一种功能化双网络水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种功能化双网络水凝胶及其制备方法和应用。该功能化双网络水凝胶由壳聚糖交联网络和四臂聚乙二醇交联网络相互穿插形成；所述壳聚糖交联网络由偶联有KGN的壳聚糖离子交联而成；所述四臂聚乙二醇交联网络由第一前体和第二前体经化学反应而成，所述第一前体为Tetra

【技术实现步骤摘要】
一种功能化双网络水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及医用新材料
，尤其涉及一种功能化双网络水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]炎症、肿瘤、外伤等导致骨缺损是人类的常见病、多发病，严重影响患者的生理功能、身心健康及生活质量。目前，临床上修复骨缺损常用的方法包括异体骨、自体骨移植、骨骼延长术等，但往往因存在免疫排异、传染疾病、来源有限等问题而效果不佳。利用组织工程技术，将种子细胞与生物支架构建的骨组织工程材料用于骨缺损修复是一种有效的治疗手段。
[0003]在组织工程中，良好的支架材料不仅仅作为细胞载体，更应是一个促进细胞生物学活性和向特异性组织定向分化的场所。生长因子作为组织工程微环境的一个重要组成部分，在促进间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)定向分化中起到关键作用。研究表明，骨形成发生蛋白(Bone morphogenetic proteins,BMPs)、转化生长因子(transforming growth factor
‑
β,TGF
‑
β)和胰岛素样生长因子(Insulin
‑
like growth factors,IGFs)等生长因子对MSCs均具有诱导成骨向分化的作用。尽管生长因子对细胞具有良好的诱导作用，但其生物半衰期短，缺乏长效作用，在体内的稳定性和组织选择特异性差等问题一直未能得到有效的解决，这些缺陷限制了生长因子在临床中的进一步应用。2012年，Johnson等从22000多种结构不同的杂环类药性分子中筛选出了一种新型小分子化合物Kartogenin(KGN)，并发现其具有促进骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMMSCs)软骨向分化的作用。近期，有研究表明KGN不仅能够参与BMMSCs介导的软骨组织再生，通过体外实验发现KGN亦具有诱导BMMSCs成骨向分化的作用，表明KGN在骨组织工程领域具有巨大潜力。
[0004]水凝胶作为一种典型的生物支架材料，因其高度水化的三维交联结构、良好的生物相容性被广泛应用于组织工程领域。当水凝胶作为骨再生的支架材料时，其力学性能至关重要。因为水凝胶不仅为种子细胞提供生长、增殖和分化所需要的微环境，而且还提供了力学支撑及维持软骨细胞表型所必须的三维结构。然而，大多数用于骨修复、常规方法制备的水凝胶软或碎，不足以应对复杂的力学环境，从而阻碍了它们作为承重支架在骨组织工程上的应用。双网络(Double Network，DN)水凝胶以硬而脆的非均相聚电解质为第一网络，以软而韧的中性聚合物为第二网络，两种物理性质差异较大的互穿网络可以在刚度和韧性之间实现力学性能的平衡，从而赋予DN水凝胶优异的力学性能。作为一种高水含量、高力学强度和高韧性的新型材料，其力学性能明显优于传统的水凝胶，能够承受连续的、高强度的加载
‑
卸载过程，并且具有损伤后自愈合的能力，因此越来越多被作为替代材料或生物材料应用于骨损伤修复。
[0005]传统DN凝胶的构建通常涉及复杂的制备步骤、有毒的引发剂和丙烯酰胺起始材料。同时，大多数DN水凝胶是不可降解的，这可能会限制细胞的浸润和基质的沉积及分布，
从而阻碍了它们在软骨组织工程上的应用。
[0006]另外，就目前研究而言，尚未有研究及产品将KGN通过简单高效的化学合成方法修饰在DN水凝胶支架材料上以促进大面积骨缺损修复。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一目的在于提供一种接枝有KGN的功能化双网络水凝胶；
[0008]本专利技术的第二目的在于提供一种简单、且无需使用有毒引发剂的制备方法来制备功能化双网络水凝胶。
[0009]本专利技术的第三目的在于提供一种功能化双网络水凝胶的应用。
[0010]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0011]一种功能化双网络水凝胶，所述双网络水凝胶由壳聚糖交联网络和四臂聚乙二醇交联网络相互穿插形成；
[0012]所述壳聚糖交联网络由偶联有KGN的壳聚糖离子交联而成；
[0013]所述四臂聚乙二醇交联网络由第一前体和第二前体经化学反应而成，所述第一前体为Tetra
‑
PEG
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NH2，所述第二前体为Tetra
‑
PEG
‑
NHS。
[0014]优选地，所述第一前体与所述第二前体的质量比为(0.5
‑
2)：(0.5
‑
2)，进一步优选为1:1；和/或
[0015]所述偶联有KGN的壳聚糖与所述第一前体的质量比为1:(1
‑
5)，进一步优选为1:(2
‑
3)。
[0016]优选地，所述离子交联通过多价阴离子实现；可选地，所述多价阴离子为柠檬酸根、磷酸根、亚磷酸根、硫酸根、亚硫酸根、过硫酸根、硼酸根中的任一种或多种；和/或
[0017]所述偶联有KGN的壳聚糖利用壳聚糖与经EDC/NHS活化的KGN反应而得；优选地，所述壳聚糖与活化前的KGN的质量比为(30
‑
40):1。
[0018]一种所述功能化双网络水凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0019](1)将壳聚糖与经EDC/NHS活化的KGN混合并反应，得到壳聚糖
‑
KGN化合物；
[0020](2)将步骤(1)得到的壳聚糖
‑
KGN化合物和Tetra
‑
PEG
‑
NH2配制成第一前体溶液；
[0021](3)将Tetra
‑
PEG
‑
NHS配制成第二前体溶液；
[0022](4)将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，得到复合水凝胶，然后将复合水凝胶进行激活处理，得到功能化双网络水凝胶。
[0023]优选地，在步骤(2)中，壳聚糖
‑
KGN化合物与Tetra
‑
PEG
‑
NH2按照1:(1
‑
5)，更优选为按照1：(2
‑
3)的质量比混合；和/或
[0024]Tetra
‑
PEG
‑
NH2与Tetra
‑
PEG
‑
NHS的质量比为(0.5
‑
2)：(0.5
‑
2)，更优选为1:1。
[0025]优选地，所述第一前体溶液的浓度为60
‑
100mg/mL，更优选为70
‑
80mg/mL，最优选为75mg/mL；和/或
[0026]所述第二前体溶液的浓度为150
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250mg/mL，更优选为180
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220mg/mL，最优选为200mg/mL。
[0027]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能化双网络水凝胶，其特征在于，所述双网络水凝胶由壳聚糖交联网络和四臂聚乙二醇交联网络相互穿插形成；所述壳聚糖交联网络由偶联有KGN的壳聚糖离子交联而成；所述四臂聚乙二醇交联网络由第一前体和第二前体经化学反应而成，所述第一前体为Tetra
‑
PEG
‑
NH2，所述第二前体为Tetra
‑
PEG
‑
NHS。2.根据权利要求1所述的功能化双网络水凝胶，其特征在于，所述第一前体与所述第二前体的质量比为(0.5
‑
2)：(0.5
‑
2)，进一步优选为1:1；和/或所述偶联有KGN的壳聚糖与所述第一前体的质量比为1:(1
‑
5)，进一步优选为1:(2
‑
3)。3.根据权利要求1或2所述的功能化双网络水凝胶，其特征在于，所述离子交联通过多价阴离子实现；可选地，所述多价阴离子为柠檬酸根、磷酸根、亚磷酸根、硫酸根、亚硫酸根、过硫酸根、硼酸根中的任一种或多种；和/或所述偶联有KGN的壳聚糖利用壳聚糖与经EDC/NHS活化的KGN反应而得；优选地，所述壳聚糖与活化前的KGN的质量比为(30
‑
40):1。4.一种权利要求1至3任一项所述功能化双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将壳聚糖与经EDC/NHS活化的KGN混合并反应，得到壳聚糖
‑
KGN化合物；(2)将步骤(1)得到的壳聚糖
‑
KGN化合物和Tetra
‑
PEG
‑
NH2配制成第一前体溶液；(3)将Tetra
‑
PEG
‑
NHS配制成第二前体溶液；(4)将第一前体溶液和第二前体溶液混合后静置成胶，得到复合水凝胶，然后将复合水凝胶进行激活处理，得到功能化双网络水凝胶。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，壳聚糖
‑
KG...

【专利技术属性】
技术研发人员：余婷婷，王星，韩冰，柳大为，张云帆，张凌云，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：