一种用于促进骨折愈合的可注射双仿生骨粘合剂及其制备方法

本发明属于生物材料制备领域，具体涉及一种用于促进骨折愈合的可注射双仿生骨粘合剂及其制备方法。

背景技术：

1、一直以来，由交通事故、意外创伤、运动损伤和骨质疏松等引发的骨折问题备受关注。对于骨折的治疗策略，目前主要通过在体内嵌入金属板、钉、螺丝等固定方式恢复骨结构，促进机体组织的自我再生修复。然而，这些不可降解的装置或材料在骨修复完成后需要进行二次手术移除。不仅如此，由于应力遮挡，金属固定装置可能存在感染和损伤周围组织以及引发再次骨折等高风险问题。此外，金属植入材料会受到体内生理环境作用而发生腐蚀，进而产生毒副作用，而腐蚀后的金属植入材料会导致材料功能退变或失效，从而引发不良组织学反应如水肿、感染、组织坏死等。例如，在钴合金、钛合金等金属植入材料与骨骼之间产生的弹性模量差异会导致固定部位的局部张力和骨萎缩。因此，亟需开发新型生物医用材料用于临床骨折手术。

2、骨粘合剂作为一种新型生物医用材料，能够通过在湿态环境下形成坚固耐用的承重力来提供骨与骨和/或骨与种植体的粘接，并最终在新骨形成后自身代谢为无毒材料。与传统的侵入性固定材料如钢板或螺钉等相比，已制备的骨粘合剂证实不会产生继发性组织损伤和微生物感染的问题。在最近的几十年里，研究人员希求从大自然中获取灵感，包括模仿自然界中具有强粘附的生物或天然材料，开发用于骨组织的强生物活性粘合剂。理想的仿生骨粘合剂，应满足骨组织环境的各项参数要求，具体包括：在湿态环境中保持较强的粘附力、在生理条件下保持机械稳定、良好的生物相容性、与骨组织相近的弹性模量以及生物可降解性。

3、专利cn 111973804a公开了一种高度仿生活性骨组织的负载干细胞的可注射骨修复粘合剂，该粘合剂由高分子材料i型胶原、微米级球形羟基磷灰石以及多巴胺改性的透明质酸组成，并负载干细胞。该骨修复粘合剂在提高组织粘附性的同时可促进干细胞的粘附和增殖，增强干细胞的血管生成和成骨作用。但该材料中多巴胺的接枝率比较低，制备过程复杂，且该粘合剂的粘附强度不佳，无法固定在骨损伤部位，从而影响骨修复效率。又如，专利cn 110947026a公开了一种由邻硝基苄基修饰的天然生物大分子、光引发剂和纳米成骨颗粒组成的用于加速骨折愈合的骨粘合生物胶水。通过光照激活邻硝基苄基类扳机产生醛基，与组织中的氨基发生化学键合，从而粘合骨碎片与周边骨组织。随后，纳米成骨颗粒进入邻硝基苄基修饰的天然生物大分子的分子间隙孔富集并矿化，加速新骨生成。然而，这种借助外部光源设备才能成胶并粘合的使用方式，增加了操作的繁琐度和使用条件的限制，不利于在紧急情况下的应用。再如，专利cn 102307941a公开了一种由磷酸四钙和有效结构上类似于磷酸丝氨酸的物质反应生成具有粘性的胶状物质，该胶状物质可粘结骨缺损部位，固定骨骼。该胶状物质虽能在干态环境下具有很强的粘附性，且在体外实验中对缺损骨骼能够有效粘结，但在湿态环境下，该胶状物质的粘附性能下降，且该粘合剂一年内在动物体内降解仅为70%，其降解速率与成骨速率不相匹配，故该粘合剂在体内的应用严重受限。

4、由海洋贻贝分泌的贻贝粘附蛋白（mfp）富含的 3, 4-二羟基苯丙氨酸（dopa）可以排出组织月界面间的水分子和离子盐，并形成强大的共价键和非共价键，从而表现出强粘附能力。藤壶能通过产生特定的粘附蛋白混合物（cps）对界面进行粘附。此粘附蛋白混合物主要由蛋白cp19k组成，含有大量阳离子赖氨酸和疏水氨基酸。据推测，藤壶接触到界面时，在相邻疏水氨基酸的协同作用下，阳离子与带负电的表面形成强烈的静电相互作用后带来强的湿态粘附作用。同时，cp19k蛋白富含淀粉样蛋白 β-sheet，它垂直于纤维轴定向并通过致密氢键网络连接，可以连续延伸成超过数千个分子单元的超级大分子，增加了藤壶在界面水下粘附作用。

5、基于此，本发明提供了一种用于促进骨折愈合的可注射双仿生骨粘合剂及其制备方法。该双仿生骨粘合剂主要由单宁酸等仿生海洋贻贝生物物质、海藻酸钠等仿生海洋藤壶生物物质与丝素蛋白组成，并引入钙离子（ca2+）和镁颗粒自组装来稳定粘合剂内部结构。在使用时经简单混合后，所述的双仿生骨粘合剂可以直接注射在损伤部位并原位成胶。实验结果表明，该双仿生骨粘合剂具有快速固化、良好的生物相容性、强湿态组织粘附和匹配骨组织强度的力学性能；而基于镁颗粒与水反应产生氢气和镁离子（mg2+）的机理，该粘合剂同时具有抗炎并调节间充质干细胞的分化以促进骨骼修复的潜力，能够在骨损伤早期修复中起到良好的固定作用及潜在的促进骨再生能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于促进骨折愈合的可注射双仿生骨粘合剂及其制备方法。其中，引入的单宁酸等仿生海洋贻贝生物物质能够与邻苯二酚基团形成π-π堆积以诱导丝素蛋白从无规则卷曲构象转变为更稳定的 β-sheet蛋白折叠构象；同时，单宁酸等仿生海洋贻贝生物物质也可以与ca2+和mg2+形成金属-酚类配位键，其稳定的金属配位键使动态网络结构的粘合剂具有良好的机械性能与力学强度，能够起到固定骨折部位的作用，可以保护骨骼形态和结构，从而提高异植物的植入率促进损伤部位的修复效率。而基于镁颗粒与水反应产生氢气和镁离子的机理，所述的粘合剂还具有抗炎并调节间充质干细胞的分化以促血管化的功能。因此，本发明骨粘合剂展示出强粘附性、强可塑性、良好的生物相容性、优异的力学性能、广泛的适用范围、安全无毒以及便于操作的优点，有望作为稳固骨骼和修复缺损部位的潜在临床材料。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于促进骨折愈合的可注射双仿生骨粘合剂，其制备方法包括以下步骤：

4、（1）将无水碳酸钠加入到煮沸的去离子水中，搅拌混匀，然后加入蚕丝进行脱胶；清洗干燥后，产物用溴化锂溶液或氯化钙/无水乙醇/水三元溶液溶解，然后在去离子水中进行透析；透析后的溶液经离心过滤得到溶液s1；

5、（2）将仿生海洋藤壶生物物质加入去离子水中，在一定温度下搅拌混合均匀，得到溶液s2；

6、（3）将氯化钙粉末加入去离子水中，在室温下搅拌混匀，得到溶液s3；

7、（4）将仿生海洋贻贝生物物质溶解于去离子水中，然后向其中加入镁粉，搅拌混合均匀，得到仿生海洋贻贝生物物质-镁颗粒的混合溶液s4；

8、（5）在室温下，将溶液s1、s2、s3混合并加入混合溶液s4，充分搅拌混合，即得到所述可注射双仿生骨粘合剂材料。

9、进一步地，步骤（1）中所述脱胶的时间为5-120 min。

10、进一步地，步骤（1）中所述干燥的时间为1-50 h，温度为5-100 ℃。

11、进一步地，步骤（1）中所述透析的时间为36-100 h。

12、进一步地，步骤（1）中所得溶液s1的质量浓度为0.1-50.0%，优选为1-15.0%。

13、进一步地，步骤（2）中所述仿生海洋藤壶生物物质为海藻酸钠、聚丙烯酸-羟基琥珀酰亚胺酯、聚天冬酰胺、trx-balcp19k融合蛋白、巯基化透明质酸和球蛋白中的一种或多种，优选为海藻酸钠。

14、进一步地，步骤（2）中所述搅拌的温度为10-80 ℃，优选为15-80 ℃，时间为5-72h，优选为8-24 h。

15、进一步地，步骤（2）中所得溶液s2的质量浓度为0.1-80.0%，优选为0.1-20.0%。

16、进一步地，步骤（3）中所述搅拌的时间为1-120 min，优选为5-15 min。

17、进一步地，步骤（3）中所得溶液s3的质量浓度为0.01-20.0%，优选为0.1-10.0%。

18、进一步地，步骤（4）中所述仿生海洋贻贝生物物质为酚羟基壳聚糖、多巴胺、单宁酸、没食子酸和酚羟基化丙氨酸中的一种或多种，优选为单宁酸。

19、进一步地，步骤（4）中所得混合溶液s4的质量浓度为0.1-60.0%，优选为1-50.0%，其中所含镁粉的质量为0.001-10.0%。

20、进一步地，步骤（5）中所用溶液s1与溶液s2的体积比为1:1000-1000:1，优选为1:15-15:1；所述用溶液s1与溶液s3的体积比为1:1000-1000:1，优选为1:15-15:1；所用混合溶液s4与溶液s1、s2、s3混合液的体积比为1:1000-1000:1，优选为1:20-20:1。

21、进一步地，步骤（5）中搅拌混合的时间为1-180 min，优选为1-20 min，温度为5-50℃，优选为15-30 ℃。

22、与现有技术相比，本发明受海洋贻贝和藤壶水下粘附机理的启发，引入单宁酸等仿生海洋贻贝生物物质和海藻酸钠等仿生海洋藤壶生物物质与ca2+和mg2+形成金属-酚类配位键，以制备具有强机械性能和动态网络结构的粘合剂。其中，仿生海洋藤壶生物物质侧链上的羧基能够吸收界面中的水分以打破界面与水层的结合，提高动态网络与界面的结合强度，从而提高粘合剂的粘附性能。同时，通过π-π堆积相互作用，仿生海洋贻贝生物物质能够诱导粘合剂中的丝素蛋白从无规则卷曲构象转变为更稳定的 β-sheet蛋白折叠构象以提高动态网络的内聚力，进而提高粘合剂的粘附强度。此外，作为骨愈合过程中必不可少的成分，mg2+具有抗炎并调节间充质干细胞的分化以促血管化的功能，可以促进骨损伤的修复。因此，本发明设计制备的双仿生骨粘合剂具有湿态粘附性强、韧性好、适用范围广、安全无毒、生物相容性好的优点，有望实现临床中体内骨损伤的固定和修复中的应用。