光活性可注射水凝胶及其制法和在人工视网膜方面的应用

本发明属于生物医学工程材料，涉及一种光活性可注射水凝胶，具体涉及一种可以作为人工视网膜的光活性可注射水凝胶。

背景技术：

1、视觉在人类的认知和行为过程中起到了至关重要的作用，是人类获取外界信息的主要通道，人类80％左右的感知、学习、认知和活动都是通过视觉参与调节的。根据世界卫生组织统计，全世界盲患总数已达3900万人，致盲病因主要包括白内障、青光眼、老年性黄斑变性、儿童盲、角膜混浊、未矫正屈光不正、沙眼、糖尿病视网膜病变和不明原因眼病。其中，绝大部分疾病是可以通过手术治愈，或者通过适当的预防或者改善措施复明的，但像老年黄斑变性(age-related macular degeneration，amd)和视网膜色素变性(retinitispigmentosa，rp)这类不可逆退行性致盲眼病暂时还没有很好的治疗手段。

2、在治疗包含上述列举眼病的眼科疾病时，由于眼部结构的复杂性导致除了手术之外，诸如滴眼液、眼膏等常规给药方式均难以达到理想效果。水凝胶作为一种多尺度发展的材料，具有水含量高、生物相容性好、透光性好及性能可控等优点，且可注射水凝胶在手术过程中还具有易于操作的优势，因此在眼科疾病的治疗中有广阔的研究前景。

3、目前，水凝胶在眼科疾病的应用主要包括作为眼科药物载体、创口黏着剂、玻璃体替代物和细胞支架等。

4、以水凝胶作为药物载体时，为了保证药物活性分子的有效性和稳定性，需要考虑载入药物的方式、药物的剂量、聚合物浓度、交联密度及降解速率等。例如wo2014039012a1公布了一种包含载有药物或蛋白质或核酸的囊泡的新型透明质酸(ha)水凝胶，其可以用于青光眼、眼炎、玻璃体视网膜和医学视网膜疾病等眼科疾病的治疗；再如cn114042157a公布了一种光敏型玻璃体可注射凝胶，其通过合理的天然药物组合并组装成合适的给药系统，提高了提高amd治疗效果；再如xianfang rong[1]等人开发了一种负载胰岛素纳米颗粒的plga-peg-plga水凝胶，该水凝胶可以作为相关眼用药物的释药载体。

5、以水凝胶作为玻璃体替代物时，主要考虑高度透光性、良好粘弹性、有效顶压时间和对眼组织无毒副作用问题。如cn113827779a公布了一种生物多糖水凝胶，提高了多糖水凝胶的抗生物降解性以及对视网膜的有效顶压时间，可以作为玻璃体替代物应用。

6、以水凝胶作为细胞支架时，主要是利用水凝胶中可提供细胞合适的微环境的特点，以促进相关细胞黏附、增生和分化并发挥相应的功能。例如，cn113766937a公布了一种包含神经视网膜、视网膜色素上皮细胞和水凝胶的复合体，该复合体适于神经视网膜与视网膜色素上皮细胞片的移植；再如nikolaos mitrousis等人[2]利用水凝胶移植视网膜色素上皮(rpe)和光感受器，并可在一定程度上实现对视网膜退行性疾病模型中的视力修复；再如cn102258808a公开了一种促视网膜色素上皮细胞扩增的水凝胶细胞支架，该支架克服了现有技术易于老化且无法有效地附着在视网膜上以及移植的视网膜色素上皮细胞无法附着在视网膜中央窝上形成细胞层的缺点，实现并促进人体视网膜色素上皮细胞能够粘附、铺展和增殖，可以起到防止其老化的功能。

7、然而，无论是将水凝胶作为释药载体、玻璃体替换物还是细胞支架，均无法模拟自然光刺激使得盲人产生视觉感受，这限制了水凝胶在amd和rp等眼病治疗中的应用。在amd和rp两种疾病患者中，虽然视网膜外层的光感受器受损或丧失，但视网膜内层神经元(双极细胞和神经节细胞)保持相对完整，这为人们研发可以产生视觉感受的人工视网膜提供了空间。

8、目前，传统的可产生光刺激感受的人工视网膜主要是微电极装置，例如cn111588984a公布了一种植入式视网膜电刺激器的植入体，该植入体可降低手术的缝合难度，减少手术创伤；再如cn104873330a提供了一种人工视网膜植入体，该植入体的刺激电极阵列是固定在视网膜上，玻璃体既可以作为电极阵列的支撑体，又可作为散热器，并且对于视网膜的血管影响较小，同时也易于从眼外观察。不过，上述此类植入体的植入手术复杂，对医生的专业操作技术水平的要求高；手术通常需要形成一个足够大的巩膜切开术切口，以允许电极阵列通过，电极阵列的定位必须非常精确，手术过程也存在一定的组织感染风险。此外，因为采用金属或者无机半导体作为视觉假体材料，在植入后，由于需要植入体与眼组织直接接触，这些力学模量与眼组织严重失配的材料通常会造成神经组织瘢痕，影响甚至阻碍信号的传递。同时，这些材料不具备生物组织的黏附性，难以保持与眼组织的稳定贴合，从而进一步影响其信号的传递与功能的发挥。

9、在此基础上，为了解决传统水凝胶存在的难以提供视觉感受的缺陷以及传统人工视网膜存在的植入手术复杂及由于所有材料导致的一系列问题的弊端，同时由于水凝胶在眼部疾病治疗中具有的独特优势，人们逐渐考虑在水凝胶体系中引入可实现感光刺激的功能。例如，restrepo schild v[3]提供了一种水凝胶和细胞膜蛋白(细菌视紫红质)组成的生物双层视网膜组织，该人工视网膜由天然、可降解的生物材料构成，不包含外源物或者活体物质，使得该视网膜的侵入性更小，且引发不良反应、副作用的概率相对较低；再如pct/us2010/026362提供了一种基于蛋白的人工视网膜，该人工视网膜可用水凝胶作为基底，并包含天然细菌紫膜质或细菌紫膜质突变体的多个单层，该专利同样克服了传统人工视网膜在移植时手术侵入性较大的问题，同时其所提供的植入物可替代受损的光感受器细胞，因此可用于治疗任何尚未破坏双极或神经节细胞网络的视网膜疾病或病况。

10、由上述介绍内容可知，目前水凝胶在眼部疾病治疗方面的应用研究已比较深入，其优势不断得到体现；同时，传统的人工视网膜存在手术侵入性大且易于产生诸如瘢痕等术后问题，这些问题亟需解决。与此同时，人们也已关注到利用水凝胶作为基质或载体携载可用于产生光刺激神经反应的人工视网膜的理论优势，并已有少量的研究成果制备得到了相应产品。然而，目前的技术方案主要依赖相应特殊的蛋白，这不但需要较高的原料成本，在实际应用时，还需要设计特殊的方案以用于相应蛋白活性的保持。

11、综上所述，本领域亟需一种可利用水凝胶相关优势，同时具备制备方法简单、成本较低且能很好产生用于刺激神经元的信号的技术。

12、本部分所引述的非专利文献：

13、[1]rong,x.；yang,j.；ji,y.；zhu,x.；lu,y.；mo,x.biocompatibility andsafety of insulin-loaded chitosan nanoparticles/plga-peg-plga hydrogel(icnph)delivered by subconjunctival injection in rats.j.drug deliverysci.technol.2019,49,556-562.

14、[2]mitrousis,n.；hacibekiroglu,s.；ho,m.t.；sauvé,y.；nagy,a.；van derkooy,d.；shoichet,m.s.hydrogel-mediated co-transplantation of retinalpigmented epithelium and photoreceptors restores vision in an animal model ofadvanced retinal degeneration.biomaterials 2020,257,120233.

15、[3]restrepo schild,v.；booth,m.j.；box,s.j.；olof,s.n.；mahendran,k.r.；bayley,h.light-patterned current generation in a droplet bilayerarray.sci.rep.2017,7,46585.

技术实现思路

1、针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种可以产生可用于刺激神经元的电信号、避免使用传统微电极装置或特殊蛋白、制备方法简单的可作为人工视网膜的可注射水凝胶。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种光活性可注射水凝胶的制备方法，所述制备方法包括：

4、将改性水凝胶成胶原料在缓冲液中进行浸泡处理，再将处理所得物在离子溶液中浸泡，即得所述光活性可注射水凝胶；

5、所述改性水凝胶成胶原料是对水凝胶成胶原料进行包括接枝多巴胺的处理；所述缓冲液包括tris缓冲液或tris-hcl缓冲液；所述离子溶液包括二价锰离子溶液、二价锌离子溶液或三价铁离子溶液；

6、所述水凝胶成胶原料包括透明质酸、海藻酸钠、聚乙烯醇中的任意一种。

7、优选地，所述水凝胶成胶原料为透明质酸；优选地，所述改性水凝胶成胶原料是对透明质酸接枝多巴胺后，还还进行提高交联度改性；更优选地，所述提高交联度改性的方法为利用bsa进行修饰。优选地，所述缓冲液为tris缓冲液；所述离子溶液为二价锰离子溶液或三价铁离子溶液。

8、作为本发明的一个可实施方案，在制备改性水凝胶成胶原料时，先将抗坏血酸钠、edc和nhs添加至水凝胶成胶原料水溶液中进行搅拌，再加入多巴胺进行偶联反应，即得。

9、作为本发明的一个可实施方案，在利用bsa修饰时，将bsa和接枝有多巴胺的水凝胶成胶原料在水中混合，再加入edc和nhs进行交联，即得。

10、优选的，所述改性透明质酸的分子量为40万da；所述多巴胺的接枝度为12～15％。

11、优选的，所述缓冲液的浓度为1moll-1；所述离子溶液的离子浓度与改性透明质酸中邻苯二酚的摩尔比为1:2。

12、本发明的目的还在于提供有上述方案制备得到的光活性可注射水凝胶。

13、本发明的目的还在于提供上述光活性可注射水凝胶在制备生物医用植入体方面的应用。所述生物医用植入体包括人工视网膜或人机系统神经接口。

14、本发明的目的还在于提供一种人工视网膜，所述人工视网膜包含上述光活性可注射水凝胶。

15、如本发明的一个对比实施例所示，当将缓冲液替换为pbs缓冲液之后，所得水凝胶不仅未能产生明显光热效应，也未能产生明显光电效应。

16、再如本发明的一个对比实施例所示，当不在离子溶液中浸泡后，所得水凝胶同样未能产生明显的光热效应和光电效应。

17、从上述两个对实施例可知，在本发明中，缓冲液和离子溶液的选择，对于光热效应和光电效应的产生，是至关重要的。

18、在此基础上，如本发明的一个对比实施例所示，发明人还考察了在tris缓冲液中添加一定浓度的聚吡咯(ppy)，发现所得水凝胶仅能产生明显光热效应，但所得光电效应非常微弱。

19、如本发明的实施例所示，本发明所得水凝胶具有良好的光热效应和光电效应，其所得水凝胶的制备方法十分简单，克服了使用传统微电极装置的传统人工视网膜所存在的缺陷，相比于现有利用水凝胶制备能产生电信号的技术而言，也无需使用价格高昂的特殊蛋白，是一种成本低廉、工艺简单且性能优异的光活性可注射水凝胶。

20、本领域技术人员不难知晓，本发明所得的光活性可注射水凝胶虽然特别适合于作为人工视网膜使用，但其应用不限于此，本发明所得光活性可注射水凝胶同样可以作为其它需要光电效应的生物材料。

21、本发明的有益效果：

22、1.本发明光活性可注射水凝胶具有良好的光热效应和光电效应；

23、2.本发明光活性可注射水凝胶的原料低廉，制备方法简单，具有良好的推广应用前景；

24、3.本发明光活性可注射水凝胶特别适合作为人工视网膜使用，并克服了现有人工视网膜技术所存在的缺点。