[发明专利]一种复合水凝胶、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种复合水凝胶、制备方法及其应用，属于生物技术领域，所述复合水凝胶的制备方法为将甲壳素溶解在碱和/或尿素溶液中，对甲壳素进行醚化改性，得到羟丙基甲壳素(HPCH)；将HPCH与透明质酸(HA)混合均匀，制得凝胶水分散液，将凝胶水分散液倒入玻璃容器中，放入冰箱，冷冻干燥后，得到凝胶粉末；将凝胶粉末溶于PBS中，超声混匀后放入冰箱中过夜，进行溶胀；溶胀完成后，加入含Mg²⁺的粉末，搅拌均匀，然后超声分散，得到Mg²⁺/HA/HPCH复合水凝胶。所述复合水凝胶可用于制备3D打印生物墨水，按照设计的形状和大小在体内打印，喷出的生物墨水可在指定部位成型，个体化修复软骨缺损。

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别是涉及一种复合水凝胶、制备方法及其应用。

背景技术

软骨组织是人体重要的结缔组织，由于软骨组织缺乏血管分布、淋巴回流、神经支配，且细胞高度分化，其自我修复能力非常有限，因此，如何治疗软骨损伤是亟待解决的难题。

目前，治疗软骨缺损报道较多的方法有：关节镜下清创术、微骨折术、软骨细胞/骨髓间充质干细胞移植术、自体/异体软骨移植、关节置换等。这些疗法依然有较大的局限性：不能促进软骨缺损完全愈合、软骨完全再生。

近年来，组织工程材料的发展为解决这一问题提供了新的思路。这一方法可概括为：利用生物支架材料，加入生长因子或细胞因子，模仿软骨细胞外基质(ECM)，为内源或外源性软骨再生相关干细胞在软骨缺损处的增殖、分化提供刺激和诱导，促进新的软骨组织再生。软骨修复支架材料分为两大类：有机材料和无机材料。有机材料包括天然材料(壳聚糖、丝素蛋白、胶原、硫酸软骨素、透明质酸等)和合成材料(聚乳酸-羟基乙酸、聚己内酯、聚乙二醇、聚乙醇酸、聚乙烯醇等)，无机材料有：金属材料、羟基磷灰石、β-磷酸钙等。

甲壳素是壳聚糖的前体，是一种天然的氨基多糖高分子，常用做生物医用材料，但单一的、未改性的甲壳素在水中溶解性较差，功能性不足，组织工程上往往将甲壳素进行化学修饰或与其他材料复合，才能赋予其温敏性、可控降解性、黏附性或更强的机械性能。

透明质酸(HA)也是目前最受关注的软骨组织工程材料之一。HA可与水和蛋白聚糖结合，共同构成软骨细胞外基质，为关节组织提供力学支撑。另外，在软骨生长过程中，HA参与了细胞增殖、分化，机体炎症反应和伤口修复等过程。有研究发现，HA水凝胶可促进软骨细胞基质沉积和骨髓间充质干细胞(BMSC)的软骨分化。但透明质酸本身的化学性质不太稳定，只有当其中的阴离子基团(-COOH)与壳聚糖中的阳离子基团(-NH₂)发生反应才可生成稳定的聚合物，聚合物可结合两种材料的优良性能，形成一种更好的复合生物材料。很多学者研究出了让两者交联的方法，目前多数交联方式为化学交联，需引入化学交联剂，如聚乙二醇，但这些交联剂可能具有细胞毒性，限制了透明质酸的应用。

镁是人体内常量元素，它可以维持人体的正常生理功能、提高细胞和生物酶活性。近年来，大量研究发现，镁离子可通过抑制NMDA受体和生理性钙通道、抑制巨噬细胞内一氧化氮合成酶的生成等多种途径，减少软骨钙质沉着、镇痛、减轻关节炎和滑膜炎的发展。此外，大量研究表明，镁离子具有刺激骨髓间充质干细胞向成骨分化，促进骨软骨组织生长的效果。相比于蛋白型生长因子，镁离子有性质稳定，价格低廉的优点。

3D打印技术也可应用于组织工程领域，该技术与传统的组织工程技术相比，具有可以制造更加精确的组织结构和模型、实现多类型细胞的同步打印等特点。喷墨3D打印是最早应用于打印细胞的技术，由传统的喷墨打印技术发展而来，其原理是利用热技术或者压电技术，促使液体通过受计算机控制的喷嘴产生液滴，按预先设定好的三维结构喷射液滴。打印机中的“墨水”由细胞、细胞培养液或凝胶前驱体溶胶三者的混合体构成。