【摘 要】
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[研究背景]:由创伤、感染等各种原因引起的骨缺损不规则,且需要开放性手术治疗,目前微创手术发展形势下现有可注射材料不能满足生物活性、适宜生物力学性能等要求。近年来,可注射水凝胶的研究引起广泛关注,水凝胶可负载多种生物活性分子,有效促进骨组织再生,其可注射性能与微创手术结合,具有较好的临床应用前景。但目前可注射水凝胶在力学强度上难以满足骨缺损的要求,成胶条件苛刻,需要引入有害催化剂等,限制了可注射水
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（81871767）； 深圳市科创委基金基础研究重点项目（JCYJ20200109150641992）“基2020N198海洋源水凝胶复合BMP-2促骨质疏松骨再生研究”； 深圳市科创委基础研究重点项目（JCYJ20210324115814040）“基2021N073高强度水凝胶材料在促骨质疏松骨折修复中的
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[研究背景]:由创伤、感染等各种原因引起的骨缺损不规则,且需要开放性手术治疗,目前微创手术发展形势下现有可注射材料不能满足生物活性、适宜生物力学性能等要求。近年来,可注射水凝胶的研究引起广泛关注,水凝胶可负载多种生物活性分子,有效促进骨组织再生,其可注射性能与微创手术结合,具有较好的临床应用前景。但目前可注射水凝胶在力学强度上难以满足骨缺损的要求,成胶条件苛刻,需要引入有害催化剂等,限制了可注射水凝胶在骨缺损中修复的应用。[研究目的]:研发一种新型高强度的可注射自固化四臂Polyethylene glycol（PEG）复合水凝胶,并研究其在修复骨缺损中的应用价值。[研究方法]:四臂PEG复合水凝胶体系的研制:1.四臂PEG自固化水凝胶的合成聚乙二醇二羧酸与糠胺混合合成聚乙二醇-呋喃（Fu-PEG-Fu）,马来酰亚胺基丙酸琥珀酰亚胺酯与四臂聚乙二醇胺混合制备四臂聚乙二醇马来酰亚胺（4arm PEG-Mal）,核磁质谱分析验证其合成,将Fu-PEG-Fu和4arm PEG-Mal混合,探索生理条件下注射成胶的条件及其可行性。2.四臂PEG高强度自固化水凝胶的合成调整纳米黏土质量浓度为0%、5%、10%及20%分别混入四臂PEG自固化水凝胶体系内合成高强度水凝胶,分别标记为PEG-0、PEG-5、PEG-10及PEG-20,探索纳米黏土浓度对四臂PEG复合水凝胶力学性能的影响。四臂PEG复合水凝胶体系性能评价:1.四臂PEG复合水凝胶的理化性质流变学分析水凝胶稳定性;电镜观察水凝胶内部结构。2.四臂PEG复合水凝胶的生物学特性MC3T3-E1细胞与水凝胶共培养1、3、7天,CCK-8法测试细胞活性;MC3T3-E1细胞种植于水凝胶上,培养1、3天,活死实验观察细胞生长、增殖及粘附情况。3.四臂PEG复合水凝胶的体内试验BMP-2负载至纳米黏土中,一同混入复合水凝胶体系内,注射至小鼠小腿肌袋和大鼠股骨髁缺损内,行micro-CT检测及组织学分析评估其成骨性能。[研究结果]:四臂PEG水凝胶体系的研制:1.核磁质谱结果显示Fu-PEG-Fu出现呋喃基团亚甲基、亚氨基以及次甲基质子峰,4arm PEG-Mal出现马来酰亚胺基团亚甲基及次甲基质子峰,证实Fu-PEG-Fu 和 4arm PEG-Mal 合成成功;Fu-PEG-Fu 和 4arm PEG-Mal 混合后在37℃形成稳定的自固化水凝胶体系;2.体系中引入纳米黏土可有效提高水凝胶的力学性能。其中,PEG-10组力学性能最佳,压缩强度＞3MPa,模量＞0.1MPa;PEG-20压缩强度及模量与PEG-10未见明显差异,确定以PEG-0、PEG-5以及PEG-10作为后续实验研究对象;四臂PEG复合水凝胶体系性能评价:1.三组水凝胶电镜下均可见疏松多孔结构,孔径100-300μm;流变测试中PEG-10显示出最优的稳定性;2.三组水凝胶细胞相容性良好,CCK-8和活死实验证实细胞在水凝胶中生长、增殖、粘附良好;3.体内实验表明,混入BMP-2的四臂PEG复合水凝胶有效促进新骨形成。[结论]:该新型水凝胶具备可注射性、自固化性及良好的生物相容性,力学强度高,同时也是BMP-2的优良载体,负载BMP-2后可显著促进小鼠异位成骨、股骨髁缺损修复;该新型水凝胶在骨组织工程中具备优良前景。
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