[发明专利]促进矿化并提供生物活性离子的持续释放的可注射水凝胶

说明书

本发明提供了通过多价交联结构域来稳定的杂化水凝胶。所述水凝胶将无机纳米颗粒与有机聚合物网络结合在一起。所得材料具有增强的机械性能和显著的矿化，并且提供了离子的持续长期释放。此外，从水凝胶释放的离子可以增强细胞铺展并促进植入细胞的成骨分化。这些具有前景的结果表明，所提供的组合物和方法对于骨再生应用是特别有吸引力的。

相关申请

本申请要求于2016年12月19日提交的第62/436,035号美国临时专利申请的优先权，为所有目的将其内容通过引用整体并入本文。

发明背景

水凝胶由于其高的水含量和可调的物理和生物性能而成为用于再生医学应用的吸引人的生物材料。近年来，研究表明，诸如粘土，氧化石墨烯和碳纳米管的无机微米颗粒/纳米颗粒的直接掺入进一步调节了水凝胶的性能，导致了强化的机械行为，良好的降解特性和增强的生物活性。然而，这些方法通常导致不稳定的聚合物相和无机相混合物，因此在经历长的时间或在溶胀-消溶胀过程中会因为无机颗粒与聚合物链之间缺乏强相互作用而使无机颗粒倾向于从聚合物水凝胶网络分离。

双膦酸盐(BP)(即焦磷酸盐的类似物)用高热稳定性且耐水解降解的P-C-P键替代P-O-P键。两个相邻的膦酸官能团在与各种金属离子 (包括Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺和Cu²⁺)结合方面表现出优异的效率，由此提供了与各种离子物质和纳米颗粒相互作用的可能性。作为破骨细胞的强效抑制剂，双膦酸盐已经用于以过度骨吸收为特征的临床病况，例如骨质疏松症、转移性骨疾病和佩吉特病。

诸如Ca²⁺和Mg²⁺的碱土金属离子是骨基质的关键组分。钙的摄入和沉积是生长过程中骨骼正常发育以及骨量维持的重要可调控的环境因素之一。镁离子不仅调节诸如细胞粘附和分化等细胞行为，还刺激局部骨形成和愈合。然而，过量的Mg离子可导致骨流失，因此，受控的Mg离子浓度对骨骼形成至关重要。最近，使用镁及其合金作为整形外科植入物生物材料的尝试，已证明了镁在生物医学应用中的巨大潜力；然而，这些镁金属在生理条件下的快速降解导致降解产生的氢气在植入部位周围的不良累积。因此，对于已经确保了机械支持的骨修复部位，递送Mg离子可以是促进骨再生的安全且有效的方法。这种需求产生了对能够介导Mg离子的受控递送的生物材料媒介物(例如水凝胶)的开发需求。为了满足这一需求，本发明人通过其发现提供了高效的手段，该手段通过改善生物活性离子的释放满足了对促进骨修复的生物材料的需求以及其他相关需求。

发明概述

一方面，本发明提供了双膦酸盐-金属纳米颗粒，其包括与金属离子，尤其是碱土金属或过渡金属离子，螯合的双膦酸盐衍生物。在一些实施方案中，所述双膦酸盐衍生物是丙烯酸化双膦酸盐。在一些实施方案中，所述金属是镁。在一些实施方案中，所述产生的纳米颗粒是双膦酸盐-镁纳米颗粒。

第二方面，本发明提供了有机-无机杂化水凝胶，其包括多个甲基丙烯酸化的聚合物链以及与多个甲基丙烯酸化的聚合物链共价连接的多个双膦酸盐-金属纳米颗粒。在一些实施方案中，所述聚合物是透明质酸。在一些实施方案中，所述双膦酸盐衍生物是丙烯酸化双膦酸盐。在一些实施方案中，所述金属是镁。

第三方面，本发明提供了可注射的有机-无机杂化水凝胶，其包括多个双膦酸化的聚合物链以及与多个双膦酸化的聚合物链螯合的多个双膦酸盐-金属纳米颗粒。在一些实施方案中，所述聚合物是透明质酸。在一些实施方案中，所述双膦酸盐衍生物是丙烯酸化双膦酸盐。在一些实施方案中，所述金属是镁。

第四方面，本发明提供了产生双膦酸盐-金属纳米颗粒的方法，所述方法包括形成包含双膦酸盐衍生物和金属卤化物或金属硝酸盐的反应混合物；从而使所述双膦酸盐衍生物与所述金属卤化物或金属硝酸盐螯合并生成双膦酸盐-金属纳米颗粒。在一些实施方案中，所述双膦酸盐衍生物是丙烯酸化双膦酸盐。在一些实施方案中，所述金属是镁。在一些实施方案中，所述金属卤化物或金属硝酸盐是卤化镁。