一种用于调控迷走神经的磁性水凝胶及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种用于调控迷走神经的可注射温敏磁性水凝胶，还涉及上述磁性水凝胶作为磁刺激注射液在迷走神经调控中的应用。


背景技术：

2.水凝胶是由亲水性分子通过物理或化学交联作用，形成的一种具有三维交联网状结构的软湿材料，具有亲水性而又不溶于水。水凝胶材料由于其优异的性质近些年来在生物医用、环境卫生、化妆品以及食品工业等众多领域都得到广泛的应用。通过结构设计和负载不同功能因子构建功能性和外部刺激(温度、ph等)响应性智能水凝胶在各大研究领域备受青睐，例如用于药物或细胞的载体、组织工程和生物传感器等，另外，可注射水凝胶材料具有极好的生物兼容性和离子传送能力，在神经生理学检测领域展现了一定的应用潜力。
3.以氧化铁纳米颗粒为代表的铁基氧化物纳米材料具有良好的生物安全性、磁导向性、低毒性及长血液循环时间及因其小尺寸呈现出其特有的优点，氧化铁纳米颗粒也是目前唯一通过食品药品监督管理局(fda)审批，获准进行临床应用的无机功能纳米材料，然而，电磁治疗中纳米颗粒溶液进入人体后会随着血液循环流动，无法存留于迷走神经处，难以实现局部神经聚焦和长期磁刺激。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明针对现有技术中电磁治疗中磁性纳米颗粒溶液易于代谢、无法存留于迷走神经处的问题，提供了一种以超顺磁性氧化铁纳米颗粒为基础的磁性水凝胶；还提供了上述磁性水凝胶的制备方法。
5.本发明还提供上述磁性水凝胶作为磁刺激注射液对迷走神经电位调控的应用。
6.技术方案：本发明所述的用于调控迷走神经的磁性水凝胶，所述水凝胶包括常温下呈流动态的溶胶以及分散在溶胶中的磁性纳米颗粒；溶胶在生理温度下发生溶胶-凝胶转化为固态；所述常温为25～30℃；生理温度为35～37℃；磁性纳米颗粒呈核壳结构，其内部为氧化铁纳米颗粒，氧化铁纳米颗粒外包覆有聚葡萄糖山梨醇羧甲醚。
7.表面修饰聚葡萄糖山梨醇羧甲醚改善了氧化铁纳米颗粒的结构稳定性，提高氧化铁纳米颗粒的生物相容性。水凝胶通过将超顺磁性氧化铁纳米颗粒引入到壳聚糖和β-甘油磷酸钠反应体系中得到；其在常温(25℃)下为流动的液态，生理温度下(37℃)能够发生溶胶-凝胶转化为固态。
8.其中，所述溶胶中磁性纳米颗粒的含量为1mg/ml。
9.其中，所述呈流动态溶胶的粘度为203.29pa
·
s。
10.上述磁性水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)配制壳聚糖溶液：将壳聚糖粉末搅拌溶解于盐酸中，过滤除去溶液中的不溶性颗粒，得到壳聚糖溶液；
12.(2)配制β-甘油磷酸钠溶液：制备磁性纳米颗粒溶液，取β-甘油磷酸钠粉末，溶解
于磁性纳米颗粒溶液中，得到β-甘油磷酸钠溶液；
13.(3)将壳聚糖溶液和β-甘油磷酸钠溶液在不高于4℃冰箱中冷却10分钟，冷却的目的是：制备的是温度敏感型水凝胶，减小温度对凝胶合成的影响；冷却后，在不高于4℃条件下，边搅拌边将β-甘油磷酸钠溶液缓慢滴入壳聚糖溶液中，反应后形成均匀、深褐色的溶胶。
14.其中，步骤(2)中，磁性纳米颗粒溶液中fe元素的浓度为23-25mg/ml。
15.其中，步骤(3)中，反应时间为15～20min。
16.上述磁性水凝胶作为磁刺激注射液对迷走神经电位调控的应用。
17.其中，将水凝胶注射至右侧迷走神经，注射量为150μl，注射后的2-3min内水凝胶发生溶胶-凝胶转变，凝胶包覆在迷走神经外。通过注射将水凝胶注射至右侧迷走神经并包裹迷走神经，磁性水凝胶能够放大外加磁场效应，刺激周围的迷走神经，实现神经环路的活化；外加磁场为一对对称摆放的锥形磁铁，以1～20hz频率均匀旋转产生旋转磁场，磁场强度《0.5t。
18.将超顺磁性氧化铁纳米颗粒与可注射温度敏感水凝胶材料结合，既可以保证在生理温度下的溶胶-凝胶转化，同时氧化铁纳米颗粒能够响应外部磁场，当生物体组织处在电磁环境中时，生物体的组织中含有大量静止的自由电子被激发进行不断的移动，因此在不断变化的电磁场中的生物体可以在很小的刺激下产生非常强烈的应答反应，从而达到电磁神经的目的。磁性纳米颗粒本身易团聚，通过水凝胶进行负载能够改善磁性纳米颗粒的分散性；磁性纳米颗粒在迷走神经处的均匀分布，使得迷走神经各处受到磁场的刺激作用更加一致。此外，将磁性纳米颗粒与温敏凝胶混合后还能改善水凝胶的机械性质，不易变形，可以长时间留存于体内包裹神经。
19.有益效果：本发明可注射温敏磁性水凝胶的弹性模量与注射部位组织相近，不易引起排异反应，因此具有良好的生物相容性，对附近神经细胞影响较小，很大程度降低了由于植入材料带来的生物机体免疫反应；同时本发明可注射温敏磁性水凝胶克服了单独注射磁性纳米颗粒溶液易于代谢、无法长时间存留于迷走神经处的问题，大大延长了磁性纳米颗粒的作用时间；并且单纯注射磁性纳米颗粒溶液易造成注射部位水肿，而注射水凝胶体系不会产生此现象。
附图说明
20.图1为本发明中磁性水凝胶的制备流程图；
21.图2为本发明中旋转磁场发生器(外加磁场)的结构示意图；
22.图3为本发明中磁性水凝胶在37℃水浴条件下的溶胶-凝胶转变图；
23.图4为磁性水凝胶各元素的分布情况图；
24.图5为磁性纳米颗粒和温敏磁性水凝胶的磁共振示踪图；
25.图6为本发明中使用磁性水凝胶和外加磁场对sd大鼠迷走神经电位的调控；
26.图7为注射磁性纳米颗粒和磁性水凝胶联合外加磁场对大鼠心率的影响。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
28.实施例1：超顺磁性氧化铁纳米颗粒溶液的制备
29.参考wo2016/078576中实施例1的方法，使用右旋糖酐t10为原料，还原右旋糖酐t10后进行羧甲基(-ch2cooh)取代，可制备得到聚葡萄糖山梨醇羧甲醚(钠盐形式)。
30.反应瓶中分别加入400mg聚葡萄糖山梨醇羧甲醚(钠盐形式)和3ml蒸馏水，室温下机械搅拌使原料充分溶解；鼓入氮气、搅拌5min后，往反应瓶中加入6ml水溶液(6ml水溶液中含有300mg六水合三氯化铁和150mg四水合氯化亚铁)，搅拌15min；撤去氮气，滴加氨水(1ml质量浓度为28％的浓氨水加水1ml稀释而得)使反应液ph值调至11；启动高频感应加热设备，搅拌20min(80℃)；鼓入空气、搅拌25min(80℃)；关闭高频感应加热设备，停止搅拌；待降至室温，反应溶液直接转入透析袋(100kda)中，并注射用水透析24h，透析后溶液离心超滤管(100kda)浓缩，管内溶液经0.22μm滤膜过滤1次后，即得2.2ml超顺磁性氧化铁纳米颗粒溶液。
31.实施例2：可注射温敏磁性水凝胶的制备
32.225mg壳聚糖粉末(mw＝200000)室温磁力搅拌下溶解于9ml质量浓度为0.1％的盐酸中24小时，得到壳聚糖溶液；过滤除去壳聚糖溶液中的不溶性颗粒；称取560mgβ-甘油磷酸钠粉末，溶解于1ml溶液中(1ml溶液中包含570μl去离子水和430ul超顺磁性氧化铁纳米颗粒溶液，其中fe元素浓度为23mg/ml)，得到β-甘油磷酸钠溶液；将壳聚糖溶液和β-甘油磷酸钠溶液在4℃冰箱中冷却10分钟；冷却后，在4℃条件下，边搅拌边将β-甘油磷酸钠溶液缓慢滴入壳聚糖溶液中，反应后形成均匀、深褐色的溶胶。
33.磁场发生器如图2所示，磁场发生器包括搅拌器1、磁场支架2、磁体3，搅拌器1和磁体支架2通过搅拌器1下端的插孔连接，磁体3设在磁体支架2的两端；支架2包括一体连接的垂直杆21和横杆22，垂直杆21插入搅拌器1，横杆22的两端分别设有圆柱体23，圆柱体23和磁体3通过圆柱体23下端的插孔连接。其中，磁体3为锥形磁铁。
34.如图4所示，由扫描电子显微镜-元素分布地图(sem-mapping)结果可知，fe元素在水凝胶中的分布非常均匀；从而克服了注射磁性氧化铁颗粒溶液时氧化铁颗粒易团聚带来的磁刺激不均匀的问题。
35.实施例3：使用可注射温敏磁性水凝胶和外加磁场对sd大鼠迷走神经的调控：
36.取6-8周sd大鼠两只，麻醉气管插管后，取颈部正中切口，用止血钳将胸骨舌骨肌与胸骨甲状肌分开，逐层钝行分离至右侧颈动脉鞘，用玻璃分针分离出右侧迷走神经干。其中一只大鼠注射磁性纳米颗粒(注射量为50μl，注射液中fe元素的含量为1.2mg)，另一只大鼠注射磁性水凝胶，(注射量为150μl，注射液中fe元素的含量为0.15mg)，对两只大鼠进行磁共振示踪以表征体内铁代谢情况；对于注射磁性水凝胶组，将迷走神经放置在银线记录电极上，并施加20hz磁场评估迷走神经电位变化。
37.如图5所示，注射磁性纳米颗粒仅1天后，由于注射后手术部位水肿，难以观测到磁性纳米颗粒显像；在5天后再次进行磁共振示踪，未发现磁性纳米颗粒，这说明注射磁性纳米颗粒仅能留存至多5天。对磁性水凝胶进行长时示踪结果表明，在注射6周(42天)后，仍能清楚观察到磁性纳米颗粒在迷走神经处聚集，从而说明水凝胶能够极大程度提高磁性纳米颗粒的留存。图6表明，当施加磁场刺激后，迷走神经电位被显著增强，这反映了磁场联合磁性水凝胶对迷走神经存在调控作用。图7表明，在手术当天进行磁刺激，两组虽均能使心率显著下降(p《0.05)，但磁性水凝胶组中使用了更少的磁性纳米颗粒，也能完成同样的刺激
效果。然而在1周后再次进行磁刺激，仅注射磁性纳米颗粒组不能使大鼠心率下降，这是由于虽然注射的磁性纳米颗粒更多，但是大部分磁性纳米颗粒均被代谢掉，磁场效应不足以下降心率。而在注射磁性凝胶组中，即使使用了较低浓度的磁性纳米颗粒，1周后大鼠经磁刺激心率仍能下降，也表明了磁性纳米颗粒仍留存在迷走神经处。