一种超声响应型肌腱生物粘合剂及其制备方法与流程

本发明属于生物医用材料与再生医学，具体涉及一种超声响应型肌腱生物粘合剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、肌腱是一种致密的结缔组织，主要功能是将肌肉收缩力传递至骨骼，实现关节运动。肌腱组织具有低细胞密度、低血管分布和低代谢活性的特征，这一独特的组织结构决定了肌腱在受到拉伤或撕裂损伤后自我修复能力极差，愈合周期漫长，且修复后的肌腱力学性能显著下降，再损伤率高达30%-60%。目前，肌腱损伤的临床治疗主要依赖于手术缝合固定结合长期制动康复，但手术缝合容易在肌腱-骨界面产生应力集中，导致缝合线切割或断裂，且长期制动会引起关节僵硬和肌肉萎缩等并发症。

2、近年来，生物医用粘合剂因其操作简便、无需缝合即可实现组织粘合的优势，在肌腱修复领域受到广泛关注。现有的肌腱粘合剂主要包括基于纤维蛋白原/凝血酶的纤维蛋白胶、基于聚乙二醇的合成水凝胶粘合剂以及基于天然高分子的壳聚糖/明胶水凝胶粘合剂等。其中，cn121534215a公开了一种具有janus结构的自适应超收缩肌腱粘合剂及其制备方法，通过将硫辛酸类粘合剂预溶液涂覆于结晶性亲水高分子收缩膜上制得，该粘合剂在湿润条件下可迅速收缩并贴合并包裹肌腱组织，其最大收缩率可达65%，最大粘附值可达230kpa。该粘合剂仅提供了物理层面的组织粘合功能，不具备药物缓释和主动促进肌腱愈合的能力，术后仍面临炎症反应持续、愈合周期长和瘢痕粘连等问题。

3、在现有技术中，cn120960500a公开了一种超声响应型水凝胶及其在组织修复中的应用，是与本技术方案中最接近的现有技术，该水凝胶通过掺入二氧化钛纳米颗粒实现超声触发药物释放，可在超声激励下控释负载的药物分子。该技术方案主要针对一般性软组织创面修复，未针对肌腱组织的特殊生理环境进行优化设计，其药物释放仅设置为单次触发模式，无法根据肌腱愈合的不同阶段（炎症期、增生期、重塑期）进行分阶段、分时序的精准药物调控，因此在肌腱修复应用中难以实现最优的愈合效果。

4、此外，现有技术中虽有部分研究尝试将超声响应材料与肌腱修复相结合，但大多仅关注单一阶段的药物释放或单一功能（如仅抗炎或仅促愈合），缺乏一种能够覆盖肌腱完整愈合周期（通常为4-12周）的多阶段智能响应型粘合剂。肌腱愈合是一个复杂的生物学过程，包括早期的炎症反应期（术后1-7天）、中期的组织增生期（术后7-21天）和晚期的组织重塑期（术后21天以后），不同阶段需要不同的治疗干预策略。

5、综上所述，现有技术存在以下显著不足：（1）现有肌腱粘合剂仅提供物理粘合，缺乏主动促进愈合的药物释放功能；（2）现有超声响应水凝胶仅支持单次药物释放，无法实现多阶段时序调控；（3）缺乏针对不同愈合阶段采用不同超声频率触发不同药物释放的智能系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超声响应型肌腱生物粘合剂及其制备方法，通过设计不同超声频率（1-3mhz、0.5-1.5mhz、0.1-0.5mhz）分别触发抗炎镇痛药物、促愈合药物和抗瘢痕药物的阶段性释放，实现覆盖肌腱完整愈合周期的多阶段精准治疗，显著优于现有技术的单一功能或单次释放模式，还解决了目前肌腱粘合剂仅提供物理粘合剂功能而缺乏主动促进愈合的药物释放能力。

2、为实现上述目的，本发明公开了一种超声响应型肌腱生物粘合剂的制备方法，包括以下步骤。

3、s1、将甲基丙烯酰化壳聚糖溶于酸性水溶液中，加入明胶，搅拌溶解得到混合溶液a；

4、s2、将二氧化钛纳米颗粒分散于有机溶剂中，得到纳米颗粒分散液b；

5、s3、将混合溶液a与纳米颗粒分散液b混合，加入抗炎药物、促愈合药物、交联剂和光引发剂，搅拌均匀得到粘合剂前驱体溶液；

6、s4、将所述粘合剂前驱体溶液注入模具中，在紫外光下照射交联1至10分钟，得到超声响应型肌腱生物粘合剂。

7、优选的，步骤s1中，甲基丙烯酰化壳聚糖的取代度为20%至60%，混合溶液a中总固体含量为5%至15%。

8、优选的，步骤s1中，所述酸性水溶液为乙酸溶液，乙酸浓度为0.1%至1%。

9、优选的，步骤s2中，所述有机溶剂为去离子水、乙醇或丙酮中的一种，二氧化钛纳米颗粒的粒径为20nm至200nm，掺入量为基质聚合物总质量的2%至8%。

10、优选的，步骤s3中，所述基质聚合物在粘合剂中的质量分数为10%至30%，所述超声响应纳米颗粒的质量分数为1%至10%，所述负载药物的质量分数为0.5%至5%，所述负载药物包括抗炎药物、促愈合药物和/或抗瘢痕药物中的一种或多种，所述交联剂的质量分数为0.1%至2%。其中权利要求中基质聚合物质量分数 10-30%，指明胶 + 甲基丙烯酰化壳聚糖两种高分子在完整粘合剂体系（含纳米颗粒、药物、交联剂、溶剂）中的质量占比；实施例中步骤 s1 得到的混合溶液 a 的总固体含量仅统计明胶、甲基丙烯酰化壳聚糖两种高分子，不含二氧化钛纳米颗粒、负载药物、交联剂、光引发剂。

11、优选的，步骤s3中，所述抗炎药物为地塞米松、吲哚美辛或双氯芬酸钠中的一种或多种。

12、优选的，步骤s3中，所述促愈合药物为富血小板血浆提取物、碱性成纤维细胞生长因子或转化生长因子-β中的一种或多种。

13、优选的，步骤s3中，所述抗瘢痕药物为丝裂霉素c、5-氟尿嘧啶或曲安奈德中的一种或多种。

14、优选的，步骤s3中，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺或1,4-丁二醇二缩水甘油醚中的一种，交联剂的加入量为混合溶液a质量的0.1%至2%。

15、优选的，步骤s3中，所述光引发剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮或1-[4-(2-羟乙基)苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙酮中的一种，光引发剂的加入量为混合溶液a质量的0.5%至3%。

16、优选的，步骤s4中，所述紫外光波长为365nm至405nm，照射强度为5mw/cm²至20mw/cm²，照射时间为1至10分钟。

17、优选的，所述超声响应型肌腱生物粘合剂的凝胶点时间为30秒至180秒，剪切强度为5kpa至50kpa，降解时间为7天至30天。

18、所述凝胶点时间采用试管倒置法测定，剪切强度采用万能材料试验机按astmf2255标准测定，降解时间通过将粘合剂样品置于37℃磷酸盐缓冲液中定期称重测定。

19、优选的，所述二氧化钛纳米颗粒作为超声响应单元，在所述粘合剂中主要发挥以下作用：其一，超声触发释药作用，二氧化钛纳米颗粒在超声激励下产生声空化效应（微泡效应）和局部热效应，使颗粒周围的水凝胶交联网络发生局部松动、断裂或重构，打开药物释放通道，从而在未施加超声时保持药物稳定封存，在施加超声时实现负载药物的按需、可控触发释放；其二，扩散屏障与防突释作用，粒径为20-200nm的二氧化钛纳米颗粒均匀分散于三维网络之中，与聚合物链共同构成致密的物理屏障，增大药物分子的扩散路径与迁移阻力，抑制无超声激励条件下药物的被动扩散泄漏，降低药物突释，保证药物的长效稳定负载；其三，超声能量聚焦与响应增强作用，纳米颗粒在凝胶中分散密度高、比表面积大，可增强超声能量在凝胶内部的局部沉积，提高超声响应的灵敏度和药物释放效率，且不同频率的超声对颗粒周围网络的扰动程度不同，为分阶段药物释放提供了结构基础。此外，二氧化钛纳米颗粒具有良好的生物相容性和化学稳定性，掺入后不损害粘合剂的可注射成型性、粘附性和生物安全性。

20、优选的，所述粘合剂具有分阶段药物释放功能，早期阶段在超声频率为1mhz至3mhz条件下释放所述抗炎药物，中期阶段在超声频率为0.5mhz至1.5mhz条件下释放所述促愈合药物，晚期阶段在超声频率为0.1mhz至0.5mhz条件下释放所述抗瘢痕药物。

21、优选的，所述粘合剂中抗炎药物、促愈合药物和抗瘢痕药物能够实现梯度释放的原理在于：不同药物因分子量、分子尺寸、荷电性质、亲疏水性以及与基质聚合物和二氧化钛纳米颗粒亲和力的差异，在制备一步共混投料、原位紫外交联固化过程中，交联固化前短暂窗口期内依靠分子扩散、吸附作用，分别以游离态、吸附态或包裹态分布于水凝胶网络的不同深度区域和结合位点，自发形成空间上分层、结合方式各异的药物储存区域；同时，不同频率的超声波具有不同的穿透深度和能量分布，高频超声主要作用于表层组织，中频超声作用于中层组织，低频超声可穿透至深层组织。当施加某一特定频率的超声时，其能量优先作用于网络相应深度区域，率先松动并释放该区域结合的药物，而其他深度区域因交联结构尚未被充分扰动，其所负载的药物仍保持封存状态；此外，不同药物与网络之间的结合方式差异（物理包埋、氢键、静电吸附等）进一步放大了频率选择性，使各阶段释放的药物互不干扰。由此，通过依次施加高频（1-3mhz）、中频（0.5-1.5mhz）和低频（0.1-0.5mhz）超声，即可依次触发抗炎药物（如地塞米松）、促愈合药物（如富血小板血浆提取物）和抗瘢痕药物（如丝裂霉素c）的梯度释放，与肌腱炎症期、增生期和重塑期的愈合需求时序相匹配。

22、优选的，所述粘合剂能够取得优异粘合性能的原因包括：第一，明胶和甲基丙烯酰化壳聚糖分子链上含有丰富的氨基、羧基、羟基等活性官能团，可与肌腱组织表面的蛋白质和多糖等成分形成氢键、静电相互作用和疏水相互作用，其中壳聚糖的质子化氨基带正电，可与肌腱表面带负电的蛋白聚糖等成分发生静电吸引，从而在组织界面形成牢固且耐湿态干扰的多重分子间结合；第二，粘合剂前驱体溶液黏度低、流动性好，可充分润湿并渗入肌腱断端表面的粗糙结构和微孔中，在紫外光照射下原位交联成型，形成与组织表面形貌紧密嵌合的机械互锁结构，显著提高界面粘附强度；第三，甲基丙烯酰化壳聚糖在紫外光和光引发剂作用下发生自由基交联，与明胶链段共同形成致密的三维聚合物网络，赋予粘合剂较高的内聚强度和力学性能，使粘合界面在受力时不易发生内聚破坏；第四，粘合剂的凝胶点时间为30-180秒，既能保证前驱体在凝胶化前充分浸润、贴合组织表面，又能实现快速原位定型，兼顾了操作窗口与粘合强度。上述多重分子间作用力、机械互锁与内聚强度的协同作用，使所述粘合剂在湿润条件下仍能保持优异的粘附性能。

23、本发明还提供了一种超声响应型肌腱生物粘合剂，由上述的制备方法制备得到，所述粘合剂包括基质聚合物、超声响应纳米颗粒、负载药物和交联剂，所述基质聚合物为明胶-甲基丙烯酰化壳聚糖复合水凝胶，所述超声响应纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒，所述负载药物包括抗炎药物和促愈合药物，所述粘合剂可通过手术缝合或微创局部注射方式应用于肌腱损伤部位。

24、因此，本发明有以下有益效果：

25、本发明采用明胶-甲基丙烯酰化壳聚糖复合水凝胶作为基质材料，掺入二氧化钛纳米颗粒实现超声响应性药物释放，通过设计不同超声频率分别触发抗炎镇痛药物、促愈合药物和抗瘢痕药物的阶段性释放，实现了覆盖肌腱完整愈合周期的多阶段精准治疗。在肌腱损伤修复的早期炎症阶段，采用高频超声触发抗炎镇痛药物的释放，有效抑制炎症反应并缓解疼痛，为后续组织修复创造有利的微环境。在中期组织增生阶段，采用中频超声触发促愈合药物的释放，促进腱细胞增殖和i型胶原合成，加速肌腱组织的再生与修复。在晚期组织重塑阶段，采用低频超声触发抗瘢痕药物的释放，抑制成纤维细胞的过度活化和瘢痕组织的形成，减少术后粘连的发生。该粘合剂在湿润条件下具有良好的粘附性能和力学强度，凝胶点时间为30秒至180秒，剪切强度为5kpa至50kpa，降解时间为7天至30天，能够满足临床手术操作需求和术后组织修复要求。

26、本发明可通过微创局部注射方式应用于肌腱损伤部位，操作简便，适用范围广。该粘合剂解决了现有肌腱粘合剂仅提供物理粘合功能而缺乏主动促进愈合的药物释放能力的问题，同时解决了现有超声响应水凝胶仅支持单次药物释放而无法实现肌腱愈合不同阶段多阶段时序调控的技术问题，显著优于现有技术的单一功能或单次释放模式。

27、本发明所制备的超声响应型肌腱生物粘合剂在湿润条件下具有优异的粘附性能和力学强度，其凝胶点时间为30秒至180秒，剪切强度为5kpa至50kpa，降解时间为7天至30天，能够充分满足临床手术操作过程中的可注射性和快速成型需求，同时降解周期与肌腱组织愈合周期相匹配，无需二次手术取出，避免了额外的组织损伤和感染风险。