[发明专利]一种流体剪切力介导的胶原自组装方法

说明书

本发明提供了一种流体剪切力介导的胶原自组装方法，属于生物医用材料及生物力学领域。在中性条件下启动胶原的自组装机制，利用锥板粘度仪等力学加载装置对其施加恒定方向的流体剪切力作用。相较传统的自组装方法，本发明将生物力学微环境考虑在内，构建了力学‑化学耦合体，更好地模拟了体内真实的组装过程。在流体剪切力的介导下，胶原纤维发生重排，更有利于后续羟基磷灰石的沉积。这种新颖的胶原纤维材料，既具有很好的生物相容性和降解性，更具有与人体骨组织胶原相匹配的力学特性，有很广阔的应用空间。

技术领域

本发明属于生物医用材料及生物力学领域。更具体地说，本发明涉及一种流体剪切力介导的胶原自组装方法。

背景技术

由于创伤、劳损、人口老龄化、先天畸形等因素造成的骨缺损病例日益增多，骨修复材料的开发与应用日益受到人们的关注。传统的方法采用自体骨或异体骨移植，价格昂贵，且常伴随着并发症。通过模拟天然骨的成分和结构，研制开发的仿生骨修复材料为此提供了新的思路和策略。天然骨是具有复杂层级结构的胶原-磷酸钙复合系统，有机相赋予骨干韧性，无机相赋予骨干强度。胶原约占骨干重量的25％～30％，具有典型的四级结构，通过自组装逐渐形成具有一定粒径的纤维，在透射电镜下可以观察到规整的D带型。其表面含有磷酸钙沉积位点，可以诱导磷酸钙在纤维内和纤维外的矿化，调控羟基磷灰石的形貌，因此是骨基质中必不可少的有机物。Ⅰ型胶原是骨组织中含量最丰富和最重要的胶原，存在形式为[α₁(Ⅰ)]₂[α₂(Ⅰ)]₁，α₁(Ⅰ)的异常会造成骨缺陷。近些年来，由于胶原的生物相容性好、可降解、毒副作用小，广泛应用于骨修复材料。

在不同的生物力学微环境下，骨组织会有不同的反应机制和力学特性，流体剪切力是其中最重要的力学刺激方式之一。Sarit-Sara Sivan，Ellen Wachtel，Eve Tsitron等研究者2008年发表在“The Journal of Biological Chemistry”的文献“Collagenturnover in normal and degenerate human intervertebral discs as determined bythe racemization ofaspartic acid”中指出，胶原的来源部位不同，D-天冬氨酸的累积率也不同，胶原的半衰期也会有差异，结合不同部位所受的应力，得出胶原是一种力敏蛋白，应力环境会影响胶原自组装的结论。

目前可通过两种方式诱导胶原进行自组装：一种方法是调节胶原溶液的温度，在一定温度范围内静置即可启动胶原的自组装机制，形成胶原纤维；另一种方法是调节体系的pH值，在中性条件下静置一段时间也可以形成纤维结构。然而，骨组织中的胶原是处于一定的力学环境中的，在体外模拟胶原的自组装过程时，不仅要考虑到化学因素，也要考虑到生物力学因素。而传统的诱导方法忽略了力学微环境，因此并不能很好地重现体内组装过程。本发明将化学环境和力学环境相耦合，对于新型骨修复材料的开发有很重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于将生物力学因素引入胶原的体外自组装过程，将力学环境与化学环境相结合，提供一种可操作性强、重现性好的体外模拟方法。

本发明提供了一种流体剪切力介导的胶原自组装方法，包括下列步骤：

(1)在离心管中依次加入10x PBS溶液、碱液、去离子水，混合均匀；

(2)将酸溶性Ⅰ型胶原溶液加入其中，用稀释氨水或稀释氢氧化钠溶液调节pH值在7.0～7.4之间；

(3)将混合均匀的上述溶液转移到应力加载装置中，设置不同的流体剪切力大小、作用时间及反应温度，开始施力；

(4)应力加载完毕，收集沉淀；