一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶及其在骨组织工程方面的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶及其在骨组织工程方面的应用。所述复合水凝胶包括黑磷和经双键修饰的明胶；其中，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～99.9%。本发明专利技术的复合水凝胶生物相容性好、安全性高，同时具备良好的机械性能、力学性能和生物学性能，可支持细胞的生长及成骨分化，有明显的促进新生骨的生成、骨缺损修复的作用；不仅能通过化学修饰明胶有针对性地构建具备适宜性能的水凝胶基体，同时可通过光控制，利用黑磷的在光、氧、水同时存在时的氧化特性和其对钙元素的诱导作用控制水凝胶的矿化速度，从而实现骨修复过程的有效调控。本发明专利技术产品安全性好，性能可靠，操作简便，重复性好，易于产业化。

A composite hydrogel based on black phosphorus and gelatin and its application in bone tissue engineering

The invention discloses a composite hydrogel based on black phosphorus and gelatin and its application in bone tissue engineering. The composite hydrogel comprises black phosphorus and gelatin modified by double bonds, wherein the total content of the gelatin modified by double bonds is 5%-99.9%. The composite hydrogel of the invention has good biocompatibility, high safety, good mechanical properties, mechanical properties and biological properties, can support cell growth and osteogenic differentiation, has obvious effect of promoting the formation of new bone and repairing bone defect, and can not only construct a specific tool by chemically modified gelatin. A suitable hydrogel matrix can be prepared and controlled by light. The mineralization rate of the hydrogel can be controlled by the oxidation characteristics of black phosphorus in the presence of light, oxygen and water and its induction of calcium, so as to realize the effective regulation of bone repair process. The product has the advantages of good safety, reliable performance, simple operation, good repeatability and easy industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶及其在骨组织工程方面的应用
本专利技术属于组织工程
更具体地，涉及一种基于黑磷与明胶的复合水凝胶与其制备方法和其在骨组织工程方面的应用。
技术介绍
由创伤、癌症、畸变等引起的骨损伤发病率呈逐年增加趋势，急需有效的治疗策略。尽管一直以来认为自体骨移植是骨修复的金标准，但此方法会影响原本健康的组织，带来二次创伤，同时供体来源有限且成本高；而同种异体骨移植也面临着生物活性降低、感染风险增加，且样品制备、处理和储存的成本高等局限。目前，随着科学技术发展和基础研究的深入，包括天然生物材料、合成生物材料和复合材料在内的各种材料已被用于理想骨修复材料的构建。但从第一代以替换受损组织为目的的骨修复材料开始发展至今，只有少数研究被转化为可真正投入市场的临床产品，而其他大部分的研究均因大规模生产加工或实际手术过程中的局限无法真正投入临床使用。组织工程这一概念由JosephP.Vacanti和RobertLanger教授最先提出，旨在通过干细胞、支架材料和生长因子等关键因素，构建适宜的生物材料来替换或修复受损器官。骨组织工程技术旨在利用工程学及生命科学的理论与方法研究骨的结构、功能及生长机制，开发安全可靠的策略以进行有效的骨损伤修复治疗。作为组织工程的重要分支，骨组织工程也同样涉及细胞、支架材料及植入物与体内微环境的整合。其中，骨组织工程支架不仅为细胞的粘附、增殖提供了结构支持，更能诱导干细胞分化，构成组织再生的微环境。随着生物医学工程技术的不断发展，设计出安全性好又高效可控型的多功能组织工程支架以解决骨修复方面的现实问题成为当前的重点研究方向。这要求支架材料满足：1、安全无毒，可支持细胞生长；2、可为细胞活动输送营养；3、可根据创伤需要调节其组分构成；4、具有生物相容性、安全性；5、具备可加工性和操作简便性，可以适应不同条件的创伤；6、可控响应性，可根据机体需要控制骨修复进程。开发基于骨骼天然成分及其生理状态的仿生骨修复材料以诱导骨组织再生修复成为骨缺损治疗中极其重要的策略。而生物相容性好、成分可调控、塑型性高的水凝胶材料成为骨修复材料领域的热点。但目前，水凝胶类生物材料诱导骨再生仍面临材料机械性能动态匹配程度低，骨修复过程缓慢不可控，降解速率与修复速度不一致且降解产物或对机体有害等挑战。因此，如何获得安全无毒、可控、生物相容性、并具备促进骨修复效果的生物支架材料成为组织工程亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种基于黑磷与明胶的复合水凝胶。本专利技术所述的复合水凝胶具备多孔结构、良好的力学性能和生物性能，安全性高、可操作性强，有良好的可控促成骨能力，为临床上实现可控骨修复提供了可能。本专利技术的目的是提供一种基于黑磷与明胶的复合水凝胶。本专利技术另一个目的是提供上述复合水凝胶的制备方法。本专利技术再一个目的是提供上述复合水凝胶在骨组织工程方面的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶，所述复合水凝胶包括黑磷和经双键修饰的明胶；其中，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～99.9%。优选地，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～50%。更优选地，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～20%。本专利技术以黑磷和经双键修饰的明胶作为骨组织工程支架材料，并通过调整黑磷及经双键修饰的明胶的组成和比例保证水凝胶支架材料同时具备良好的机械性能、力学性能和生物学性能，可支持细胞的生长及成骨分化，有明显的促进新生骨的生成、骨缺损修复的作用。本专利技术不仅能通过化学修饰明胶有针对性地构建具备适宜性能的水凝胶基体；同时可通过光控制，利用黑磷在光、氧、水同时存在时的氧化特性控制水凝胶的降解速率及并利用其对钙元素的诱导作用控制水凝胶的矿化速度，从而实现骨修复过程的有效调控，可制备满足不同条件的可控型骨组织工程支架材料，用于骨修复的临床研究及实践中。优选地，所述经双键修饰的明胶为甲基丙烯酸酯化明胶。更优选地，甲基丙烯酸酯化明胶的制备方法为：按质量体积比1.5～7.5：1将甲基丙烯酸酐与明胶溶液反应，反应产物透析干燥后得到白色松软的海绵状产物即为甲基丙烯酸酯化明胶（GelMa）。更优选地，30～60℃水浴下，将明胶溶于磷酸盐缓冲液（PBS）中配成质量体积浓度为5%～20%的溶液后，与甲基丙烯酸酐反应。本文中，术语“甲基丙烯酸酯化程度”指的是存在于甲基丙烯酸衍生化聚合物中的羧酸基团的量，该羧酸基团能反应产生甲基丙烯酸酯基团。更具体优选地，甲基丙烯酸酯化明胶的制备方法为：将明胶在30～60℃水浴下溶于PBS缓冲液中，制成质量体积浓度为5%～20%的溶液；以0.1～1mL/min的速度加入甲基丙烯酸酐（甲基丙烯酸酐与明胶溶液的质量体积比为7.5：1），于45～55℃水浴中搅拌反应4～24h，加入3～5倍量的PBS停止反应；所得液体透析7～10d后，冷冻干燥得到白色松软的海绵状产物，即为甲基丙烯酸酯化明胶。优选地，所述黑磷的直径为250nm～5μm。优选地，所述黑磷在复合水凝胶中的含量为0.001%～5%。更优选地，所述黑磷在复合水凝胶中的含量为0.005%～1%。更进一步优选地，所述黑磷在复合水凝胶中的含量为0.005%～0.05%。优选地，所述复合水凝胶中还含有聚酯酰胺（PEA）。本专利技术所述复合水凝胶中可加入促进细胞相互作用的成分以提高其功能。更优选地，所述聚酯酰胺（PEA）为基于精氨酸的不饱和聚酯酰胺（Arg-UPEA）。优选地，所述复合水凝胶的弹性模量为0.05～1MPa。本专利技术还提供了上述复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1.制备黑磷固体颗粒：将黑磷于N-甲基吡咯烷酮中研磨1～60min，超声处理0～10h，功率为300～1000W，于1000～8000r/min下离心5～20min，所得沉淀部分即为黑磷颗粒、黑磷纳米片或黑磷量子点；S2.将明胶与甲基丙烯酸酐或丙烯酰氯反应，得到可光交联的经双键修饰的明胶；将经双键修饰的明胶消毒并溶解后，加入光引发剂，得到预聚液；S3.向预聚液中加入黑磷，溶解、分散均匀后超声除去气泡，置于模具中，在紫外光照射下引发聚合反应，即可得到所述的复合水凝胶。优选地，步骤S1中，于1000～8000r/min下离心5～20min后，再取上清液于10000～30000r/min离心5～10min。优选地，步骤S2中，所述明胶的分子量为5000～500000。更优选地，步骤S2中，所述明胶的分子量为10000～100000。优选地，步骤S2中，所述明胶与甲基丙烯酸酐反应，得到甲基丙烯酸酯化明胶；所述甲基丙烯酸酯化明胶的接枝率为50%～80%。实验发现，甲基丙烯酸酯化明胶的接枝率较高时，产物的光交联性能提升，有利于提高水凝胶的强度，制成的水凝胶更有利于不同条件下的骨组织修复。优选地，所述甲基丙烯酸酯化明胶的制备方法为：按质量体积比1.5～7.5：1将甲基丙烯酸酐与明胶溶液反应，反应产物透析干燥后得到白色松软的海绵状产物即为甲基丙烯酸酯化明胶（GelMa）。更优选地，30～60℃水浴下，将明胶溶于磷酸盐缓冲液（PBS）中配成质量体积浓度为5%～20%的溶液后，与甲基丙烯酸酐反应。本文中，术语“甲基丙烯酸酯化程度”指的是存在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶，其特征在于，所述复合水凝胶包括黑磷和经双键修饰的明胶；其中，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～99.9%。

【技术特征摘要】
1.一种基于黑磷和明胶的复合水凝胶，其特征在于，所述复合水凝胶包括黑磷和经双键修饰的明胶；其中，所述经双键修饰的明胶的总含量为5%～99.9%。2.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，所述经双键修饰的明胶为甲基丙烯酸酯化明胶。3.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，所述黑磷的直径为250nm～5μm。4.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，所述黑磷在复合水凝胶中的含量为0.001%～5%。5.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，所述复合水凝胶中还含有聚酯酰胺。6.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，所述复合水凝胶的弹性模量为0.05～1MPa。7.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于，由包括以下步骤的方法制备得到：S1.制备黑磷固体颗粒：将黑磷于N-...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾志鹏，黄钶晴，吴钧，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44