[發明專利]一種基于三羧酸循環的能量生物材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210399445.2
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN102936407A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 張勝民;劉浩明;杜瑩瑩
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C08L75/06
• 分類號: C08L75/06;C08G18/42;C08G18/68;C08J9/26;A61L27/18;A61L27/54;A61L27/56
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國;伍見

技術領域

本發明屬于生物醫用材料領域，涉及一種多孔組織工程支架的制備方法，更具體地說，涉及一種基于三羧酸循環、應用于骨組織快速修復的能量生物材料及其制備方法。

背景技術

骨缺損是臨床常見的病癥，因為腫瘤、創傷、骨髓炎手術清創，以及各種先天性疾病是導致骨缺損的主要原因。骨移植是臨床上修復骨缺損最傳統而有效的方法，但自體骨移植材料來源有限，而同種異體骨移植存在免疫原性及骨誘導性差的缺陷。因此，運用再生醫學和組織工程的基本原理，發展新型骨替代材料，是骨缺損修復的發展趨勢。

在組織構建與再生醫學領域，生物材料的作用無可替代。長期以來大量文獻對各種無機礦物材料，有機高分子材料，金屬及其復合材料進行了廣泛研究,已從最初的生物惰性材料發展到生物活性和可降解材料，再到細胞調節因子與基因活性材料(Linda?G.?Griffith,?Gail?Naughton.?Biomimetic?materials?for?tissue?engineering.?Advanced?Drug?Delivery?Review,?2008,?2:?184-198.)，但迄今為止，還尚未見該類有涉及能量（ATP）的生物材料應用于組織重建與再生的報道，設計和制備能量生物修復材料是一個全新構想，期望該類材料在起到細胞組織支架支撐作用的同時，還可起到能量供給或促進內源性?ATP生成的作用。基于這一新構想，并結合骨修復早期快速再生的重大臨床需求，本課題提出了基于ATP途徑的能量生物材料的構建。

ATP又稱腺嘌呤核苷三磷酸，是生物體內的能量物質。ATP末端的磷酸基團不穩定，很容易水解脫去，同時放出大量熱。研究表明，?ATP從來源上分有細胞內?ATP（即內源?ATP）和細胞外?ATP(外源?ATP)，二者分別起能量供給、信號轉導及蛋白活化的作用。在細胞體內，幾乎所有形式的能量都是直接由ATP轉化生成而被細胞加以利用，包括機械能、熱能、化學勢能、電勢能等。此外，?ATP?直接參與胞內各種生物化學反應。在細胞體外，ATP?在細胞間通訊中也發揮著重要的作用，是一種較普遍的胞外通訊媒介。通過以下兩種途徑實現對骨快速修復的促進作用：1）介導細胞膜表面核酸受體的活化，促進骨礦化(Bo?Huo,?et?al.?An?ATP-dependent?mechanism?mediates?intercellular?calcium?signaling?in?bone?cell?network?under?single?cell?nanoindentation.?Cell?Calcium,?2010,?47:?234-241.)。2）通過對細胞外鈣磷濃度的調控,促進羥基磷灰石(hydroxyapatite,?HA)的生成(Lovisa?Hessle,?et?al.?Tissue-nonspecific??alkaline?phosphatase?and?plasma?cell?membrane?glycoprotein-1?are?central?antagonistic?regulators?of?bone?mineralization.?PNAS,?2002,?99:?9445-?9449.)。綜上所述，一方面，細胞內ATP作為能量分子對細胞的生長、增殖具有明顯的促進作用；另一方面，細胞分泌的外源?ATP通過介導成骨細胞膜表面?P2受體和調控細胞外鈣磷濃度，提高成骨細胞的成骨能力，抑制破骨細胞的骨吸收，在骨的生成和礦化過程中起關鍵作用。

研究發現，三羧酸循環（TCA）是線粒體內ATP生成過程中重要的一環，細胞呼吸產生ATP可以被琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸等的外源加入而顯著加速。這些二元羧酸中的任何一種的外源加入都會導致氧的大量消耗和CO2以及ATP的大量生成。隨后的研究證明，琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸等都是三羧酸循環中的重要中間體，它們的外源加入，會極大地提高TCA的速率，從而促進ATP的生成。因此含有下述式1結構的聚合物鏈段降解生成的小分子片段易被細胞吸收，并促進內源性ATP的產生。這些小片段具有一些共同點，即都為琥珀酸（succinic?acid）所衍生，H原子被其他基團所取代（式1結構中用W,?X,?Y表示），不同的基團組合代表了不同的衍生物質。依照分子設計的研究方法，選擇不同的W、X、Y和R的組合作為合成聚酯材料的反應物，可得到一系列不同結構的大分子，接著從親水與疏水性、柔韌性等方面綜合考慮，確定反應物的最佳組合，再通過一系列成型及修飾加工，最終構建能量生物材料的體系。