超声波响应压电水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种超声波响应压电水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶包括表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线和多巴胺接枝的透明质酸，其具有优异的压电性能，且可注射、可降解，生物相容性好，其在生物医学领域以及临床上具有潜在的应用前景。上具有潜在的应用前景。上具有潜在的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
超声波响应压电水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于生物电子医学设备
，具体涉及一种超声波响应压电水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着生活水平和医疗技术的提高，我国正快速步入老龄化社会。随着老年人生理功能和反应能力的下降，老年人各种组织损伤后移植的需求也在不断增加。组织工程与再生医学正逐渐成为临床医学的重要发展方向，相关产品和技术的研究将成为未来医疗替代产品的热点问题。组织工程是利用特定生物活性细胞、组织或支架材料，在体外或体内构建组织器官，从而维持、修复或诱导组织再生，提高特定组织功能的一个科学方向。大力发展组织工程基础研究并不断革新组织工程技术将大大提高中国在此领域的国际地位和市场竞争力，为中国老龄化社会的到来提供新的动力。利用生长因子/小分子疗法、生物材料支架和干细胞/成骨细胞相结合的再生和组织工程策略已成为一个重要的研究领域。
[0003]目前，常见的治疗方式包括细胞移植、组织工程支架和电刺激康复治疗等。神经系统疾病主要是由神经细胞的死亡或功能丧失引起的，而在成年哺乳动物的神经系统中，很少自发发生内源性神经元的替换和神经网络的重组。常见的神经干细胞有诱导多能干细胞，间充质干细胞和施旺细胞等，利用其多能分化能力和多种细胞因子和生长因子的分泌，促进轴突再生和恢复神经元间通讯。然而，可移植细胞的来源有限，成本高，移植后细胞生存能力较低等，严重限制了该技术的临床应用。如脊髓损伤后，其完整性遭到破坏，脊髓神经组织就很难再生，从而形成囊腔，导致脊髓未损伤部分失去支持。研究表明，没有任何治疗的情况下，损伤部位的脊髓直径明显小于正常部位的直径。植入的组织工程支架可以起到桥接损伤缺损、阻止胶质疤痕的形成并为从损伤处到远端的轴突再生提供接触性引导的作用。同时，理想的支架也可以起到最小化局部炎症反应、抑制细胞凋亡或坏死的作用。构建组织工程支架不仅为神经系统的细胞存活和物质交换提供了足够的空间，而且在一定程度上为轴突的生长提供了物理指导。支架的机械性能可以弥补神经损伤所造成的机械支撑不足，为轴突的定向生长提供接触性引导，进而提高神经对合的准确度；为再生神经纤维提供足够的机械支撑，减轻了手术缝合口的张力，防止瘢痕组织的长入。此外，导致组织损伤治疗困难在很大程度上归因于中枢神经系统抑制轴突生长的环境和神经兀再生能力差，损伤部位自发轴突再生有限，需要寻找促进神经再生的方法，其中神经电刺激治疗被视为是一种极具潜力的手段。研究表明，恢复损伤位置的生物电信号传输可以引导轴突朝着正确的方向生长，从而建立功能连接所需的结构连接和信息通路。目前，电刺激促进受损神经组织的愈合己经在体内体外得到证实，实验结果证明电刺激能够增强神经干细胞分化行为。一些研究团队开发了一种可以连接大脑和脊髓健康神经的技术，通过脊髓电刺激，成功恢复了三只猴子部分瘫痪的手臂运动能力。电刺激在调节细胞行为和组织发育、生理和病理生理方面起着关键作用。此外，电刺激还可以通过改善局部血液供应，增加局部组织营养物质和代谢物的传输，从而加速组织形成。因此，具有电刺激功能的组织工程支架对组织工程
修复治疗具有重大意义。
[0004]压电材料是一种在外力作用下产生电信号能的智能材料，可作为自供电的神经组织工程支架，利用身体运动或外部机械振动原位刺激促进神经生长、增殖和分化等。因此，生物可降解压电材料的发展变得非常重要，它可以产生电荷来促进骨再生，并安全降解以促进细胞浸润/组织生长。目前，基于可降解的压电支架依靠细胞和动物体本身的机械力产生的电信号是比较微弱且可控性比较差。超声波是一种高频机械波，向皮下组织传递能量衰减小以及穿透距离深，能直接作用到皮下组织、神经以及内脏等。因此，生物可降解压电组织工程材料与可编程超声波技术结合，可有效调控体内电刺激的时间和强度，在神经组织工程中具有很大的潜力。因此，探索具有优良压电性能的生物可降解压电材料对组织工程具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种超声波响应压电水凝胶及其制备方法和应用。该水凝胶具有优异的压电性能，且可注射、可降解，生物相容性好，其在生物医学领域以及临床上具有潜在的应用前景。
[0006]本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种超声波响应压电水凝胶。根据本专利技术的实施例，超声波响应压电水凝胶包括表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线(KNN@PDA)和多巴胺接枝的透明质酸(HA
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DA)。
[0007]透明质酸和铌酸钾钠纳米线来源丰富、价格低廉、具有良好的生物相容性，用透明质酸和铌酸钾钠纳米线制备的水凝胶具有优异的生物相容性，其次铌酸钾钠纳米线具有良好的压电性能，专利技术人发现，若采用块状压电材料，其硬度大不适合于植入，铌酸钾钠纳米线体积小，可有效避免手术创伤，但是压电材料在组织内随体液随机流动，不够集中，从而产生的刺激作用不够明显，而透明质酸具有良好的流动性，可被挤压注射植入，易于操作，塑型方便，感染风险低，减轻患者疼痛，同时透明质酸是大脑和脊髓细胞外基质的主要成分，其可以作为治疗中枢神经损伤的支架材料使用，因此，用压电性能良好的铌酸钾钠纳米线和透明质酸制备水凝胶，水凝胶不仅压电性能优异、生物相容性良好，且可注射和可降解，另一方面，专利技术人发现，通过将多巴胺(DA)分子接枝到透明质酸(HA)分子上，使透明质酸
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多巴胺水凝胶具有良好的细胞粘附性能，铌酸钾钠纳米线表面被多巴胺修饰，可以提高铌酸钾钠纳米线(KNN)的分散性和生物相容性，从而均匀分散的KNN@PDA纳米线在HA
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DA水凝胶基质中交织分布，提高了水凝胶的压电性，将该水凝胶注射在体内，其可以实时响应体外超声波产生交流电脉冲，从而直接刺激神经组织，促进神经生长、增殖、分化等。由此，该水凝胶具有优异的压电性能，且可注射、可降解，生物相容性好，其在生物医学领域以及临床上具有潜在的应用前景。
[0008]另外，根据本专利技术上述实施例的超声波响应压电水凝胶还可以具有如下技术方案：
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线和所述多巴胺接枝的透明质酸质量比为(2～10)：(20～35)。由此，水凝胶具有优异的压电性能。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线的制备方法
包括：
[0011](1)将五氧化二铌、氯化钾、碳酸钾混合后球磨，随后进行第一次煅烧，得到铌酸钾钠前驱体纳米线，然后加入硝酸溶液，搅拌后用超纯水清洗多次后烘干，随后进行第二次煅烧，第二次煅烧后的产物与氯化钠、碳酸钠、氯化钾和碳酸钾研磨混合后，进行第三次煅烧，以便得到铌酸钾钠纳米材料；(2)将所述铌酸钾钠纳米材料加入缓冲溶液搅拌，然后加入盐酸多巴胺搅拌、水洗、离心和烘干，以便得到表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线。由此，可以制备得到压电性能良好的表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，步骤(1)中，五氧化二铌、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波响应压电水凝胶，其特征在于，包括表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线和多巴胺接枝的透明质酸。2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线和所述多巴胺接枝的透明质酸质量比为(2～10)：(20～35)。3.根据权利要求1或2所述的水凝胶，其特征在于，所述表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线的制备方法包括：(1)将五氧化二铌、氯化钾、碳酸钾混合后球磨，随后进行第一次煅烧，得到铌酸钾钠前驱体纳米线，然后加入硝酸溶液，搅拌后用超纯水清洗多次后烘干，随后进行第二次煅烧，第二次煅烧后的产物与氯化钠、碳酸钠、氯化钾和碳酸钾研磨混合后，进行第三次煅烧，以便得到铌酸钾钠纳米材料；(2)将所述铌酸钾钠纳米材料加入缓冲溶液搅拌，然后加入盐酸多巴胺搅拌、水洗、离心和烘干，以便得到表面被多巴胺修饰的铌酸钾钠纳米线。4.根据权利要求3所述的水凝胶，其特征在于，步骤(1)中，五氧化二铌、氯化钾、碳酸钾的摩尔比为(1～1.5)：(10～15)：(0.3～1)；任选地，所述第一次煅烧的温度为800～1000℃，时间为2～4h；任选地，所述第二次煅烧的温度为500～600℃，时间为1～1.5h；任选地，所述第二次煅烧后的产物、氯化钠、碳酸钠、氯化钾和碳酸钾的质量比为(1～2)：(3～4)：(0.2～0.5)：(3～4)：(0.2～0.5)；任选地，所述第三次煅烧的温度为800～1000℃，时间为5～10min。5.根据权利要求1或2所述的水凝胶，其特征在于，所述多巴胺接枝的透明质酸的制备方法包括：将0.8g～1.2g透明质酸溶入125mL水后，加入碱调节透明质酸溶液的pH为5.0～6.0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈萍，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：