[发明专利]一种基于三羧酸循环的能量生物材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，涉及一种多孔组织工程支架的制备方法，更具体地说，涉及一种基于三羧酸循环、应用于骨组织快速修复的能量生物材料及其制备方法。

背景技术

骨缺损是临床常见的病症，因为肿瘤、创伤、骨髓炎手术清创，以及各种先天性疾病是导致骨缺损的主要原因。骨移植是临床上修复骨缺损最传统而有效的方法，但自体骨移植材料来源有限，而同种异体骨移植存在免疫原性及骨诱导性差的缺陷。因此，运用再生医学和组织工程的基本原理，发展新型骨替代材料，是骨缺损修复的发展趋势。

在组织构建与再生医学领域，生物材料的作用无可替代。长期以来大量文献对各种无机矿物材料，有机高分子材料，金属及其复合材料进行了广泛研究,已从最初的生物惰性材料发展到生物活性和可降解材料，再到细胞调节因子与基因活性材料(Linda G. Griffith, Gail Naughton. Biomimetic materials for tissue engineering. Advanced Drug Delivery Review, 2008, 2: 184-198.)，但迄今为止，还尚未见该类有涉及能量（ATP）的生物材料应用于组织重建与再生的报道，设计和制备能量生物修复材料是一个全新构想，期望该类材料在起到细胞组织支架支撑作用的同时，还可起到能量供给或促进内源性 ATP生成的作用。基于这一新构想，并结合骨修复早期快速再生的重大临床需求，本课题提出了基于ATP途径的能量生物材料的构建。

ATP又称腺嘌呤核苷三磷酸，是生物体内的能量物质。ATP末端的磷酸基团不稳定，很容易水解脱去，同时放出大量热。研究表明， ATP从来源上分有细胞内 ATP（即内源 ATP）和细胞外 ATP(外源 ATP)，二者分别起能量供给、信号转导及蛋白活化的作用。在细胞体内，几乎所有形式的能量都是直接由ATP转化生成而被细胞加以利用，包括机械能、热能、化学势能、电势能等。此外， ATP 直接参与胞内各种生物化学反应。在细胞体外，ATP 在细胞间通讯中也发挥着重要的作用，是一种较普遍的胞外通讯媒介。通过以下两种途径实现对骨快速修复的促进作用：1）介导细胞膜表面核酸受体的活化，促进骨矿化(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）通过对细胞外钙磷浓度的调控,促进羟基磷灰石(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.)。综上所述，一方面，细胞内ATP作为能量分子对细胞的生长、增殖具有明显的促进作用；另一方面，细胞分泌的外源 ATP通过介导成骨细胞膜表面 P2受体和调控细胞外钙磷浓度，提高成骨细胞的成骨能力，抑制破骨细胞的骨吸收，在骨的生成和矿化过程中起关键作用。

研究发现，三羧酸循环（TCA）是线粒体内ATP生成过程中重要的一环，细胞呼吸产生ATP可以被琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等的外源加入而显著加速。这些二元羧酸中的任何一种的外源加入都会导致氧的大量消耗和CO2以及ATP的大量生成。随后的研究证明，琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等都是三羧酸循环中的重要中间体，它们的外源加入，会极大地提高TCA的速率，从而促进ATP的生成。因此含有下述式1结构的聚合物链段降解生成的小分子片段易被细胞吸收，并促进内源性ATP的产生。这些小片段具有一些共同点，即都为琥珀酸（succinic acid）所衍生，H原子被其他基团所取代（式1结构中用W, X, Y表示），不同的基团组合代表了不同的衍生物质。依照分子设计的研究方法，选择不同的W、X、Y和R的组合作为合成聚酯材料的反应物，可得到一系列不同结构的大分子，接着从亲水与疏水性、柔韧性等方面综合考虑，确定反应物的最佳组合，再通过一系列成型及修饰加工，最终构建能量生物材料的体系。