具有活性离子释放功能的天然高分子生物活性创伤修复材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅酸盐生物陶瓷浸提液渗透法制备离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料的方法，属生物医用材料领域。

背景技术

各种创伤、烧伤、手术、供血不足等原因导致的软组织或器官的损伤是临床常见的疾病。人体的表层组织如皮肤，若发生大面积的破损，会造成水分和蛋白质过度流失、新陈代谢加剧、免疫系统失调等局部甚至全身性问题；内部组织如心肌，若由于缺血而造成心肌的坏死，可能会恶化导致心力衰竭，且心肌组织很难再生(J.Foot Ankle Surg.1997,36,2.；Am.J.Cardiol.2012,109,187.)。据统计，全球创伤治疗的费用在2016年预计将达到115亿美元(MedMarket Diligence report#S245)。目前常见的治疗手段包括中西医结合技术的应用、创面覆盖物的应用、营养辅助治疗、氧气治疗等(Ann.Anat.2009,191,33.；J.Invest.Dermatol.2008,128,1852.)，但是仍然存在一些有待改进的缺陷，如创面愈合后容易形成疤痕组织，给患者带来长期的生理障碍和心理负担。因此，研制出能够加速创面愈合，抑制绝痕，促进创伤组织在结构和功能上得到双重修复的材料和药物一直是创伤治疗领域的重点和难点，具有非常重要的意义。

大量研究表明，生长因子可在各类组织器官的创伤修复中起到重要的作用(Burns.2009,35,89.；Circ.Res.2010,106,818.；Arch.Dermatol.Res.2004,295,521.)，向创伤局部补充外源性的生长因子也成为了创伤治疗的一条重要思路。但是，生长因子具有半衰期短、易失活、成本高和难以与负载材料复合加工的缺点，因此临床应用一直受到限制。近年来，有文献报道了硅基生物材料，如生物活性硅酸盐玻璃和硅基生物陶瓷等，具有促进血管生成及创伤愈合的作用(J.Mater.Chem.B 2015,3,8856；Biomaterials 2011,32,2757.；ActaBiomaterialia,2013,9,5379.；Tissue Eng.Part B-Reviews 2010,16,199.)。研究表明，用硅酸钙的浸提液培养成纤维细胞-内皮细胞体系，可促进共培养体系中成纤维细胞的血管内皮生长因子(VEGF)的表达量，并因此上调了内皮细胞VEGF受体的表达，在此过程中内皮细胞的钙粘着蛋白量增多，增强了细胞间的连接促使环状结构的形成(Acta Biomaterialia,2013,9,6981.)。由于硅酸盐陶瓷弥补了生长因子的缺陷，且具有良好的生物相容性和可降解性，成本低廉，所以将其应用于创伤修复材料的制备中，替代生长因子的作用使材料具备成血管活性，是一个非常具有前景的方向。

在运用生长因子、药物或其他活性成分进行创伤治疗的过程中，选取有效的负载体是非常重要的。以动物软组织或胶原蛋白来源的天然高分子材料制备的补片材料是一类比较先进的创伤修复材料。这类材料具有良好的生物相容性，透气保湿性好，能阻挡自然空气中微生物细菌与创伤面接触，有效防止细菌感染，且易与愈合后的创伤组织面剥离(Plast.Reconstr.Surg.2002,110,560.)。因此，以天然高分子材料为基底，负载药物或其他活性成分，可充分发挥两方面的优势，在创伤修复中起到重要的作用。

目前，传统的制备无机生物陶瓷-高分子复合材料的方式包括将生物陶瓷粉体与液相聚合物搅拌混合并浇铸成型，但是该方法难以用于补片材料的制备中，因为力学作用会破坏高分子基质的结构(Pharm.Res.2008,25,1222.)。其他方式还包括通过喷涂的方法将两者以表面接触的形式复合，但很明显该方法中复合相未能进入基底的内部，不能达到离子缓释的效果。此外，采用陶瓷或玻璃颗粒与高分子复合制备的复合材料还存在颗粒掉落的问题，在体内创伤修复应用中的安全性仍需验证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料及其制备方法。

一方面，本发明提供一种离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料的制备方法，所述制备方法包括：将天然高分子材料浸泡于硅酸盐浸提液中一段时间后，取出并干燥，得到离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料。

本发明中创新性地采用了硅酸盐浸提液渗透的方法，以水溶液为介质，将具有成血管活性的硅酸盐成分均匀分散至天然高分子材料的内部，不产生颗粒状团聚，制备出生物活性的复合创伤修复材料，无机离子均匀吸附分布于高分子基质中，具有可控的离子释放浓度。该方法可广泛应用于无机相均匀分散的生物陶瓷—天然高分子复合补片类材料的制备中。

较佳地，天然高分子材料采用硅酸盐生物陶瓷浸提液浸泡后，具有可控的离子释放与促成血管的生物活性。

较佳地，所述硅酸盐是硅酸盐生物陶瓷和/或硅酸盐生物玻璃，优选为硅酸钙和/或镁黄长石。

较佳地，所述硅酸盐浸提液中含有钙离子和硅离子，其中钙离子浓度范围是67.3～96.8ppm，硅离子浓度范围是0.2～20.6ppm。

较佳地，所述天然高分子材料为补片类材料，优选为脱细胞组织基质和/或天然来源高分子膜。

较佳地，天然高分子材料在硅酸盐浸提液中的浸泡时间为36～72小时。

较佳地，通过改变所述硅酸盐浸提液的浓度来调控所述离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料的离子释放行为。根据本发明，通过调节初始的硅酸盐浸提液的浓度，可精确调控复合材料中的离子释放浓度，使之在促成血管的有效浓度范围内。

较佳地，通过对硅酸盐浸提液原液进行稀释以改变所述硅酸盐浸提液的浓度。

较佳地，所述硅酸盐盐浸提液原液通过将硅酸盐粉体浸泡于水溶液中，摇晃、离心取上清液制备获得，其中所述水溶液优选为细胞培养液。

另一方面，本发明提供由上述任意一种制备方法制备的离子可控释放的天然高分子生物活性创伤修复材料，其包括天然高分子基质和均匀吸附分布于所述天然高分子基质中的硅酸盐，所述生物活性创伤修复材料具有可控的离子释放浓度。

较佳地，所述可控的离子释放浓度在促成血管的有效范围内。

本发明的生物活性创伤修复材料具有可控的离子释放浓度，可调节在成血管活性的有效范围内，能够应用于多种器官和软组织的创伤修复中。

附图说明

图1为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度分别1/64、1/16、1/4的稀释倍数时，制备所得的硅酸钙—脱细胞基质复合材料的离子释放过程(分别对应图中的P01/CS 1/64、P01/CS 1/16、P01/CS 1/4)。P01表示未与硅酸钙复合的组分；

图2为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度分别1/64、1/16、1/4的稀释倍数时，制备所得的硅酸钙—脱细胞基质复合材料的细胞增殖结果。Blank表示采用常规培养基培养的种植与培养板中的细胞组分；

图3为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数时，制备所得的硅酸钙—脱细胞基质复合材料的细胞粘附24小时的形态；

图4为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数时，制备所得的硅酸钙—脱细胞基质复合材料的7天后的细胞成活状态；

图5为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数时，制备所得的硅酸钙—脱细胞基质复合材料的离子释放液培养HUVEC 3天后的细胞中成血管基因的表达量；

图6为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数和原液时，制备所得的硅酸钙—胶原蛋白膜复合材料的离子释放过程(分别对应图中的COL/CS 1/4、COL/CS1)。COL表示未与硅酸钙复合的组分；

图7为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数和原液时，制备所得的硅酸钙—胶原蛋白膜复合材料的细胞增殖结果；

图8为采用本发明提供的方法，硅酸钙浸提液初始浓度为1/4稀释倍数和原液时，制备所得的硅酸钙—胶原蛋白膜复合材料表面种植HUVEC，培养3天后的细胞中成血管基因的表达量。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明采用硅酸盐浸提液渗透的方法，以水溶液为介质，将具有成血管活性的硅酸盐成分均匀分散至天然高分子材料的内部。

本发明中，硅酸盐优选为具有成血管生物活性的硅酸盐，包括但不限于硅酸钙、镁黄长石、锌黄长石等一系列生物陶瓷及硅酸盐生物玻璃。该硅酸盐中，作为活性离子，除了硅离子以外，还可含有钙离子、镁离子、锌离子等。硅酸盐可为商用或自制，例如在其为硅酸钙时，可将硅酸钠(Na₂SiO₃)与硝酸钙(Ca(NO₃)₂)反应制得。

所述硅酸盐浸提液可以是硅酸盐浸提液原液或是对硅酸盐浸提液原液进行稀释而得。硅酸盐浸提液原液是指将硅酸盐粉体以200mg/mL的浓度于37度下浸泡于溶剂中24小时获得的溶解有离子的溶液。所述溶剂可为水、细胞培养液、PBS缓冲溶液等，优选为细胞培养液，因其含有良好的离子环境，且可以直接用于细胞的培养。所述细胞培养液可为商用或自制，例如MEM、DMEM、RPMI等。

在一个示例中，硅酸盐浸提液原液通过如下方法制备：将硅酸盐粉体以200mg/mL的浓度浸泡于细胞培养液中，37度下以120转/分的转速摇晃24小时，离心取上清液制备获得。离心转速可为3000～4000转/分。

对硅酸盐浸提液原液进行稀释时，可以采用用于制备硅酸盐浸提液原液的水溶液进行稀释。稀释倍数可根据所需的离子浓度来选择。在一个示例中，硅酸盐浸提液中含有钙离子和硅离子。钙离子浓度可控范围可为67.3～96.8ppm。硅离子浓度可控范围可为0.2～20.6ppm。

天然高分子材料包括但不限于脱细胞组织基质如脱细胞真皮、骨、血管、肌腱、心肌、心脏瓣膜等，以及天然来源高分子制备的膜、海绵等材料，如胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸膜和海绵等一系列补片类的材料。对于脱细胞基质，可以采用酶-化学法脱细胞而制得。在一个示例中，所用的脱细胞基质为猪左心室心肌和皮肤来源，经酶-化学法脱细胞，0.1mg/mL的原花青素交联12小时制备获得。所用的脱细胞心肌基质具有丰富的胶原蛋白含量和良好的弹性，例如其胶原蛋白含量可为192.22μg/mg，抗张强度可为866.63Kpa，弹性模量可为2.95Mpa。天然来源高分子制备的膜、海绵等材料可以购自商用。

将天然高分子材料浸泡于硅酸盐浸提液中，以水溶液为介质，将硅酸盐成分均匀分散至高分子材料内部。浸泡温度可在25～37度下。浸泡时间可为36～72小时。硅酸盐浸提液可以采用不同稀释梯度的硅酸盐浸提液，例如对硅酸盐浸提液原液稀释1/64、1/16、1/4倍等。最终硅酸盐浸提液中Ca和Si离子的浓度例如可分别为60.7～123.5ppm和0.1～67.1ppm。天然高分子材料可以根据需要，制成不同的尺寸。

浸泡完毕后，取出天然高分子材料，进行干燥，得到生物活性复合创伤修复材料。为了不破坏天然高分子材料的结构，优选进行真空冷冻干燥。

制备得到的生物活性复合创伤修复材料，无机离子(例如硅离子、钙离子等)均匀吸附分布于高分子基质中。将复合材料浸泡于常规培养基中1～7天，浸泡温度可在25～37度，通过ICP-OES测试每天释放的离子浓度，累计相加可知高分子基质中无机离子的浓度。

该复合创伤修复材料具有可控的离子释放浓度。通过改变初始的硅酸盐浸提液浓度，可以精确调控复合材料的离子释放浓度，使其限定在具有成血管生物活性的有效的离子浓度范围内。

本发明中，高分子基质的结构不会被破坏，具有成血管活性的硅酸盐成分均匀分散至天然高分子基底内部，不产生颗粒状团聚，可以达到离子缓释的效果。

本发明具有容易调控复合材料中离子的释放行为、制备工艺温和简单、技术路线环保、成本低廉且便于推广等优点，尤其适用于难以通过喷涂、沉降等常规方法获得的内部硅酸盐成分均匀分散的补片类材料。

本发明的方法可以根据实际需要，通过调节硅酸盐浸提液的初始浓度，实现对复合创伤修复材料中的离子释放范围的调控，且具备条件温和、简单易行、成本低廉、适合量产的优点，可以推广到多个领域要求无机相均匀分散的生物陶瓷—天然高分子复合补片类材料的制备中。

该硅酸盐浸提液渗透法制备获得的硅酸盐-天然高分子复合材料具有可控的离子释放浓度和缓慢的释放速率，具有促进血管生成的生物活性，可应用于多种器官和软组织的创伤修复中。

以下，作为示例，更具体地说明本发明具体实施工艺步骤。

1、制备方法

(1)硅酸钙生物陶瓷粉体

将1M硅酸钠(Na₂SiO₃)与1M硝酸钙(Ca(NO₃)₂)的水溶液等体积混合。室温条件下不断搅拌过夜。得到的硅酸钙(CS)沉淀经过滤、去离子水洗和醇洗后，在80度下干燥过夜，在800度下煅烧2小时。

(2)硅酸钙浸提液

称取硅酸钙(CS)粉体，加入内皮细胞培养基中，制备成200mg/mL的悬液，置于摇床内37度、以120转/分的转速摇晃24小时。后以4000转/分的转速离心，取上清液，得到硅酸钙浸提液原液。后采用内皮细胞培养基梯度稀释，得到不同浓度的硅酸钙(CS)浸提液。

(3)脱细胞基质材料

去除新鲜猪心左心室的脂肪，并将心室壁切成2mm薄片。心肌组织经1％十二烷基硫酸钠(SDS)、0.01％胰蛋白酶、1mM苯甲基磺酰氟(PMSF)和20μg/mL RNA酶、0.2mg/mLDNA酶脱细胞两周，并每天50Hz超声10分钟。脱细胞后的心肌组织经0.1mg/mL的原花青素交联液交联12小时，后用PBS冲洗去未交联的PC，成功制备出PC交联的脱细胞心肌基质。脱细胞真皮基质取自猪的皮肤组织，同样采用酶-化学法制备所得。

(4)硅酸钙—天然高分子复合材料

将10mm直径的脱细胞基质和胶原蛋白膜材料置于300μL不同浓度的硅酸钙浸提液中，37度下浸泡48小时，而后将所得材料冷冻干燥24小时。

2、性能评价

(1)离子释放浓度

将10mm直径的复合材料浸没于300μL细胞培养基中，在细胞培养箱内孵育不同的时间。在选取的时间点，收集离子释放液并重新换液。采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测试收集的离子释放液中钙和硅离子的浓度。

(2)细胞相容性

采用3到7代的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)、H9c2心肌细胞(CM)和人皮肤成纤维细胞(HDF)考察硅酸钙—天然高分子复合材料的细胞相容性。首先将10mm直径的样品置于48孔板中，采用紫外照射30min以杀菌。在细胞粘附的实验中，每孔中加入300μL的细胞悬液(2×10⁴细胞/mL)，孵育24h后，用PBS洗去未贴附的细胞，固定、脱水、干燥后采用扫描电镜(SEM)观察细胞的粘附形态。在细胞增殖的实验中，每孔中加入300μL的细胞悬液(10⁴细胞/mL)，孵育1、3、7天后采用CCK-8试剂盒进行检测，通过分光光度计在450nm处检测OD值。

(3)RNA的提取和定量逆转录聚合酶链反应(QRT-PCR)

脱细胞基质中将HUVEC以3×10⁵/孔的密度种植于6孔板中培养12小时。后改用(1)中所收集的样品的离子释放液培养细胞3天，每天换液。胶原蛋白膜中，将HUVEC以3×10⁵/孔的密度种植于10cm直径的复合材料表面，培养3天。采用TRIzol和氯仿提取HUVEC中的RNA，采用ReverTra>

结果表明，本发明的生物活性创伤修复材料可通过对初始浸提液浓度的调节，精确控制材料中释放的离子浓度在促成血管的有效范围内。而且本发明的生物活性创伤修复材料具有良好的细胞相容性，且能促进成血管相关基因的表达。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：

(1)硅酸钙浸提液的配制：

采用细胞培养基将CS浸提液原液分别稀释64、16、4倍，于室温下摇晃均匀，后通过0.22mm的滤器除菌，置于4℃冰箱保存，备用。

(2)硅酸钙—脱细胞心肌基质复合材料的制备：

将10mm直径的脱细胞心肌基质浸没于300μL的稀释倍数分别为64、16、4倍的硅酸钙浸提液中。置于细胞培养箱中，37度、5％CO₂的环境下浸泡48小时。然后将复合材料取出，置于零下80度冰箱冷冻，最后冷冻干燥24小时。

离子释放的测试结果表明(图1)，各组中钙、硅离子在7天内可稳定释放，每天的释放量分别在8ppm和4ppm以下，且每天平均的释放量以及累计释放量均随初始的硅酸钙浸提液浓度的增大而增大，说明通过调节硅酸钙浸提液的初始浓度，可以控制复合支架中离子的释放浓度。细胞相容性测试结果表明，随着初始的硅酸钙浸提液浓度的增大，细胞的增殖速率也逐渐提高(图2)，其中浸泡于4倍稀释的硅酸钙浸提液中的复合材料(P01/CS1/4)，可以明显地促进HUVEC的增殖。SEM和死活细胞染色结果也表明，该复合材料可支持细胞的正常粘附与增殖(图3和图4)。采用P01/CS 1/4组分的复合材料的离子释放液培养HUVEC3天后，发现血管内皮生长因子VEGF及其受体KDR的表达量明显提高(图5)，说明通过硅酸钙浸提液渗透法制备的脱细胞基质复合材料，可通过对初始浸提液浓度的调节，精确控制材料中释放的离子浓度在促成血管的有效范围内。

实施例2：

(1)硅酸钙浸提液的配制：

采用细胞培养基将CS浸提液原液分别稀释64、16、4倍，于室温下摇晃均匀，后通过0.22mm的滤器除菌，置于4℃冰箱保存，备用。

(2)硅酸钙—脱细胞真皮基质复合材料的制备：

将10mm直径的脱细胞真皮基质浸没于300μL的稀释倍数分别为64、16、4倍的硅酸钙浸提液中。置于细胞培养箱中，37度、5％CO₂的环境下浸泡48小时。然后将复合材料取出，置于零下80度冰箱冷冻，最后冷冻干燥24小时，得到硅酸钙—脱细胞真皮基质的复合材料。

实施例3：

(1)硅酸钙浸提液的配制：

采用细胞培养基将CS浸提液原液稀释4倍，于室温下摇晃均匀，后通过0.22mm的滤器除菌，置于4℃冰箱保存，备用。

(2)硅酸钙—胶原蛋白膜复合材料的制备：

将10mm直径的胶原蛋白膜浸没于300μL的稀释倍数为4倍的硅酸钙浸提液和原液中。置于细胞培养箱中，37度、5％CO₂的环境下浸泡48小时。然后将复合材料取出，置于零下80度冰箱冷冻，最后冷冻干燥24小时。

离子释放的测试结果表明(图6)，各组中钙、硅离子在第一天的释放量较多，分别为21.0ppm和12.9ppm，而后逐渐减少，且每天平均的释放量以及累计释放量均随初始的硅酸钙浸提液浓度的增大而增大。细胞增殖实验结果表明，复合硅酸钙的胶原蛋白膜表面的细胞，其增殖速率明显高于未复合的胶原膜组。且浸泡于硅酸钙原液中的复合材料(COL/CS 1)与浸泡于4倍稀释的硅酸钙浸提液中的复合材料(COL/CS 1/4)相比，HUVEC的增殖速率有了明显提高(图7)。将HUVEC种植于各组材料表面，培养3天后测试成血管相关基因的表达量，发现复合材料的VEGF及其受体KDR以及一氧化氮合酶eNOS的表达量与未复合的胶原膜相比有了明显的提高(图8)，且COL/CS 1组较COL/CS1/4组有了进一步的上调。说明通过硅酸钙浸提液渗透法制备的胶原蛋白膜复合材料，已通过对初始浸提液浓度的调节，成功地将材料中释放的离子浓度控制在促成血管的有效范围内。

实施例4：

(1)镁黄长石浸提液的配制：

采用细胞培养基将镁黄长石浸提液原液分别稀释16和4倍，于室温下摇晃均匀，后通过0.22mm的滤器除菌，置于4℃冰箱保存，备用。

(2)镁黄长石—胶原蛋白膜复合材料的制备：

将10mm直径的胶原蛋白膜浸没于300μL的稀释倍数为16和4倍的镁黄长石浸提液以及原液中。置于细胞培养箱中，37度、5％CO₂的环境下浸泡48小时。然后将复合材料取出，置于零下80度冰箱冷冻，最后冷冻干燥24小时。

实施例5：

(1)锌黄长石浸提液的配制：

采用细胞培养基将锌黄长石浸提液原液分别稀释16和4倍，于室温下摇晃均匀，后通过0.22mm的滤器除菌，置于4℃冰箱保存，备用。

(2)锌黄长石—胶原蛋白膜复合材料的制备：

将10mm直径的胶原蛋白膜浸没于300μL的稀释倍数为16和4倍的锌黄长石浸提液以及原液中。置于细胞培养箱中，37度、5％CO₂的环境下浸泡48小时。然后将复合材料取出，置于零下80度冰箱冷冻，最后冷冻干燥24小时。