氧化石墨烯修饰壳聚糖药物载体的构建

第35卷第8期高分子材料科学与工程

V o l .35,N o .8 2019年8月

P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N G

A u g

.2019氧化石墨烯修饰壳聚糖药物载体的构建

张中勋,刘 霞,刘 杨,邓林红

(常州大学生物医学工程与健康科学研究院,江苏常州213164

)摘要:采用化学交联法制备了氧化石墨烯/壳聚糖(G O /C S )药物载体,并进行红外光谱㊁扫描电镜㊁孔隙率㊁吸水率㊁力学性能测试,研究了引入G O 以后对C S 理化性能及载药性能的影响㊂结果表明,G O 和C S 发生了有机结合,制备的G O

/C S 药物载体具有均匀的孔洞结构㊂相比于C S ,G O /C S 的孔径和孔隙率有所提升,引入G O 之后该材料具有较好的保湿性能,尤其力学性能得到显著提升㊂此外,采用阿仑膦酸钠对材料的载药性及生物相容性进行了研究,结果表明,引入G O 后材料的载药性能得到提高,对比单纯的C S ,G O /C S 的载药率提升了6.3%;M C 3T 3细胞实验结果表明,

细胞能很好地在材料上黏附生长,在细胞接种7d 后,细胞能与材料很好地结合㊂关键词:壳聚糖;氧化石墨烯;阿仑膦酸钠;药物载体

中图分类号:R 318.08 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2019)08-0137-07

d o i :10.16865/j

.c n k i .1000-7555.2019.0218收稿日期:2018-08-27

基金项目:国家自然科学基金项目重点项目(11532003);国家自然科学基金项目面上项目(31670950);江苏省科技厅自然科学基金面上项目(B K 20171196);江苏省教育厅自然科学基金面上项目(15K J B 310001);常州市基础研究计划项目(C J 20180059

)通讯联系人:刘杨,主要从事生物医用材料,材料表面化学改性等研究,E -m a i l :l i u y a n g

@c c z u .e d u .c n 骨缺损是临床常见疾病之一,

通过骨移植物或骨修复支架材料对骨缺损部位进行修复和替代是临床常见的方式㊂自体骨具有良好的组织相容性㊁免疫排斥反应较低等优点,目前仍然是治疗骨缺损的黄金标准,但是该方法由于供体不足受到极大的限制[

1]

㊂骨支架材料是治疗骨缺损的可行性方案,因此,在过去

的几十年里引起了许多研究者极大的兴趣[

2,3]

㊂多孔支架可以为细胞提供较好的微环境,具有与

骨相似的结构,是一种有较好应用前景的骨移植

物[4]

㊂壳聚糖(C S ,F i g

.1(a ))作为天然高分子材料具有良好的生物安全性㊁生物可降解性和骨传导性等优点,在医学㊁药学及食品加工等领域被广泛应

用[5,6]

㊂然而,单纯的壳聚糖基支架材料的力学性能

较差,其应用受到了限制[7]

㊂氧化石墨烯(G O ,F i g

.1(b

))是石墨烯的氧化产物,除了具有较大的比表面积外,还有良好的力学性能,据报道,在C S 中引入

G O 能提升材料的力学性质[8,9]

㊂K h a n 等[1

]

还发现壳聚糖/氧化石墨烯薄膜中不同相对分子质量的C S

对支架的力学性能有较大的影响,高相对分子质量的

C S 复合材料展示出较高的拉伸强度和弹性模量㊂

F i g .1 C h e m i c a l s t r u c t u r e o f (a )c h i t o s a n ,(b )g r a p

h e n e o x i d e a n d (c )a l e n d r o n a t e s o d i u m 但是,

在现有的骨修复材料中,当其植入之后往往需要引入一些促进骨修复的药物以提升材料的修

复能力[11

]㊂L a i 等[12]通过低温3D 打印技术在聚乳

酸聚羟基乙酸/磷酸三钙中引入淫羊藿苷,制备了具

有良好生物相容性㊁生物可降解性和成骨能力的聚乳酸聚羟基乙酸/磷酸三钙/淫羊藿苷(P T I)复合支架,该支架在激素类股骨头坏死疾病治疗中显示出较好的促进作用㊂

阿仑膦酸钠(A L,F i g.1(c))是双膦酸盐类药物,可促进成骨细胞的增殖和成熟,抑制破骨细胞的骨吸收,被广泛用于代谢性骨疾病的临床治疗,如佩吉特氏病㊁质疏松症㊁恶性肿瘤的高钙血症及炎症相关的骨丢失[13,14]㊂然而,A L在胃肠道中的吸收较快,往往需要患者禁食,而对于一些需要长期治疗的患者在治疗过程中可能要停药[15]㊂鉴于此,本研究通过化学交联法,在C S中引入G O以改善支架材料的力学性能,并以A L作为药物负载模型,构建负载A L的氧化石墨烯/壳聚糖(G O/C S-A L)药物载体,并对构建的药物载体进行了微观结构观察㊁理化性能分析和生物相容性的研究㊂

1实验部分

1.1原料与试剂

壳聚糖(C S):脱乙酰度ȡ95%,黏度200m P a㊃s,阿拉丁试剂;碳酸氢钠:99.8%,阿拉丁试剂;N-羟基琥珀酰亚胺(N H S):98%,阿拉丁试剂;1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(E D C):98%,阿拉丁试剂;噻唑蓝溴化四唑(MT T):生兴生物;α-M E M培养基:G i b c o公司;胎牛血清:G i b c o赛默飞世尔科技(中国)有限公司;氧化石墨烯(G O):98%,上海源叶生物科技有限公司提供;冰醋酸:分析纯,国药集团化学试剂有限公司;氢氧化钠:分析纯,国药集团化学试剂有限公司㊂

1.2材料的制备

首先,配制3%的C S溶液与6m g/m LG O水溶液,然后,以5%E D C为交联剂,以5%N H S(均为质量浓度)为催化剂,对G O的-C O O H与C S的-N H2进行共价连接,并磁力搅拌过夜,同时控制m(E D C)ʒm(N H S)ʒm(C S)=1ʒ1ʒ6㊂之后将G O/C S水凝胶转入模具,在冷冻干燥机中冷冻干燥48h,得到G O/C S支架㊂

负载A L的材料制备方法同上,向C S与G O/C S 水凝胶中加入3m L30m g/m L的A L溶液,磁力搅拌均匀后转入模具放入冷冻干燥机中冻干㊂其中氧化石墨烯/壳聚糖负载阿仑膦酸钠记为G O/C S-A L,并以负载阿仑膦酸钠的壳聚糖作为对照组,记为C S-A L ㊂

F i g.2S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h em e c h a n i s m p r e p a r a t i o n o fC S-A La n d

G O/C S-A L

1.3测试与表征

1.3.1 F T-I R测试:采用傅里叶变换红外光谱仪(N i c o l e t i S50,T h e r m of i s h e r)对冻干的C S-A L和G O/C S-A L以K B r压片法制样进行官能团测试,红外扫描范围为400~4000c m-1㊂

1.3.2形貌观察:将C S-A L和G O/C S-A L支架放在样品台上喷金处理,加速电压5k V,采用场发射扫描电子显微镜(F E S E M,S U P R A55,Z e i s s)观察其微观结构㊂

1.3.3力学性能测试:采用生物材料力学性能试验机(B o s eE L F3200,美国B O S E公司)对C S-A L和

G O/C S-A L的力学性能进行测试㊂

1.3.4孔隙率测试:C S-A L和G O/C S-A L支架的孔隙率(P)通过液体置换方法计算㊂将质量M s的支架浸入乙醇中,真空脱气,使乙醇充盈于多孔支架的孔中,称量样品质量为M w㊂测量圆柱形支架的尺寸(包括半径(R)与高度(H)),使用式(1)计算支架的孔隙率:

P=

(M w-M S)/ρe t h a n o l

πˑRˑRˑH(1)

831高分子材料科学与工程2019年