[发明专利]一种复合凝胶微球及其制备方法

说明书

本发明公开一种复合凝胶微球及其制备方法，包括以下步骤：采用stober法制备二氧化硅胶体球；采用水热法将二氧化硅胶体球合成硅酸镁纳米粒子；利用物理吸附的方式在硅酸镁纳米粒子上负载可溶药物或促生长因子，得到负载材料；将负载材料水溶液加入GelMA/海藻酸钠水溶液中，得到生物墨水；其中，硅酸镁纳米粒子和GelMA质量比为(1：200)‑(1：25)；将生物墨水加入光固化3D打印机中进行打印，得到复合凝胶微球。本发明的复合凝胶微球既包含无机纳米粒子，又包含有机水凝胶，并负载可溶药物或促生长因子叠加生物学效应，将生物材料、种子细胞、可溶药物或促生长因子三者完美结合，旨在骨组织工程领域充分发挥作用，为骨再生和重建提供了良好方案。

技术领域

本发明涉及凝胶微球技术领域，尤其涉及一种复合凝胶微球及其制备方法。

背景技术

纳米材料理化性质可控且易于改性，一直是医学领域的一个热门话题。纳米结构在医学领域中一直被广泛应用，常被用于药物输送、分子成像、废物清除和肿瘤杀伤等领域。其中硅基纳米粒子在生物医学和生物工程领域取得了巨大的成功，在骨重建领域也表现出了巨大潜力。早在1968年stober成功合成不同粒径的均质二氧化硅胶体，后来学者在此基础上改良，制备出不同形态的纳米粒子，如球状、花状、树枝状。本发明首先通过经典stober法合成二氧化硅胶体，再以此作为前体材料通过水热法制备中空多孔硅酸镁纳米粒子。硅酸镁纳米粒子具有较大的比表面积和丰富的介孔结构，在生物分子递送方面具有广阔的应用前景。

但是纳米粒子具有较高的表面能，极易发生团聚，且聚集形态难以控制，从而失去了其优良性能。它是以粉状等形式存在的生物玻璃材料，不适于硬组织修复，可能会面临固定困难、塑型困难等问题。另外将纳米粒子局部应用于骨缺损处，纳米粒子作为异物首先被吞噬系统内化，大大降低其生物利用度。因此选择合适的载体对硅酸镁纳米粒子进行负载可以有效的解决这一问题。目前国内外研究学者多将纳米粒子负载到水凝胶、胶束、金属有机骨架等材料上。其中水凝胶由于其多孔性、结构可调节性等性质备受瞩目。

理想的骨修复材料还应该具有骨传导性、骨诱导、成骨性、可降解性以及良好的生物相容性等性能。作为骨缺损的移植材料，水凝胶一方面需要提供力学上的结构支持，另一方面需提供成骨细胞的长入空间。甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)水凝胶通过引入甲基丙烯酸酯基团，其机械强度可通过光交联过程进行改进，具有很好的生物相容性，在骨再生方面显示出强大的应用优势。GelMA在室温、中性pH、水溶液环境下即可聚合的宽泛条件非常有利于细胞的存活，可光交联的性征使其有灵活的成型性，不仅可以作为细胞二维培养的底物，促进其黏附、增殖；还可构建三维立体环境或特定图案结构，起到类似于细胞外基质的作用，从而制造各类仿生组织结构与类器官然而由于甲基丙烯酸化程度滴，结构的快速分解影响了机械结构的稳定性。研究表明在GelMA生物墨水中加入纳米硅酸盐可以增强GelMA的生物学特性和物理强度。值得强调的是，硅酸镁纳米粒子具有骨诱导特性，其硅烷醇基团和钙离子、磷酸根离子可相互作用，并能持续释放镁离子，因此是一种促进骨成熟的有效材料。将二者结合已被印证能够提高细胞在水凝胶内或表面的初始粘附、细胞增殖和分化。

组织工程三要素分别为种子细胞、支架与细胞因子。拥有了适宜的组织种子细胞与生物材料，还需要先进的生物制造技术将其结合，以制造出匹配修复目标部位结构、特性的植入物。近年来，3D打印技术因其快速、个性化、成本低廉、制造精度高等特点，被广泛应用于生物制造。目前在组织工程中应用较多的3D打印技术主要可分为挤出式、喷墨式和光固化打印技术三类。其中，本文使用的电喷/光固化打印机可打印200-1000um的凝胶微球，微球细胞微载体不但可以在体外大量扩增细胞，还可以作为细胞和药物的载体，通过注射的方法把细胞输送到缺损部位，既能够提供充足的空间满足细胞体外三维培养的需求，又可以保护其内部细胞在往组织注射的过程中免于挤压和摩擦的伤害。基于上述优异的性能，微球已经被用于骨缺损修复、软骨再生和心肌修复等诸多领域。但是，微球往往缺乏生物活性，在体外细胞增殖以及注射到体内以后，没法直接促进细胞的增殖和分化。添加生长因子等方式，往往也会面临生长因子脆弱易失活、释放快等问题。所以，迫切需要一种具有良好生物活性的微球。

发明内容