[发明专利]一种多细胞生物复合支架及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种多细胞生物复合支架及其制备方法和应用。所述支架包括形成(A‑B‑A)_m的循环排列模式的下层结构和形成(C‑D‑C)_n的循环排列模式的上层结构，其中A为包含Li、Mg、Si三种元素的生物活性陶瓷粉体和具有生物相容性的有机材料的下层复合材料，B为具有成骨分化潜力的干细胞，C为包含具有生物相容性的有机材料的上层有机材料，D为软骨细胞，m、n是1‑100间的正整数。所述多细胞生物复合支架能够模拟骨‑软骨复杂组织的生理结构，高效促进骨‑软骨缺损一体化修复。

技术领域

本发明涉及一种含多细胞的生物复合支架及其制备方法和应用，具体涉及一种结构上分层的含细胞的无机-有机材料复合生物活性支架，该复合支架可以模拟骨-软骨的复杂结构和生理环境，可以有效促进骨-软骨相关细胞定向分化，是治疗骨-软骨复杂组织缺损的潜在治疗手段。同时提供了上述复合支架的制备方法，细胞在该复合支架上黏附率高，增殖、分化活性好。属于生物技术领域。

背景技术

在日常生活中骨关节炎、运动损伤、肥胖等原因均可能引起关节骨-软骨病变乃至缺损，由于骨-软骨组织及其界面结构、生理环境的复杂性，临床上的治疗方法还不能达到完整、高效、大面积修复骨-软骨缺损的目标，目前仍然是医学上亟需解决的难题。开发出与骨-软骨复杂组织的结构及生理环境相匹配的一体化再生支架具有很大的现实意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种多细胞生物复合支架及其制备方法和应用。能够模拟骨-软骨复杂组织的生理结构，高效促进骨-软骨缺损一体化修复。

第一方面，本发明提供了一种上下结构分层的多细胞复合支架，所述支架包括形成(A-B-A)_m的循环排列模式的下层结构和形成(C-D-C)_n的循环排列模式的上层结构，其中A为包含Li、Mg、Si三种元素的生物活性陶瓷粉体和具有生物相容性的有机材料的下层复合材料，B为干细胞，C为包含具有生物相容性的有机材料的上层有机材料，D为软骨细胞，m、n是1-100间的正整数。优选地m和n的比例m:n＝3：7～7：3。

本发明所述支架模拟骨软骨组织的软骨-软骨下骨分层结构，上下层分别对应软骨和软骨下骨的组成和组织细胞进行设计。下层支架中包括Li、Mg、Si三种元素的生物活性离子的陶瓷粉体和具有良好生物相容性的有机材料以及具有成骨分化潜能的干细胞，这与人体骨组织中的组成相似，通过材料和细胞的仿生设计，分别模拟了有机无机复合的骨基质和骨髓中分布的具有成骨潜能的干细胞。所述上层支架中包括具有良好生物相容性的有机材料以及软骨细胞，这与人体软骨组织的组成相类似，仿生了有机的软骨基质和软骨基质中分布的软骨细胞。上下层结合后构成了本发明所述的复合支架，通过上层模拟软骨组织下层模拟骨组织的方法，构建了仿生模拟骨软骨组织结构和组成的多细胞生物复合支架。在仿生组成和结构的基础上，下层支架中的生物活性陶瓷粉体在降解过程中能够向生理环境中释放出Li、Mg、Si三种有益元素，有益元素传递给支架内部和周围的软骨细胞和干细胞，促进软骨细胞成熟和维持软骨表型的相关基因以及干细胞向成骨细胞分化的相关基因的表达，诱导两种细胞定向分化，同时促进软骨和骨的形成，由此达到软骨组织和骨组织同时再生的目的。所述兼具结构和功能的多细胞复合支架，在骨-软骨缺损的修复上具有非常大的应用潜力。

所述具有良好生物相容性的有机材料应具有①良好的剪切变稀性能和打印性能，通过挤出式3D打印能够制备出具有稳定、完整的形状和结构。②具有良好的强度，在体外培养至少20天内能够保持支架结构和形态。②良好的细胞相容性，能够在体外培养至少20天内支持细胞的黏附和增殖等生命活动。所述具有上述特性的有机材料为结冷胶、海藻酸钠、甲基纤维素、明胶、壳聚糖中的至少一种。更优选地，所述具有生物相容性的有机材料为包括结冷胶、海藻酸钠和甲基纤维素的复合水凝胶，所述复合水凝胶材料相对于单种水凝胶材料，能够提供更优的打印性能和材料强度，且维持了良好的细胞相容性。将所述有机材料与水混合形成水凝胶材料；所述水凝胶的质量浓度为1-50wt％，为兼顾细胞相容性，打印性能和力学性能，优选其质量浓度为1-12wt％。