基于三羧酸循环的能量生物材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于生物医用材料领域，涉及一种多孔组织工程支架的制备方法，更具体地说，涉及一种基于三羧酸循环、应用于骨组织快速修复的能量生物材料及其制备方法。
背景技术：
骨缺损是临床常见的病症，因为肿瘤、创伤、骨髓炎手术清创，以及各种先天性疾病是导致骨缺损的主要原因。骨移植是临床上修复骨缺损最传统而有效的方法，但自体骨移植材料来源有限，而同种异体骨移植存在免疫原性及骨诱导性差的缺陷。因此，运用再生医学和组织工程的基本原理，发展新型骨替代材料，是骨缺损修复的发展趋势。在组织构建与再生医学领域，生物材料的作用无可替代。长期以来大量文献对各种无机矿物材料，有机高分子材料，金属及其复合材料进行了广泛研究，已从最初的生物惰性材料发展到生物活性和可降解材料，再到细胞调节因子与基因活性材料(Linda G.Griffith, Gail Naughton. Biomimetic materials for tissue engineering. AdvancedDrug Delivery Review, 2008, 2: 184-198.),但迄今为止，还尚未见该类有涉及能量(ATP)的生物材料应用于组织重建与再生的报道，设计和制备能量生物修复材料是一个全新构想，期望该类材料在起到细胞组织支架支撑作用的同时，还可起到能量供给或促进内源性ATP生成的作用。基于这一新构想，并结合骨修复早期快速再生的重大临床需求，本课题提出了基于ATP途径的能量生物材料的构建。ATP又称腺嘌呤核苷三磷酸，是生物体内的能量物质。ATP末端的磷酸基团不稳定，很容易水解脱去，同时放出大量热。研究表明，ATP从来源上分有细胞内ATP (即内源ATP)和细胞外ATP(外源ATP)，二者分别起能量供给、信号转导及蛋白活化的作用。在细胞体内，几乎所有形式的能量都是直接由ATP转化生成而被细胞加以利用，包括机械能、热能、化学势能、电势能等。此外，ATP直接参与胞内各种生物化学反应。在细胞体外，ATP在细胞间通讯中也发挥着重要的作用，是一种较普遍的胞外通讯媒介。通过以下两种途径实现对骨快速修复的促进作用1)介导细胞膜表面核酸受体的活化，促进骨矿化(Bo Huo,et al. An ATP-dependent mechanism mediates intercellular calcium signaling inbone cell network under single cell nanoindentation. Cell Calcium, 2010, 47:234-241·)。2)通过对细胞外|丐磷浓度的调控，促进轻基磷灰石(hydroxyapatite, HA)的生成(Lovisa Hessle, et al. Tissue-nonspecific alkaline phosphatase andplasma cell membrane glycoprotein-I are central antagonistic regulators of bonemineralization. PNAS, 2002, 99: 9445- 9449.)。综上所述，一方面，细胞内 ATP 作为能量分子对细胞的生长、增殖具有明显的促进作用；另一方面，细胞分泌的外源ATP通过介导成骨细胞膜表面P2受体和调控细胞外钙磷浓度，提高成骨细胞的成骨能力，抑制破骨细胞的骨吸收，在骨的生成和矿化过程中起关键作用。研究发现，三羧酸循环(TCA)是线粒体内ATP生成过程中重要的一环，细胞呼吸产生ATP可以被琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等的外源加入而显著加速。这些二元羧酸中的任何一种的外源加入都会导致氧的大量消耗和C02以及ATP的大量生成。随后的研究证明，琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等都是三羧酸循环中的重要中间体，它们的外源加入，会极大地提高TCA的速率，从而促进ATP的生成。因此含有下述式I结构的聚合物链段降解生成的小分子片段易被细胞吸收，并促进内源性ATP的产生。这些小片段具有一些共同点，即都为琥珀酸(succinic acid)所衍生，H原子被其他基团所取代(式I结构中用W，X，Y表示),不同的基团组合代表了不同的衍生物质。依照分子设计的研究方法，选择不同的W、X、Y和R的组合作为合成聚酯材料的反应物，可得到一系列不同结构的大分子，接着从亲水与疏水性、柔韧性等方面综合考虑，确定反应物的最佳组合，再通过一系列成型及修饰加工，最终构建能量生物材料的体系。该能量材料植入体内后，在发挥其骨缺损修复功能的同时，随着其自身降解过程的不断进行，降解产物(即三羧酸循环中间体的小分子片段)持续进入细胞，积极参与三羧酸循环，加速细胞内ATP的生成，以此能量供给的方式在细胞内发挥作用,促进成骨细胞的生长、增殖及矿化等生命活动。
发明内容
本发明为解决现有生物材料不具备能量功能的不足，提供一种基于三羧酸循环的能量生物材料及其制备方法，依据该方法制备的能量生物材料能够产生一系列生物活性分子，进而通过三羧酸循环途径为组织细胞提供能量，本发明据此提出了能量生物材料的概念。本发明的目的还在于通过本发明方法得到的能量生物材料进一步制备成多孔支架，不但具有不错的生物相容性，而且在发挥其组织修复功能的同时，随着其自身降解过程的不断进行，降解产物持续进入细胞，参与三羧酸循环，加速细胞内ATP的生成，以此能量供给的方式在细胞内发挥作用，进而促进细胞的生长、增殖以及组织的修复。本发明的目的还在于通过本发明提供的一种能量生物材料的制备方法实施，赋予分子结构上可供反应的侧链基团，为进一步的表面修饰及活性分子锚定提供了基础。本发明的目的通过下述技术方案予以实现
一种基于三羧酸循环的能量生物材料，其材料化学结构是由低分子量的聚酯多元醇以及二异氰酸酯反应得到的交联型聚氨酯材料，具有如下式结构，
权利要求
1.一种基于三羧酸循环的能量生物材料，其特征是所述的材料化学结构是由低分子量的聚酯多元醇以及二异氰酸酯反应得到的交联型聚氨酯材料，具有如下 化学结构通式，
2.材料能够产生一系列生物活性分子，进而通过三羧酸循环途径为组织细胞提供能量。
3.根据权利要求I所述的基于三羧酸循环的能量生物材料，其特征是所述的材料可生物降解，且降解片段能进入细胞线粒体，参与三羧酸循环，加速腺嘌呤核苷三磷酸ATP的生成。
4.如权利要求I或2所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤 步骤I、预聚物的制备 在250ml圆底烧瓶中加入二元酸、二元醇及三元醇,其摩尔量之比为10:10-n:n;加入足量有机溶剂a作为带水剂；油浴加热反应12h，期间补充带水剂；抽真空继续反应12h后撤去反应装置，烧瓶底部得透明黏稠预聚物，溶于极性溶剂b得25% (w/v)溶液c后备用；步骤2、反应液的浇筑 制备糖球作为致孔剂；对步骤I得到的预聚物进行分子量测定；在前述溶液c中加入二异氰酸酯，其与预聚物摩尔比为1: 1，此为溶液d ;将糖球加入至模具后稍微震荡使糖球紧密堆积，再将溶液d浇筑至该模具中，常温风干24h得预成型复合物e; 步骤3、加聚反应及材料成型； 将步骤2得到的复合物e加热至80°C，反应固化48h，反应结束后取出置于去离子水中浸泡48h，期间每12h换一次水，浸去糖球的糖后冻干得到成型的多孔能量生物材料； 根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，其中，所述的二元酸为琥珀酸、柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸、延胡索酸、苹果酸、顺乌头酸、酮戊二酸、草酰乙酸中的一种或多种；所述的二元醇为乙二醇、乙二醇二乙酯、丁二醇、丙二醇、己二醇和聚乙二醇中的一种或多种；所述的三元醇为甘油、缩水甘油中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂a为甲苯、苯或二甲苯；所述的极性溶剂b为丙酮、四氢呋喃、二氧六环、二氯甲烷或氯仿；所述的二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯中的一种。
6.根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，所述的二元酸为琥珀酸，所述的二元醇为乙二醇，所述的三元醇为丙三醇。
7.根据权利要求5所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂a为甲苯；所述的极性溶剂b为丙酮；所述的二异氰酸酯为赖氨酸二异氰酸酯，所述糖球的直径为200-400 μ m。
8.根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中的混合液溶质与糖球的质量之比为1:6，所述的方法得到的多孔能量生物材料孔隙率为80-90%。
9.根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤I中的η取值为2 < η < 10。
10.根据权利要求3所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的制备方法，其特征在于所述的二元酸为琥珀酸，所述的二元醇为乙二醇，所述的三元醇为甘油，所述的η取值为8，所述的二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯；将琥珀酸、乙二醇、丙三醇以摩尔比10:2:8加入至250ml三口烧瓶，再加入20ml甲苯；持续加热反应12h后，负压1333Pa下继续反应12h ;冷却后溶于丙酮成25g%ml溶液；在上述溶液中1:1摩尔比加入六亚甲基二异氰酸酯后，浇筑至含200-400 μ m糖球致孔剂的模具中；室温风干后80°C继续固化反应24h ;取出后在去离子水中浸泡48h，期间每12h换一次水，然后冻干成多孔能量生物材料。
11.根据权利要求I或2所述的基于三羧酸循环的能量生物材料的应用，其特征在于，应用于骨组织工程领域制备多孔支架。
全文摘要
一种基于三羧酸循环的能量生物材料及其制备方法。该材料是一种基于三羧酸循环途径的多孔材料，该材料能够产生一系列生物活性分子，进而通过三羧酸循环途径为组织细胞提供能量。通过本发明方法实施得到的能量生物材料进一步制备成的多孔支架，不但具有良好的生物相容性，而且在发挥其组织修复功能的同时，随着其自身降解过程的不断进行，降解产物持续进入细胞，参与三羧酸循环，加速细胞内ATP的生成，以此能量供给的方式在细胞内发挥作用，进而促进细胞的生长、增殖以及组织的修复。此外，所述材料的分子结构特点，赋予其可供反应的侧链基团，为进一步的表面修饰及活性分子的固定提供了基础。
文档编号C08J9/26GK102936407SQ20121039944
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者张胜民, 刘浩明, 杜莹莹 申请人:华中科技大学