一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法

本发明涉及生物医用高分子材料，特别涉及一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法。

背景技术：

1、因外伤、肿瘤切除、感染和先天性疾病导致的骨缺损在临床治疗中仍面临巨大挑战。目前，常见的骨填充材料包括：自体骨、异体骨及人工骨。尽管传统的自体骨、异体骨植入的治疗策略已达到临床实践，但一些缺点限制了它们的治疗效果。对于自体骨，可用性较差、潜在的供体损伤和尺寸匹配度低。异体骨的潜在风险是污染或感染、排斥反应或免疫反应以及疾病交叉传播。因此，自体骨和异体骨的应用受到限制。

2、理想的骨填充材料应满足良好的生物相容性、安全无毒、多孔及成骨诱导性，且应保证来源易得，成本低。黑磷(bp)是新兴的二维材料之一，具有独特的折叠层状结构，良好的生物相容性、优异的生物降解性和近红外光热转化效率高，在生物医学领域引起广泛关注。黑磷在生理环境中的降解产物为磷酸盐，能够与钙离子结合形成钙磷复合物，是骨组织重要无机组成成分。同时，bp介导的高效光热效应可提高骨缺损区的局部温度，并激活成骨相关细胞中的热休克反应，从而激活热休克蛋白(hsps)下游的成骨相关信号通路以加速骨再生。

3、然而基于黑磷的治疗平台都是利用生理环境中体内的钙离子来实现骨再生的生物矿化。如果将这些基于黑磷的无钙磷策略应用于患有骨缺损的老年患者或因钙丢失而导致骨骼受损的患者，其治疗效果将大打折扣。因此，非常有必要设计具有可调节的营养水平、富含矿化离子的bp纳米片人工骨支架。

4、由于黑磷纳米片(bpns)与氧气和水都具有较高的反应活性，在生理环境中容易降解，这限制了其在生物医学方面的应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，通过gelma紫外光交联，将黑磷纳米片和生物活性玻璃包裹，使黑磷纳米片在体内短期稳定存在，降低黑磷降解率；同时，利用黑磷纳米片和生物活性玻璃的协同作用，利用生物活性玻璃为黑磷成骨提供ca、si、p的生物矿化环境，利用黑磷近红外光热响应，进一步提高基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的骨修复效率。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、制备黑磷纳米片：将黑磷晶体粉末研磨后分散在超纯水中，采用细胞破碎仪对混合物冰浴破碎，之后进行冰浴超声，得到棕色分散液；棕色分散液离心后，收集沉淀重悬，得到黑磷纳米片悬液；

5、制备甲基丙烯酸酯化明胶：将明胶在水浴条件下溶于pbs缓冲液中，制成明胶溶液；缓慢滴加甲基丙烯酸酰，搅拌反应，停止反应后用去离子水反复透析，得到甲基丙烯酸酯化明胶；

6、制备基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶：在光引发剂溶液中加入生物活性玻璃和黑磷纳米片，搅拌至均匀，加入甲基丙烯酸酯化明胶，搅拌，得到含甲基丙烯酸酯化明胶的混合溶液；在含甲基丙烯酸酯化明胶的混合溶液中加入聚乙二醇二丙烯酸酯，即得预聚液；预聚液避光搅拌至均匀，在紫外光照射下引发聚合反应，得到基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶；

7、所述生物活性玻璃的化学组成为sio2-cao-p2o5。

8、优选的，所述光引发剂为i2959光引发剂；所述光引发剂溶液中光引发剂质的质量百分比为0.1％～1％。

9、优选的，所述生物活性玻璃的质量为含甲基丙烯酸酯化明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯质量和的2.5～50％。

10、优选的，所述基于黑磷的黑磷的复合水凝胶中黑磷纳米片的含量为0.1～0.5mg/ml。

11、优选的，所述制备黑磷纳米片，具体为：将黑磷晶体粉末研磨后分散在超纯水中，采用功率为390～400w的细胞破碎仪对混合物冰浴破碎9～10小时，之后进行冰浴超声4～5小时，得到棕色分散液；在12000～13000rpm下离心20～30分钟，吸去上清液，收集沉淀重悬，得到黑磷纳米片悬液。

12、优选的，所述制备甲基丙烯酸酯化明胶，具体为：

13、将明胶在30～60℃水浴下溶于pbs缓冲液中，制成质量体积浓度为5％～20％的溶液；以0.1～1ml/min的速度加入甲基丙烯酸酐，其中，甲基丙烯酸酐与明胶溶液的质量体积比为7～8：1，于45～55℃水浴中搅拌反应4～24h，加入3～5倍量的pbs停止反应；所得液体用去离子水反复透析7～10d后，冷冻干燥得到白色松软的海绵状产物，即为甲基丙烯酸酯化明胶。

14、优选的，所述明胶的分子量为5000～500000。

15、优选的，所述聚乙二醇二丙烯酸酯分子量为500～1200单位。

16、优选的，所述紫外光照射，具体为：紫外光照10～300s。

17、优选的，所述生物活性玻璃为58％sio2-35％cao-7％p2o5。

18、更优选的，所述明胶的分子量为10000～100000。

19、优选的，黑磷纳米片直径为200～800nm。

20、优选的，所述甲基丙烯酸酯化明胶占液相质量百分比为5～10％。

21、优选地，所述聚乙二醇二丙烯酸酯分子量为500～1200单位。

22、优选的，所述生物玻璃粒径为0.6-5微米。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

24、(1)本发明的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，通过gelma紫外光交联，将黑磷纳米片和生物活性玻璃包裹，使黑磷纳米片在体内短期稳定存在，降低黑磷降解率；同时，利用黑磷纳米片和生物活性玻璃的协同作用，利用生物活性玻璃为黑磷成骨提供ca、si、p的生物矿化环境，进一步提高基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的骨修复效率。另外，bp介导的高效光热效应还可提高骨缺损区的局部温度，并激活成骨相关细胞中的热休克反应，从而激活hsps下游的成骨相关信号通路以加速骨再生。

25、(2)本发明的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，制备得到的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶呈均匀的孔状结构，有良好的力学性能，可支持细胞的生长及成骨分化，有明显的促进新生骨的生成、骨缺损修复的作用；具有良好的生物降解性、生物相容性和极低的细胞毒性，适宜细胞的黏附生长与增殖；具有良好的光响应性，适宜骨修复过程的有效控制。

26、(3)本发明的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，制备工艺简单易操作，材料来源广泛，材料生物活性高，在再生医学和骨修复领域的应用前景广阔。

27、(4)本发明的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，可根据实际需要可通过对黑磷和生物活性玻璃的尺寸、浓度和构成水凝胶的组分、比例进行精确调控，选择适合的光照时间，配合不同模具，可实现不同形状、不同厚度的复合水凝胶的快速制备。

技术特征：

1.一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为i2959光引发剂；所述光引发剂溶液中光引发剂质的质量百分比为0.1％～1％。

3.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述生物活性玻璃的质量为含甲基丙烯酸酯化明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯质量和的2.5～50％。

4.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述基于黑磷的黑磷的复合水凝胶中黑磷纳米片的含量为0.1～0.5mg/ml。

5.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备黑磷纳米片，具体为：将黑磷晶体粉末研磨后分散在超纯水中，采用功率为390～400w的细胞破碎仪对混合物冰浴破碎9～10小时，之后进行冰浴超声4～5小时，得到棕色分散液；在12000～13000rpm下离心20～30分钟，吸去上清液，收集沉淀重悬，得到黑磷纳米片悬液。

6.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备甲基丙烯酸酯化明胶，具体为：

7.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述明胶的分子量为5000～500000。

8.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇二丙烯酸酯分子量为500～1200单位。

9.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述紫外光照射，具体为：紫外光照10～300s。

10.根据权利要求1所述的基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述生物活性玻璃为58％sio2-35％cao-7％p2o5。

技术总结
本发明公开了一种基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶的制备方法：在光引发剂溶液中加入生物活性玻璃和黑磷纳米片，搅拌至均匀，加入甲基丙烯酸酯化明胶，搅拌，得到含甲基丙烯酸酯化明胶的混合溶液；加入聚乙二醇二丙烯酸酯，避光搅拌至均匀，在紫外光照射下引发聚合反应，得到基于黑磷增强生物活性玻璃成骨的复合水凝胶。本发明通过GelMA紫外光交联，将黑磷纳米片和生物活性玻璃包裹，使黑磷纳米片在体内短期稳定存在，降低黑磷降解率；同时，生物活性玻璃为黑磷成骨提供生物矿化环境；BP介导的高效光热效应可提高骨缺损区的局部温度，并激活成骨相关细胞中的热休克反应，从而激活HSPs下游的成骨相关信号通路以加速骨再生。

技术研发人员：曾倩,杭飞,陈晓峰,周柳琪,王一凡,张明豪,金宇峰
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14