CN116712600B - 一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架，包括防污表层、ZEIN中层和PNIPAM水凝胶底层，所述防污表层为添加有抗菌剂的交联层，所述PNIPAM水凝胶底层中装载有修复药物。本申请采用利用尿液温度大于尿道的特点，利用聚(N‑异丙基丙烯酰胺)的温敏特性，使水凝胶装载的药物在尿液通过时能够释放，用于抵消张力变化带来的负面效果，并采用三层协同作用加速尿道伤口的修复愈合。

Description

一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架

技术领域

本发明涉及水凝胶尿道支架技术领域，尤其涉及一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架。

背景技术

虽然仿生组织与器官可以在体外培养出来，但是使用传统方法，如静电纺丝、快速成型和冷冻干燥，制造的仿生组织与支架相比天然组织或器官不能形成三维结构。另外，细胞无法均匀地附着在支架上面。将细胞直接接种在支架上面可能会导致细胞死亡，进一步引起组织或器官的坏死。3D打印是一种新兴的技术，在组织工程领域已经有了广泛的应用。相比传统制造技术已经有了很大的进步，但是仍然存在细胞播种效率低，分布不均匀以及空间分辨率低等问题。

明胶链中由于含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列，有利于增强细胞附着和促进细胞生长的。海藻酸钠(SA)和明胶(Gel)作为天然水凝胶材料，具有生物相容性、低成本、可打印等优点，已被广泛成功地应用于组织工程，特别是骨骼和皮肤组织工程。然而，明胶作为胶原水解的产物，虽然分子链上具有细胞黏附位，但明胶水凝胶的交联是通过分子间氢键形成的。在生理温度(37℃)下，这种氢键交联是不稳定的，容易被破坏，导致其降解速率过快，不能与组织生长速率相配合。为了提高水凝胶的力学强度，大量工作及研究内容已经开展，开发了一些有效的方法，例如化学修饰、多种材料复合等。

研究发现，石墨烯基材料是一种很有前途的增强纳米材料。因为它们具有抗菌性能、血管生成潜能、高机械强度和低细胞毒性。研究表明，调节rGO表面氧含量可增强细胞的粘附和增殖。还原氧化石墨烯(rGO)的掺入使活性氧(ROS)浓度增加，促进细胞增殖和伤口愈合。

现有技术主要通过3D打印、装载细胞或因子搭配不同的材料组合进行伤口修复，与本发明最接近的使用紫外光交联的聚丙烯酰胺水凝胶修复皮肤。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种提高使用效果。

本发明所设计的一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架，包括防污表层、ZEIN中层和PNIPAM水凝胶底层，所述防污表层为添加有抗菌剂的交联层，所述PNIPAM水凝胶底层中装载有尿道伤口修复类的药物。

通过采用上述技术方案，聚(N-异丙基丙烯酰胺)具有优异的膨胀性能，能带来一定的张力从而刺激尿道早期的修复。在长期的损伤修复过程中，尿液通过时，由于尿道扩张带来的张力变化的刺激会影响修复效果。利用尿液温度大于尿道的特点，利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)的温敏特性，使水凝胶装载的药物在尿液通过时能够释放，用于抵消张力变化带来的负面效果。

其中，水凝胶的表层防污性能最强的光交联水凝胶，能够避免细菌和蛋白黏附污染伤口；水凝胶种的中层力学强度好，采用具有高强度的天然蛋白用于传导力学；底层的水凝胶的温敏水凝胶具有较高的膨胀能力，能撑起底部促进皮肤生长，并可加入细胞因子调节。

优选的，所述PNIPAM水凝胶底层的制备步骤为：称取设定重量份数的N-异丙基丙烯酰胺单体、硫酸铵以及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺并按比例溶于水中，并按浓度配比按需加入尿道伤口修复类药物，最后加入一定比例的促进剂四甲基乙二胺，形成PNIPAM水凝胶底层。

优选的，所述防污表层的制备步骤为：称取设定重量份数的N,N-二乙基-2-丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺以及苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂，在紫外光照射下交联，形成防污表层。

优选的，ZEIN中层的制备步骤为：称取设定重量份数的玉米醇溶蛋白溶于乙醇溶液，转入水相后塑性，在烘箱干燥，形成ZEIN中层。

优选的，所述防污表层的成分包括N,N-二乙基-2-丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺以及苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。

优选的，所述PNIPAM水凝胶底层成分包括聚(N-异丙基丙烯酰胺)、硫酸铵以及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺。

优选的，所述PNIPAM水凝胶底层成分包括促进剂四甲基乙二胺。

优选的，所述ZEIN中层主要成分为玉米醇溶蛋白。

本发明所设计的一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架具有以下有益效果：

1、本申请采用的防污表层、ZEIN中层和PNIPAM水凝胶底层作为三层水凝胶支架用于进行尿道伤口的修复愈合，其中PNIPAM水凝胶底层具有优异的膨胀性能，能带来一定的张力从而刺激尿道早期的修复，同时利用尿液温度大于尿道的特点，根据PNIPAM水凝胶底层的温敏特性，使水凝胶装载的药物在尿液通过时能够释放，用于抵消张力变化带来的负面效果。

2、本申请中的水凝胶表层为防污性能最强的光交联水凝胶，能够避免细菌和蛋白黏附污染伤口，进而减少在尿道伤口修复愈合过程中的病毒或者细菌的感染。

3、本申请中的水凝胶中层为玉米醇溶蛋白，由于玉米醇溶蛋白力学强度好，采用具有高强度的天然蛋白用于传导力学，能够减少尿道伤口修复愈合过程中伤口二次损伤。

附图说明

图1是水凝胶支架中三层材料的红外光谱图；

图2是水凝胶支架中三层材料的扫描电镜；

图3是水凝胶支架在生物尿道进行修复的示意图；

图4是实施例1、对比例1以及对比例2以及对比例3的中水凝胶支架组织学对比实验图；

图5是实施例1、对比例1以及对比例3的中水凝胶支架对尿道修复的效果图；

图6是实施例1、对比例1以及对比例3的中水凝胶支架生物相容性实验图；

图7是水凝胶支架中防污表层的防污效果对比图；

图8是水凝胶支架中ZEIN中层的纳米压痕图；

图9是水凝胶支架中PNIPAM水凝胶底层的体积膨胀图；

图10是水凝胶支架中PNIPAM水凝胶底层DSC曲线(差示扫描量热法)图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

原料：

N,N-二乙基-2-丙烯酰胺：CAS号为2675-94-7，分子量：127.18，纯度>98.0％

N-羟乙基丙烯酰胺：CAS号为7646-67-5，分子量：115.13，纯度>98.0％

N,N’-亚甲基双丙烯酰胺：CAS号为110-26-9，分子量：154.17，纯度>98.0％

苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂：CAS号为85073-19-4，分子量：296.23，纯度>97.0％玉米醇溶蛋白：CAS号为9010-66-6，纯度>99.0％

乙醇：CAS号为64-17-5，分子量：46.07，纯度>95.0％

N-异丙基丙烯酰胺：CAS号为2210-25-5，分子量：113.158，纯度>98.0％

硫酸铵：CAS号为7783-20-2，分子量：132.139，纯度>98.0％

四甲基乙二胺：CAS号为110-18-9，分子量：116.205，纯度>99.0％。

上述材料在如下未特别说明的皆为市售原料。

实施例

实施例1：

S1水凝胶的污表层制备：称取10％wt的N,N-二乙基-2-丙烯酰胺、10％wt的N-羟乙基丙烯酰胺、1％wt的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺以及1％wt的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂，在室温下用365nm波长，功率10W的紫外灯照射10s交联，形成水凝胶的表层；

S2水凝胶的ZEIN中层制备：称取10％wt玉米醇溶蛋白溶于乙醇溶液，转入水相后塑性，在烘箱干燥，烘箱温度70℃、时间24h，形成水凝胶的中层；

S3水凝胶的PNIPAM底层制备：称取1.5g的N-异丙基丙烯酰胺单体、0.05g的硫酸铵以及0.05g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺并按比例溶于40ml的水中，并按比例加入1mg/ml的维替泊芬(YAP抑制剂)200μl，最后加入1％wt促进剂四甲基乙二胺，形成PNIPAM底层；

S4水凝胶支架的合成：将水凝胶的表层、水凝胶的中层以及水凝胶的底层依次叠加。

如图1所示为水凝胶支架各层材料的红外表征，以及如图2所示的各层材料的扫描电镜图。在本实施例中，水凝胶支架采用三层结构，并且通过三层协同作用达到有益效果。其中表层防污防止细菌附着、避免感染；中层提供力学支撑性；底层具有温敏特性、排尿时释放药物以用于抵消张力变化带来的负面效果。结合图3，本申请实施例通过采用图3所示的操作步骤进行动物实验，进而达到尿道伤口修复愈合的效果。

对比例

对比例1

本对比例与实施例1不同之处在于，根据现有技术将水凝胶作为支架的生物墨水材料，并通过3D打印技术构造水凝胶支架。

对比例2

本对比例与实施例1不同之处在于，采用防污表层以及ZEIN中层型形成有双层的水凝胶支架。

对比例3

本对比例与实施例2不同之处在于，采用防污表层、ZEIN中层以及PNIPAM水凝胶底层形成有三层的水凝胶支架，PNIPAM水凝胶底层中未装载药物。

结果分析：

根据现有技术将水凝胶作为支架的生物墨水材料通过3D打印技术构造并进行实验对照实验以得到对比例1，另外还根据实施例1变化而得到对比例2以及对比例3，作为实施例1的对比实验，其中，实验动物为实验专用的兔子。

参照图4所示，为水凝胶支架组织学对比实验图，其中，control为对比例1，为损伤造模后直接关闭伤口不进行修复；2L为对比例2，其中对比例2为防污表层以及ZEIN中层型形成的双层水凝胶支架；3L对比例3，其中对比例3为防污表层、ZEIN中层以及PNIPAM水凝胶底层形成的三层水凝胶支架；3L-VP为实施例1，其中实施例1为防污表层、ZEIN中层以及PNIPAM水凝胶底层形成的三层水凝胶支架，其中PNIPAM水凝胶底层装载有药物，由图可得到3L-VP伤口愈合中瘢痕形成少，上皮厚度正常，愈合良好。

在图5的第一排实验所示为对比例1、第二排实验所示为对比例3、第三排实验所示为实施例1。

通过对比例1与对比例2相比较，当水凝胶支架中采用三层结构合成，并同时具有防污表层、ZEIN中层和PNIPAM水凝胶底层时，该效果会强于目前将生物墨水材料通过3D打印技术构造水凝胶支架的效果。

通过对比例2和实施例1相比较，当PNIPAM水凝胶底层中装载有药物，对于尿道伤口修复愈合具有更好的效果，利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)的温敏特性，使水凝胶装载的药物在尿液通过时能够释放，用于抵消张力变化带来的负面效果。

并采用X光成像技术得到实验兔子的X光片明显看到，采用实施例1中的三层水凝胶支架得到的尿道修复效果最佳。

参照图6，采用对比例1以及对比例3作为实施例1的对比实验，得到水凝胶支架材料的生物相容性实验图。其中，图中绿色为活细胞，红色为死细胞。由图得到实施例1中的三层水凝胶支架具有良好的生物相容性，不会因其生物毒性对细胞造成损伤，并能发挥其生物学性能，进而得到实施例1的尿道修复效果最佳。

参照图7，水凝胶支架中防污表层的防污效果对比图，得到实施例1中的防污表层效果更佳。并且在目前已知文献有做过公开，本申请实施例1采用的为最优的配比以实现防污表层的防污功能。

参照图8，为实施例1中的ZEIN中层的纳米压痕图，从图中明显可以得到，ZEIN中层具有更优异的力学效果。

参照图9，实施例1中水凝胶支架中PNIPAM水凝胶底层的体积膨胀图，从图中得到在5分钟内PNIPAM底层能够快速的膨胀定型进而有利于PNIPAM底层中的转载药物发挥效果以及使得在尿道伤口处能够快速覆盖扩展以提高治疗效果。

参照图10，图10是水凝胶支架中PNIPAM水凝胶底层的DSC曲线图，从差示扫描量热中得到PNIPAM水凝胶底层具有温敏的特性，有利于排尿自主控制的药物释放来抵消排尿带来的不利影响，其中峰的综合分析见图10所示。

应用例

以实施例1中得到的三层水凝胶支架在动物兔中尿道中的应用并在动物兔的尿道实现良好的治疗效果，通过动物模型用于实验生理学、实验病理学和实验治疗学研究，在生物医药研究领域发挥着作用，有望在人体尿道上实现更良好的应用以及未来的良好发展前景。并针对尿道的结构和环境设计的适合尿道损伤修复的载药支架，利用温敏水凝胶的特点来达到通过排尿自主控制的药物释放来抵消排尿带来的不利影响。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于尿道伤口修复愈合的水凝胶支架，其特征在于，由防污表层、ZEIN中层和PNIPAM水凝胶底层构成，所述防污表层为添加有抗菌剂的交联层，所述PNIPAM水凝胶底层中装载有尿道伤口修复药物；

所述PNIPAM水凝胶底层按如下步骤制备：称取设定重量份数的N-异丙基丙烯酰胺单体、硫酸铵以及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺并按比例溶于水中，并按浓度配比按需加入尿道伤口修复药物，最后加入一定比例的促进剂四甲基乙二胺，形成PNIPAM水凝胶底层；

所述防污表层按如下步骤制备：称取设定重量份数的N,N-二乙基-2-丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺以及苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂，在紫外光照射下交联，形成防污表层；

所述ZEIN中层成分为玉米醇溶蛋白。