具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法与及应用技术

本发明专利技术提供了具有纳米‑微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，由具有双交联高分子网络结构的水凝胶以及均匀分布在该水凝胶的双交联高分子网络上的类骨磷灰石组成；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料氧化自交联以及具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料与具有氨基及羧基的高分子材料通过迈克加成反应形成的；类骨磷灰石是以具有双交联高分子网络结构的水凝胶中的双交联高分子网络中的儿茶酚官能团与钙离子络合作为类骨磷灰石的成核位点生长形成的，类骨磷灰石是由纳米级类骨磷灰石聚集形成的微米级类骨磷灰石团聚体。本发明专利技术还提供了该仿生矿化水凝胶在颅骨修复领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法与及应用
本专利技术属于骨修复材料领域，涉及具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法与应用。
技术介绍
利用仿生矿化，生物有机体可在液体、环境温度下产生具有独特功能的层次结构化矿物。受有机-无机复合材料分层结构的骨骼成分的启发，有研究报道利用仿生矿化策略制备I型胶原(ColI)矿化支架并用于骨组织工程。作为结构模板，ColI可以促进无定形磷酸钙(ACP)前体离子渗透进入间隙空间并结晶成定向的羟基磷灰石纳米晶体。虽然胶原/磷灰石仿生矿化支架显示出增强的细胞活力和改善的成骨活性。然而，仿生具有分层交错纳米结构的骨支架仍然具有挑战性，因为它需要两个不同的有机相和无机纳米相高度相容。基于模拟体液(SBF)的仿生矿化方法，已经开发了由可生物降解的聚合物和生物活性无机材料组成的有机-无机复合体，这种方法可增强材料机械稳定性，同时可赋予材料更优异的骨诱导和骨传导性能。SBF可提供接近人体体液的合适的离子浓度，pH和温度条件，促进类骨磷灰石的沉积。但是，SBF仿生矿化通常会导致类骨磷灰石在底物的表面上异质形核或松散地分布在支架中，无法形成高度相容的有机-无机复合体。而成熟的骨骼是由连续的有机相和无机相组成，良好的相结合与相容性才赋予了自然骨骼优异的力学性能。因此，如何通过SBF仿生矿化实现有机-无机相的高度整合，仍然是本领域的难点之一。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法，以实现有机-无机相的高度相容与整合，形成具有仿生骨基质成分与结构的水凝胶，并提高水凝胶的力学强度，本专利技术的目的之二是提供该仿生矿化水凝胶在骨修复领域，特别是颅骨修复领域中的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供的具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，由具有双交联高分子网络结构的水凝胶以及均匀分布在该水凝胶的双交联高分子网络上的类骨磷灰石组成；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料氧化自交联以及具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料与具有氨基及羧基的高分子材料通过迈克加成反应形成的；类骨磷灰石是以具有双交联高分子网络结构的水凝胶中的双交联高分子网络中的儿茶酚官能团与钙离子络合作为类骨磷灰石的成核位点生长形成的，类骨磷灰石是由纳米级类骨磷灰石聚集形成的微米级类骨磷灰石团聚体。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，该仿生矿化水凝胶在冷冻干燥后，其中的类骨磷灰石的含量为45wt.％～90wt.％，余量为双交联网高分子络结构；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶中，双交联高分子网络的含量为5～50mg/mL。优选地，该仿生矿化水凝胶在冷冻干燥后，其中的类骨磷灰石的含量为45wt.％～68wt.％，余量为双交联高分子网络结构；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶中，双交联高分子网络的含量为5～35mg/mL。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，所述具有氨基及羧基的高分子材料优选为I型胶原，所述具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料优选为结构式如式(Ⅰ)所示的多巴胺改性的透明质酸，优选地，多巴胺改性的透明质酸中多巴胺的接枝率为1％～50％，更优选地，多巴胺改性的透明质酸中多巴胺的接枝率为1％～10％，进一步优选地，多巴胺改性的透明质酸中多巴胺的接枝率为5％～10％；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是在pH＝6.8～8.5的条件下，多巴胺改性的透明质酸溶液氧化自交联以及多巴胺改性的透明质酸溶液与I型胶原溶液通过迈克加成反应形成的。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有氨基及羧基的高分子材料的溶液与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的溶液在pH＝6.8～8.5的条件下，按照具有氨基及羧基的高分子材料与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的质量比为(0.1～10):1反应形成的，优选地，是具有氨基及羧基的高分子材料的溶液与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的溶液在pH＝6.8～8.5的条件下，按照具有氨基及羧基的高分子材料与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的质量比为反应形成的，进一步优选地，是具有氨基及羧基的高分子材料的溶液与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的溶液在pH＝6.8～8.5的条件下，按照具有氨基及羧基的高分子材料与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的质量比为1:1反应形成的。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，类骨磷灰石遵循逐层生长模式并在具有双交联高分子网络结构的水凝胶中嵌入式生长，形成由纳米级类骨磷灰石聚集形成的板条状结构的微米级类骨磷灰石团聚体，我们将该结构称之为纳米-微米复合板条状结构的类骨磷灰石团聚体，微米级类骨磷灰石团聚体的粒径为1.2～200μm，该粒径进一步优选为1.2～7.2μm。同时，所述类骨磷灰石的Ca/P比为1.64～1.83，优选地，类骨磷灰石的Ca/P比为1.67±0.03，与天然骨组织的Ca/P比非常接近。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，该生物矿化水凝胶的压缩模量至少为100kPa，进一步可达到116～128kPa，有利于骨髓间充质干细胞向成骨分化。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，I型胶原是以动物皮、肌腱、尾腱为原料制备的I型胶原。上述仿生矿化水凝胶的技术方案中，结构式如式(Ⅰ)所示多巴胺改性的透明质酸中是以透明质酸钠为基础改性得到的，作为改性基础的透明质酸钠的分子量为8.9w～200w，优选为34w～100w。本专利技术提供的仿生矿化水凝胶由天然聚合物的水凝胶和类骨磷灰石构成，具有良好生物相容性，体内降解产物可吸收，原料来源广泛。我们对该仿生矿化水凝胶的体外细胞生物学、体内募集干细胞能力及原位骨再生能力及其他相关的性能进行了评估，结果表明：(1)在体外细胞-仿生矿化水凝胶DCLHBM二维培养模型中，仿生矿化水凝胶DCLHBM没有细胞毒性并促进了细胞增殖，表现出良好的生物相容性。同时，在体外共培养21天后，DCLHBM5:5和DCLHBM3:7组的仿生矿化水凝胶未出现明显的收缩及溶胀现象，保持了相对稳定的结构，并且细胞呈现高密度均匀分布。相比于其他实验组，仿生矿化水凝胶DCLHBM5:5能更显著地促进干细胞的保留、粘附、增殖及成骨分化。所用细胞浓度范围1-10万个/mL，优选为5-10万个/mL。所述的细胞可以是骨髓间充质干细胞、脂肪干细胞等祖细胞。(2)在兔子临界颅骨缺损模型中对仿生矿化水凝胶在体内募集内源干细胞能力进行了评估，结果表明：仿生矿化水凝胶DCLHBM3:7和DCLHBM5:5，特别是DCLHBM5:5能有效地募集内源干细胞，且干细胞有明显的粘附生长。仿生矿化水凝胶DCLHBM3:7和DCLHBM5:5，尤其是DCLHBM5:5，能增强兔子颅骨缺损再生，不仅在缺损处形成大量的新生骨组织，还使新生骨组织具有类自然骨的骨结构。仿生矿化水凝胶DCLHBM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，该仿生矿化水凝胶由具有双交联高分子网络结构的水凝胶以及均匀分布在该水凝胶的双交联高分子网络上的类骨磷灰石组成；/n所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料氧化自交联以及具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料与具有氨基及羧基的高分子材料通过迈克加成反应形成的；/n类骨磷灰石是以具有双交联高分子网络结构的水凝胶中的双交联高分子网络中的儿茶酚官能团与钙离子络合作为类骨磷灰石的成核位点生长形成的，类骨磷灰石是由纳米级类骨磷灰石聚集形成的微米级类骨磷灰石团聚体。/n

【技术特征摘要】
1.具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，该仿生矿化水凝胶由具有双交联高分子网络结构的水凝胶以及均匀分布在该水凝胶的双交联高分子网络上的类骨磷灰石组成；
所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料氧化自交联以及具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料与具有氨基及羧基的高分子材料通过迈克加成反应形成的；
类骨磷灰石是以具有双交联高分子网络结构的水凝胶中的双交联高分子网络中的儿茶酚官能团与钙离子络合作为类骨磷灰石的成核位点生长形成的，类骨磷灰石是由纳米级类骨磷灰石聚集形成的微米级类骨磷灰石团聚体。


2.根据权利要求1所述具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，该仿生矿化水凝胶在冷冻干燥后，其中的类骨磷灰石的含量为45wt.％～90wt.％，余量为双交联网高分子络结构；所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶中，双交联高分子网络的含量为5～50mg/mL。


3.根据权利要求1所述具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，所述具有氨基及羧基的高分子材料是I型胶原，所述具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料是结构式如式(Ⅰ)所示的多巴胺改性的透明质酸，多巴胺改性的透明质酸中多巴胺的接枝率为1％～50％，



所述具有双交联高分子网络结构的水凝胶是在pH＝6.8～8.5的条件下，多巴胺改性的透明质酸溶液氧化自交联以及多巴胺改性的透明质酸溶液与I型胶原溶液通过迈克加成反应形成的。


4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，具有双交联高分子网络结构的水凝胶是具有氨基及羧基的高分子材料的溶液与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的溶液在pH＝6.8～8.5的条件下，按照具有氨基及羧基的高分子材料与具有羧基及儿茶酚官能团的高分子材料的质量比为(0.1～10):1反应形成的。


5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶，其特征在于，微米级类骨磷灰...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙勇，樊渝江，卢恭恭，徐杨，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51