[发明专利]一种促进骨再生的可注射水凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种促进骨再生的可注射水凝胶及其制备方法，属于生物医学工程材料技术领域。本发明提供了一种基于甲基丙烯酸壳聚糖和帕米磷酸镁纳米粒子的生物活性纳米复合水凝胶，用于生物活性离子和生物因子的局部递送和按需同时释放。本发明制备的纳米复合水凝胶具有良好的可注射性和有效的应力松弛性，从而使水凝胶易于注射，适应形状不规则的骨缺损。水凝胶释放的镁离子促进人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的成骨分化和碱性磷酸酶(ALP)的活化。此外，释放出的骨诱导因子BMP‑2，以进一步促进hMSC成骨分化。结果表明，这些可注射的纳米复合水凝胶介导了多种治疗因子的优化释放，并通过微创手术有效促进原位骨再生。

技术领域

本发明涉及一种促进骨再生的可注射水凝胶及其制备方法，属于生物医学工程材料技术领域。

背景技术

蛋白类的生长因子、小分子药物、基因和生物活性离子等治疗药物的递送和长期给药，对于有效治疗许多病理疾病至关重要，用同一载体同时递送这些性质迥异的不同药物仍然具有挑战性。水凝胶具有独特的三维交联聚合物网络，包含广泛的化学成分和物理性质，在药物递送应用中得到广泛应用。然而，由于水凝胶中的载体分子具有固有的渗透性和有限的网络相互作用，通常是通过蛋白质类生长因子等大分子来实现持续传递，而小分子药物和生物活性离子的传递仍然是一个挑战。

骨是一个复杂的组织，骨的形成和重塑是由细胞、细胞外基质、生物力学力和生物因子之间良好调节的相互作用所控制的。因此，有效的骨组织工程需要多学科的方法，并且至少需要三个关键组成部分：成骨细胞、成骨因子和骨诱导和/或骨传导支架。骨细胞通常来源于间充质干细胞，存在于多种组织中，包括骨髓基质和脂肪组织。尽管许多生长因子和信号分子已经被证明可以调节成骨分化，但骨形态发生蛋白(BMPs)被认为是体内外最有效的成骨诱导因子，发明人发现BMP-9是14种BMPs中最有效的成骨因子。因此，BMP-9介导的MSCs与理想的支架材料一起，可以显著促进骨再生，修复骨缺损和骨折不愈合。

一个最佳的支架可以是骨传导和/或骨诱导的，并为骨细胞增殖和分化为骨细胞提供一个细胞友好的环境。然而，常用的支架通常由生物活性玻璃、磷酸钙(例如羟基磷灰石和β-磷酸三钙)和生物聚合物组成，不具有或限制骨诱导性。因此，开发一种新型支架迫在眉睫，该支架是以骨诱导、细胞友好、可注射干细胞为基础的骨组织工程。在这方面，可注射水凝胶是一种很有吸引力的支架材料，特别是用于填充传统骨移植难以修复的骨缺损。

镁离子(Mg²⁺)在各种生化过程中起着重要作用，是许多酶的重要辅助因子之一。据报道，Mg₂⁺能够显著增强成骨细胞的粘附和扩散，促进矿化过程。在发明人之前的研究中，通过进一步研究Mg²⁺在细胞代谢中的作用，证明了含有Mg²⁺的纳米复合水凝胶能够有效地促进hMSCs的成骨分化，促进原位骨再生，它也是碱性磷酸酶(ALP)酶活性的关键辅因子。ALP催化磷酸单酯水解生成无机磷酸盐，这对骨矿化至关重要。ALP水平的升高通常可以在骨缺损/愈合部位观察到，因此，ALP可以作为一种再生特异性触发器，用于介导刺激反应性药物传递，促进骨愈合。

因此，本发明采用一种基于甲基丙烯酸壳聚糖和自组装帕米磷酸镁纳米粒子的生物活性纳米复合水凝胶，用于生物活性离子和生物因子的局部递送和按需同时释放，达到联合促进骨再生的目的，为骨再生提供一个可行的实施方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种促进骨再生的可注射水凝胶及其制备方法，该水凝胶具有良好的可注射性和有效的应力松弛性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种促进骨再生的可注射水凝胶，所述水凝胶包含如下质量百分比的组分：甲基丙烯酸壳聚糖90％～95％、帕米膦酸盐2％～4％、骨诱导因子BMP-2 1％～2％、氯化镁2％～4％，所述水凝胶的溶液为PBS缓冲溶液。