[发明专利]一种基于石墨烯生物活性高分子的导电水凝胶仿生梯度矿化方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯生物活性高分子的导电水凝胶仿生梯度矿化方法，包括如下步骤，配置硝酸钙溶液，向混合液中加入琼脂并在95℃高温搅拌30min，将S1中配置的溶液冷却到60℃，然后加入明胶搅拌30min，将S1中配置的溶液继续在60℃搅拌条件下，加入氧化石墨烯搅拌30min，然后至于冰水混合物中快速冷却至5℃，得到螯合有钙离子的琼脂/明胶/氧化石墨烯水凝胶，将S3中所得水凝胶至于(NH₄)₂HPO₄溶液中，并用氨水调节其pH值，将反应体系至于37℃条件生物矿化反应2～7天。该基于石墨烯生物活性高分子的导电水凝胶仿生梯度矿化方法具有设备简单、成本低、操作方便、工艺参数易于控制等优点，在界面组织工程领域具有一定的应用价值。

技术领域

本发明涉及骨/软骨界面组织修复与重建用的组织工程骨/软骨仿生一体化支架制备技术领域，具体为一种基于石墨烯生物活性高分子的导电水凝胶仿生梯度矿化方法。

背景技术

随着社会人口老龄化及运动损伤的增多，骨关节病变的发生率在不断上升，其中在创伤性骨/软骨缺损和退变性关节疾病的治疗过程中，骨组织与软骨组织之间难以牢固愈合的问题是骨组织工程领域里的一个重要难题。因此，在骨/软骨界面构建功能性仿生梯度骨组织工程支架，使材料在化学组成和物理结构上达到与待修复界面组织相匹配的仿生渐变性质，通过支架与自体骨的融合生长和界面的多组织再生，有望实现骨/软骨界面组织（例如韧带、肌腱、软骨等软组织与骨组织结合处界面组织）的生理愈合、重建及可靠固定。

水凝胶具有与细胞外基质相似的物理结构和化学组成，能够为细胞增殖和分化提供接近天然细胞外基质的微环境，是用于软骨修复的理想三维多孔支架。但其生物力学性能较差，很难应用于硬组织的修复与重建，因此需要向水凝胶内添加具有一定生物活性的力学增强材料，以期达到利用水凝胶构建骨/软骨界面组织工程支架的目的。此外，骨组织在受到正常应力作用变形后会在骨内产生压电效应和动电效应，正是这种电学微环境促进了成骨细胞活动从而加速骨重建，而有天然生物活性高分子组成的水凝胶，导电性差，不能对应力所产生的骨电微环境做出响应，所以在水凝胶内构建具有电刺激响应和电传导性能的多孔结构，对促进骨/软骨界面组织修复与重建具有重要的意义。

琼脂/明胶复合水凝胶被广泛应用于骨组织工程领域。琼脂是一种从红藻中提取的天然亲水性多糖，具有热敏性和热可逆性，可用作药物分子传输和细胞生长的载体。为进一步提高琼脂水凝胶的细胞相容性，可将其与明胶混合，制备琼脂/明胶复合水凝胶。明胶是胶原蛋白的水解产物，含有可以促进细胞黏附和迁移的RGD序列。骨组织是一种天然的无机(碳酸化羟基磷灰石)/有机(90%为胶原纤维蛋白)复合材料，其中无机相主要由尺寸约为30×50×2nm的磷灰石片状晶体组成，有机相主要由直径为1.5～5nm、长度为300nm至数微米的I型胶原纤维组成。因此可向琼脂/明胶复合水凝胶内引入磷灰石无机相，模拟骨组织无机/有机纳米复合结构，提高水凝胶的骨诱导和骨传导特性。

石墨烯是由sp²杂化碳原子组成的具有蜂窝状晶体点阵结构的二维层状纳米材料，作为一种新型纳米材料，石墨烯具有优异的力学性能(杨氏模量和内在强度分别高达1TPa和130GPa)，电子迁移率高(～2.5×10⁵ cm²V^-1s^-1)，热传导率高(～5000 WmK^-1)，比表面积大(2630 m²g^-1)，同时具有良好的生物相容性，在生物医学领域里可以被用于生物传感器制备、细胞成像、生物纳米探针制备、药物输送与缓释、组织工程研究、抗菌材料和生物复合材料制备等领域。因此在琼脂明胶水凝胶内加入石墨烯，以提高水凝胶力学性能、电传导性和成骨活性，采用单向浓度梯度渗透法和仿生矿化法在琼脂明胶水凝胶内部构建磷灰石含量的梯度渐变，使其兼备化学成分、结构性质和力学性质梯度分布的特性，从组织学上和生物力学上达到促进软骨与骨组织界面修复与重建的目的。

发明内容