一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法

本发明属于生物医用材料、组织工程领域，具体涉及一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法。

背景技术：

1、创伤、感染、肿瘤、先天性畸形等引起的颅面骨缺损的临床治疗需求很大，但由于缺损形状不规则，骨厚度薄，颅面骨缺损的治疗仍是一个巨大的挑战。为了提高治疗效果，大量以磷酸钙、生物活性玻璃等具有骨传导性的无机材料为基础的生物活性人工骨代替品被开发出来。但常用的颗粒状或块状支架在临床上操作并不方便。近年来，专注于提供形状匹配特性的骨水泥、骨腻子或糊剂、3d打印支架和水凝胶得到了广泛的关注。虽然生物活性骨水泥和腻子产品如novabone已被广泛应用于临床，但这些体系中的无机颗粒之间以其及与液相之间几乎没有键合，存在溃散的风险，从而导致修复效果降低。优异的形状匹配性能、合适的力学性能、优异的成骨活性和利于临床的方便操作，是合理选择和设计骨修复生物活性材料的必要条件。

2、含钙无机颗粒，如羟基磷灰石、各类磷酸钙盐、硫酸钙盐、生物活性玻璃等，已被大量应用在人工骨修复材料上。他们具有与天然骨类似的组成成分，具有骨传导性，能够在体内、体外促进新骨的形成。目前主要的应用形式为定型陶瓷支架、粉末和骨水泥等。然而定型支架不适用于不规则形状的骨缺损，粉末材料缺乏粒子间的键合，有溃散流失的风险，不仅会降低修复效果，更有造成其他部位炎症的可能。

3、经过特定修饰的水凝胶可以被赋予注射、粘附、自愈等特性，能够自动填充各种形状的缺陷，并与周围组织形成稳定的结合。然而，在许多复合水凝胶中，都是通过简单的机械混合将生物活性玻璃或其他无机颗粒加入到聚合物网络中。这可能会导致力学缺陷，同时也限制了颗粒的含量。因此，如何改善聚合物网络与颗粒之间的相互作用，确保高含量颗粒含量在聚合物网络中分布更均匀，从而提高水凝胶的柔韧性和力学性能、满足骨缺损修复的要求并易于处理是关键问题。对颗粒进行改性是目前主要的增强策略之一。通过在表面修饰氨基、聚多巴胺等官能团，能够在无机颗粒与聚合物之间形成非共价键/共价键(如静电相互作用或希夫碱反应)，从而达到颗粒分布均匀的效果，赋予水凝胶具有更好的力学性能。此外，修饰了特定官能团如双膦酸酯和羧基的聚合物也成为了另一种选择。然而，这些策略的制备过程复杂，阻碍了其临床应用。

技术实现思路

1、为了解决现有无机复合骨缺损修复水凝胶的不足和问题，本发明探索了一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，在水凝胶中添加磷酸化氨基酸作为交联剂和成骨辅助剂，有效增强无机颗粒和聚合物网络之间的相互作用，同时与无机颗粒起到协同成骨的效果，进一步增强水凝胶的力学性能和成骨性能。

2、含有磷酸盐基团的物质通常具有良好的成骨特性，如双膦酸盐，通常用于治疗骨质疏松症。磷酸化氨基酸在各种成骨相关以及基础生命活动信号通路中均发挥重要作用。其中的磷酸基在体内可与具有骨传导性的含钙无机颗粒及周围环境中的钙离子结合，具有成骨特性。另一方面，其上的氨基和羧酸基可以与聚合物高分子网络上的羟基、羧基、氨基等形成氢键。有了这些特性，磷酸化氨基酸可以作为无机颗粒和有机网络之间的动态交联剂，即相互作用桥接剂，同时又是关键的成骨辅助剂引入到复合水凝胶中，以实现与含钙无机颗粒的协同作用。水凝胶的性质可以通过磷酸化氨基酸和含钙无机颗粒的比例来调节。

3、本发明的目的通过以下技术方案之一实现。

4、一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，包括以下步骤：

5、(1)选取具有骨传导性的含钙无机颗粒和由含有羟基，氨基或羧基的聚合物构成的水凝胶。

6、(2)将磷酸化氨基酸按比例与步骤(1)所述的无机颗粒和聚合物溶液通过一锅法混合后形成增强的水凝胶。

7、可选地，步骤(1)中所述的具有骨传导性的含钙无机颗粒包括但不限于羟基磷灰石、生物活性玻璃、磷酸钙盐、硫酸钙盐中的一种以上。

8、可选地，步骤(1)中所述的含羟基，氨基或羧基的聚合物材料包括但不限于透明质酸、明胶、海藻酸钠、壳聚糖、葡聚糖、纤维素、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙二醇、聚氨酯以及他们的改性产物中的一种及以上。

9、可选地，步骤(1)中所述的聚合物加入质量在溶剂质量的1％～10％范围内。

10、可选地，步骤(1)中所述的含钙无机颗粒固含量在溶剂质量的5％～30％范围内。

11、进一步地，步骤(1)中所述的聚合物本身能够自身成胶或者在步骤(1)中所述的含钙无机颗粒存在下能够成胶。

12、可选地，步骤(2)中加入的磷酸化氨基酸包括但不限于磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸、磷酸酪氨酸中的一种及以上。

13、进一步地，步骤(2)中磷酸化氨基酸的加入含量在步骤(1)中所述的无机颗粒含量的10％～60％。

14、需要说明的是，磷酸化氨基酸的加入含量不得破坏原本水凝胶成胶的ph条件范围；且通过本发明方法可制得一种用于不规则骨缺损修复的双网络动态有机无机杂化水凝胶。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

16、(1)本发明通过在复合水凝胶中加入磷酸化氨基酸，不仅可以作为无机颗粒和聚合物网络之间交联剂改善水凝胶的力学性能，而且在体外和体内都能与无机颗粒协同促进成骨。该技术不仅可能为磷酸化氨基酸发挥多种作用提供一种应用场景，还为增强粒子组分与聚合物网络之间的相互作用提供了一种简单普适方法；且水凝胶可以在保持令人满意的成骨性能的同时，为医生的操作提供更多的空间，从而有助于简化临床操作。

17、(2)本发明所使用的交联剂天然无毒害，易于获得，且具有良好促成骨效果，能够最大化发挥其特征优势。

18、(3)本发明所述的增强交联方法具有普适性，对各类含钙无机颗粒和含羟基、氨基、羧基的天然聚合物或合成聚合物都能够形成有效的动态键合作用。能够显著改善原本无机颗粒和聚合物网络较差的相互作用情况，大大避免水凝胶网络出现力学缺陷，有效提升无机颗粒在水凝胶中的掺杂效率，增强水凝胶力学性能。

19、(4)本发明所述的增强交联方法为动态交联，其中磷酸化氨基酸与无机颗粒、聚合物分子之间形成的化学键均为动态键，能够为水凝胶提供良好的流变学性能，能够快速适应不规则缺损部位的形状和结构，为临床使用提供可操作的空间。

20、(5)本发明所述的增强交联方法无需对的水凝胶现有组分进行化学修饰，大大简化了制备流程，在临床应用产品转化上具有优势。

技术特征：

1.一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，所述具有骨传导性的含钙无机颗粒包括羟基磷灰石、生物活性玻璃、磷酸钙盐或硫酸钙盐。

3.根据权利要求1所述的一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，所述含羟基，氨基或羧基的聚合物材料至少包括透明质酸、明胶、海藻酸钠、壳聚糖、葡聚糖、纤维素、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙二醇、聚氨酯以及他们的改性产物。

4.根据权利要求1所述的一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚合物加入质量为溶剂质量的1％～10％，所述含钙无机颗粒加入量为溶剂质量的5％～30％。

5.根据权利要求1所述的一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，所述磷酸化氨基酸至少为磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸、磷酸酪氨酸中的一种。

6.根据权利要求1或5所述的一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，其特征在于，所述磷酸化氨基酸的加入量为所述含钙无机颗粒的10％～60％。

技术总结
本发明公开了一种用于无机复合水凝胶的协同成骨动态增强交联的方法，包括以下步骤：通过一锅法混合含钙无机颗粒、磷酸化氨基酸以及聚合物溶液制备水凝胶。通过加入磷酸化的氨基酸，利用磷酸根与钙离子的静电相互作用以及其氨基与羧基和聚合物上的羟基、氨基、羧基等官能团形成的氢键实现水凝胶网络的增强。该方法无需对聚合物或是无机颗粒进行额外修饰，即可在增强成骨效果的同时，促进无机颗粒与聚合物之间的相互作用，能够有效提高无机颗粒在水凝胶中的掺杂效率，提升水凝胶的力学性能。

技术研发人员：曹晓东,刘雨薇,王刚
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15