基于PDA-PAni-GO/OHA/Gelatin/DCS的关节软骨定向修复系统

基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs的关节软骨定向修复系统
技术领域
1.本发明涉及软骨修复和水凝胶制备领域，具体涉及一种基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶的关节软骨定向修复系统。


背景技术：

2.创伤性骨关节炎(traumatic arthritis，ta)是关节创伤后引起的继发性骨关节炎。治疗ta平均每年的医疗开支高达约1000亿元，占我国国民生产总值的0.1％。关节软骨损伤是ta的主要特征，伴有明确关节软骨损伤的患者后期发展成ta的风险率高达20％-50％，如果无法得到及时有效的治疗极易发展成ta。但是成熟的关节软骨无血液供应、神经支配和淋巴回流，导致其内源性愈合能力差，这也是关节软骨再生修复作为世界性难题的关键所在。
3.目前临床上治疗关节软骨损伤的技术手段主要包括药物治疗和手术治疗。药物治疗起效慢，难以对其根治；手术治疗主要包括微骨折术(骨髓刺激)、骨软骨移植等，但是受到移植来源有限、二次创伤和术后并发症(如排异反应等)等限制。组织工程材料近年来在骨修复领域飞速发展，较多研究工作集中于负载细胞、生长因子的材料之上，但是细胞存活率低，生长因子难储存且释放不稳定等缺陷大大限制了其发展。因此，设计一种具有高生物活性和细胞招募功能的组织工程材料对于软骨修复具有重大的意义。
4.有研究报道骨对于电刺激信号敏感。因此，本发明设计了一种基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶的关节软骨定向修复系统。通过施加电刺激作用，实现对细胞的定向招募及定向成软骨分化，促进关节软骨缺损修复重建。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对成熟关节软骨无法通过内源性愈合机制进行缺损修复的临床问题，结合导电水凝胶材料的特点，提供一种基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶的关节软骨定向修复系统。
6.本发明采用以下技术方案实现：
7.一种基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs水凝胶的关节软骨定向修复系统，包括导电水凝胶、无菌导线及脉冲直流电源，所述导电水凝胶是使用氧化石墨烯go、苯胺aniline、多巴胺da作为原料先制备得到一种具有多层核壳结构的纳米导电功能填料，再将其与醛基化透明质酸oha、儿茶酚改性壳聚糖dcs、明胶gelatin复合，通过席夫碱反应制得的一种可注射导电水凝胶材料pda-pani-go/oha/gelatin/dcs。
8.将所述导电水凝胶材料注射于所需修复的关节软骨部位，通过无菌导线连接至脉冲直流电源从而得到关节软骨定向修复系统。
9.上述技术方案中，进一步的，所述导电水凝胶的具体制备步骤如下：
10.1)首先取go于去离子水中，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在剧烈搅拌、涡旋和
pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶、无菌导线和脉冲直流电源(尤其可采用具有遥控功能的植入式微型脉冲直流电源和经皮通过无菌导线外接脉冲直流电源装置)，可以促进关节软骨的定向修复(定向招募细胞，定向诱导细胞成软骨分化)；
23.2)本发明中自主设计并制备了一种具有三层核壳结构的pda-pani-go纳米功能填料，该纳米填料先后使用两步原位聚合法制得，其中go作为pani聚合的核，对于pani的分散具有巨大的促进功能，植酸对pani的掺杂提供导电性能，而da的引入则提升了纳米填料的生物相容性。并且其制备工艺参数也根据实验场景的要求针对性地设计：不低于2000r/min的搅拌转速实现了原料的良好分散，da在去离子水中的自聚合速率相比于在ph＝8.5的tris-hcl缓冲液中的速率大大降低，所以本发明中仅仅在pani-go纳米填料的表面引入一层pda薄层，在基本不影响pda-pani-go纳米填料电导率的同时，提升填料的生物相容性以及分散稳定性；
24.2)本发明中设计制备的水凝胶材料同时具有导电性能、可注射性、生物相容性、湿态黏附、软骨贴附性和生物降解性能，同时上述多种性能通过协同作用满足对于关节软骨定向修复的使用要求：生物相容性是水凝胶用于植入性生物材料的基本要求；儿茶酚化改性的壳聚糖、oha和gelatin作为软骨细胞外基质的主要成分，为细胞提高合适的生长环境；可注射性使其可以通过注射以贴合软骨缺损区域形状的不均匀性，同时oha分子链上大量的醛基可以于软骨基质中的氨基发生席夫碱反应实现贴附，且dcs可以赋予水凝胶湿态黏附性能，实现对组织的黏附，保证水凝胶与宿主软骨之间良好的结合能力；导电性能所传递的电刺激信号，可以激活无血供、神经支配和淋巴回流的成熟软骨的内源性愈合基质，实现对干细胞的定向招募和促进其成软骨分化，最终实现软骨的再生；并且在新生软骨在生成的同时，水凝胶还能发生降解，两者实现匹配，满足软骨修复的各类要求。
25.3)导电水凝胶材料的软骨修复领域的应用鲜有报道，本发明中创新性地将自主设计的pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶材料与脉冲直流电源进行组合，用于定向软骨的修复重建过程。导电水凝胶材料结合电刺激信号，通过构建膝关节软骨缺损模型，验证了导电水凝胶对于软骨的修复作用，相对比于单纯的电刺激信号或水凝胶支架材料，通过导电水凝胶材料传导电刺激信号对于软骨修复具有协同作用。
附图说明
26.图1为pda-pani-go纳米功能填料实物图及afm结果；
27.图2为pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶作为导线外接电路后，led灯珠发光图片；
28.图3为基于pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶的关节软骨定向修复系统用于修复大鼠膝关节软骨缺损的示意图(图中使用植入微型脉冲直流电源)；
具体实施方式
29.下面结合具体实例进一步说明本发明。
30.本发明的导电水凝胶使用席夫碱反应制得，同时具有双网络和纳米复合结构，具体的制备流程如下：
①
通过原位自由基聚合法制备具有高分散能力的植酸掺杂的聚苯胺-氧化石墨烯(pani-go)纳米填料；
②
将上述纳米填料于多巴胺(da)水溶液中反应4-8小时得
到pda-pani-go纳米填料，进一步提高纳米填料的生物相容性；
③
在避光条件下，使用高碘酸钠氧化透明质酸(ha)，并通过乙二醇终止反应，利用透析和冻干技术得到带有醛基的oha；
④
将pda-pani-go纳米填料分散于儿茶酚改性的壳聚糖(dcs)和明胶(gelatin)的pbs溶液中，再与的oha/pbs溶液进行混合，通过席夫碱反应得到所需的复合导电水凝胶。该水凝胶材料具有优异的导电性能、可注射性、软骨贴附性、生物相容性和生物降解性能，将其通过原位注射后可实现凝胶化，凝胶两端通过无菌导线连接脉冲直流电源，通过不同参数的脉冲直流电刺激作用，可提升关节软骨缺损定向修复重建。
31.实例1：
32.1)首先取0.0025g/ml的go水溶液，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸至其浓度为0.1g/ml，2000r/min剧烈搅拌15min、涡旋15min和100w超声15min三重分散工艺下进行分散，然后加入0.003g/ml aniline单体，也需在与上述参数相同的搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.00075g/ml的过硫酸钾引发剂溶液，2000r/min剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的pani-go纳米填料的制备，离心洗涤；使用与最开始go水溶液等体积的去离子水进行重新分散，加入0.002mg/ml da，在1000r/min搅拌条件下反应4h，离心得到pda-pani-go纳米功能填料；
33.2)在避光条件下，将ha使用去离子水溶解得到0.01g/ml的ha水溶液，再于搅拌条件下加入0.02g/ml高碘酸钠对其进行氧化反应，反应持续24小时，加入3ml乙二醇反应1小时终止氧化，使用大量去离子水进行透析，通过冻干得到oha样品；
34.3)将pda-pani-go纳米填料分散于儿茶酚改性的壳聚糖-gelatin/pbs溶液中，pda-pani-go的浓度为0.05g/ml，儿茶酚改性的壳聚糖的浓度为0.05g/ml，gelatin的浓度为0.08-0.15g/ml；同时也制备一定浓度的oha/pbs溶液，oha的浓度为0.10-0.20g/ml；
35.4)将上述步骤3)中两种溶液按照体积比1：1进行混合，同时接入无菌导线和可遥控的微型脉冲直流电源，溶液通过席夫碱反应实现凝胶化得到pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶，并结合无菌导线连接脉冲直流电源形成节软骨定向修复系统。
36.本例制得的导电水凝胶的湿态黏附强度为8.1kpa，电导率为6.71s/m，原位凝胶化时间为68s。将其植入大鼠膝关节软骨缺损区域28天后，软骨修复情况良好。
37.实例2：
38.1)首先取0.0025g/ml的go水溶液，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸至其浓度为0.1g/ml，2000r/min剧烈搅拌15min、涡旋15min和100w超声15min三重分散工艺下进行分散，然后加入0.003g/ml aniline单体，也需在与上述参数相同的搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.0075g/ml的过硫酸钾引发剂溶液，2000r/min剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的pani-go纳米填料的制备，离心洗涤；使用与最开始go水溶液等体积的去离子水进行重新分散，加入0.002mg/ml da，在1000r/min搅拌条件下反应4h，离心得到pda-pani-go纳米功能填料；
39.2)在避光条件下，将ha使用去离子水溶解得到0.01g/ml的ha水溶液，再于搅拌条件下加入0.02g/ml高碘酸钠对其进行氧化反应，反应持续24小时，加入3ml乙二醇反应1小时终止氧化，使用大量去离子水进行透析，通过冻干得到oha样品；
40.3)将pda-pani-go纳米填料分散于儿茶酚改性的壳聚糖-gelatin/pbs溶液中，pda-pani-go的浓度为0.05g/ml，儿茶酚改性的壳聚糖的浓度为0.10g/ml，gelatin的浓度
为0.08g/ml；同时也制备一定浓度的oha/pbs溶液，oha的浓度为0.10g/ml；
41.4)将上述步骤3)中两种溶液按照体积比1：1进行混合，同时接入无菌导线和可遥控的微型脉冲直流电源，溶液通过席夫碱反应实现凝胶化得到pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶，并结合无菌导线连接脉冲直流电源形成节软骨定向修复系统。
42.相比于实例1，步骤3)中儿茶酚改性的壳聚糖用量增加以后，所制得导电水凝胶的湿态黏附强度为12.6kpa，电导率为5.89s/m，原位凝胶化时间为92s。将其植入大鼠膝关节软骨缺损区域28天后，软骨修复情况良好。
43.实例3：
44.1)首先取0.0025g/ml的go水溶液，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸至其浓度为0.5g/ml，2000r/min剧烈搅拌15min、涡旋15min和100w超声15min三重分散工艺下进行分散，然后加入0.01g/ml aniline单体，也需在与上述参数相同的搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.00075g/ml的过硫酸钾引发剂溶液，2000r/min剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的pani-go纳米填料的制备，离心洗涤；使用与最开始go水溶液等体积的去离子水进行重新分散，加入0.002mg/ml da，在1000r/min搅拌条件下反应4h，离心得到pda-pani-go纳米功能填料；
45.2)在避光条件下，将ha使用去离子水溶解得到0.01g/ml的ha水溶液，再于搅拌条件下加入0.02g/ml高碘酸钠对其进行氧化反应，反应持续24小时，加入3ml乙二醇反应1小时终止氧化，使用大量去离子水进行透析，通过冻干得到oha样品；
46.3)将pda-pani-go纳米填料分散于儿茶酚改性的壳聚糖-gelatin/pbs溶液中，pda-pani-go的浓度为0.05g/ml，儿茶酚改性的壳聚糖的浓度为0.05g/ml，gelatin的浓度为0.08g/ml；同时也制备一定浓度的oha/pbs溶液，oha的浓度为0.10g/ml；
47.4)将上述步骤3)中两种溶液按照体积比1：1进行混合，同时接入无菌导线和可遥控的微型脉冲直流电源，溶液通过席夫碱反应实现凝胶化得到pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶，并结合无菌导线连接脉冲直流电源形成节软骨定向修复系统。
48.相比于实例1，步骤1)中苯胺用量增加后，所制得的导电水凝胶的湿态黏附强度为7.8kpa，电导率为17.98s/m，原位凝胶化时间为73s。将其植入大鼠膝关节软骨缺损区域28天后，软骨修复情况良好。
49.实例4：
50.1)首先取0.0025g/ml的go水溶液，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸至其浓度为0.1g/ml，2000r/min剧烈搅拌15min、涡旋15min和100w超声15min三重分散工艺下进行分散，然后加入0.003g/ml aniline单体，也需在与上述参数相同的搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.00075g/ml的过硫酸钾引发剂溶液，2000r/min剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的pani-go纳米填料的制备，离心洗涤；使用与最开始go水溶液等体积的去离子水进行重新分散，加入0.002mg/ml da，在1000r/min搅拌条件下反应4h，离心得到pda-pani-go纳米功能填料；
51.2)在避光条件下，将ha使用去离子水溶解得到0.01g/ml的ha水溶液，再于搅拌条件下加入0.02g/ml高碘酸钠对其进行氧化反应，反应持续24小时，加入3ml乙二醇反应1小时终止氧化，使用大量去离子水进行透析，通过冻干得到oha样品；
52.3)将pda-pani-go纳米填料分散于儿茶酚改性的壳聚糖-gelatin/pbs溶液中，
pda-pani-go的浓度为0.05g/ml，儿茶酚改性的壳聚糖的浓度为0.05g/ml，gelatin的浓度为0.08g/ml；同时也制备一定浓度的oha/pbs溶液，oha的浓度为0.20g/ml；
53.4)将上述步骤3)中两种溶液按照体积比1：1进行混合，同时接入无菌导线和可遥控的微型脉冲直流电源，溶液通过席夫碱反应实现凝胶化得到pda-pani-go/oha/gelatin/dcs导电水凝胶，并结合无菌导线连接脉冲直流电源形成节软骨定向修复系统。
54.相比于实例1，步骤3)中oha用量增加后，所制得的导电水凝胶的湿态黏附强度为5.7kpa，电导率为6.13s/m，原位凝胶化时间为34s。将其植入大鼠膝关节软骨缺损区域28天后，软骨修复情况良好。