一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法及应用，该方法将GelMA和PEG‑4SH溶于PBS缓冲液中，搅拌；充分溶解后，加入MgO纳米颗粒，搅拌，超声；加入十二烷和光引发剂，用高速均质机剧烈搅拌，得稳定的Pickering乳液；将乳液经UV光照，成胶，经乙醇和水充分洗涤透析，得到GelMA大孔水凝胶。制得的GelMA大孔水凝胶具有大孔结构的优势，能够促进营养物质的输送、代谢产物的排出以及细胞间的交流；且包载有Mg元素的成分，对小鼠骨髓间充质干细胞具有促进粘附、增殖和促进成骨分化的作用，具备优良的生物相容性，可作为性能优良的骨组织工程支架，在骨修复领域具有巨大的临床应用潜能。

Preparation and application of GelMA macroporous hydrogel by Pickering emulsion method

【技术实现步骤摘要】
一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法及应用
本专利技术涉及水凝胶材料的
，尤其是指一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法及应用。
技术介绍
骨损伤已是临床常见的外科疾病，目前临床治疗上所采用的骨移植体，主要有自体骨、同种异体骨和异种骨,这三种临床骨移植体各有优缺点，且来源有限，因此每年临床治疗均需要大量的骨修复材料。临床所使用的各种骨修复材料也均存在一定的问题，例如医用金属材料骨传导性较差，与人体天然骨组织的弹性模量不匹配；磷酸钙骨水泥机械强度差，不能用于承重骨的修复；生物活性玻璃降解速度与骨组织生长速度不匹配，导致骨组织生长速度过慢或骨缺损修复不完整等问题。骨组织成分复杂，当中含有多种微量金属元素，如Mg、Sr、Zn、Fe、Cu等。在骨修复材料的研究中，掺入微量金属元素可以提高材料的骨修复性能。在多种微量金属元素中，Mg元素参与骨组织形成、骨代谢和骨矿物结晶等生理过程,对成骨细胞的粘附、增殖和成骨分化行为具有促进作用。高分子水凝胶是一种由亲水性高分子交联而形成的三维网络与水分子共同结合组成的材料体系。常用于骨修复水凝胶制备的材料有胶原、明胶、丝素蛋白、壳聚糖、海藻酸钠和透明质酸等天然生物质高分子。由这些天然高分子制成的水凝胶，在成分上与机体的细胞外基质相似，同时具有良好的生物学性能和降解性能，以及促使细胞在材料上粘附等优势，已广泛应用于骨修复植入物的研究当中。目前已有多种制备方式将天然生物质高分子材料制成多种形态的水凝胶支架。大孔凝胶支架在组织工程、生物医药等方面有着极大的应用价值，水凝胶内部相互连通的孔洞结构能够促进营养物质的输送、代谢产物的排出以及细胞间的交流，可作为良好的组织工程支架。一般将有效孔径在10nm～10μm范围内的水凝胶称为微孔水凝胶，有效孔径大于10μm的水凝胶称为大孔水凝胶。目前常见用于制备生物医用的大孔支架的方法中，要么无法形成连通孔，要么需要引入额外化学品增加毒性，不利于材料的生物相容性。本设计根据Pickering乳液法制备大孔水凝胶支架材料的原理和特点，将MgO纳米粒子作为Pickering乳液的稳定剂，拟设计一种GelMA大孔水凝胶支架，作为性能优良的骨修复支架。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法及应用，该方法制备的大孔水凝胶具有大孔结构的优势，能够促进营养物质的输送、代谢产物的排出以及细胞间的交流；且包载有Mg元素的成分，对小鼠骨髓间充质干细胞具有促进粘附、增殖和促进成骨分化的作用，具备优良的生物相容性，可作为良好的组织工程支架，在骨修复领域具有巨大的临床应用潜能。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法，首先，用甲基丙烯酸酐对明胶分子链进行接枝改性，得到甲基丙烯酸化的明胶，即GelMA，利用其上的双键，在光引发剂I2959的催化下，在UV光照下与四臂的PEG-4SH上的巯基发生thiol-ene点击反应，快速形成水凝胶，通过在凝胶前驱液，即水相中加入由MgO纳米颗粒与十二烷构成的油相溶液，在均质机高速搅拌下制备稳定均一的Pickering乳液，再UV光照成胶，洗去作为模板的十二烷油滴，即得到以MgO纳米颗粒为Pickering乳液稳定剂的GelMA大孔水凝胶。所述方法包括以下步骤：1)将GelMA和PEG-4SH溶解于PBS(1×)缓冲液中，得到水相溶液；2)将MgO纳米颗粒加入十二烷中，搅拌之后再超声分散，得到油相溶液；3)将水相与油相溶液混合，加入I2959光引发剂，用均质机高速搅拌，制得均一稳定的Pickering乳液；4)将乳液注入PDMS模具中，经UV光照，乳液成胶，脱模，用无水乙醇和去离子水透析，冻干，即得以MgO纳米颗粒为Pickering乳液稳定剂的GelMA大孔水凝胶。在步骤1)中，所述GelMA的取代度大于70％，PEG的分子量为2～20kDa。在步骤1)中，所述GelMA与PEG-4SH的质量比为1:0.5～1。在步骤2)中，所述MgO纳米颗粒的粒径为20～100nm。在步骤2)中，所述超声的时间为10～60min。在步骤3)中，所述I2959光引发剂的加入量为0.01～0.1wt％。在步骤3)中，所述均质机高速搅拌的转速为1～2万转/min，搅拌时间为30～90s。在步骤4)中，所述PDMS模具的厚度为2～5mm，孔径为5～10mm，UV光照时间为模具正、反面各30～90s。通过上述方法制得的GelMA大孔水凝胶作为组织工程支架应用于骨修复。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：本专利技术得到的GelMA大孔水凝胶材料具有良好的生物相容性和可降解性。thiol-ene点击反应条件温和，成胶时间短，并且结合了明胶的细胞粘附性和PEG优良的理化性能，制备出一种在成分上是均匀的，细胞相容性好的，并且在化学和机械性能方面是可调的组织工程支架材料，较好地模拟了天然细胞外基质。MgO纳米粒子的引入，不仅作为Pickering乳液稳定剂，赋予了材料大孔结构，促进营养物质的输送、代谢产物的排出以及细胞间的交流，还有效提高了材料的力学强度，并且Mg2+的释放可以有效促进细胞的增殖与成骨分化能力，有望成为优良的骨修复水凝胶支架。具有巨大的临床应用潜能。附图说明图1为GelMA大孔水凝胶的成胶机理图。图2为GelMA与明胶的1HNMR。图3为MgO纳米粒子的接触角测试照片。图4为GelMA大孔水凝胶支架的压缩模量测试图。图5a为GelMA大孔水凝胶支架的EDS能谱图(整体面扫)。图5b为GelMA大孔水凝胶支架的EDS能谱图(局部扫描)。图6a为GelMA大孔水凝胶支架的Mg2+体外释放曲线图之一。图6b为GelMA大孔水凝胶支架的Mg2+体外释放曲线图之二。图7a、图7b、图7c、图7d为不同MgO浓度的GelMA大孔水凝胶支架的SEM照片。图8为mBMSCs种植在不同MgO浓度的GelMA大孔水凝胶支架上，细胞1,3,7天的增殖情况图。图9为mBMSCs种植在不同MgO浓度的GelMA大孔水凝胶支架上，培养到第7天，Live/Dead染色的激光共聚焦照片。具体实施方式以下结合实例对本专利技术的具体实施做进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1(明胶的修饰与表征)一、明胶的修饰GelMA是由明胶经甲基丙烯酸酐修饰改性得到的，通过将甲基丙烯酸酐接枝到明胶分子链上，在明胶分子链上引入反应活性高的碳碳双键，利于与四臂的PEG-4SH分子上的巯基发生thiol-ene点击反应，在UV光照下交联成凝胶网络。GelMA大孔水凝胶的成胶机理见图1。5g明胶溶于50mLPBS(1×)缓冲液，于60℃水浴中，搅拌至完全溶解。10mL甲基丙烯酸酐在0.5mL/min的速率下滴入搅拌中的明胶溶液，50℃水浴，反应3小时。稍冷却，用40℃的PBS(1×)稀释反应物至5倍，以终止反应。用12-14kDa的透析袋透析7天，于40℃水浴内透析，最后冻干，得产物于4℃下储存。二、明胶修饰产物的1HNMR表征对上述明胶与GelMA进行核磁共振氢谱(1HNMR)分析，测定其分子结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法，其特征在于，首先，用甲基丙烯酸酐对明胶分子链进行接枝改性，得到甲基丙烯酸化的明胶，即GelMA，利用其上的双键，在光引发剂I 2959的催化下，在UV光照下与四臂的PEG‑4SH上的巯基发生thiol‑ene点击反应，快速形成水凝胶，通过在凝胶前驱液，即水相中加入由MgO纳米颗粒与十二烷构成的油相溶液，在均质机高速搅拌下制备稳定均一的Pickering乳液，再UV光照成胶，洗去作为模板的十二烷油滴，即得到以MgO纳米颗粒为Pickering乳液稳定剂的GelMA大孔水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法，其特征在于，首先，用甲基丙烯酸酐对明胶分子链进行接枝改性，得到甲基丙烯酸化的明胶，即GelMA，利用其上的双键，在光引发剂I2959的催化下，在UV光照下与四臂的PEG-4SH上的巯基发生thiol-ene点击反应，快速形成水凝胶，通过在凝胶前驱液，即水相中加入由MgO纳米颗粒与十二烷构成的油相溶液，在均质机高速搅拌下制备稳定均一的Pickering乳液，再UV光照成胶，洗去作为模板的十二烷油滴，即得到以MgO纳米颗粒为Pickering乳液稳定剂的GelMA大孔水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将GelMA和PEG-4SH溶解于PBS(1×)缓冲液中，得到水相溶液；2)将MgO纳米颗粒加入十二烷中，搅拌之后再超声分散，得到油相溶液；3)将水相与油相溶液混合，加入I2959光引发剂，用均质机高速搅拌，制得均一稳定的Pickering乳液；4)将乳液注入PDMS模具中，经UV光照，乳液成胶，脱模，用无水乙醇和去离子水透析，冻干，即得以MgO纳米颗粒为Pickering乳液稳定剂的GelMA大孔水凝胶。3.根据权利要求2所述的一种以Pickering乳液法制备GelMA大孔水凝胶的方法，其特征在于：在步骤1)中，所述GelMA的取代度大于70％，PEG的分子量为2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹晓东，潘昊田，李庆涛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44