一种恒速释药气凝胶复合骨水泥的制备方法

本发明涉及医用生物材料制备，具体为一种恒速释药气凝胶复合骨水泥的制备方法。

背景技术：

1、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)骨水泥因其良好的可塑性、化学惰性和机械性能，已被广泛地应用于骨修复骨填充领域。骨质疏松、炎症、肿瘤、外伤等是造成骨缺损的主要原因，在骨缺损修复的同时，保持局部组织持续释药以及中高水平的药物浓度是确保骨组织修复的必要条件。然而pmma骨水泥致密、连通孔少闭合孔多等结构特点容易造成药物释放率过低，释放时间过短和药物浪费等问题，影响疗效。例如骨肿瘤的治疗中通常需加入负载化疗药物(如甲氨蝶呤mtx、氟脲嘧啶5-fu等)的pmma骨水泥，治疗效果主要依赖化疗药物的剂量、浓度及释药时间抑制肿瘤细胞生长，然而pmma骨水泥特殊的结构特点导致肿瘤部位的化疗药物持续释放时间短、后期药物浓度低，影响患者治疗效果，甚至会危及生命。又如在治疗骨质疏松导致的椎体压缩性骨折时，通常在骨水泥中加入抗生素以预防感染，而传统pmma骨水泥药物释放率过低导致释药浓度低于最低抑菌浓度和最低杀菌浓度，从而无法长期有效抑制耐药细菌(如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌mrsa、耐万古霉素肠球菌vre)的生长，致使骨质疏松部位易产生炎症，甚至会造成患者二次手术，增加患者痛苦。如何靶向治疗且有效的控制药物释放，维持局部药物浓度和有效药物浓度的时间，达到抗菌和局部有效的治疗效果，是本研究领域急需解决的问题。

2、中国专利(申请号：cn202211165422.5，公开日：2022.11.11，公开号：cn115317667a)公布了载药plga微球改性的pmma骨水泥的制备方法及其产品和应用。该复合骨水泥由以下原料组成：天然磷脂、水溶性药物、二甲基亚砜、plga、二氯甲烷、pvp、pmma预聚体粉末、硫酸钡、过氧化钾酰。其制备方法包括：一、将天然磷脂与水溶性药物按质量比4:1-10:1混合，溶解于含5％(v/v)乙酸的二甲基亚砜中，得到磷脂/药物复合物；二、将plga、磷脂/药物复合物按质量比5:1-25:1溶解于二氯甲烷中，配制成含5％(w/v)plga的二氯甲烷混合溶液。将上述溶液按体积比1:20加入0.1％(w/v)pva水溶液进行乳化，得到载药plga微球；三、pmma骨水泥固相粉末由质量分数为pmma预聚体粉末84％、载药plga微球10％、显影剂硫酸钡5％，引发剂过氧化苯甲酰1％组成。将pmma骨水泥粉末与固化液按固液比1.5-2g/ml进行混合，得到载药plga微球改性pmma骨水泥。虽然该骨水泥能够均匀负载并释放亲水性生物活性药物，但没有解决骨水泥能够持续给药的问题。

3、中国专利(申请号：cn202010792759.3，公开日：2020.10.27，公开号：cn111821509a)公布了具有ph响应的智能化骨水泥载药微球、骨水泥制备方法及其使用方法。该骨水泥载药微球的原料包括：聚乙二醇、壳聚糖、乙酰基组氨酸、抗生素、戊二醛、甲醛、对苯二甲醛、醋酸溶液、pmma、mma、引发剂、显影剂、促进剂、阻聚剂。其制备骨水泥载药微球的步骤包括：一、聚乙二醇-壳聚糖接枝共聚物和乙酰基组氨酸-壳聚糖接枝共聚物的制备；二、对两种接枝共聚物乳化交联，得到peg-壳聚糖-组氨酸聚合物微球；三、在微球表面负载抗生素，制备具有ph响应的智能化骨水泥载药微球。虽然制备的骨水泥载药微球可以持续高效的释药，但并未解决骨水泥后期释药浓度是否能够达到最低抑菌浓度等问题。

4、中国专利(申请号：cn202210401023，公开日：2020.08.05，公开号：cn114850469a)公布了一种金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法。该骨水泥的制备方法包括：一、选择金属粉末材料；二、加热干燥金属粉末，三、预热基板；四、设计多孔金属三维模型；五、设置打印参数；六；打印多孔金属微球。虽然制备金属骨水泥及多孔金属微球具有促进细胞粘附、增殖，有利于成骨，但其骨水泥药物释放效率过低，药物释放不持续且不能恒速释放药物等问题并未得到解决。

5、中国专利(申请号：cn202110765788，公开日：2021.11.19，公开号：cn113584878a)公布了一种复合气凝胶的制备方法。该复合气凝胶的制备方法包括：一、制备纳米纤维素；二、制备纳米纤维素气凝胶；三、制备预碳化的纳米纤维素气凝胶；四、制备纳米银/纤维素基复合气凝胶。虽然其复合气凝胶具有良好的孔隙率和较好的抗菌效果，但该方法制备的复合气凝胶并未解决可以持续长效的释药等问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种恒速释药气凝胶复合骨水泥的制备方法，解决了现有pmma骨水泥药物释放速率不均一，且不能长期持续释药的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种恒速释药气凝胶复合骨水泥的制备方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1，制备纳米纤维素悬浮液；

4、步骤2，制备丝素蛋白溶液；

5、步骤3，将丝素蛋白溶液与乙二醇二缩水甘油醚充分混合，得到sf水凝胶，用去离子水冲洗至中性后，将sf水凝胶冷冻至固体，干燥，得到sf气凝胶；

6、步骤4，将步骤3中制得的丝素蛋白气凝胶置于步骤1制得的纳米纤维素悬浮液和药物的混合溶液中，冷冻，得到sf/cnfs复合载药气凝胶；

7、步骤5，将固相聚甲基丙烯酸甲酯与液相mma均匀混合成pmma骨水泥，再将pmma骨水泥与壳聚糖均匀混合,得到pmma骨水泥混合物；

8、步骤6，利用真空辅助渗透法，将步骤5制备的pmma骨水泥混合物渗透至步骤4中的sf/cnfs复合载药气凝胶的孔隙中，并在紫外光下照射以加速凝固，即可得到气凝胶复合骨水泥。

9、优选的，所述步骤1中具体为：将纳米纤维素原料加入去离子水中，在70℃～80℃下搅拌使其混合均匀；加入溶解在去离子水中的naclo2和ch3cooh，冷却后重复过滤并洗涤至中性；加入naoh并搅拌过夜，然后在70℃～90℃下搅拌1h～2h进行碱处理以去除半纤维素，冷却并反复过滤并洗涤至中性；之后再加入硫酸进行酸处理，将得到的纳米纤维素超声分散在去离子水中，获得纳米纤维素悬浮液；

10、纳米纤维素悬浮液的浓度为0.5wt％～1.3wt％，纳米纤维素原料为竹粉、棉花、秸秆中的任意一种。

11、优选的，所述步骤2具体为：

12、将脱胶的丝纤维浸入钙混合液中进行保温，待完全溶解后，将得到的混合液用去离子水透析3天，离心，再用聚乙二醇溶液浓缩，得到丝素蛋白；将丝素蛋白溶解去离子水中，得到丝素蛋白溶液；保温温度为60℃～80℃，保温时间为2～4h；钙混合液由质量比为1～4：2～5：1～7的cacl2、ch3ch2oh和h2o混合而成；丝素蛋白溶液的浓度为33mg/ml～54mg/ml。

13、优选的，所述步骤3中，混合时，温度为70℃～80℃，ph为8～9，混合时间为12～18h。

14、优选的，所述步骤4中，纳米纤维素悬浮液和丝素蛋白气凝胶的质量比为1：1～2；冷冻温度为-30℃，冷冻时间为48～72h。

15、优选的，所述步骤4中，药物为抗肿瘤药物或抗生素药物；抗肿瘤药物为甲氨蝶呤、氟脲嘧啶、环磷酰胺、顺铂、氮烯咪胺中的任意一种；抗生素药物为万古霉素、硫酸庆大霉素、硫酸妥布霉素、盐酸克林霉素、红霉素、硫酸粘菌素、利福平中的任意一种。

16、优选的，所述步骤6中，紫外光的波长为365nm，紫外光的光强度为100mw/cm2；照射时间小于2秒；真空辅助渗透时压力为0.5-1.5mpa，渗透时间为0.5h。

17、丝素蛋白(sf)，从家蚕蚕丝中提取，由重链、轻链和一种糖蛋白p25组成。它主要含有18种氨基酸，包括结晶区和无定形区。结晶区域由gly-ser-gly-ala-gly-ala重复序列的氨基酸序列组成，并通过氢键自组装成反平行的β-片链。无定形区域主要由极性氨基酸组成，如tyr、phe、trp等。sf的构象可分为两类，即silk i和silk ii。silk i是一种亚稳态结构，包括主要数量的随机线圈和α-螺旋。作为sf的主要构象，silk ii显示出反平行β-片结构。作为一种天然蛋白质大分子，sf可以溶解并再生为多种形式的生物材料，包括薄膜、海绵和水凝胶。sf在生物相容性和良好性能方面表现出更多优势，sf由于其优异的生物相容性、可调节的生物降解性、适当的宿主反应和最小的炎症反应而引起了极大的科学兴趣，并可用于药物递送、骨组织工程、生物传感器和3d打印材料。

18、纳米纤维素是一种很有前途的“绿色”纳米材料，由于其优异的特性，如毒性风险小、生物相容性、生物降解性、可回收性和可调表面特征等，使得纳米纤维素是最合适和最有前途的生物材料。因为纳米纤维素的三维(3d)纳米结构(即纤维素纳米晶体、纳米纤维和细菌纳米纤维素)具有高拉伸强度和弹性模量。由于纳米纤维素基水凝胶的高度水合性质，使它们的凝胶结构得以保持。且由于其具有良好的生物相容性、生物降解性和低的毒性等理想的生物聚合物特性，使得纳米纤维素成为药物递送系统的有效候选者。

19、本发明的有益效果：

20、本发明制备的恒速释药气凝胶复合骨水泥，通过用冷冻干燥的方法制得的丝素蛋白(sf)气凝胶和纳米纤维素(cnf)分散液混合，再次利用干燥冷冻法制得丝素蛋白/纳米纤维素复合气凝胶。最后利用真空辅助渗透法将复合气凝胶与pmma结合，即可得到气凝胶复合骨水泥。制备出的复合气凝胶含有大量的孔隙，解决了pmma骨水泥孔隙率低的问题，从而提高了药物释放的能力。由于丝素蛋白的添加，丝表面提供了活性位点，有助于生物活性分子的矿化或结合。且壳聚糖的静电吸附作用使得药物浓度可以维持在稳定的范围内。因此制备出的气凝胶复合骨水泥能够实现恒速持续释药，避免了后期因释药浓度过低而无法抑制耐药细菌生长的问题。