一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法技术

一种修复骨/软骨的仿生定向双层水凝胶的制备方法，属生物材料领域。利用基于仿贻贝聚多巴胺的粘附作用，分别制备了诱导软骨再生的生长因子修饰的纤维素纳米晶PDA‑CNC与羟基磷灰石原位矿化修饰的纤维素纳米晶CaP‑CNC；将PDA‑CNC与生物相容性良好的天然高分子制备成上层水凝胶预聚液，基于其在剪切力作用下定向排列的特性，利用注射挤压等方式调节力场，使得纤维素纳米晶在水凝胶基体中取向排列。下层水凝胶中添加CaP‑CNC，在提高下层水凝胶的力学强度的同时更赋予水凝胶骨整合性。通过调节工艺参数，使得水凝胶基体上层和下层具有不同的活性成分、结构与力学性能，能够模拟天然软骨/骨组织，有利于软骨与骨组织的一体化修复和再生。

【技术实现步骤摘要】
一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法
本专利技术涉及生物材料制备
，具体涉及一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法。
技术介绍
骨和软骨较弱的自修复与再生能力导致临床上的关节骨/软骨损伤修复还存在问题，而人工骨/软骨移植治疗方法由于其生物活性差、与骨组织的结合力弱等问题达不到理想的治疗效果。此外，上层软骨组织具有各项异性，下层骨组织具有高的力学强度，这就使得软骨与骨的组织界面具有明显区别，骨与软骨的不同特性使得很难找到一种材料能同时促进软骨和骨组织生长。因此，寻找到一种在能模仿软骨的定向生长结构同时又能具有骨的高强度性能的材料对于促进骨/软骨一体化修复具有重大意义。水凝胶凭借其高含水量及力学可控的优势，能够模拟天然的生物组织，为细胞生长和组织长入提供了良好的环境。另外，还可通过一种或多种单体共聚，以及各种功能型纳米材料的填充，制备成多种多功能的水凝胶以满足不同组织修复的要求。纤维素纳米晶作为一种具有高力学强度和高生物相容性的天然高分子材料，其固有的剪切变稀性使其能够通过简单的挤压从而定向排列，同时纤维素纳米晶也可以作为载体负载生物活性材料。纤维素纳米晶的这些特性启发我们制备一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶，从而实现骨/软骨的一体化修复。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题提供一种基于具有各向异性，良好生物相容性，可用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法。本专利技术采用的技术方案是：一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法，包括以下步骤：步骤1：聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶(PDA-CNC)的制备：通过酸解法制备纤维素纳米晶，再将纤维素纳米晶配成一定质量分数的溶液；然后向其中加入多巴胺，并保持溶液碱性，搅拌，使得多巴胺在纤维素纳米晶表面自聚合形成聚多巴胺涂层，反应结束后，反复离心、清洗，得到的沉淀物即为聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶(PDA-CNC)；步骤2：软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶的制备：将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的转化生长因子，通过聚多巴胺的粘附性，将生长因子固定在纤维素纳米晶表面，搅拌一段时间后，得到诱导软骨再生因子接枝纤维素纳米晶溶液A；步骤3：羟基磷灰石原位矿化的纤维素纳米晶的制备：将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的磷酸盐和钙盐在碱性条件下反应一段时间后，离心，沉淀，通过聚多巴胺的原位诱导得到在纤维素纳米晶表面原位矿化的羟基磷灰石(CaP-CNC)，并将其分散在去离子水中得到溶液B；步骤4：添加相同质量的生物相容性良好的天然高分子到溶液A和溶液B中，搅拌一段时间后添加一定浓度的交联剂，搅拌均匀后，分别得到上层水凝胶预聚液和下层水凝胶预聚液；步骤5：将下层高强度水凝胶预聚液置入模具中，然后将上层水凝胶预聚液缓慢挤压至下层高强度水凝胶预聚液表面，使得上层中软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶在注射过程中定向，在一定温度静置一段时间后，即可制备出仿生定向双层水凝胶。进一步的，所述步骤1中纤维素纳米晶溶液浓度为20～50mg/ml。进一步的，所述步骤1中加入多巴胺含量5～50mg/ml，溶液pH为7.5～11。进一步的，所述步骤2中所加入的软骨生长因子为转化生长因子(TGF-β)，胰岛素样生长因子-1(IGF-1)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、肝细胞生长因子(HGF)及血小板衍生生长因子(PDGF)中的一种或者几种的组合，其含量为5～50ng/ml。进一步的，所述步骤3中磷酸盐的含量为50～200mg/ml，钙盐的含量为150～600mg/ml，其中磷酸盐与钙盐的比例为1：3。进一步的，所述步骤4中生物相容性良好的天然高分子为明胶、透明质酸、海藻酸钠、硫酸软骨素、胶原、壳聚糖、丝素、琼脂中的一种或者几种的组合，其含量为10～100mg/ml。本专利技术最终制备的仿生水凝胶为双层结构，其中上层仿生软骨定向水凝胶占比为50％，其中具有定向结构的带负电高分子(硫酸软骨素、透明质酸)修饰的纤维素纳米晶组分含量3wt.％～10wt.％；下层仿生高强度骨水凝胶占比为50％，其中原位矿化的羟基磷灰石修饰的纤维素纳米晶组分含量为7.5wt.％～30wt.％,整个双层水凝胶中明胶组分含量为5wt.％～40wt.％。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术制备的上层定向水凝胶以天然高分子网络为基体，以生长因子接枝的纤维素纳米晶为纳米填充物。纤维素纳米晶固有的剪切变稀特性，使得水凝胶预聚液在注射的过程中，其中的纤维素纳米晶在水凝胶基体中发生定向排列定向。所制备的上层水凝胶从结构上模拟软骨组织，且在复合纤维纳米晶后具有良好的力学性。另外将具有软骨诱导活性的生长因子通过聚多巴胺锚定在纤维素纳米晶表面，从而使得生长因子能够从水凝胶基体中缓慢释放，实现诱导软骨再生的目的。2.本专利技术制备的下层高强度水凝胶以羟基磷灰石原位矿化修饰的纤维素纳米晶复合材料作为网络填充物，复合材料的纳米填充增强效果能使水凝胶具有与骨组织类似的力学强度，而且羟基磷灰石能够诱导和促进骨生长。3.本专利技术制备的仿生定向双层水凝胶，具有全生物降解性，并且通过不同的网络填充物能够同时调节同一种水凝胶内部结构、组分、与力学性能，从而同时满足促进软骨和骨组织的再生的需求，为实现关节骨和软骨缺损的一体化修复提供了一种可能。附图说明图1为本专利技术制备的用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的结构示意图。具体实施方式参照图1及具体实施例对本专利技术做进一步说明：在图1中，上层水凝胶1为仿生软骨定向结构，这是由纤维素纳米晶固有的剪切变稀性提供的可定向性，通过简单的注射挤压即可实现水凝胶内纤维素纳米晶的定向排列。下层水凝胶2为仿生高强度骨结构，这是通过聚多巴胺的桥接作用在纤维素纳米晶表面原位矿化形成羟基磷灰石制备出的用于骨修复的纳米颗粒填充的高强度骨。在混合时，上层仿生定向软骨修复预聚液中定向排列的纳米颗粒比下层仿生高强度骨修复预聚液中无序排列的纳米颗粒具有更小的质量，不同的结构排列和溶液密度导致上层预聚液中较轻纳米颗粒不能无限制往下扩散，而下层预聚液中较重纳米颗粒受自身重力影响也不能无限制往上扩散，最终形成能同时仿生定向软骨和高强度骨的双层水凝胶。下面结具体实施例对本专利技术做进一步说明：一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法，包括以下步骤：步骤1：聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶(PDA-CNC)的制备：通过酸解法制备纤维素纳米晶，再将纤维素纳米晶配成一定质量分数的溶液；然后向其中加入多巴胺，并保持溶液碱性，搅拌，使得多巴胺在纤维素纳米晶表面自聚合形成聚多巴胺涂层，反应结束后，反复离心、清洗，得到的沉淀物即为聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶(PDA-CNC)；步骤2：软骨生长因子接枝的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法，包括以下步骤：/n步骤1：聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶PDA-CNC的制备：/n通过酸解法制备纤维素纳米晶，再将纤维素纳米晶配成一定质量分数的溶液；然后向其中加入多巴胺，并保持溶液碱性，搅拌，使得多巴胺在纤维素纳米晶表面自聚合形成聚多巴胺涂层，反应结束后，反复离心、清洗，得到的沉淀物即为聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶PDA-CNC；/n步骤2：软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶的制备：/n将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的转化生长因子，通过聚多巴胺的粘附性，将生长因子固定在纤维素纳米晶表面，搅拌一段时间后，得到诱导软骨再生因子接枝的纤维素纳米晶溶液A；/n步骤3：羟基磷灰石原位矿化修饰的纤维素纳米晶的制备：/n将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的磷酸盐和钙盐在碱性条件下反应一段时间后，离心，沉淀，得到在聚多巴胺原位诱导作用下原位矿化形成的羟基磷灰石修饰的纤维素纳米晶CaP-CNC，并将其分散在去离子水中得到溶液B；/n步骤4：添加相同质量的生物相容性良好的天然高分子到溶液A和溶液B中，搅拌一段时间后添加一定浓度的交联剂，搅拌均匀后，分别得到上层水凝胶预聚液和下层水凝胶预聚液；/n步骤5：将下层高强度水凝胶预聚液置入模具中，然后将上层水凝胶预聚液缓慢挤压至下层高强度水凝胶预聚液表面，使得上层中软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶在注射过程中定向，在室温静置一段时间后，即可制备出仿生定向双层水凝胶。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于骨/软骨修复的仿生定向双层水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶PDA-CNC的制备：
通过酸解法制备纤维素纳米晶，再将纤维素纳米晶配成一定质量分数的溶液；然后向其中加入多巴胺，并保持溶液碱性，搅拌，使得多巴胺在纤维素纳米晶表面自聚合形成聚多巴胺涂层，反应结束后，反复离心、清洗，得到的沉淀物即为聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶PDA-CNC；
步骤2：软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶的制备：
将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的转化生长因子，通过聚多巴胺的粘附性，将生长因子固定在纤维素纳米晶表面，搅拌一段时间后，得到诱导软骨再生因子接枝的纤维素纳米晶溶液A；
步骤3：羟基磷灰石原位矿化修饰的纤维素纳米晶的制备：
将步骤1制备的PDA-CNC分散在水溶液中，形成一定浓度的纤维素纳米晶溶液，向其中加入一定浓度的磷酸盐和钙盐在碱性条件下反应一段时间后，离心，沉淀，得到在聚多巴胺原位诱导作用下原位矿化形成的羟基磷灰石修饰的纤维素纳米晶CaP-CNC，并将其分散在去离子水中得到溶液B；
步骤4：添加相同质量的生物相容性良好的天然高分子到溶液A和溶液B中，搅拌一段时间后添加一定浓度的交联剂，搅拌均匀后，分别得到上层水凝胶预聚液和下层水凝胶预聚液；
步骤5：将下层高强度水凝胶预聚液置入模具中，然后将上层水凝胶预聚液缓慢挤压至下层高强度水凝胶预聚液表面，使得上层中软骨生长因子接枝的纤维素纳米晶在注射过程中定向，在室温静置一段时间后，即可制备出仿生定向双层水凝胶。

【专利技术属性】
技术研发人员：胡书春，刘志定，鲁雄，闫力维，韩璐，杨开明，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51