本发明涉及生物医用材料技术领域，具体来说，涉及一种具有释氧能力的组织修复材料及其制备方法和应用，尤其是一种通过上转换纳米颗粒和光合细菌协同作用实现生物释氧的组织修复材料及其制备方法和该组织修复材料在骨/软骨缺损的修复与再生中的应用。
背景技术
骨/软骨缺损的的修复与再生一直是临床上的重大难题。虽然骨组织具有一定的再生能力，但大体积的骨缺损无法实现自我修复，仍然需要骨修复材料的植入。全世界每年需要进行骨移植手术的病例高达数百万，由此而产生的植入材料的临床需求缺口极大。因此，运用再生医学与组织工程的原理，设计和制备一种具有高效成骨活性的新型组织工程支架(scaffold)，有望缓解目前临床植骨材料紧缺的局面，是目前组织工程、材料科学和再生医学领域的一个重要的研究方向。
为满足临床应用需求，长期以来人们对各种组织工程用无机钙磷材料、有机高分子材料、金属材料及其复合或杂化材料等进行了广泛研究。然而，由于这些人工骨替代材料中没有血管结构，在骨组织修复早期，组织细胞再生所需的氧气和营养的传输只能通过体液的简单扩散运达。因此，接种在骨替代材料上的细胞往往由于血液供应不足、不能获得足够的氧气，使募集的细胞生长缓慢甚至死亡，最终导致修复效果不足或失败。生理水平的高氧分压是支持成骨细胞生长的关键，骨形成依赖于丰富氧分压的血管供应。近年来，氧张力和缺氧对骨功能的影响已成为一个重要的研究热点。
氧气作为再生与修复过程中的一个关键因子，目前还鲜见氧气治疗应用于骨组织工程领域的报道。目前的供氧材料主要是通过化学反应原位释放氧气。例如，含氟化合物或过氧化物常常被加载到聚合物薄膜、电纺纤维、多孔支架和水凝胶中以实现氧气的释放，这种系统可能有利于受损或病变的组织再生。然而，这些材料仍有一些局限性，例如反应体系具有生物毒性；释氧速度不可调等。
光合细菌是一种很好的氧气供体，其作为一种能进行光合作用的原核细菌，其生物安全性已得到验证。然而，将光合细菌做为一种生物材料植入到体内用于组织缺损修复时，由于其叶绿素可吸收利用的红光穿透能力有限，导致光合细菌的光合效率显著下降。因此为了有效解决组织修复，尤其是骨缺损修复重建治疗中氧供给不足的难题，需要开发一种新的具有释氧能力的组织修复材料。
技术实现要素：
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种具有释氧能力的组织修复材料及其制备方法和应用，该组织修复材料通过上转换纳米颗粒与光合细菌系统作用有效解决体内植入材料释氧能力低下的问题，能够用于促进组织缺损的快速修复。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供一种具有释氧能力的组织修复材料，包括释氧颗粒和装载释氧颗粒的有机高分子；所述释氧颗粒包括通过共轭结合的上转换纳米颗粒和光合细菌。
进一步地，所述有机高分子包括明胶、胶原、壳聚糖、细菌纤维素、透明质酸或其组合。
进一步地，所述释氧颗粒中，上转换纳米颗粒和光合细菌的化学计量比为10～500∶1。优选地，所述释氧颗粒中，上转换纳米颗粒和光合细菌的化学计量比为100～200∶1。
进一步地，所述释氧颗粒通过如下方式制备而成：a)将油酸包覆的上转换纳米颗粒经生物素化得到生物素化上转化纳米颗粒；b)将光合细菌通过改性后与亲和素孵育得到亲和素标记的光合细菌；c)将生物素化上转换纳米颗粒与亲和素标记的光合细菌混合后共轭反应结合得到释氧颗粒。
进一步地，所述上转换纳米颗粒中包含的稀土元素包括钇(y)，镱(yb)，铒(er)，铥(tm)，钆(gd)，镥(lu)或其组合。优选的组合及其摩尔比为y∶yb∶er＝30～50∶1～10∶0.1～2。更进一步优选的组合及其摩尔比为y∶yb∶er＝40∶9∶1。
另一方面，本发明提供一种具有释氧能力的组织修复材料的制备方法，具体过程如下：
1)制备上转换纳米颗粒：将稀土金属盐溶于油酸和十八烯的混合溶剂中，加入碱和氟化铵后在惰性气体的保护下加热反应制得油酸包覆的上转换纳米颗粒；
2)制备表面氨基化的上转换纳米颗粒：将步骤1)所得油酸包覆的上转换纳米颗粒分散于第一溶剂，加入氨基化合物溶液，在惰性气体的保护下加热反应，得到水溶性表面氨基化的上转换纳米颗粒；
3)制备生物素化上转换纳米颗粒：将水溶性表面氨基化的上转换纳米颗粒分散于mes缓冲溶液中，加入生物素试剂反应制得生物素化上转换纳米颗粒；
4)制备亲和素标记的光合细菌：将光合细菌分散于培养基中，经生物素试剂改性后，加入与生物素试剂等摩尔量的亲和素孵育，得到亲和素标记的光合细菌；
5)将生物素化上转换纳米颗粒和亲和素标记的光合细菌混合分散在培养基中进行共轭反应得到释氧颗粒；
6)将释氧颗粒分散于有机高分子溶液中，经交联反应制得具有释氧能力的组织修复材料。
进一步地，所述稀土金属盐中的稀土元素包括钇(y)，镱(yb)，铒(er)，铥(tm)，钆(gd)，镥(lu)或其组合。优选的组合及其摩尔比为y∶yb∶er＝30～50∶1～10∶0.1～2。
进一步地，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸钠等。
进一步地，所述步骤1)中的加热温度为150～400℃，反应的时间为1～5h。优选地，加热的温度为300℃，反应的时间为1h。
进一步地，所述油酸和十八烯的混合溶剂是指油酸和十八烯的体积比为5∶16。
进一步地，所述第一溶剂包括甲苯、二甲苯、dmso等。
进一步地，所述氨基化合物包括聚赖氨酸、聚乙二胺、聚乙烯亚胺、壳聚糖、乙二胺或其组合。
进一步地，所述氨基化合物溶液中所使用的溶剂包括dmso、dmf等。
进一步地，所述惰性气体包括氩气、氮气等。
进一步地，所述步骤2)中加热反应的温度为150～250℃，反应时间为1～5h。优选地，加热反应的温度为180℃，反应的时间为4h。
进一步地，所述生物素试剂包括n-羟基琥珀酰亚胺生物素酯或n-羟基硫代琥珀酰亚胺生物素酯。
进一步地，所述步骤3)中，加入生物素试剂反应是在0～5℃下进行8～12h。优选地，步骤3)中，加入生物素试剂反应是在4℃下反应8～12h。
进一步地，所述光合细菌包括synechococcuselongatus，anabaenasp.，synechocytissp.等。
本发明所述的光合细菌(photosyntheticbacteria，简称psb)是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。自然界中能以光合作用产能的细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同而分为产氧光合细菌(蓝细菌、原绿菌)和不产氧光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)。
进一步地，所述培养基包括dmem培养基。
进一步地，所述生物素试剂改性是在0～5℃下进行8～12h。优选地，所述生物素试剂改性是在4℃下反应8～12h。
进一步地，所述孵育是在15～25℃下孵育0.5～2h。
进一步地，所述释氧颗粒中，上转换纳米颗粒和光合细菌的化学计量比为10～500∶1。优选地，所述释氧颗粒中，上转换纳米颗粒和光合细菌的化学计量比为100～200∶1。
更进一步地，所述生物素化上转换纳米颗粒和亲和素标记的光合细菌混合后在室温下进行共轭反应。
进一步地，所述有机高分子溶液是指将有机高分子经过丙烯酰化后分散在dmem中制得，所述有机高分子包括明胶、胶原、壳聚糖、细菌纤维素、透明质酸或其组合。
进一步地，所述交联反应包括在加入光引发剂紫外辐照交联反应或者加入交联剂进行化学交联反应。更进一步地，所述光引发剂包括i2959或过硫酸铵。
更进一步地，所述紫外辐照的紫外波长为365nm，辐照强度为200mwcm-2，时间为5～10min。
更进一步地，所述交联剂包括edc/nhs、京尼平、戊二醛或多聚甲醛。
本发明中，所述室温是指15～35℃。
本发明中，mesbuffer，即2-吗啉乙磺酸，生物缓冲剂，缓冲范围5.5-6.7，此ph为反应的最适ph值。
另一方面，本发明提供的具有释氧能力的组织修复材料在组织缺损的填充与修复中的应用。本发明所述的骨缺陷包括骨/软骨缺损。
进一步地，所述组织修复材料利用光照可控释放出氧气进而促进组织缺损的填充与修复。
另一方面，本发明提供一种组织缺损的填充与修复的材料，包括本发明所述的具有释氧能力的组织修复材料。
本发明首先制备上转换纳米粒子，将其进行表面改性后，结合在光合细菌表面形成生物共轭体，最终通过生物大分子对其进行装载，制备得到新型释氧生物材料。本发明所述组织修复材料，在红外光照射下具有原位释放氧气的功能，进而发挥促进早期组织修复的作用，解决了常规化学释氧不可控及具有生物毒性的不足，是一种能高效促进组织修复的多孔组织工程支架材料，具有广阔的临床应用前景。
为了解决光合细菌在体内难以被红光激发产生氧气的难题，本发明引入上转换纳米颗粒，一种经红外激发能发出可见光的发光材料。利用上转换荧光(ucnp)的荧光特性，提出利用上转换纳米颗粒/光合细菌的生物供氧共轭体系，通过上转换纳米颗粒吸收红外光后激发红光，为光合细菌提供的能量并推动其光合作用的进行。通过将上转化纳米颗粒与光合细菌协同作用的方式，可有效解决体内植入时光合细菌光合效率低下的问题。因此，本发明提出载上转换纳米粒子及光合细菌的组织修复材料，利用光照可控释氧来解决组织工程材料的供氧难题，促进组织再生与修复。
本发明的有益效果：
本发明提供一种具有释氧能力的组织修复材料及其制备方法和应用，通过利用上转换纳米粒子吸收红外原位激发红光的特性，能有效解决光合细菌光合作用所需红光无法穿透深处组织的难题，在红外光照射下具有原位释放氧气的功能，进而发挥促进早期组织修复的作用，解决了常规化学释氧不可控及具有生物毒性的不足；制备的共轭释氧颗粒体系相较于化学释氧，还具有生物安全性高、释氧过程可控等优势；利用生物大分子材料封装共轭释氧颗粒体，可实现一种功能型3d组织修复支架材料，还可保护装载的共轭释氧颗粒免遭机体组织细胞的吞噬与清除。
本发明首次提出将光合细菌及其生物效应应用于组织缺损的修复与治疗，系统探索共轭释氧颗粒体系对体外细胞培养及体内骨缺损修复的影响，为发展新一代骨修复材料提供有益补充。本发明提供的具有释氧能力的组织修复材料是一种能高效促进组织修复的多孔组织工程支架材料，因而具有广阔的临床应用前景。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例1
一种具有释氧能力的组织修复材料，通过如下方法制备得到：
(1)在三口烧瓶中加入0.208gycl3、0.11gybcl3和0.0078gercl3溶于6ml油酸和15ml十八烯的混合溶剂后，加入0.1gnaoh和0.148gnh4f后，氩气保护下升温至300℃反应1h，洗涤后得到油酸包裹的上转换纳米粒子ucnps。
(2)取0.05g油酸包裹的ucnps溶于甲苯后，加入0.1g聚赖氨酸的dmso溶液，氩气保护下升温至180℃反应4h，冷却洗涤后得到水溶性表面氨基化的ucnps。
(3)取5mg表面氨基化的ucnps重新分散于5mlmes缓冲溶液中，加入1.5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜得到生物素化ucnps。
(4)将105个光合细菌分散于5mldmem中，加入5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜后离心洗涤，接着加入等摩尔量的亲和素后15～25℃下孵育0.5～2h，得到亲和素标记的光合细菌。
(5)将生物素化ucnps与亲和素标记的光合细菌以化学计量比10∶1混合于dmem中，室温下待ucnps表面的生物素与光合细菌表面的亲和素结合后，得到共轭生物释氧颗粒。
(6)取10mg共轭生物释氧颗粒，将其分散于含有10％丙烯酰化明胶的dmem溶液中，加入光引发剂i2959后紫外光照，紫外波长为365nm，辐照强度为200mwcm-2，时间为5～10min，得到具有释氧功能的组织修复材料。
实施例2
一种具有释氧能力的组织修复材料，通过如下方法制备得到：
(1)在三口烧瓶中加入0.208gycl3、0.16gybcl3和0.0156gtmcl3溶于6ml油酸和15ml十八烯的混合溶剂后，加入0.1gnaoh和0.148gnh4f后，氩气保护下升温至300℃反应1h，洗涤后得到油酸包裹的上转换纳米粒子ucnps。
(2)取0.05g油酸包裹的ucnps溶于甲苯后，加入0.1g聚乙二胺的dmso溶液，氩气保护下升温至180℃反应4h，冷却洗涤后得到水溶性表面氨基化的ucnps。
(3)取5mg表面氨基化的ucnps重新分散于5mlmes缓冲溶液中，加入1.5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜得到生物素化ucnps。
(4)将105个光合细菌分散于5mldmem中，加入5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜后离心洗涤，接着加入等摩尔量的亲和素后室温孵育0.5～2h，得到亲和素标记的光合细菌。
(5)将生物素化ucnps与亲和素标记的光合细菌以化学计量比20∶1混合于dmem中，室温下待ucnps表面的生物素与光合细菌表面的亲和素结合后，得到共轭生物释氧颗粒。
(6)取10mg共轭生物释氧颗粒，将其分散于含有2％丙烯酰化透明质酸的dmem溶液中，加入光引发剂过硫酸铵后紫外光照，紫外波长为365nm，辐照强度为200mwcm-2，时间为5～10min，得到具有释氧功能的组织修复材料。
实施例3
一种具有释氧能力的组织修复材料，通过如下方法制备得到：
(1)在三口烧瓶中加入0.208gycl3、0.22gybcl3和0.0078gercl3溶于6ml油酸和15ml十八烯的混合溶剂后，加入0.1gnaoh和0.148gnh4f后，氩气保护下升温至300℃反应1h，洗涤后得到油酸包裹的上转换纳米粒子ucnps。
(2)取0.05g油酸包裹的ucnps溶于甲苯后，加入0.1g聚壳聚糖的dmso溶液，氩气保护下升温至180℃反应4h，冷却洗涤后得到水溶性表面氨基化的ucnps。
(3)取5mg表面氨基化的ucnps重新分散于5mlmes缓冲溶液中，加入1.5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜得到生物素化ucnps。
(4)将105个光合细菌分散于5mldmem中，加入10mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜后离心洗涤，接着加入等摩尔量的亲和素后室温孵育0.5～2h，得到亲和素标记的光合细菌。
(5)将生物素化ucnps与亲和素标记的光合细菌以化学计量比50∶1混合于dmem中，室温下待ucnps表面的生物素与光合细菌表面的亲和素结合后，得到共轭生物释氧颗粒。
(6)取20mg共轭生物释氧颗粒，将其分散于含有15％丙烯酰化peg的dmem溶液中，加入光引发剂过硫酸铵后紫外光照，紫外波长为365nm，辐照强度为200mwcm-2，时间为5～10min，得到具有释氧功能的组织修复材料。
实施例4
一种具有释氧能力的组织修复材料，通过如下方法制备得到：
(1)在三口烧瓶中加入0.312gycl3、0.11gybcl3和0.039gercl3溶于6ml油酸和15ml十八烯的混合溶剂后，加入0.1gnaoh和0.148gnh4f后，氩气保护下升温至300℃反应1h，洗涤后得到油酸包裹的上转换纳米粒子ucnps。
(2)取0.05g油酸包裹的ucnps溶于甲苯后，加入0.1g乙二胺的dmso溶液，氩气保护下升温至180℃反应4h，冷却洗涤后得到水溶性表面氨基化的ucnps。
(3)取5mg表面氨基化的ucnps重新分散于5mlmes缓冲溶液中，加入3mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜得到生物素化ucnps。
(4)将105个光合细菌分散于5mldmem中，加入5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜后离心洗涤，接着加入等摩尔量的亲和素后室温孵育0.5～2h，得到亲和素标记的光合细菌。
(5)将生物素化ucnps与亲和素标记的光合细菌以化学计量比10∶1混合于dmem中，室温下待ucnps表面的生物素与光合细菌表面的亲和素结合后，得到共轭生物释氧颗粒。
(6)取10mg共轭生物释氧颗粒，将其分散于含有10％明胶的dmem溶液中，加入edc/nhs交联后，得到具有释氧功能的组织修复材料。
实施例5
一种具有释氧能力的组织修复材料，通过如下方法制备得到：
(1)在三口烧瓶中加入0.312gycl3、0.22gybcl3和0.0078gercl3溶于6ml油酸和15ml十八烯的混合溶剂后，加入0.1gnaoh和0.148gnh4f后，氩气保护下升温至300℃反应1h，洗涤后得到油酸包裹的上转换纳米粒子ucnps。
(2)取0.05g油酸包裹的ucnps溶于甲苯后，加入0.1g聚赖氨酸的dmso溶液，氩气保护下升温至180℃反应4h，冷却洗涤后得到水溶性表面氨基化的ucnps。
(3)取5mg表面氨基化的ucnps重新分散于5mlmes缓冲溶液中，加入2mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜得到生物素化ucnps。
(4)将105个光合细菌分散于5mldmem中，加入5mgn-羟基琥珀酰亚胺生物素酯，4℃反应过夜后离心洗涤，接着加入等摩尔量的亲和素后室温孵育0.5～2h，得到亲和素标记的光合细菌。
(5)将生物素化ucnps与亲和素标记的光合细菌以化学计量比100∶1混合于dmem中，室温下待ucnps表面的生物素与光合细菌表面的亲和素结合后，得到共轭生物释氧颗粒。
(6)取10mg共轭生物释氧颗粒，将其分散于含有20％明胶的dmem溶液中，加入edc/nhs交联后，得到具有释氧功能的组织修复材料。
实施例6
本发明制备的具有释氧功能的组织修复材料具有如下应用：
1)将本发明制备的释氧颗粒(为了以示区别，以下称为共轭生物释氧颗粒)以1mg/ml浓度分散于培养基中，在红光辐照下，用neofox-gt光学o2检测仪监测可知，培养基中的氧含量分压为170mmhg，与文献报道水平相当。降低绿光照度后，检测可知，相应氧分压降低。
2)将共轭生物释氧颗粒以1mg/ml浓度与大鼠骨髓间充质干细胞共培养7天以后，应用cck-8细胞计数试剂盒检测细胞与共轭生物释氧颗粒共培养条件下的增殖。
结果发现，与不含共轭颗粒的对照组相比，1mg/ml浓度的共轭颗粒在7天的培养周期内，对细胞的增殖没有显著性影响，这说明本发明提出的共轭生物释氧颗粒具有较好的细胞相容性。
3)将装载了共轭生物释氧颗粒的组织修复材料(即，具有释氧能力的组织修复材料)植入大鼠皮下组织后，通过近红外光照射30min后，应用氧含量测试试剂盒检测植入材料的氧分压。
结果表明与空白组织修复材料相比，载共轭生物释氧颗粒的修复材料能提高原位的氧气分压水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。