[发明专利]三维网络状壳聚糖-碳酸钙复合纳米材料及制备和细胞相容性

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维网络状壳聚糖与碳酸钙纳米复合材料的制备方法，特别涉及在以不锈钢片为工作电极上构筑壳聚糖-碳酸钙纤维网状复合纳米材料的制备方法，以及该复合材料在细胞培养方面的应用。

背景技术

严重外伤、肿瘤切除、骨感染、先天性缺陷等骨缺损现象十分常见，所导致的骨骼损伤和骨质流失是主要的健康问题，极大地影响一个人的生存能力和生活质量。因此，制定有效的骨再生治疗是临床上研究矿化组织的一个重要的长期的目标。骨组织的修复、脊柱融合、人工假体置换等对骨移植材料的需求量巨大。目前骨重建手术治疗选择自体骨移植，异体骨移植和使用生物材料。自体骨移植是目前临床治疗骨缺损较有效的方法，但来源有限且会造成供区新的创伤，对患者造成新的生理和心理创伤；异体骨移植因异体骨本身存在感染，传播疾病和抗原性问题等不足。而作为永久植体的各种金属、陶瓷或者其他人工材料，多数使用效果也不尽人意。近20年来，骨的仿生制备已成为修复缺损骨骼的重要研究方向。优异的生物矿化材料都采取有机分子调控无机相生长的策略，因此从生物分子调控的水平上去理解骨的形成和矿化过程，并在此基础上研究骨生物材料的合成是突破和取得发展的关键。

优良的骨组织工程支架材料在组织和器官的培养过程中起暂时性的支架作用。作为组织工程细胞培养基质的生物材料应该具备良好的生物相容性；具有三维立体多孔结构；良好的材料细胞-界面；具有一定的可塑性和良好的机械强度。因此，支架材料的研发是组织工程学领域的研究热点。

壳聚糖(Chitosan简称CS)，学名是聚氨基葡萄糖，化学名为(1，4)-2-胺基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。由于分子内、分子间的氢键作用，使其呈紧密的晶态结构，不溶于水和大多数有机溶剂，可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸。壳聚糖分子链段中含有大量的氨基、羟基和N-乙酰基。分子中的氨基能够提供与多种金属离子反应的活性位点，能通过许多途径来键合金属离子，包括化学作用的螯合、静电作用的离子交换或是形成离子对。由于壳聚糖具有无毒、良好的生物相容性、生物的可降解性、抗菌性，以及抗微生物性等等许多独特的性能，壳聚糖已经在组织工程、药物释放、术后防粘连膜、骨科修复材料等上有广泛的应用。但是壳聚糖吸水性强，形成的纤维或者膜材料的湿态机械强度差，作为医用材料的应用受到了限制。提高其机械性能，对其在生物医疗领域的应用有重要意义。

碳酸钙是天然骨的主要成分，因此在骨组织的修复和替代、组织工程药物载体以及非病毒基因传递中被广泛地应用。但是由于其较差的可降解性和机械性能，单独使用碳酸钙会带来一系列问题。然而基于碳酸钙的一些生物复合材料，特别是碳酸钙-聚合物复合材料则可以克服这些缺点，因而引起了科学家的广泛关注。通过生物矿化作用可以方便地制备此类碳酸钙-聚合物复合材料。因为碳酸钙是自然界中广泛存在的一种无机矿物质，它的晶体易于表征，并且在生物矿化过程中适合于控制晶体的形态，从而使其成为实验室研究中常用的模型矿物质。利用生物矿化的方式，合成壳聚糖-碳酸钙复合材料既能保持壳聚糖所特有的生物兼容性等优异性能，而且能得到壳聚糖单纯使用时所没有的优异性能。其在细胞培植，骨组织修复，骨细胞的三维支撑支架和种子细胞或活性生长因子的生物载体材料方面得到广泛应用。曾有报道称在双膜扩散系统中，碳酸钙可以在壳聚糖溶胶薄膜上成核结晶。此类矿化的机理是基于成核后，碳酸钙晶体在壳聚糖表面继续结晶生长。TakashiKato在壳聚糖膜表面通过可溶性高分子诱导不同晶型的碳酸钙生长，同时控制碳酸钙层的厚度，制备出层状复合薄膜。Takashi Sasaki等利用层层沉积的方式形成壳聚糖-碳酸钙核壳结构。Linghao He等将制备好的壳聚糖薄膜浸入CaCl₂溶液中，在CO₂氛围下，形成层状壳聚糖-碳酸钙薄膜。但上述方法中所制备的复合材料力学性能不高，其作为细胞支架材料使用方面有一定的局限性。

本发明通过一步共电沉积的方法，在不锈钢表面得到壳聚糖-碳酸钙复合纳米材料。通过体外细胞培养，研究壳聚糖-碳酸钙复合纳米网状结构的生物兼容性。发明的创新点不仅在于电化学沉积的方法简单可控，还有壳聚糖-碳酸钙纤维网状结构与基底结合牢固(即使在水或者乙醇溶液中超声清洗处理2h，仍只有少部分脱落)，机械性能强，生物兼容性良好，而且将壳聚糖-碳酸钙三维纤维网状结构做为细胞支架材料，并取得了很好的实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维网络状壳聚糖-碳酸钙复合纳米材料及制备方法。该制备方法简单，制备的三维网络状复合材料具有良好的生物相容性。

实现本发明目的的技术方案：