CN112972776B - 具有光热效应的多级孔骨修复生物支架材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有光热效应的多级孔骨修复生物支架材料及其制备方法，属于生物支架领域。本发明提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，所述制备方法为：将光热纳米材料、起泡剂和增稠剂搅拌发泡后，于40～80℃下静置自发形成凝胶，所得凝胶即为具有光热效应的多级孔生物支架材料；其中，所述起泡剂为含有亲疏水氨基酸的生物相容性良好的天然蛋白。本发明提供了一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其能够实现近红外光‑热能的高效转换，对骨肿瘤进行高温杀灭，同时多级孔结构可以为骨组织细胞的增殖和分化提供必要的生长空间和营养物质传输通道，从而达到促进骨组织再生的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有光热效应的多级孔骨修复生物支架材料及其制备方法，属于生物支架领域。
背景技术
骨肉瘤是儿童和青少年最常见的原发性骨恶性肿瘤，其特征是恶性程度高，发生肺转移，致死率和致残率高。骨肉瘤的常见病理表现是长骨的溶骨性破坏，引起疼痛，局部肿胀和关节活动受限的症状。影像学和外科手术技术以及辅助多药化疗的研究进展已使得从之前需要截肢的治疗方式转向肢体抢救手术的重大转变，显著提高了患者的存活率和肢体抢救率。然而，局部手术后的骨缺损重建仍需采用化学疗法，其副作用、耐药性以及局部复发仍然是骨肉瘤治疗的主要挑战。
于是目前迫切需要开发一种具有骨肉瘤细胞杀伤和促进骨再生功能的组织工程支架。一方面，这种多功能生物材料可以直接杀死局部残留的骨肉瘤细胞，尽可能减少或避免使用化疗药物，并减少肿瘤的转移和复发。另一方面，它可以帮助促进骨骼再生，恢复患者的肢体功能。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其能够实现近红外光-热能的高效转换，对骨肿瘤进行高温杀灭，同时多级孔结构可以为骨组织细胞的增殖和分化提供必要的生长空间和营养物质传输通道，从而达到促进骨组织再生的功能。
本发明的技术方案：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，所述制备方法为：将光热纳米材料、起泡剂和增稠剂搅拌发泡后，于40～80℃下静置自发形成凝胶，所得凝胶即为具有光热效应的多级孔生物支架材料；其中，所述起泡剂为含有亲疏水氨基酸的生物相容性良好的天然蛋白。
进一步，所述光热纳米材料、起泡剂和增稠剂的比例为：光热纳米材料10～60重量份，起泡剂800～1200重量份，增稠剂100～700重量份。
进一步，所述起泡剂选自：丝素蛋白、玉米蛋白、淀粉蛋白、丝胶蛋白、乳清蛋白或蛋清蛋白。
进一步，所述光热纳米材料为表面富含阴离子官能团的光热纳米粒子。
更进一步，所述光热纳米材料选自：氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)、聚多巴胺纳米粒子(PDA)或碳化钛纳米片(MXene)。本发明中，光热纳米材料一方面作为光热功能填料，一方面还可以作为交联剂。
进一步，所述增稠剂选自：细菌纤维素分散液、羧基化纤维素纤维分散液、羧甲基纤维素纤维分散液、壳聚糖溶液或海藻酸钠溶液；增稠剂的加入可稳定气泡在溶液中的分散。
进一步，所述搅拌发泡的方法为：在室温条件下用机械搅拌的方式进行起泡，搅拌速率为1000～3000rpm。
进一步，于40～80℃下静置自发形成凝胶的过程中，溶液的pH值为4.5～10.5。
进一步，通过加入碱性溶液调节pH值为4.5～10.5；如加入氨水等碱性溶液。
进一步，上述方法中，所得凝胶进一步在霍夫梅斯特盐或者化学交联剂中进行交联处理然后冻干。
进一步，所述化学交联剂为：硫酸铵、辣根过氧化物酶/过氧化氢(表示辣根过氧化物酶和过氧化氢的混合物)、或者1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其采用上述方法制得。
进一步，所述具有光热效应的多级孔生物支架材料具有异质多孔结构。
进一步，所述异质多孔结构为：同时具有与细胞尺寸相近的孔尺寸为100～300微米的大孔以及为细胞提供营养物质通道的孔尺寸为1～10微米的小孔。
本发明的有益效果：
本发明以含亲疏水嵌段的生物性相容性好的天然蛋白为起泡剂，加入光热纳米材料，通过搅拌发泡得到发泡材料，然后在一定的温度下静置自发形成凝胶材料，即制得了一种具有光热效应的多级孔生物支架材料；所得材料能够实现近红外光-热能的高效转换，对骨肿瘤进行高温杀灭，同时多级孔结构可以为骨组织细胞的增殖和分化提供必要的生长空间和营养物质传输通道，从而达到促进骨组织再生的功能。
附图说明：
图1为本发明实施例中SF/BC溶液在经过不同转速处理后的样品照片；表明随着转速的提高，产生的气泡的量越多且分散更均匀；因此本发明选择发泡搅拌速率为1000～3000rpm。
图2为实施例1，2，4和对比例1所得最终支架材料的扫描电子显微镜(SEM)图片，可以看出发泡之后的样品均分布着200微米左右的大孔，可是未经发泡的样品只有10微米左右的小孔。
图3为实施例1，2，4和对比例1所得最终支架材料的可见-近红外光吸收光谱，可以看到加入了MXene和rGO功能纳米粒子之后，样品的吸光能力显著提升。
图4是实施例1，2所得最终支架材料未加近红外光辐照处理和对比例1所得最终支架材料肿瘤尺寸变化曲线图，由图可知，实施例1外加近红外光辐照处理后的骨肿瘤尺寸随着光热治疗天数增加的曲线图；表明添加光热粒子的样品具有良好的光热杀灭肿瘤的效果。
图5是实施例1，2，4和对比例1中所得最终支架材料的细胞增殖数量和培养天数的曲线图，表明所有试样都表现出了良好的生物相容性。
图6是实施例1，2和对比例1所得最终支架材料植入大鼠后8周的成骨CT和荧光图；由图可知本发明实施例所得具有异质多孔结构的样品具有更好的促进骨修复和骨再生的效果。
具体实施方式
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，所述制备方法为：将光热纳米材料、起泡剂和增稠剂搅拌发泡后，于40～80℃下静置自发形成凝胶，所得凝胶即为具有光热效应的多级孔生物支架材料；其中，所述起泡剂为含有亲疏水氨基酸的生物相容性良好的天然蛋白。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其采用上述方法制得。
进一步，所述具有光热效应的多级孔生物支架材料具有异质多孔结构。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
步骤一：在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末、0.5g细菌纤维素分散液(BC)和20mg MXene粉末，在常温下搅拌并溶解；随后将该溶液在3000rpm的转速条件下快速搅拌15min以获得尺寸均匀且分布均匀的气泡分散液。
步骤二：将处理后的溶液倒入圆柱形的塑料模具中，放置于60℃水浴中3.5小时，得到凝胶材料；最后将凝胶材料冻干获得多级孔支架材料。
实施例2
步骤一：在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末、0.5g细菌纤维素分散液分散液和20mg MXene粉末，在常温下搅拌并溶解；然后加入50μL的25％氨水溶液调节pH至10，再将该溶液在3000rpm的转速条件下快速搅拌15min以获得尺寸均匀且分布均匀的气泡分散液。
步骤二：将处理后的溶液倒入圆柱形的塑料模具中，放置于60℃水浴中3.5小时，得到凝胶材料。
步骤三：取出凝胶材料并放置于浓度为200g/L的硫酸铵水溶液中进行浸泡交联24小时，然后把交联处理后的凝胶冻干获得支架材料。
实施例3
步骤一：在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末、0.5g细菌纤维素分散液分散液和20mg GO粉末，在常温下搅拌并溶解；然后加入50μL的25％氨水溶液调节pH至10，再将该溶液在3000rpm的转速条件下快速搅拌15min以获得尺寸均匀且分布均匀的气泡分散液。
步骤二：将处理后的溶液倒入圆柱形的塑料模具中，放置于60℃水浴中3.5小时，得到凝胶材料。
步骤三：取出凝胶材料并放置于200g/L的硫酸铵水溶液中浸泡交联24小时，然后把交联处理后的凝胶冻干获得支架材料。
实施例4
步骤一：在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末、0.5g细菌纤维素分散液分散液、20mg GO粉末和20mg抗坏血酸钠粉末，在常温下搅拌并溶解；然后加入50μL的25％氨水溶液调节pH至10，再将该溶液在3000rpm的转速条件下快速搅拌15min以获得尺寸均匀且分布均匀的气泡分散液。
步骤二：将处理后的溶液倒入圆柱形的塑料模具中，放置于60℃水浴中5小时，得到还原氧化石墨烯复合凝胶材料。
步骤三：取出凝胶材料并放置于200g/L的硫酸铵水溶液中浸泡交联24小时，然后把交联处理后的凝胶冻干获得复合支架材料。
对比例1
步骤一：在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末、0.5g细菌纤维素分散液分散液粉末，在常温下溶解得到混合溶液，然后加入50μL的25％氨水溶液调节pH至10。
步骤二：将混合溶液倒入圆柱形的塑料模具中，放置于60℃水浴中3.5小时，得到凝胶材料。最后将凝胶材料冻干获得支架材料。
对比例2
在带有搅拌子的50mL圆底烧瓶中加入20mL去离子水，再向其中加入1g丝素蛋白粉末，在常温下搅拌溶解；随后将该溶液在3000rpm的转速条件下快速搅拌15min以获得尺寸均匀且分布均匀的气泡分散液。静置半小时后发现气泡均漂浮在溶液上层，无法获得稳定的悬浮液，表明添加增稠剂的重要性。
Claims (13)
1.一种具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将光热纳米材料、起泡剂和增稠剂搅拌发泡后，于40～80℃下静置自发形成凝胶，所得凝胶即为具有光热效应的多级孔生物支架材料；其中，所述起泡剂为含有亲疏水氨基酸的生物相容性良好的天然蛋白。
2.根据权利要求1所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料、起泡剂和增稠剂的比例为：光热纳米材料10～60重量份，起泡剂800～1200重量份，增稠剂 100～700重量份。
3.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述起泡剂选自：丝素蛋白、玉米蛋白、淀粉蛋白、丝胶蛋白、乳清蛋白或蛋清蛋白。
4.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料为表面富含阴离子官能团的光热纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料选自：氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、聚多巴胺纳米粒子或碳化钛纳米片。
6.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述增稠剂选自：细菌纤维素分散液、羧基化纤维素纤维分散液、羧甲基纤维素纤维分散液、壳聚糖溶液或海藻酸钠溶液。
7.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌发泡的方法为：在室温条件下用机械搅拌的方式进行起泡，搅拌速率为1000～3000rpm。
8.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，于40～80℃下静置自发形成凝胶的过程中，溶液的pH值为4.5～10.5。
9.根据权利要求1或2所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所得凝胶进一步在霍夫梅斯特盐或者化学交联剂中进行交联处理然后冻干。
10.根据权利要求9所述的具有光热效应的多级孔生物支架材料的制备方法，其特征在于，所述化学交联剂为：硫酸铵、辣根过氧化物酶/过氧化氢、或者1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺。
11.一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其特征在于，所述具有光热效应的多级孔生物支架材料其采用权利要求1～10任一项所述的方法制得。
12.根据权利要求11所述的一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其特征在于，所述具有光热效应的多级孔生物支架材料具有异质多孔结构。
13.根据权利要求12所述的一种具有光热效应的多级孔生物支架材料，其特征在于，所述异质多孔结构为：同时具有与细胞尺寸相近的孔尺寸为100～300微米的大孔以及为细胞提供营养物质通道的孔尺寸为1～10微米的小孔。
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