一种酶响应聚氨基酸、自适应仿生力学梯度水凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及组织工程领域，尤其涉及一种酶响应聚氨基酸、自适应仿生力学梯度水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、关节软骨缺损因缺乏血管、神经的营养供给，软骨细胞增殖能力低而难以完成自我修复。软骨缺损常累及软骨下骨，进而发展成骨软骨缺损，导致骨关节炎。由于软骨和软骨下骨具有不同的生物学特性、生理功能以及组织愈合能力，在骨软骨缺损处同时重建软骨和软骨下骨具有重要的临床意义。基于骨软骨微环境特征以及细胞生物力学的发展，利用梯度变化的力学线索调控细胞行为，并引导梯度组织再生是一种有效修复骨软骨缺损的策略，也是骨软骨缺损修复研究的前沿和热点。

2、现有的力学梯度支架的构建主要通过层层叠加法、3d打印技术、冷冻干燥法、电/磁场驱动法等在体外制备出与天然骨软骨结构力学性能相仿的力学梯度支架，支架的力学性能梯度连续性与天然骨软骨结构仍存在较大差距。

3、目前，大多数组织工程支架只能针对骨软骨修复过程中的特定阶段，只在有限的时间内发挥积极作用，而不能达到促进全程修复的目的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种酶响应聚氨基酸、自适应仿生硬度梯度水凝胶及其制备方法和应用，为干细胞提供在骨、软骨不同分化方向的特异性力学微环境。

2、本发明提供了一种酶响应聚氨基酸，具有式ⅰ所示结构：

3、

4、式ⅰ；

5、其中，r1=、或；

6、r2= ch3、、、或；

7、r3=、—ch2—或；

8、m、x、y、z为聚合度。

9、本发明提供了上述酶响应聚氨基酸的制备方法，包括以下步骤：

10、以氨基封端的聚乙二醇单甲醚作为引发剂对式（ii）结构的单体、式（iii）结构的单体和式（iv）结构的单体进行聚合反应，脱保护得到所述酶响应聚氨基酸；

11、式（ii）；式（iii）；式（iv）；

12、其中，r1=、或；

13、r2= ch3、、、或；

14、r3=、—ch2—或。

15、优选的，所述式（ii）结构的单体通过甲基丙烯酰基氨基酸和三光气反应得到；

16、所述甲基丙烯酰基氨基酸选自甲基丙烯酰基-l-赖氨酸、甲基丙烯酰基-丝氨酸或甲基丙烯酰基-苏氨酸。

17、优选的，所述式（iv）结构的单体通过以下方法制备：

18、s1）n-(叔丁氧羰基)-氨基酸叔丁酯和氯磷酸二乙酯进行反应，得到二乙氧基磷酰基-n-(叔丁氧羰基)-l-酪氨酸叔丁酯；脱保护基后得到二乙氧基磷酰基-氨基酸；

19、s2）上述二乙氧基磷酰基-l-氨基酸和三光气反应得到二乙氧基磷酰基-氨基酸-n-环内羧酸酐单体；

20、所述氨基酸选自l-酪氨酸、丝氨酸或苏氨酸。

21、优选的，所述制备方法包括以下步骤：

22、氨基封端的聚乙二醇单甲醚作为引发剂引发式（ii）结构的单体进行第一聚合反应，得到第一聚合中间体；

23、上述第一聚合中间体和式（iii）结构的单体、式（iv）结构的单体进行第二聚合反应，脱保护得到所述酶响应聚氨基酸。

24、本发明提供了一种自适应仿生力学梯度水凝胶，为上述酶响应聚氨基酸或上述制备方法制备的酶响应聚氨基酸的光交联产物。

25、本发明提供了上述自适应仿生力学梯度水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

26、在交联剂和引发剂的作用下，使上述酶响应聚氨基酸或上述制备方法制备的酶响应聚氨基酸进行交联反应，得到自适应仿生力学梯度水凝胶。

27、优选的，所述交联剂选自聚乙二醇二丙烯酸酯；

28、所述引发剂选自苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）磷酸锂盐。

29、本发明提供了上述自适应仿生力学梯度水凝胶或上述制备方法制备的自适应仿生力学梯度水凝胶在制备诱导或促进组织再生材料中的应用。

30、优选的，所述诱导或促进组织再生材料为水凝胶支架。

31、与现有技术相比，本发明提供了一种酶响应聚氨基酸，具有式ⅰ所示结构。

32、上述酶响应聚氨基酸作为前驱体制备的水凝胶以动态、时空控制的方式提供生物物理线索调控负载bm-mscs的细胞行为，通过对骨软骨修复过程中分泌的alp做出反馈，自组装改变二级结构，从而精准调控bm-mscs的力学微环境，进而调控细胞增殖以及分化行为。植入机体后，由于机体本身分泌或后续体系中bm-mscs成骨后分泌的alp向软骨表面扩散形成alp梯度，诱导体系通过不同程度的动态变构增强形成自生梯度水凝胶支架，实现bm-mscs对多层软骨结构的有序修复。

技术特征：

1.一种酶响应聚氨基酸，具有式ⅰ所示结构：

2.权利要求1所述的酶响应聚氨基酸的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述式（ii）结构的单体通过甲基丙烯酰基氨基酸和三光气反应得到；

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述式（iv）结构的单体通过以下方法制备：

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

6.一种自适应仿生力学梯度水凝胶，其特征在于，为权利要求1所述的酶响应聚氨基酸或权利要求2~5任一项所述的制备方法制备的酶响应聚氨基酸的光交联产物。

7.权利要求6所述的自适应仿生力学梯度水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂选自聚乙二醇二丙烯酸酯；

9.权利要求6所述的自适应仿生力学梯度水凝胶或权利要求7~8任一项所述的制备方法制备的自适应仿生力学梯度水凝胶在制备诱导或促进组织再生材料中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述诱导或促进组织再生材料为水凝胶支架。

技术总结
本发明涉及组织工程领域，尤其涉及一种酶响应聚氨基酸、自适应仿生力学梯度水凝胶及其制备方法和应用。所述酶响应聚氨基酸具有式Ⅰ所示结构。上述酶响应聚氨基酸制备的水凝胶以动态、时空控制的方式提供生物物理线索调控负载骨髓来源间充质干细胞（BM‑MSCs）的细胞行为，通过对骨软骨修复过程中分泌的ALP做出反馈，自组装改变二级结构，从而精准调控BM‑MSCs的力学微环境，进而调控细胞增殖以及分化行为。植入机体后，由于机体本身分泌或后续体系中BM‑MSCs成骨后分泌的ALP向软骨表面扩散形成ALP梯度，诱导体系通过不同程度的动态变构增强形成自生梯度水凝胶支架，实现BM‑MSCs对多层软骨结构的有序修复。

技术研发人员：丁建勋,刘恩渤,庄雅灵,张颜博,常非,陈学思
受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5