具备募集II型胶原的两性离子水凝胶及其制备方法和应用

摘要

本发明属于高分子功能材料领域，具体为具备募集II型胶原的两性离子水凝胶及其制备方法和应用，两性离子水凝胶通过引入共聚活性酯单体实现II型胶原结合多肽WYRGRL的化学修饰，通过紫外光交联制备而成。这种水凝胶能够特异性结合软骨成分中的II型胶原，当与软骨细胞或骨髓间充质干细胞共培养时，能够优先原位捕获大量II型胶原，进而促进软骨分化进程，提高水凝胶软骨修复能力。同时，由两性离子单体提供的润滑性能，可以避免水凝胶在高剪切运动中的磨损。这种具有II胶原募集功能的两性离子水凝胶在骨组织工程中有着广泛的应用前景。

权利要求

1.具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，其特征在于，两性离子水凝胶通过引入共聚活性酯单体实现II型胶原结合多肽WYRGRL的化学修饰，通过紫外光交联制备而成；

制备方法包括以下过程：将两性离子单体、活性酯单体、交联剂与光引发剂溶解于超纯水中，通过紫外光交联得到水凝胶；除去未反应单体后，在37℃条件下接枝WYRGRL多肽得到具备II型胶原募集功能的两性离子水凝胶；

所述的两性离子单体为SBMA或CBMA或MPC；所述的活性酯单体为NHSMA；所述的交联剂为MBA；所述的光引发剂为I2959；

所述的两性离子单体SBMA为[2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基‑(3‑磺酸丙基)氢氧化铵；MPC为2‑甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱；CBMA为：[2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基‑(3‑羧酸丙基)氢氧化铵；SBMA、MPC、CBMA结构式分别如下：所述的NHSMA为

2.根据权利要求1所述的具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的活性酯单体合成包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的活性酯单体合成包括以下步骤：在反应容器中，按照以下质量的比例加入原料：1.173gN‑羟基琥珀酰亚胺、1.65mL三乙胺和5mL色谱级二氯甲烷；将1mL甲基丙烯酰氯和5mL色谱级二氯甲烷混合均匀，在冰浴条件下滴加到反应容器中，控制滴加速度为每相隔10秒钟滴1滴，待反应体系恢复到室温以后，继续反应12h。

4.根据权利要求1所述的具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的WYRGRL多肽化学结构式如下：

5.具备募集II型胶原的两性离子水凝胶，其特征在于，根据权利要求1到4任一项所述的制备方法所得。

6.具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的应用，其特征在于，权利要求5所述的两性离子水凝胶作为募集骨髓间充质干细胞或软骨细胞分泌的II型胶原的材料。

说明书

具备募集II型胶原的两性离子水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于高分子功能材料领域，涉及具备募集II型胶原的两性离子水凝胶及其制备方法和应用，可以用于募集骨髓间充质干细胞或软骨细胞分泌的II型胶原，其生物应
用场景广阔。

背景技术

[0002] 骨关节的主要成分有II型胶原、透明质酸、润滑素、蛋白聚糖PRG4、硫酸软骨素等，这些成分在正常的关节活动中是必不可少的。但是，随着骨关节炎的发生与加重，这些基质
在炎症环境的影响下逐渐流失到关节液中并被代谢掉，因此，骨关节炎的治疗需要将这些
生物大分子募集在软骨成分中。其中，II型胶原主要由骨髓间充质干细胞和软骨细胞分泌，
而作为软骨中唯一存在的细胞，软骨细胞受损后，其相关功能也难以得到恢复，因此，募集
II型胶原在骨关节的治疗中显得尤为重要。

[0003] 天然软骨基质中，II型胶原含量达到10‑30％，对于软骨的结构与功能至关重要。目前，常用的软骨修复水凝胶，主要是通过添加软骨分化诱导因子来接到骨髓间充质干细
胞的软骨分化行为，但是，并不能募集软骨细胞分泌的II型胶原。因此，原位募集软骨细胞
分泌的II型胶原，能够增强用于软骨组织工程的水凝胶的生物功能，可以为软骨细胞的生
长提供与天然软骨近似的生存微环境。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具备募集II型胶原的两性离子水凝胶及其制备方法和应用，在不降低磺酸甜菜碱水凝胶润滑性能的基础上，增强水凝胶
对于II胶原的捕获与募集能力，为软骨修复水凝胶提供一种通用方法。

[0005] 本发明提供的具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，是制得两性离子水凝胶以后，在温和条件下通过化学偶连的方法修饰II型胶原结合肽。

[0006] 进一步的，所述的两性离子水凝胶通过引入共聚活性酯单体实现II型胶原结合多肽WYRGRL的化学修饰，通过紫外光交联制备而成。

[0007] 制备方法包括以下过程：将两性离子单体、活性酯单体、交联剂与光引发剂溶解于超纯水中，通过紫外光交联得到水凝胶；除去未反应单体后，在37℃条件下与接枝WYRGRL多
肽得到具备II型胶原募集功能的两性离子水凝胶。

[0008] 所述的两性离子单体为SBMA或CBMA或MPC；所述的活性酯单体为NHSMA；所述的交联剂为MBA；所述的光引发剂为I2959。

[0009] 进一步的，所述的两性离子单体化学结构式如下：

[0010]

[0011] [2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基‑(3‑磺酸丙基)氢氧化铵

[0012]

[0013] 2‑甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱

[0014]

[0015] [2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基‑(3‑羧酸丙基)氢氧化铵。

[0016] 所述的WYRGRL多肽化学结构式如下：

[0017]

[0018] 更为详细的过程为：

[0019] S1.制备功能单体HNSMA

[0020]

[0021] 在50mL圆底烧瓶中，加入1.173gN‑羟基琥珀酰亚胺、1.65mL三乙胺和5mL色谱级二氯甲烷；将1mL甲基丙烯酰氯和5mL色谱级二氯甲烷混合均匀，在冰浴条件下滴加到圆底烧
瓶中，控制滴加速度为每滴10秒钟，待反应体系恢复到室温以后，继续反应12h。

[0022] S2.制备功能化水凝胶

[0023] 通过步骤1，得到了活性酯功能单体，为了实现WYRGRL多肽对两性离子水凝胶的化学接枝，需要先将活性酯单体与两性离子单体光交联聚合得到水凝胶，具体的步骤是：将两
性离子单体、活性酯单体、引发剂I2959，交联剂MBA一起溶解于水中，于模具(48孔板)中紫
外光交联成胶。

[0024] S3.制备多肽修饰两性离子水凝胶

[0025] 将步骤S2中制备的水凝胶充分浸泡水溶液除去未反应的单体后，与WYRGRL多肽共培养得到多肽修饰后的水凝胶。

[0026] 上述得到的具备募集II型胶原的两性离子水凝胶，具有润滑性能与II型胶原募集能力，在与软骨细胞或骨髓间充质干细胞共培养的过程中，可以募集并保留细胞外基质中
的II型胶原，加速细胞软骨分化与成熟过程，加速软骨修复进程。因此，所述的两性离子水
凝胶用于募集骨髓间充质干细胞或软骨细胞分泌的II型胶原。

[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0028] 1.本发明提供了一种具备II型胶原募集能力的两性离子水凝胶，对磺酸甜菜碱水凝胶进行功能化改性，具体是将与蛋白质/多肽分子上的氨基具有高效结合能力的活性酯
功能单体与磺酸甜菜碱单体通过光交联聚合制备水凝胶，在低温微碱环境下实现水凝胶与
II型胶原结合肽的化学接枝。其中，水凝胶对于II胶原的募集能力主要是通过II胶原结合
六肽实现。这种化学改性方法不会影响水凝胶的力学性能以及润滑性能。由于II型胶原是
关节软骨中的主要成分之一，因此，实现了对II型胶原的募集，可以有效提高软骨缺损的修
复效果。

[0029] 2.本发明通过实验证实了II胶原结合肽在硫酸软骨素、透明质酸和II胶原三种分子中，具有与II型胶原特异性结合的能力，可以有效募集II型胶原，具有广阔的应用前景。

[0030] 3.本发明还提供了具备II型胶原募集能力的两性离子水凝胶的制备方法，该方法制备过程简单，不需要特殊设备，操作与制备工艺简单，易于实现批量生产与应用推广。

附图说明

[0031] 图1是实施例1制备的活性酯单体的核磁结果。

[0032] 图2是实施例2中的WYRGRL核磁结果。

[0033] 图3是实施例2中的具备II型胶原募集能力磺酸甜菜碱水凝胶红外结果。

[0034] 图4是实施例6中的II型胶原结合肽与关节软骨生物分子结合的荧光图片。

具体实施方式

[0035] 以下通过实施例对本发明提供的具备II型胶原募集能力的两性离子水凝胶及制备方法和应用作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能
理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一
些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

[0036] 实施例1

[0037] 本实施例中，提供活性酯功能单体的制备方法，步骤如下：

[0038] 将N‑羟基琥珀酰亚胺(NHS，1.1736g，12mmol)与三乙胺(1,650μL，12mmol)溶解于5mL色谱级二氯甲烷中，于冰浴条件下搅拌30分钟，同时，将甲基丙烯酰氯(1mL，11mmol)溶
解于5mL色谱级二氯甲烷中，并滴加到之前制备的溶液中，控制滴加速度为10秒钟1滴。待溶
液滴加完之后，将反应体系逐渐恢复到室温并继续反应12h。反应结束后，用蒸馏水洗涤3
次，每次5mL；然后用无水硫酸钠进行干燥，将得到的有机溶液通过旋蒸进行浓缩，并在乙酸
乙酯/正己烷(1/3)混合溶液中进行沉淀得到白色产物。其反应方程式如式(I)所示。

[0039]

[0040] 所得的产物活性酯单体的核磁结果如图1所示。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例中，提供具备募集II型胶原的两性离子水凝胶的制备方法，步骤如下：

[0043] (1)制备功能化磺酸甜菜碱水凝胶

[0044] 将磺酸甜菜碱单体、活性酯单体、交联剂MBA与光引发剂I2959溶解于15mL超纯水中，通过超声使得所有组分充分溶解。将溶液加入到24孔板中，每孔1mL液体。最后在紫外灯
光照下交联成胶。其中，用作水凝胶主体结构的两性离子单体的化学结构如式(II)所示：

[0045]

[0046] (2)制备II型胶原结合肽改性磺酸甜菜碱水凝胶

[0047] 将步骤1中制备的功能化磺酸甜菜碱水凝胶浸泡在PBS缓冲液中，每6小时换一次水，直至未反应单体完全除去。同时，将WYRGRL多肽溶解在PBS缓冲液中，其浓度为2mg/mL。
将水凝胶浸泡在多肽缓冲液中24h，然后多次洗涤除去水凝胶表面与内部物理吸附的多肽。
制备的水凝胶记作pCBMA@PEP。

[0048] WYRGRL核磁结果如图2所示；具备II型胶原募集能力磺酸甜菜碱水凝胶红外结果如图3所示。

[0049] 实施例3

[0050] 本实施例中，活性酯单体的合成方案以及水凝胶制备与实施例1和实施例2中基本相同，不同之处是将实施例2中的磺酸甜菜碱单体换成磷酸胆碱单体，制备得到具有II型胶
原募集能力的两性离子水凝胶，记作pMPC@PEP。其中，用作水凝胶主体结构的两性离子单体
的化学结构如式(III)所示：

[0051]

[0052] 实施例4

[0053] 本实施例中，活性酯单体的合成方案以及水凝胶制备与实施例1和实施例2中基本相同，不同之处是将实施例2中的磺酸甜菜碱单体换成羧酸甜菜碱单体，制备得到具有II型
胶原募集能力的两性离子水凝胶，记作pCBMA@PEP。其中，用作水凝胶主体结构的两性离子
单体的化学结构如式(IV)所示：

[0054]

[0055] 实施例5

[0056] 本实施例中，使用紫外灯对WYRGEL多肽与II型胶原之间特异性结合能力进行测试。采用透明质酸和硫酸软骨素作为对照进行测试。

[0057] (1)FITC标记WYRGRL多肽

[0058] 用PBS缓冲液(pH 7.2)配制多肽溶液。将FITC溶解于二甲亚砜DMSO中，其浓度为1mg/mL。在避光、冰浴条件下将FITC溶液滴加到多肽溶液中，反应12h。待反应结束后，将
FITC‑WYRGRL溶液透析24h除去未反应的FICT和多余的DMSO，其间换水3次，样品冻干后备
用。该步骤中，FITC的用量控制为：FICT与WTRGRL氨基比例为1:1～1.05。

[0059] (2)特异性结合测试

[0060] 分别用PBS配置II型胶原、硫酸软骨素、透明质酸溶液，浓度为1mg/mL。然后配置FITC‑WYRGRL溶液，浓度为0.5mg/mL。将II型胶原溶液、硫酸软骨素溶液和透明质酸溶液分
别与FITC‑WYRGRL溶液按照体积比1：1混合，于37℃避光孵育24h，接着避光进行透析(截留
分子量为2,000Da)。最后，取等体积溶液放置于玻璃小瓶中，与365nm紫外灯下进行拍照观
察荧光强度的差异，以判断WYRGRL多肽与软骨成分中的生物大分子之间结合能力的强弱。

[0061] 实施例6

[0062] 本实施例中，采用SD大鼠测试水凝胶的生物安全性能。将两性离子水凝胶和多肽修饰的两性离子水凝胶(直径5mm×高1mm)埋植在SD大鼠背部皮下，每只老鼠左右两个位
置，每个组别设置3只老鼠。在第0、1、4、7和14天记录老鼠体重；在第7和14天取出水凝胶进
行苏木精‑伊红(H&E)染色，观察长入水凝胶中的组织。同时，取出水凝胶埋植部位附近的皮
肤组织，进行H&E染色以及制备组织匀浆检测验证因子，以观察水凝胶是否会在体内引起免
疫反应和炎症反应。II型胶原结合肽与关节软骨生物分子结合的荧光图片如图4。