基于水凝胶材料构建的组织工程骨及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及基于水凝胶材料构建的组织工程骨及其制备方法与应用。将成骨分化潜力的细胞包裹于具有成骨诱导活性的水凝胶材料，并通过一定的培养方式培养一段时间，即可获得成熟的组织工程骨。与现有技术相比，本发明专利技术提供的组织工程骨的构建方法是通过水凝胶材料来实现的，并且以水凝胶材料作为支架材料具备较好的成骨诱导活性，非常适用于骨组织工程。本发明专利技术通过体外生物反应器培养或体内皮下植入培养，有效解决了细胞在水凝胶内的营养交换障碍。本发明专利技术提供的组织工程骨具有成熟、稳定的组织学特性，能够达到正常骨组织水平，能够有效解决临床上自体骨供体不足的问题。效解决临床上自体骨供体不足的问题。效解决临床上自体骨供体不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于水凝胶材料构建的组织工程骨及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及组织工程与再生医学领域，尤其是涉及一种基于水凝胶材料构建的组织工程骨及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]当前，对于严重创伤、肿瘤切除后导致的大段骨缺损一直都是临床医生亟需解决的难题。目前，临床上最常用的治疗方法是自体骨移植，因为自体骨的骨诱导、骨生成作用被认为是植骨融合的金标准。但是，对于大段骨缺损填充，自体骨的供体十分有限，异体骨又面临免疫排异反应的问题。因此，临床上通常采用生物材料来替代治疗，例如骨水泥、生物陶瓷、生物可降解复合材料等，但仍然面临着植入材料难以吸收降解等问题。随着组织工程技术的发展，经典的骨组织工程修复策略已经在实验中得到了广泛的验证，但是还未能广泛应用于临床治疗，究其原因在于再生的组织工程骨没有达到正常骨组织水平。目前，常用的骨组织工程支架材料包括PCL、明胶、脱钙骨基质等生物材料。作为新一代组织工程支架材料，水凝胶以其高度含水、合适的力学强度，被认为是最理想的组织再生材料，但是基于水凝胶材料构建的组织工程骨并未有报道，主要原因在于：1)用于骨组织再生的水凝胶材料不够理想，缺乏成骨诱导活性；2)适合水凝胶材料的组织培养技术尚不完善，面临着营养物质交换等问题。

技术实现思路

[0003]为了解决水凝胶材料构建组织工程骨的技术壁垒，本专利技术提供一种基于水凝胶材料构建的组织工程骨及其制备方法与应用。
[0004]本专利技术通过优化用于骨组织再生的水凝胶材料，并结合相应的组织培养技术，首次利用水凝胶材料成功构建了成熟的组织工程骨。
[0005]本专利技术提供的组织工程骨的构建方法有望为整形美容、骨缺损修复与再生领域带来全新的治疗方案。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的第一个目的是提供具有成骨诱导活性水凝胶材料的制备方法。
[0008]在本专利技术的一个实施方式中，所述成骨诱导活性水凝胶材料是将成骨活性成分包裹于水凝胶材料制备得到。
[0009]在本专利技术的一个实施方式中，所述成骨活性成分包括生物活性的无机材料或生物活性因子。
[0010]在本专利技术的一个实施方式中，所述生物活性的无机材料包括羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙、生物玻璃、脱钙骨基质等。在本专利技术的一个实施方式中，所述生物活性因子包括BMP
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2～BMP
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9(骨形态发生蛋白)、VEGF、TGFβ等。
[0011]在本专利技术的一个实施方式中，所述成骨活性成分优选为羟基磷灰石、脱钙骨基质、BMP
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2。
[0012]在本专利技术的一个实施方式中，所述水凝胶材料是由水溶性高分子通过物理交联或化学交联或光交联中的一种或多种交联方式，或单一交联方式的多种材料组合交联形成。
[0013]在本专利技术的一个实施方式中，所述水溶性高分子选自天然高分子材料或合成高分子材料。
[0014]在本专利技术的一个实施方式中，所述天然高分子材料包括天然多糖类物质及其修饰物或降解物，蛋白及其修饰物或降解物。
[0015]在本专利技术的一个实施方式中，所述天然多糖类物质包括透明质酸、羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、海藻酸、葡聚糖、琼脂糖、肝素、硫酸软骨素、乙二醇壳聚糖、丙二醇壳聚糖、壳聚糖乳酸盐、羧甲基壳聚糖或壳聚糖季铵盐。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，所述蛋白包括各种亲水或水溶性动植物蛋白、胶原蛋白、血清蛋白、丝素蛋白、弹性蛋白。
[0017]在本专利技术的一个实施方式中，所述蛋白降解物包括明胶或多肽。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，所述合成高分子材料包括两臂或多臂聚乙二醇、聚乙烯亚胺、树枝体、合成多肽、聚赖氨酸、聚谷氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮。
[0019]在本专利技术的一个实施方式中，所述水凝胶材料优选为天然多糖类或蛋白类高分子，进一步优选为透明质酸、明胶。
[0020]其中，物理交联是通过高分子链间的缠结或非共价键交联(参考文献Xiangyu Liang,Pingguo Duan,Jingming Gao,et al.ACS Biomater.Sci.Eng.2018,4,3506.)。化学交联是通过高分子链间的共价键交联(参考文献Luping Cao,Bin Cao,Chengjiao Lu,et al.J.Mater.Chem.B 2015,3,1268.)。光交联是通过发生光化学反应形成共价键交联(参考文献Huitang Xia,Dandan Zhao,Hailin Zhu,et al.ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,31704.)。
[0021]在本专利技术的一个实施方式中，物理交联构建的水凝胶材料涉及的物理交联反应包括热缩合(温敏性)：聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、嵌段共聚物(PEO
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PPO
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PEO、PLGA
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PEG
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PLGA、PEG
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PLLA
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PEG、PCL
‑
PEG
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PCL等)；自组装作用：亲疏水作用、氢键作用、主客体相互作用；离子交联：海藻酸与钙离子；静电相互作用：壳聚糖与磷酸类物质。
[0022]在本专利技术的一个实施方式中，物理交联水凝胶采用海藻酸与钙离子的交联，即海藻酸与钙离子通过络合作用交联制备水凝胶，即海藻酸水凝胶。所述海藻酸水凝胶可实现的实施方式：将海藻酸高分子溶于生物相容性介质，配成一定浓度的水凝胶前体溶液，加入一定量的钙离子溶液搅拌均匀后，即可获得物理交联的海藻酸水凝胶。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，化学交联构建的水凝胶材料涉及的化学交联反应包括巯基
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迈克尔加成反应、酰胺缩合反应、席夫碱反应等。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，化学交联水凝胶采用席夫碱反应制备，即含醛基的高分子衍生物与含氨基的高分子衍生物通过席夫碱反应交联制备水凝胶。所述席夫碱水凝胶可实现的实施方式：将含醛基的高分子衍生物和含氨基的高分子衍生物分别溶于生物相容性介质，配成一定浓度的水凝胶前体溶液，混合均匀后，即可获得化学交联的席夫碱水凝胶。
[0025]所述含醛基的高分子衍生物的制备方法为邻二醇氧化法，即利用高碘酸钠氧化含
邻二醇结构的高分子衍生物得到醛基官能团(参考文献Brendan P.Purcell,David Lobb,Jason A.Burdick,et al.Nat.Mater.2014,13,653.)。所述含醛基的高分子衍生物可实现的实施方式：将含有邻二醇结构的水溶性高分子衍生物于蒸馏水中溶解，加入一定量的高碘酸钠，室温下搅拌反应5
‑
12h，加入乙二醇淬灭反应。然后将反应液倒入透析袋中透析2
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有成骨诱导活性水凝胶材料，其特征在于，将成骨活性成分包裹于水凝胶材料制备得到。2.根据权利要求1所述的一种具有成骨诱导活性水凝胶材料，其特征在于，所述成骨活性成分包括生物活性的无机材料或生物活性因子；所述生物活性的无机材料包括羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙、生物玻璃、脱钙骨基质；所述生物活性因子包括BMP
‑
2～BMP
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9、VEGF、TGFβ；所述成骨活性成分优选为羟基磷灰石、脱钙骨基质、BMP
‑
2。3.根据权利要求1所述的一种具有成骨诱导活性水凝胶材料，其特征在于，所述水凝胶材料是由水溶性高分子通过物理交联或化学交联或光交联中的一种或多种交联方式，或单一交联方式的多种材料组合交联形成；由多种交联方式构建的水凝胶的实施方式包括：利用物理交联和光交联构建互穿网络水凝胶，将海藻酸、含甲基丙烯酸酯基的高分子和光引发剂溶于生物相容性介质，配成一定浓度的水凝胶前体溶液，在254nm
‑
450nm波长的光源照射下实现光交联，然后将制备的水凝胶浸泡于含钙离子的溶液中交联海藻酸高分子，即获得互穿网络水凝胶；由单一交联方式的多种材料组合交联构建的水凝胶的实施方式包括：将多种含甲基丙烯酸酯基的高分子和光引发剂溶于生物相容性介质，配成一定浓度的水凝胶前体溶液，在254nm
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450nm波长的光源照射下实现光交联，即获得复合交联水凝胶。4.根据权利要求1所述的一种具有成骨诱导活性水凝胶材料，其特征在于，所述水凝胶材料选择光交联构建的水凝胶材料，所述交联构建的水凝胶材料是通过光引发聚合交联反应制备，即光引发剂在光源照射下生成的自由基，引发含甲基丙烯酸酯基的高分子衍生物上双键官能团的聚合反应，从而制备光交联水凝胶。5.根据权利要求1所述的一种具有成骨诱导活性水凝胶材料，其特征在于，所述水凝胶材料选自以下结构式
Ⅰ‑
1～式
Ⅰ‑
7中的结构：
其中，n≥2。6.一种基于水凝胶材料构建组织工程骨的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：华宇杰，周广东，白宝帅，郝俊祥，
申请(专利权)人：上海交通大学医学院附属第九人民医院，
类型：发明
国别省市：