[发明专利]一种修复骨缺损的水凝胶微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种修复骨缺损的水凝胶微球的制备及其应用，属于生物医药技术领域。本发明利用微流控装置以甲基丙烯酰化明胶和纳米羟基磷灰石为原料，通过紫外光交联原理可以制备出不同直径以及不同比例的水凝胶微球，本发明所制备出的水凝胶微球具有很好的机械稳定性、生物相容性以及成骨再生能力，微球的制备方法简单，可进行批量生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种修复骨缺损的水凝胶微球及其制备方法，属于生物医药技术领域。

背景技术

严重的撞击、肿瘤切除或者骨丢失都可能导致骨骼损伤。每年约进行80万例外科手术会导致骨骼损伤，并且随着人口老龄化的增长而迅速增加。由于可获得性有限，自体移植物的术后感染和出血，以及同种异体移植物和异种移植物的流行扩散风险和免疫排斥，天然骨移植物无法满足临床需求。因此，合成骨移植物的数量不断增加，可实现自体骨移植物的治疗效果，而不会引起严重的副作用。但很多有前途的合成骨移植物，特别是可注射的骨移植物，始终具有较差的有机和无机相容性。一方面，需要提高机械强度以满足应用要求。另一方面，合成材料作为“生物材料”骨移植物不仅需要满足“材料”的物理稳定性要求，而且还需要满足“生物”的要求，以使其具有生物可降解性、生物相容性和生物活性，以便它们能够促进细胞黏附、增殖、迁移和营养物质的运输并在组织再生过程中逐渐降解或吸收。

成骨细胞产生的矿化细胞外基质(ECM)是结缔组织的主要成分，占骨骼干重的大部分。在矿化ECM中，I型胶原蛋白是一种主要的有机成分。而变性胶原明胶由于其与天然ECM非常相似，因此在仿生水凝胶研究中被广泛使用。为了模仿天然骨的化学成分，一些仿生无机颗粒，例如羟基磷灰石(HAP)、硅酸盐、掺锰生物可吸收陶瓷支架和钛化合物通常用于水凝胶中。本发明在已上市的瑞士Bio-Oss骨粉的基础上做了进一步改进，将有机(明胶)和无机(HAP)复配到一起，制备出了一种直径在300-500μm的水凝胶微球。

水凝胶微球的常用制作方法可分为批量乳化法、光刻法、电喷法、机械破碎法和微流控法。批量乳化法是将不相容的液体混合在一起生成可交联的水凝胶液滴；光刻法是将光聚焦在掩模版或者模具上固化交联形成水凝胶微球；电喷法是在针头和接收液之间加上电压，使施加的电压克服针尖处的表面张力，形成了带电的液滴射流，在接收液中交联形成水凝胶微球；在机械破碎方法中，将预先形成的块状水凝胶通过机械破碎成水凝胶微球；微流控法将载有不相容液体通过微流道连接，在交汇处产生液滴，然后将液滴交联形成水凝胶微球，该方法适用于快速产生稳定的尺寸可控的微球。

此类3D支架具有较大的表面积，可改善细胞-基质相互作用。使用微流体方法能够快速生成水凝胶微球，该水凝胶微球可以封装来自骨髓的干细胞和生长因子，并创建良好的细胞生长微环境，从而增强了成骨作用。在微流体装置中产生包含光引发剂(LAP)的可光交联GelMA+HAP液滴，然后对其进行光聚合，以快速有效地产生GH微球。这种温和的胶凝条件使对掺入的细胞或者蛋白质的损害最小化。GH微球不仅具有适宜的物理稳定性，而且具有良好的生物相容性，细胞能够在微球表面黏附并增值。但是，这种方法有一些缺点，限制了其生物医学应用。首先，微流体技术需要昂贵的毛细管装置或微通道芯片，这在组装上也存在技术挑战，并极大地影响实验结果。其次，由于微流体装置没有交联，因此水凝胶微滴只能在下游交联，在那里它们会融合并变得不稳定。因此，有必要设计一种新方法，以确保简单、快速的操作使微球交联。光交联的可注射水凝胶在微流控设备中暴露于光线时可以实现稳定的交联，并表现出出色的生物相容性。例如，明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)是一种可生物降解，无毒且无免疫原性的光交联水凝胶，可促进细胞粘附、增殖、迁移和分化。

目前临床上普遍使用的是瑞士生产的Bio-Oss骨粉用于牙周骨缺损、颌面外科骨缺损的填充，但是其存在很多缺陷，比如颗粒直径分布不均匀、棱角尖锐、生物相容性差，对其临床应用均产生不良影响。此外这款骨粉价格也比较昂贵，一盒950元/0.25g，很难普及应用。

发明内容