化学交联丝素蛋白弹性水凝胶的制备及可注射填充应用

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对于面部、骨骼和软组织缺损等先天性或外伤性疾病,采用组织填充剂治疗可以达到填充赋形和促进愈合的作用。水凝胶因其较好的亲水性和生物相容性成为最常用的一种组织填充材料形式。目前可真正用于临床治疗的水凝胶并不多。优秀的组织填充水凝胶应具备高的生物相容性和安全性,在植入部位稳定、植入后可保持其体积与柔韧性,不会引起皮肤或粘膜突出、不引起过强的异物反应、不会被吞噬作用去除、不会移到非缺损部位等。1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BDDE)是通过FDA批准、有明确质量控制标准的一类化学交联剂,已经被广泛用于玻尿酸水凝胶的制备。本课题采用BDDE作为化学交联剂制备具有优异材料性能的丝素蛋白水凝胶。再生丝素蛋白是一种从蚕丝中提取的天然高分子聚合物,分子中含有19.47%含羟基氨基酸(丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸等)、2.52%含羧基氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸等)。再生丝素蛋白溶液制备过程中首先需要将脱胶丝用高浓度溴化锂进行溶解,然后通过透析除盐,得到纯丝素蛋白。本研究发现高浓度溴化锂可以促进醚键和氨基和羧基之间的反应效率,大大提高丝素蛋白甚至玻尿酸分子之间的交联效率。基于此,本研究对将再生丝素蛋白纯化与BDDE介导的丝素蛋白分子高效交联相结合,进而一步法制备丝素蛋白水凝胶的可行性进行探究;进一步通过对水凝胶进行稳定性、亲水性、力学性质、微观形貌、二级结构、体外降解性、体内降解性、细胞水平生物安全性和动物水平生物安全性的表征,探究BDDE交联丝素蛋白制备的水凝胶理化性能与生物安全性。研究表明:(1)BDDE在9.3 M溴化锂溶液中交联丝素蛋白具有一定的特异性和高效性,且当Silk:BDDE=5:1(w/w),丝素蛋白浓度为20 wt%,溶丝时间为1.5 h,交联时间为3 h,溴化锂浓度为9.3 M时的Silk/BDDE凝胶最适合做后续可注射凝胶的应用。(2)BDDE交联丝素蛋白所制备的水凝胶相较超声诱导制备的丝素蛋白凝胶具有更优的亲水性能,交联度高且结构稳定且,形变量在60%以内具有良好的回弹性;体外降解性能优于HRP酶促化学交联和超声诱导物理交联水凝胶。凝胶中BDDE残留量可以达到医用安全标准2 μg/g以下,具备和超声诱导物理交联水凝胶相差无几的细胞水平生物安全性。就动物水平生物安全性来说,Silk/BDDE水凝胶在皮下与组织之间的包膜形成、胶原沉积和免疫反应都是优于超声诱导物理交联水凝胶的。(3)BDDE交联丝蛋白所制备的可注射水凝胶颗粒粒径分布均匀,主要分布在40~80μm,注射力测试推挤稳定,在27G针头下的平均注射力为8.18 N(10N为通常采用的注射力阈值)。BDDE交联丝蛋白所制备的可注射水凝胶相比于物理方法超声诱导丝素蛋白成凝胶异物反应小,动物皮下注射后材料周围无包膜形成,周围组织胶原沉积更多且引起的炎症反应更小,更适用于组织填充。综上所述,BDDE在高浓度溴化锂溶液中可以对纯丝素蛋白完成高效交联,得到的水凝胶具有良好的稳定性、亲水性、降解性、力学性能,无细胞毒性,在组织内对细胞迁移与促进胶原沉积的作用均优于超声诱导物理交联丝素蛋白水凝胶,引起的组织炎症反应也比超声诱导物理交联丝素蛋白水凝胶弱。BDDE高效交联制备的丝素蛋白水凝胶在组织填充的研究和应用中具有较高的应用价值。
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