一种促进伤口愈合的复合水凝胶及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于医用生物材料技术领域，具体涉及一种促进伤口愈合的复合水凝胶及其制备方法和应用。


背景技术：

2.糖尿病在世界范围内的高发病率是一个重大问题，对患者的健康产生不利影响。糖尿病伤口等并发症已成为全球致残的重要原因，给患者带来巨大负担，导致质量低下。高糖负荷引起的微血管功能障碍和细胞因子分布失衡可能被认为是糖尿病患者慢性、延迟甚至不愈合伤口的主要原因。不愈合的伤口对诊所来说是一个巨大的挑战，这会导致更大的坏疽、截肢甚至死亡风险。因此，改善糖尿病不愈合伤口的血管生成和血运重建对于加速慢性伤口愈合至关重要。一般来说，手术清创、控制血液葡萄糖、移植物移植和伤口敷料负压治疗是糖尿病患者常规临床管理的一部分。然而，由于细胞功能受损和伤口周围缺乏生物活性分子，治疗方法对许多患者无效。因此，一种加速糖尿病伤口修复的新治疗方法对于克服传统治疗的不足很重要.
3.富含血小板的血浆(prp)由纤维蛋白胶制成，在临床和研究中用于治疗糖尿病不愈合伤口。prp是抗凝全血的提取物，其中含有全血中大部分的血小板，通过两步离心获得。它含有大量的生物活性分子，如外泌体、神经生长因子(ngf)、血小板衍生生长因子(pdgf) 等，可以促进伤口愈合。然而，prp的稳定性差和快速降解导致临床对慢性糖尿病伤口的治疗反应不佳。这可能有以下原因。首先，糖尿病创面液中含有大量金属蛋白酶等蛋白酶，导致一些生长因子(gfs)降解。这导致prp的临床效果不佳，延缓糖尿病患者的愈合。其次，生理条件下，纤维蛋白胶容易被酶降解，导致纤维蛋白水凝胶中gfs稳定性差，失活。不稳定的结构导致伤口愈合过程中gfs的快速清除率和相对较短的半衰期，这限制了它们在临床上的生物医学应用。因此，制造生物相容性水凝胶载体以保持prp的生物活性并持续释放生物活性分子在伤口部位对于糖尿病伤口愈合中基于prp的疗法很重要。
4.脱细胞皮肤替代物是治疗慢性伤口愈合的先进疗法之一，应用来自人或动物真皮、羊膜或胶原组织的脱细胞组织来取代细胞外基质(ecm)。脱细胞基质材料是在细胞外基质成分与结构的基础上，通过脱细胞工艺去除细胞而保留其生物活性成分的基质材料，是含有多种信号分子构成高度协调的有机统一体，能够诱导并促进细胞的黏附、增殖、分化及组织形成，是机体组织修复的基础。这些成分是非免疫原性的，可以为上皮皮肤移植物的存活提供支持。目前，临床常用于皮肤及软组织修复的decm为脱细胞真皮基质(acellular dermal matrix， adm)材料。虽然，同种或异种adm材料也被临床广泛应用于皮肤软组织损伤修复，但仍存在许多不足之处。例如，脱细胞真皮支架孔径较小、孔隙率较低，不利于再生细胞的迁移和增殖,导致愈合延长，缺乏皮下脂肪层的再生，形成瘢痕愈合等。鉴于这些原因，制造具有优异物理性能的载体材料以弥补上述不足对伤口愈合尤其重要。
5.水凝胶可以模拟细胞外基质的组成和理化性质，成为无缝合伤口闭合的替代品。然而，它们通常有较差的机械性能、对天然组织的低粘附性以及缺乏生物活性。治疗糖尿病
伤口的理想水凝胶敷料应具有多功能特性，包括可控的生物降解性、生物活性分子的持续释放、自恢复能力、孔结构、适当的机械性能、优异的生物相容性等。由于对再生医学的需求不断增加，可生物降解水凝胶在有效转移细胞/药物以用于伤口愈合治疗和软组织重建的广泛研究引起了广泛关注。可生物降解水凝胶具有典型的三维网络结构和高细胞/药物嵌入。然而，许多传统水凝胶在胶凝过程中使用刺激性化学物质，会限制生物活性分子或细胞的掺入。
6.因此，研究一种新型复合水凝胶敷料，使其适合皮肤创面的愈合，对于糖尿病患者加速糖尿病伤口修复的治疗，具有重要意义。


技术实现要素：

7.基于此，本发明的目的在于，提供一种促进伤口愈合的复合水凝胶，为负载多种细胞生长因子和脱细胞真皮基质(adm)的光交联丝素蛋白/葡聚糖水凝胶，这种新型复合水凝胶可以更接近于制造类似于自然细胞质基质的结构，同时可以实现prp中生长因子的缓释；不仅实现了水凝胶中负载多种细胞生长因子且具有较好的生物活性，同时开发了基于丝素蛋白/葡聚糖水凝胶基体，能够调节材料的机械性能和显著促进细胞增殖，使其适合皮肤创面的愈合。
8.本发明采取的技术方案如下：
9.一种促进伤口愈合的复合水凝胶，包括水凝胶基体以及负载于所述水凝胶基体的富含血小板的血浆和脱细胞真皮基质，所述水凝胶基体由甲基丙烯酰化丝素蛋白与甲基丙烯酰化葡聚糖交联形成。
10.蚕丝蛋白(sf)是一种存在于蚕丝中的天然蛋白，被认为是一种生物相容性材料，可应用于再生医学，无明显的长期炎症反应。特别是在皮肤再生方面，sf可以通过止血、支持细胞募集和皮肤成纤维细胞的增殖以及促进再上皮化等方式促进伤口愈合。甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)是通过甲基丙烯酸缩水甘油酯对sf进行甲基丙烯酰化改性，在sf分子上引入双键进而赋予其光固化能力。葡聚糖(dextran)是指以葡萄糖为单糖组成的同型多糖，葡萄糖单元之间以糖苷键连接。与其它多糖相比，dextran可被人体内的生物酶缓慢降解，也可通过胃肠道内微生物的右转酶裂解作用来分解。甲基丙烯酰化葡聚糖(dexma)是通过在葡聚糖分子链上引入甲基丙烯基团进而赋予其光固化能力。
11.本发明以两种天然生物聚合物sfma(甲基丙烯酰化丝素蛋白)和dexma(甲基丙烯酰化葡聚糖)为原料，通过在sfma与dexma交联形成的水凝胶基体上负载富含血小板的血浆和脱细胞真皮基质形成复合水凝胶。两种具有不同物理化学性质的生物聚合物的协同结合使复合水凝胶的各种性质得以微调，包括力学性能、膨胀性等，另外，通过水凝胶中负载 prp来实现生长因子的缓慢释放，同时载入adm赋予该材料的生物活性，对促进糖尿病伤口的愈合具有显著的潜力。
12.本发明还提供一种促进伤口愈合的复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将甲基丙烯酰化丝素蛋白、甲基丙烯酰化葡聚糖、脱细胞真皮基质和光引发剂加入去离子水中溶解形成混合物，再加入富含血小板的血浆，然后经光交联制得所述促进伤口愈合的复合水凝胶。
13.进一步地，按去离子水的体积计，所述甲基丙烯酰化丝素蛋白的用量为5w/v％～
15w/v％，所述甲基丙烯酰化葡聚糖的用量为1w/v％～3w/v％，所述脱细胞真皮基质的用量为0.01 w/v％～0.1w/v％，所述光引发剂的用量为0.01w/v％～0.5w/v％，所述富含血小板的血浆与所述混合物的体积比为1：(5～15)。按上述用量进行搭配，可以确保制备形成水凝胶，同时水凝胶的状态较佳，既不会太软也不会太硬，能够满足伤口愈合的需求。
14.进一步地，所述光引发剂为lap，所述光交联的条件是紫外光照10～120s。
15.优选地，按去离子水的体积计，所述甲基丙烯酰化丝素蛋白的用量为10w/v％，所述甲基丙烯酰化葡聚糖的用量为2w/v％，所述脱细胞真皮基质的用量为0.05w/v％，所述光引发剂的用量为0.1w/v％，所述富含血小板的血浆与所述混合物的体积比为1：10。在此最佳配比的用量下，使本发明的复合水凝胶具有合适的溶胀性能、良好的机械性能和稳定的降解性能。
16.进一步地，所述甲基丙烯酰化丝素蛋白的制备方法是，将蚕茧浸没在na2co3溶液中煮沸，并用蒸馏水洗涤得到脱胶丝素蛋白，干燥后溶解在溴化锂溶液中，搅拌并滴加甲基丙烯酸缩水甘油酯，进行接枝反应，反应后过滤、透析，冷冻干燥得到甲基丙烯酰化丝素蛋白。
17.优选地，所述脱胶丝素蛋白的重量与所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的体积用量之比为1： (0.3～0.9)g/ml。如果sfma接枝度太低，将无法形成水凝胶；而接枝度太高，则会使水凝胶形成后太硬，使压缩强度不足；以上比例形成的水凝胶则软硬适中，能够满足伤口愈合的需求，作为医用敷料时给患者提供更好的舒适度。
18.进一步地，所述甲基丙烯酰化葡聚糖的制备方法是，将葡聚糖溶解在无水dmso中，然后添加4-二甲氨基吡啶，搅拌后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯进行接枝反应，将反应混合物透析、冷冻干燥后得到甲基丙烯酰化葡聚糖。
19.优选地，所述葡聚糖的重量与所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的体积比为1：(0.1～0.6)g/ml。如果dexma接枝度太低，将无法形成水凝胶；而接枝度太高，则会使水凝胶形成后太硬，使压缩强度不足，以上比例形成的水凝胶则软硬适中，能够满足伤口愈合的需求，作为医用敷料时给患者提供更好的舒适度。
20.本发明还提供所述促进伤口愈合的复合水凝胶在医用敷料中的应用。
21.与现有技术相比，本发明的复合水凝胶，其水凝胶基体采用两种天然成分衍生生物聚合物，即甲基丙烯酰基取代的丝素蛋白(sfma)和甲基丙烯酰基取代的葡聚糖(dexma)交联形成，负载富含血小板的血浆和脱细胞真皮基质，可以实现在组织部位缓慢释放生长因子，且赋予复合水凝胶较高的生物活性，用于糖尿病伤口的治疗，可以加快和促进伤口的愈合。
22.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明实施例。
附图说明
23.图1为实施例1的sf和sfma聚合物的核磁氢谱图。
24.图2为实施例2的dex和dexma聚合物的核磁氢谱图。
25.图3为对比例2和实施例3-5制备的水凝胶的扫描电镜图。
26.图4为对比例2和实施例3-5制备的水凝胶的溶胀性能图。
27.图5为实施例6制备的水凝胶的vegf的释放性能曲线图。
28.图6为对比例2、实施例4和实施例6-8制备的水凝胶的细胞存活率统计图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。
30.实施例1
31.甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)制备方法，包括以下步骤：
32.将10g的蚕茧浸没在1l 0.05m na2co3溶液中在100℃下煮沸30分钟，并用蒸馏水洗涤数次，获得脱胶的丝素蛋白。然后，将脱胶的丝素蛋白(sf)在干燥箱中干燥36小时。为了获得sfma，将10g脱胶sf在60℃下溶解在9.3m溴化锂(libr)溶液中1小时，磁力搅拌器搅拌，然后缓慢滴加6ml甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)。反应8h后，将溶液通过神奇滤布过滤并去除盐分，使用透析袋用蒸馏水透析7天。将得到的sfma溶液在-80℃下冷冻12小时，然后冷冻干燥36小时，得到海绵状的sfma。
33.实际上，所述脱胶丝素蛋白的重量与所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的体积用量之比可以为 1：(0.3～0.9)g/ml皆可。
34.实施例2
35.甲基丙烯酰化葡聚糖(dexma)制备方法，包括以下步骤：
36.在室温下将10g葡聚糖溶解在100ml无水dmso中，并搅拌1h。然后将2g 4-二甲氨基吡啶(dmap)添加到上述溶液中。搅拌1小时后，加入3ml甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)。反应在室温封闭、避光和持续搅拌下进行约48h。然后将反应混合物用透析袋透析约3天。将得到的dexma溶液在-80℃下冷冻12小时，然后冷冻干燥36小时，得到海绵状的 dexma。
37.实际上，所述葡聚糖的重量与所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的体积比可以为1： (0.1～0.6)g/ml皆可。
38.实施例3
39.10％sfma/1％dexma水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
40.将0.2g实施例1制备的sfma(10wt.％)和0.02g实施例2制备的dexma(1wt.％) 和0.002glap光引发剂(0.1wt.％)溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得 10％sfma/1％dexma水凝胶。
41.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，上述紫外光照时间可以是10～120s皆可。
42.实施例4
43.10％sfma/2％dexma水凝胶的制备，包括以下步骤：
44.将0.2g实施例1制备的sfma(10wt.％)和0.04g实施例2制备的dexma(2wt.％) 和0.002g lap光引发剂(0.1wt.％)溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得 10％sfma/2％dexma水凝胶。
45.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，上述紫外光照时间可以是10～120s皆可。
46.实施例5
47.10％sfma/3％dexma水凝胶的制备，包括以下步骤：
48.将0.2g实施例1制备的sfma(10wt.％)和0.06g实施例2制备的dexma(3wt.％) 和0.002g lap光引发剂(0.1wt.％)溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得 10％sfma/3％dexma水凝胶。
49.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，上述紫外光照时间可以是10～120s皆可。
50.实施例6
51.10％sfma/2％dexma/prp水凝胶的制备，包括以下步骤：
52.将0.2g实施例1制备的sfma(10wt.％)和0.04g实施例2制备的dexma(2wt.％) 和0.002g lap光引发剂(0.1wt.％)溶于1.8ml去离子水中，形成混合物，加入200μl prp，紫外光照30s，即得sfma/dexma/prp水凝胶。
53.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，甲基丙烯酰化葡聚糖dexma的用量可以为1w/v％～3w/v％，富含血小板的血浆prp与所述混合物的体积比可以为1：(5～15)，紫外光照时间可以是10～120s。
54.实施例7
55.10％sfma/2％dexma/adm水凝胶的制备，包括以下步骤：
56.将0.2g sfma(10wt.％)、0.04g dexma(2wt.％)、0.001g adm(500μg/ml)和0.002 g lap光引发剂(0.1wt.％)溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得sfma/dexma/adm 水凝胶。
57.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，甲基丙烯酰化葡聚糖dexma的用量可以为1w/v％～3w/v％，脱细胞真皮基质adm的用量可以为0.01w/v％～0.1w/v％，紫外光照时间可以是10～120s。
58.实施例8
59.sfma/dexma/adm/prp水凝胶的制备，包括以下步骤：
60.将0.2g sfma(10wt.％)、0.04g dexma(2wt.％)、0.001g adm(500μg/ml)和0.002 g lap光引发剂(0.1wt.％)溶于1.8ml去离子水中，形成混合物，加入200μl prp，紫外光照30s，即得sfma/dexma/adm/prp水凝胶。
61.实际上，按去离子水的体积计，甲基丙烯酰化丝素蛋白sfma的用量可以为 5w/v％～15w/v％，甲基丙烯酰化葡聚糖dexma的用量可以为1w/v％～3w/v％，脱细胞真皮基质adm的用量可以为0.01w/v％～0.1w/v％，富含血小板的血浆prp与所述混合物的体积比可以为1：(5～15)，紫外光照时间可以是10～120s。
62.对比例1
63.5％sfma水凝胶的制备：将0.1g sfma(5wt.％)和0.002g lap光引发剂(0.1wt.％) 溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得sfma水凝胶。
64.对比例2
65.10％sfma水凝胶的制备：将0.2g sfma(10wt.％)和0.002g lap光引发剂(0.1wt.％) 溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得sfma水凝胶。
66.对比例3
67.15％sfma水凝胶的制备：将0.3g sfma(15wt.％)和0.002g lap光引发剂
(0.1wt.％) 溶于2ml去离子水中，紫外光照30s，即得sfma水凝胶。
68.实施例9核磁测试：
69.分别称取3-5mg实施例1制备的sfma和实施例2制备的dexma溶解于适量的氘代重水，然后装入干净的核磁管中，利用核磁共振光谱仪在室温条件下进行核磁结构测定，并采用mestrenova软件进行图谱分析。
70.从图1核磁对比分析可知，相对于sf，sfma的氢谱图在化学位移6.1和6.9处出现新的吸收峰，对应为甲基丙烯酰基上氢的吸收峰，表明甲基丙烯酰基成功接枝在sf上，即证实了sfma的成功制备。从图2核磁对比分析可知，相对于dex，dexma的氢谱图在化学位移5.7和6.2处出现新的吸收峰，对应为甲基丙烯酰基上氢的吸收峰，表明甲基丙烯酰基成功接枝在dex上，即证实了dexma的成功制备。
71.实施例10扫描电镜测试：
72.将对比例2和实施例3、实施例4、实施例5制备好的水凝胶分别冻干后喷金后，置于扫描电子显微镜下观察。测试条件为：5kv electron beam。
73.从图3可知，对比例2和实施例3、实施例4、实施例5制备的水凝胶呈现三维多孔的网状结构。与纯10％sfma水凝胶相比，实施例3、实施例4、实施例5制备的水凝胶孔径相对均匀。结果表明，说明dexma的加入使水凝胶形成互穿网络结构。
74.实施例11溶胀率测试：
75.将对比例2、实施例3、实施例4、实施例5制备的水凝胶置于37℃水浴锅中水浴15min 后脱模，称取其初始重量，记为w0,将其浸泡至ph＝7.4的pbs缓冲液中，每隔一定时间，将水凝胶取出，用稍微润湿的滤纸快速将水凝胶表面的水吸干，然后称量水凝胶的重量，直至水凝胶重量基本保持不变，将水凝胶吸水饱和时的重量记为w
t
，按公式计算水凝胶溶胀率。
[0076][0077]
如图4所示，所有水凝胶在5h基本均能达到溶胀平衡状态，并在随后的2h内保持稳定的溶胀率，这说明水凝胶具有较为优良的尺寸稳定性。对比例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的水凝胶平衡溶胀率分别为13.0
±
0.7％、15.5
±
0.7％、18.6
±
1.9％和22.7
±
1.3％。dexma 的浓度越高，所对应的sfma/dexma水凝胶的溶胀率越高。这是由于dexma的加入，导致形成双网络结果，储水能力提高，这与sem观察到的现象一致，因此水凝胶的平衡溶胀率变大。良好的溶胀性能有利于水凝胶敷料吸收伤口渗出液。
[0078]
实施例12压缩性能测试：
[0079]
将对比例1～3以及实施例3～5制备的水凝胶样品放于凝胶强度专用探头的正下方，凝胶探头对水凝胶进行挤压，直至破裂，记录下水凝胶破裂所需的力，定义为水凝胶的压缩强度。对比例1～3、实施例3～5制备的水凝胶的压缩性能如表1所示。
[0080]
表1：水凝胶的压缩强度
[0081]
水凝胶压缩强度(kpa)实施例338.6
±
2.1实施例450.6
±
3.8实施例545.6
±
3.3
对比例124.6
±
1.5对比例242.9
±
3.4对比例334.4
±
2.2
[0082]
理想的水凝胶应具有良好的力学性能，以保持其使用时的方便性和完整性。由表1可知，对比例1-3制备的水凝胶的压缩强度分别为24.6
±
1.5kpa，42.9
±
3.4kpa和34.4
±
2.2kpa，其中对比例2制备的10％sfma水凝胶的压缩强度最大。此外，与其他组相比，实施例4制备的水凝胶的压缩性能最大。表明10％sfma/2％dexma水凝胶内部可能形成了较好的交联度，其力学性能最好。所有的结果表明，sfma/dexma水凝胶的压缩强度可以分别通过调节 sfma和dexma的浓度来调节，并且调节材料压缩强度的能力意味着它可以更好的应用到各种组织器官，是具有潜在生物医学应用前景的生物材料。
[0083]
实施例13体外生长因子释放性能测试：
[0084]
在体外释放研究中，将实施例6制备的水凝胶置于1ml pbs溶液(ph 7.4)中，在37℃下孵育，在每个时间点收集pbs上清液，然后用相同体积的新鲜pbs替换。将收集到的pbs 上清液储存在-80℃，用酶联免疫吸附试验(elisa)检测其中vegf的含量，计算累计释放速率。
[0085]
由于水凝胶特殊的空间结构可以负载不同的药物并具有对药物缓慢释放的作用。从图5 可以看出，在初始的24h，观察到vegf释放较快，可能是因为水凝胶表面和浅层的vegf 被释放出。在爆释放后，水凝胶表面和浅层的vegf被释放殆尽，释放速率下降。24h后继续缓慢释放。推测是由于以下三个原因：首先水凝胶内部运动和外界达到释放平衡；再就是水凝胶的缓慢降解，导致vegf从水凝胶中的释放；随着表面和浅层的vegf被释放，水凝胶内部vegf浓度低，释放驱动力变弱。
[0086]
实施例14细胞存活率测试：
[0087]
选取形态为梭形或三角形的l929成纤维细胞进行细胞种植。用细胞计数板对细胞进行计数，并将其稀释成一定的浓度。本次试验的细胞种植密度为3
×
104cells/孔，再种植到放置有水凝胶的24孔培养板的对应孔中，然后放在37℃的二氧化碳培养箱中培养一定时间后，将培养细胞对应孔板取出，每孔加入50ul cck8溶液，并设定阴性对照(空白培养基)，在细胞培养箱中培养30min-60min。根据颜色变化判断，将培养板取出，将对应孔内液体移吸到96 孔板中。并在酶标仪450nm波长下检测吸光度值(od值)，记录并根据公式计算细胞存活率。对实施例4、实施例6～8和对比例2所制备的敷料进行生物相容性测试，测试结果如图6所示。
[0088][0089]
细胞毒性如图6所示，对比例2所制备的10％sfma和实施例4制备的 10％sfma/2％dexma水凝胶组的细胞相对存活率与对照组相当，表明制备的sfma和 dexma均没有细胞毒性。而实施例6制备的10％sfma/2％dexma/prp水凝胶、实施例7 制备的10％sfma/2％dexma/adm水凝胶和实施例8制备的 10％sfma/2％dexma/adm/prp复合水凝胶细胞存活率显著高于对照组，且实施例8制备的10％sfma/2％dexma/adm/prp复合水凝胶细胞存存活率最高。这主要是由于adm本身可以促进细胞增殖，同时prp中含有多种细胞生长因子，可以协同促进细胞增殖。可见， sfma/dexma/adm/prp复合水凝胶最能有效地促进伤口愈合。
[0090]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。