一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架及其制备方法和应用。所述二肽水凝胶支架以二肽水凝胶为骨架装载碳酸钙粒子，且所述碳酸钙粒子中包括生长因子。所得二肽水凝胶支架的纳米纤维结构具有合适的孔径，能够促进细胞的迁移和增殖，为细胞增殖和分化提供适宜的微环境；凝胶中的碳酸钙能够为骨形成提供钙源，也能够作为生长因子的载体，减缓其释放速度，延长有效作用时间，促进细胞生长及成骨分化。此外，所述二肽水凝胶由氨基酸自组装形成，降解产物也为氨基酸，可被机体进一步吸收，具有良好的生物相容性和安全性。良好的生物相容性和安全性。良好的生物相容性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于生物复合材料
，特别涉及一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人口老龄化的加剧，骨缺损类疾病的发生率逐年增加，并且交通事故、工伤也是造成的骨组织缺损或缺失的重要原因。目前，临床中使用的骨修复策略主要自体移植、同种异体移植和异种移植。然而，自体移植难以适应缺损轮廓的形状，且可用于嫁接的材料有限；而同种异体移植和异种移植同样受到可供移植骨源有限的限制，存在一定的免疫排斥反应。异种骨移植虽然材料来源丰富，但可能会引起免疫原性排斥反应，感染风险大，需要长期服用免疫抑制药物，给患者带来身体和经济上的双重压力。骨组织工程的出现为骨缺损的再生提供了新的解决方法。骨组织工程联合使用支架材料、种子细胞、生长因子促进骨组织的再生，即将体外培养的种子细胞接种到支架材料上，辅以生长因子促进细胞增殖分化形成具有与自体骨功能结构相似的新生骨组织。
[0003]近年来，自组装短肽水凝胶因其独特的优势在组织工程方面受到越来越多的关注。短肽及其衍生物具有确定的化学结构，因此可以精确设计和合成，并在分子水平上有效地改变肽序列和结合官能团，这使得短肽水凝胶相比其他水凝胶更具有精确的可调控特性。短肽水凝胶组成成分为氨基酸，降解产物也为氨基酸，可被机体进一步吸收，具有良好的生物相容性，能够支持细胞的正常活动而不会引起宿主局部或全身不良反应。且短肽水凝胶中的纳米纤维结构具有合适的孔径，能够促进细胞的迁移和增殖，为细胞增殖和分化提供适宜的微环境，并有利于结构内营养物质、氧气和代谢产物的转移。近年来已有很多研究将肽凝胶用于细胞培养，生物打印以及组织工程，且已在组织再生方面取得了令人瞩目的进展，如心脏再生，肝脏再生和粘膜再生等。尽管许多研究表明，短肽水凝胶可以支持成骨相关细胞的附着、迁移和成骨增殖，但到目前为止，很少有关于短肽水凝胶应用于骨组织工程的报道在动物模型中取得令人满意的骨再生结果，这主要是受限于它们的机械强度不够。因此，如何提高肽凝胶力学性能，仍是肽凝胶用于骨组织工程领域亟待解决的热点问题。
[0004]此外，在骨组织工程中，生长因子是必不可少的要素之一。如果直接将生长因子混入水凝胶支架材料中往往会造成其在初期的爆释，不能维持较长的作用时间。而与材料共价连接常常会造成生长因子在骨修复体系中的前期浓度很低，在后期材料降解后浓度突然增加。因此，利用合适的载体来维持生长因子的释放并维持其有效水平，对于材料在骨修复过程中的成骨能力有至关重要的影响。
[0005]为了提高肽凝胶力学强度并实现其中生长因子的缓释，本专利技术将骨诱导生长因子载入球霰石中，与二肽水凝胶体系制备复合凝胶。球霰石是碳酸钙的一种结晶多晶体，具有较好的生物相容性、生物降解性、高表面积和多孔性，可以作为纳米复合水凝胶的强化填充物和生物信号载体。同时，球霰石很容易转化为羟基磷灰石，因此可以作为矿物前体诱导羟
基磷灰石在二肽水凝胶的纳米纤维上的原位矿化，提高水凝胶的机械强度和骨传导性。此外，Ca
2+
的长期释放可以抑制破骨细胞的骨代谢，使骨平衡转向成骨细胞的骨形成，促进骨缺损部位的新骨再生。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架及其制备方法和应用。所述二肽水凝胶支架具有良好的生物相容性，其装载的碳酸钙粒子携带生长因子，可达到缓释生长因子的目的以促进细胞生长及成骨分化。且碳酸钙粒子具有较高的比表面积，可增强与凝胶纤维网络的相互作用，从而增强复合凝胶的力学强度。球霰石具有高比表面积，与水凝胶网络有很强的界面相互作用，因此可作为交联剂提高水凝胶的机械性能。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架，所述二肽水凝胶支架以二肽水凝胶为骨架装载碳酸钙粒子，且所述碳酸钙粒子中包括生长因子。
[0009]本专利技术中，所述二肽水凝胶支架具有良好的生物兼容性，与普通的固体支架材料相比，能够与细胞更加充分地接触，能为细胞提供更多的营养和氧气，且具有较好的骨诱导特性；且二肽水凝胶支架的纳米纤维结构具有合适的孔径，能够促进细胞的迁移和增殖，为细胞增殖和分化提供适宜的微环境，有利于结构内营养物质、氧气和代谢产物的转移。
[0010]作为本专利技术优选的技术方案，所述碳酸钙粒子晶型为球霰石，平均粒径为400～500nm，例如可以是400nm、410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm或500nm等。
[0011]优选地，所述碳酸钙粒子中还包括嗜热菌蛋白酶。
[0012]优选地，所述二肽水凝胶中的氨基酸残基为酪氨酸和亮氨酸。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，所述生长因子包括成骨细胞增殖/分化剂。
[0014]优选地，所述成骨细胞增殖/分化剂为蛋白、多肽或小分子中的任意一种或至少两种的组合。
[0015]优选地，所述生长因子包括骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic protein，BMP)、成骨多肽、β
‑
连环蛋白、胰岛素样生长因子、转化生长因子
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β、L
‑
抗坏血酸、β
‑
甘油磷酸钠、地塞米松或辛伐他汀中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的二肽水凝胶支架的制备方法，包括：
[0017]制备碳酸钙粒子，再将生长因子装载于所述碳酸钙粒子中；
[0018]将装载有生长因子的碳酸钙粒子置于氨基酸溶液中，震荡混合后静置，得到所述二肽水凝胶支架。
[0019]作为本专利技术优选的技术方案，所述碳酸钙粒子的制备方法包括：将含有氯化钙的乙二醇溶液与碳酸钠溶液混合，在搅拌条件下反应，收集沉淀得到所述碳酸钙粒子。
[0020]优选地，所述搅拌的转速为700～1500rpm，例如可以是700rpm、800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm或1500rpm等。
[0021]优选地，所述反应的时间为2～4h，例如可以是2h、2.2h、2.5h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.5h、3.6h、3.8h或4h等。
[0022]优选地，所述含有氯化钙的乙二醇溶液中氯化钙的摩尔浓度为5～10mM，例如可以是5mM、6mM、7mM、8mM、9mM或10mM等。
[0023]优选地，所述碳酸钠溶液中碳酸钠的摩尔浓度为20～30mM，例如可以是20mM、21mM、22mM、23mM、24mM、25mM、26mM、27mM、28mM、29mM或30mM等。
[0024]优选地，所述含有氯化钙的乙二醇溶液与碳酸钠溶液的体积比为(3～5):1，例如可以是3:1、3.2:1、3.4:1、3.5:1、3.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳酸钙复合的二肽水凝胶支架，其特征在于，所述二肽水凝胶支架以二肽水凝胶为骨架装载碳酸钙粒子，且所述碳酸钙粒子中包括生长因子。2.根据权利要求1所述的二肽水凝胶支架，其特征在于，所述碳酸钙粒子的平均粒径为400～500nm；优选地，所述碳酸钙粒子中还包括嗜热菌蛋白酶；优选地，所述二肽水凝胶中的氨基酸残基为酪氨酸和亮氨酸。3.根据权利要求1或2所述的二肽水凝胶支架，其特征在于，所述生长因子包括成骨细胞增殖/分化剂；优选地，所述成骨细胞增殖/分化剂为蛋白、多肽或小分子中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述生长因子包括骨形态发生蛋白、成骨多肽、β
‑
连环蛋白、胰岛素样生长因子、转化生长因子
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β、L
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抗坏血酸、β
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甘油磷酸钠、地塞米松或辛伐他汀中的任意一种或至少两种的组合。4.一种如权利要求1～3任一项所述的二肽水凝胶支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：制备碳酸钙粒子，再将生长因子装载于所述碳酸钙粒子中；将装载有生长因子的碳酸钙粒子置于氨基酸溶液中，震荡混合后静置，得到所述二肽水凝胶支架。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳酸钙粒子的制备方法包括：将含有氯化钙的乙二醇溶液与碳酸钠溶液混合，在搅拌条件下反应，收集沉淀得到所述碳酸钙粒子；优选地，所述搅拌的转速为700～1500rpm；优选地，所述反应的时间为2～4h；优选地，所述含有氯化钙的乙二醇溶液中氯化钙的摩尔浓度为5～10mM；优选地，所述碳酸钠溶液中碳酸钠的摩尔浓度为20～30mM；优选地，所述含有氯化钙的乙二醇溶液与碳酸钠溶液的体积比为(3～5):1。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述将生长因子装载于所述碳酸钙粒子中的具体步骤包括：将所述碳酸钙粒子和生长因子混合，震荡分散后在水浴条件下旋蒸干燥，得到装载有生长因子的碳酸钙粒子；优选地，所述碳酸钙粒子和生长因子混合时还包括加入嗜热菌蛋白酶的操作；优选地，所述嗜热菌蛋白酶与碳酸钙粒子的质量比为1:(10～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：白硕，郝林娜，王安河，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：