[发明专利]化学键接活性物质的组织工程支架材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物材料，特别涉及具有捕获干细胞并诱导干细胞增殖及定向分化功能、对组织具有诱导再生作用的生物支架材料及其制备方法和医学用途。

背景技术

近年，组织诱导性生物材料的概念逐渐在生物材料科学领域形成。人体组织再生和功能重建的关键是设计能够有效诱导人体组织再生修复行为的高生物响应活性的支架材料。对于组织工程支架来说，由于大多数生物学反应均出现在表面或界面，因而生物材料的表面性质和结构对材料的生物相容性极为重要。植入材料的表面性能决定了它对体内生物大分子，尤其是蛋白质的吸附，而这又会进一步决定体内对植入材料的各种异物反应，从而决定植入材料和组织之间界面的生长。材料和细胞之间最早的反应是由直接和体液及细胞接触的材料的化学组成、表面能、粗糙度、及表面的拓扑结构决定的。在组织工程中，细胞行为如粘附、迁移、分化、增殖及其它在界面的生物反应都与材料表面的化学物理性质紧密相关。表面性能如亲水性、表面电荷密度、表面微观形貌、自由能和特定的化学基团会影响细胞的粘附、细胞增长、细胞迁移、分化、细胞外基质的合成和组织形貌的形成。

在组织工程应用中，电纺纳米纤维支架与细胞外基质在形态结构上具有更高的相似性，其特有的高比表面积和孔隙率有利于细胞的粘附和增殖。电纺纳米纤维是层层随机沉积在收集装置上的，因此其孔径分布较宽(几微米到几百微米)，但大多数孔的尺寸在25～100微米之间，这个范围适合于大多数细胞的植入和生长。而且纤维的随机取向使纤维间的结合较弱，当细胞进入孔内后可以推动它周围的纤维，适当的调节孔径以扩展空间，从而提高了细胞在三维支架中的渗透能力。考虑到材料的可加工性，电纺纳米纤维膜主要以可纺性好、可生物吸收、力学性能适宜的合成高分子为主，如聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚乙丙交酯(PLGA)及聚己内酯(PCL)等。然而由于聚酯类材料表面的疏水性和缺少细胞识别的信号，从而限制了该类材料在组织工程领域中的应用。因此，为了调节其细胞/组织功能，在聚酯类材料表面通过复合或改性的方法引入功能基是其性能改进的主要方法。

如Schantz等研究了PCL在浓NaOH溶液中的表面改性以改变聚合物的表面性能来培养造骨细胞。细胞实验结果表明，NaOH处理的PLGA和未处理前相比，更有利于血管平滑肌细胞的粘附和增殖。Lee等报道了在PGA表面固定生物配体(如生物素和多肽等)，固定配体可通过配体上的氨基和PGA缝合线碱水解后表面的羧酸基反应。并且，水解或氨解的方法还可以用于其它聚酯的表面改性以调控他们在生物医学领域的应用性能。Yang等报道了一个非常简单的在PGA缝合线表面调控化学性能来提高成骨质分化的方法。这个方法包括两个步骤，通过水解的方法在表面衍生出羧酸基，然后通过与氨基反应，即可在表面共价键接入纤维粘连蛋白或RGD等。聚合物表面纤维粘连蛋白和RGD多肽的存在能增加间质干细胞的增殖和分布，最终提高成骨质的分化。Zhu等提到了一个简单而有效的固定明胶或壳聚糖到可生物降解聚酯表面的方法。她通过壳聚糖上的自由氨基与4-叠氮苯甲酸上的羧基进行反应，将4-叠氮苯甲酸固定在壳聚糖上。利用4-叠氮苯甲酸的光敏性，采用紫外光照射涂抹在PLA薄膜表面的壳聚糖，叠氮基团光解，从而将PLA和壳聚糖共价连接起来。改性后壳聚糖上的羟基和氨基又可以引入其他的官能团，从而可以对PLA进行进一步的改性，如肝素进一步改性后可在PLA表面形成聚电解质，能降低血小板在表面粘附，而细胞在改性后的肝素/壳聚糖/PLA表面附着力增强。Jee等报道了将肝素键接到PLA上的合成方法，以提高其血液相容性和生物相容性。结果表明，接入肝素可以在PLA表面提供一个亲水性的环境，且肝素接入PLA表面可以有效的抑制蛋白质在其表面的吸附以及血小板的粘附，显示良好的抗凝血性。

本发明从干细胞增殖及定向分化的微环境出发，根据特定组织的结构特点及生物环境要求，以可生物降解聚酯类高分子材料为基础材料，通过静电纺丝技术，获得具有良好力学性能、孔径可控、孔隙率可调的膜支架，并通过与其它天然高分子共混或表面改性的方法，在支架材料表面引入功能性基团，随后利用键入的功能性基团将与干细胞迁移、粘附、增殖分化相关的天然生物活性材料及活性因子稳定地锚接到三维支架表面，以调控该组织工程支架的表面化学组成、拓扑结构及微环境，构建出具有良好生物相容性、足够的力学强度、可生物降解、适合干细胞增殖及定向分化、具有促进细胞迁移粘附及捕获干细胞从而诱导骨、软骨、神经及皮肤等组织再生功能的物理包埋活性物质的组织工程支架材料。

发明内容