一种自修复高强度可注射水凝胶及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及生物材料领域，尤其涉及一种自修复高强度可注射水凝胶及其制备方法和应用。


背景技术：

2.主动脉扩张性疾病是危害人类生命安全的严重血管疾病，在人体中多见于肾动脉以下的主动脉。其本质是动脉壁不能抵抗管腔内血流压力而发生节段性扩张，以至于最后发生破裂。而其中非常关键的是炎症细胞浸润、血管平滑肌细胞丢失和细胞外基质降解导致的中膜结构和负荷失衡。目前腹主动脉瘤的治疗方式包括药物治疗、开放手术切除和腔内手术治疗。而临床上尚无有效抑制腹主动脉瘤进展的药物及干预方案，并且手术治疗风险高、花费大，而且腹主动脉瘤患者年龄普遍偏大，多半还患有诸如高血压、高血脂等疾病，其手术耐受性较差。因此，探寻安全、有效的用于腹主动脉的技术手段具有非常重大的意义。
3.近年来，组织工程技术的出现为组织修复重建带来了新的解决方案。组织工程是通过在体外或体内构建组织、器官的替代品从而实现创伤修复和功能恢复，主要包括生物支架材料，种子细胞和生长因子三种基本要素。而理想的生物支架材料不仅要有良好的生物安全性和生物相容性，还需具有三维立体空隙结构，为氧气，营养物质的传输提供空间，能提供适当的力学支撑和具有临床可操作性。但目前，应用于腹主动脉瘤的生物支架材料主要采用的是金属材料与人工血管膜复合体，这种材料不仅价格昂贵，其可塑性和生物相溶性也大大受限，较容易与组织形成间隙，导致后期脱落。新型的水凝胶材料因独特的生物和物理化学性质(如细胞相容性、高保水性、渗透性和可调节的力学性质)，而且因其能够填充任何形状的伤口而备受关注。目前亟需制备一种在生物医用领域(如主动脉血管应力加强)中具有广泛的应用前景，具有自修复高强度可注射水凝胶。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种自修复高强度可注射水凝胶及其制备方法和应用。
5.根据本发明，传统的腹主动脉瘤支架材料的植入是以截断动脉瘤部位进行替换或从动脉内部进行覆盖，在后期会比较容易脱落或滑动，导致一些并发症。间质结构是一个位于细胞、实质功能组织和全身器官之间的多级次网络。在纳米尺度上，网络由纤维组成，排列成一个紧密连接的组织。在宏观尺度上，间质结构(筋膜)包裹血管，形成血管周间质空间。这种间隙结构具有连接、填充、固定和传输营养的功能。本发明的水凝胶为无定形，具有可注射性能，同时也具有自修复性能和高机械性能，将水凝胶以鞘膜间隙注射的方式注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中，可以加强血管的抗压强度。在本发明中，通过这种血管外的间隙结构将可注射水凝胶注入到血管周围来加强血管的抗动脉血流的冲击能力，能够到达保护动脉血管，抑制主动脉扩张性疾病进程的目的。
6.第一方面，本发明提供的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，包括将多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石、邻二苯酚基壳聚糖溶液和四臂疏基peg进行混合，进行交联反应，得到可注射水凝胶。本发明提供的制备方法，能得到具有高机械性能和可注射水凝胶，其具有很好的自修复性能和高强度性能，使其在生物医用领域中具有广泛的应用前景。本发明提供的自修复高强度可注射水凝胶，其能在主动脉血管应力加强中得到应用，采用多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石(ha-ag/pda)、邻苯二酚基壳聚糖(cs-c)和四臂疏基peg(四臂peg-sh)制备的水凝胶，以鞘膜间隙注射的方式注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中，具有加强血管的抗血流冲击能力，进而抑制主动脉扩张性疾病的进程。
7.作为优选，所述自修复高强度可注射水凝胶的制备方法包括如下步骤：
8.1)将cano3·
4h2o、edta
·
2na、agno3和(nh4)2hpo4混合，调节ph，进行水热反应，得到银掺杂纳米羟基磷灰石(hap-ag)；
9.2)将壳聚糖、hcl溶液与二氢咖啡酸(hca)混合，得混合溶液；配制edc和nhs的醇溶液并优选逐滴加入所述混合溶液中，搅拌，维持ph进行反应；透析，干燥，得到邻二苯酚基壳聚糖(cs-c)；
10.3)采用多巴胺盐酸盐(c8h
12
clno2)对所述银掺杂纳米羟基磷灰石(hap-ag)进行修饰，得到多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石，然后将所述多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石与四臂疏基peg(四臂peg-sh)和邻所述二苯酚基壳聚糖的(cs-c)溶液混合反应，得到可注射水凝胶。
11.本发明通过水热法制备的银掺杂纳米羟基磷灰石，不仅能与邻二苯酚基壳聚糖形成交联位点，还能使水凝胶具备一定的抗菌性能。而多巴胺对银掺杂纳米羟基磷灰石的修饰，能够大大提高其在溶液中的分散性，使其均匀的分布于凝胶体系中。其分子中的邻苯二酚基团经氧化后，也能与peg中的疏基发生交联，进一步加强水凝胶的力学强度。邻苯二酚基团的存在也为凝胶提供了强的组织修复性能，为其可靠性和安全性提供了保障。本发明制备的具有自修复高强度可注射水凝胶，能在主动脉血管应力加强中得到应用，采用多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石(ha-ag/pda)、邻苯二酚基壳聚糖(cs-c)和四臂疏基peg(四臂peg-sh)制备水凝胶，将水凝胶以鞘膜间隙注射的方式注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中，加强血管的抗血流冲击能力，而抑制主动脉扩张性疾病的进程。本发明中该水凝胶通过鞘膜间隙注射的方式使用，并且注入到腹主动脉外壁的鞘膜间隙当中，以期来加强动脉瘤处血管的抗血流冲击能力来抑制主动脉扩张性疾病的发生和发展，制备的该水凝胶及其使用方法能够为相关疾病的治疗提供新的思路。
12.作为优选，步骤1)中，cano3·
4h2o的质量浓度为50～55mg/ml；和/或，edta
·
2na的质量浓度为16～20mg/ml；和/或，agno3的质量浓度为1～3mg/ml；和/或，(nh4)2hpo4的质量浓度为18～21mg/ml；和/或，通过氨水调节ph，ph优选为8～11。
13.进一步优选，cano3·
4h2o、edta
·
2na、agno3和(nh4)2hpo4的质量浓度分别为53.2
±
0.5mg/ml、18.6
±
0.5mg/ml、2
±
0.5mg/ml、19.8
±
0.5mg/ml，ph为10。作为优选，水热反应后进行冷冻干燥。
14.作为优选，步骤1)中，所述银掺杂纳米羟基磷灰石为实体棒形；优选的，长度为190～210nm，直径为25～35nm。
15.本发明通过水热法制备的所述银掺杂纳米羟基磷灰石，不仅能与邻二苯酚基壳聚
糖形成交联位点，还能使水凝胶具备一定的抗菌性能。
16.作为优选，步骤2)中，所述壳聚糖的质量浓度为8～15mg/ml，hcl溶液的ph为3～8，hca的质量浓度为210～225mg/ml。
17.进一步优选，所述壳聚糖的质量浓度为10mg/ml，hcl溶液的ph为5，hca的质量浓度为218.6mg/ml。
18.作为优选，步骤2)中，edc的质量浓度为20～25mg/ml；和/或，nhs的质量浓度为12～15mg/ml；和/或，采用50％～55％乙醇溶液；和/或，室温搅拌8～12h，并维持ph5～6进行反应。
19.本发明中，经试验研究发现，当采用优选的质量浓度进行材料制备的时候，能够提高材料的产出，使壳聚糖的接枝率达到11.5％，使其表现出更优异的黏附性能和自修复性能，使得所制备的水凝胶力学性能达到最优。
20.进一步优选，步骤2)中，所述透析的方法采用在nacl溶液中透析1～3天，在水中透析0.5～1天；透析袋的截留分子量优选为12000～14000d。
21.进一步优选，步骤2)中，所述干燥采用冻干的方法。
22.作为优选，步骤3)中，所述c8h
12
clno2的质量浓度为1～3mg/ml；hap-ag的质量浓度为20～30mg/ml；四臂peg-sh的质量浓度为80～120mg/ml；cs-c的质量浓度为18～25mg/ml。
23.进一步优选，所述c8h
12
clno2、hap-ag、四臂peg-sh和cs-c的质量浓度分别为2mg/ml、25mg/ml、100mg/ml和20mg/ml。
24.进一步优选，步骤3)中，所述多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石与四臂peg-sh和cs-c溶液混合涡旋8～12min，反应22～26h。
25.第二方面，本发明提供的自修复高强度可注射水凝胶，由所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法得到。
26.第三方面，本发明提供的所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法制备的自修复高强度可注射水凝胶的应用，在治疗主动脉血管疾病载药中的应用。
27.根据本发明，所述加强血管的抗血流冲击能力是通过压力泵给予血管压力，然后通过压力传感器进行压力检测和统计。本发明中，将所制备水凝胶以鞘膜间隙注射的方式注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中，能够加强血管的抗血流冲击能力。
28.根据本发明提供的实施方式，自修复高强度可注射水凝胶的制备方法/制备应用在主动脉血管应力加强中的药物，包括如下步骤：
29.1)将四水硝酸钙(cano3·
4h2o)、乙二胺四乙酸二钠(edta
·
2na)和硝酸银(agno3)和磷酸氢二铵(nh4)2hpo4)混合，再通过氨水调节ph后进行水热反应，冷冻干燥后得到银掺杂纳米羟基磷灰石(hap-ag)；
30.2)将壳聚糖溶于hcl溶液中与二氢咖啡酸(hca)溶液混溶，同时配制edc和nhs的水和乙醇混合溶液，然后逐滴加入混合溶液中，在室温下剧烈搅拌10h，并维持一定的ph进行反应。反应结束后将溶液在nacl溶液和水中透析，冻干，得到cs-c粉末；
31.3)利用多巴胺盐酸盐(c8h
12
clno2)对hap-ag进行修饰，后与四臂peg-sh和cs-c溶液混合涡旋10分钟，反应24h，得到可注射水凝胶；
32.4)将可注射水凝胶以鞘膜间隙注射的方式注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中。本发明能加强血管的抗血流冲击能力。
33.本发明的有益效果至少在于：
34.1)本发明制备了一种具有高机械性能和可注射水凝胶，并且具有很好的自修复性能和高强度性能，使得其在生物医用领域中具有广泛的应用前景；
35.2)本发明提供了一种通过鞘膜间隙注射的方式将水凝胶注入到腹主动脉血管外壁的鞘膜间隙空间当中，来加强动脉血管的抗压强度。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例以及现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例1的强机械性能可注射水凝胶制备和鞘膜间隙注射的流程图；
38.图2是本发明实施例1的银掺杂纳米羟基磷灰石的扫描电镜和透射电镜图；
39.图3是本发明实施例1的水凝胶可注射性能实物展示图；
40.图4是本发明实施例1的水凝胶被切断后自修复图片；
41.图5是本发明实施例1的水凝胶注入到腹主动脉外膜间隙空间的展示图和he染色后的图片；
42.图6是本发明实施例1的水凝胶注射前后，腹主动脉血管的爆破压力统计图。
具体实施方式
43.为了使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
45.下面将结合实施例对本发明进行进一步说明。
46.实施例1
47.本实施例提供一种具有自修复高强度可注射水凝胶的制备及其在主动脉血管应力加强中的应用，包括如下步骤：
48.首先，称取2.66g(11.25mmol)的四水硝酸钙(cano3·
4h2o)，0.93g(2.50mmol)的乙二胺四乙酸二钠(edta
·
2na)和0.1g的硝酸银(agno3)溶于2.5ml的三次水中，搅拌30min。然后，称取0.99g(7.5mmol)的磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)溶于25ml的三次水中，搅拌30分钟后逐滴加入至上述溶液中，混匀后用氨水将溶液ph值调节至10，置于60℃水浴中搅拌60min(搅拌速度：300rpm)。然后将溶液转入反应釜中，于180℃条件下继续反应12h。冷却至室温，用无水乙醇和去离子水洗涤三次并抽滤，冷冻干燥得hap-ag粉末。称取壳聚糖504.2mg溶于ph为5的hcl溶剂中，然后将546.5mg的hca溶于5ml三次水中，并与壳聚糖溶液混合。称取
575.1mg的edc和345.3mg的nhs溶于50％乙醇溶液中，再将其逐滴加入上述混合溶液中，在室温下剧烈搅拌10h，并维持其ph在5左右。反应结束后，将溶液在10mm的nacl溶液中透析2天，随后在水中透析0.5天，冷冻干燥得到cs-c粉末。将25mg的hap-ag和2mg多巴胺盐酸盐溶于1ml的三次水中，搅拌均匀。然后每1ml溶液中加入100mg的四臂peg-sh(分子量：20000)和20mg的cs-c，涡旋混均后转入模具中，室温条件下24h成胶。将实验大鼠麻醉并固定在工作台上。备皮，取腹部正中切口，进腹后以温湿纱布包裹肠道至左侧，于腹主动脉前方剪开腹膜，出肾动脉水平以下髂动脉水平以上腹主动脉段约2cm。从右侧髂动脉插入24号留置针到主动脉，而留置针的另一端连接到压力泵和压力计。然后，在髂动脉分叉上方暴露0.5至1cm宽的空间，并用30u/ml弹性蛋白酶浸泡的纱布覆盖伤口30分钟。然后，将留置针插入处置后的腹主动脉中段，并结扎两端以固定留置针。随后，将压力泵的速度调节至1ml/min，并持续对血管加压，直到血管破裂，生理盐水泄漏，此时记录爆破压力。然后，以相同的方式处理小鼠的腹主动脉，然后将200μl水凝胶注射到髂动脉上方0.5cm的腹主动脉外膜的间隙空间中。随后，对主动脉的爆破压力进行测试和记录。
49.图1是强机械性能可注射水凝胶制备和鞘膜间隙注射的流程图；图2是银掺杂纳米羟基磷灰石的扫描电镜和透射电镜图，从图中可看出，银掺杂纳米羟基磷灰石为实体棒形，颗粒长度约为200nm左右，直径约为30nm左右。图3是水凝胶可注射性能实物展示图，可以看出，水凝胶具有良好的可注射性能，并可图案化。图4是水凝胶被切断后自修复图片，从图中可以看出，水凝胶被切断后，将两个断面放在一起，能够实现自修复，被拉伸后，也不会断裂。图5是水凝胶注入到腹主动脉外膜间隙空间的展示图和he染色后的图片，从图中可以看出，水凝胶以鞘膜间隙的方式的注入到主动脉血管外膜的间隙空间后，能够很好的包裹血管，实现保护作用。图6是水凝胶注射前后，腹主动脉血管的爆破压力统计图，从图中可以看出，主动脉血管在注射水凝胶后，爆破压力大大增强，这为抑制主动脉扩张性疾病的发展与破裂提供了可能，开拓了新思路。
50.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，包括将多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石、邻二苯酚基壳聚糖溶液和四臂疏基peg进行混合，进行交联反应，得到可注射水凝胶。2.根据权利要求1所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将cano3·
4h2o、edta
·
2na、agno3和(nh4)2hpo4混合，调节ph，进行水热反应，得到银掺杂纳米羟基磷灰石；2)将壳聚糖、hcl溶液与二氢咖啡酸混合，得混合溶液；配制edc和nhs的醇溶液并加入所述混合溶液中，维持ph进行反应；透析，干燥，得到邻二苯酚基壳聚糖；3)采用多巴胺盐酸盐对所述银掺杂纳米羟基磷灰石进行修饰，得到多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石，然后将所述多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石与四臂疏基peg和所述二苯酚基壳聚糖的溶液混合反应，得到可注射水凝胶。3.根据权利要求2所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)中，cano3·
4h2o的质量浓度为50～55mg/ml；和/或，edta
·
2na的质量浓度为16～20mg/ml；和/或，agno3的质量浓度为1～3mg/ml；和/或，(nh4)2hpo4的质量浓度为18～21mg/ml；和/或，通过氨水调节ph，ph优选为8～11。4.根据权利要求3所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述银掺杂纳米羟基磷灰石为实体棒形；优选的，长度为190～210nm，直径为25～35nm。5.根据权利要求2-4任一项所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述壳聚糖的质量浓度为8～15mg/ml，hcl溶液的ph为3～8，hca的质量浓度为210～225mg/ml。6.根据权利要求2-5任一项所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)中，edc的质量浓度为20～25mg/ml；和/或，nhs的质量浓度为12～15mg/ml；和/或，采用50％～55％乙醇溶液；和/或，室温搅拌8～12h，并维持ph5～6进行反应；和/或，所述透析的方法采用在nacl溶液中透析1～3天，在水中透析0.5～1天；透析袋的截留分子量优选为12000～14000d。7.根据权利要求2-6任一项所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述c8h
12
clno2的质量浓度为1～3mg/ml；hap-ag的质量浓度为20～30mg/ml；四臂peg-sh的质量浓度为80～120mg/ml；cs-c的质量浓度为18～25mg/ml。8.根据权利要求7所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石与四臂peg-sh和cs-c溶液混合涡旋8～12min，反应22～26h。9.一种自修复高强度可注射水凝胶，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法得到。10.权利要求1-8任一项所述的自修复高强度可注射水凝胶的制备方法制备的自修复高强度可注射水凝胶的应用，其特征在于，在制备主动脉血管应力加强药物中的应用。

技术总结
本发明涉及生物材料领域，尤其涉及一种自修复高强度可注射水凝胶及其制备方法和应用。自修复高强度可注射水凝胶制备方法包括将多巴胺修饰的银掺杂纳米羟基磷灰石、邻二苯酚基壳聚糖溶液、四臂疏基PEG混合反应，得到可注射水凝胶。本发明方法制备得到具有高机械性能和可注射水凝胶，具有很好的自修复性能和高强度性能，使其在生物医用领域中具有广泛的应用前景，该水凝胶能在主动脉血管应力加强中得到应用。用。用。


技术研发人员：师晓丽 朱玉亭 韩东
受保护的技术使用者：国家纳米科学中心
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/5