[发明专利]基于纳米纤维空间结构可控的仿生组织工程支架及制法

说明书

本发明涉及一种基于纳米纤维空间结构可控的仿生组织工程支架及制法，首先将明胶基水溶液与蛋白水溶液混合并调节混合溶液pH值为5～7后冷冻干燥得到复合蛋白多孔支架，然后向复合蛋白多孔支架上滴加培养菌液，直至复合蛋白多孔支架吸附培养菌液饱和后，加入发酵培养液进行静置培养，最后将静置培养得到的复合物浸入浓度为0.1～5wt％的曲拉通水溶液中进行纯化后冷冻干燥制得仿生组织工程支架；制得的仿生组织工程支架为具有相互连通的三维多孔结构；平均孔径为10～300μm，且孔径范围可调。本发明的方法能够控制纳米纤维在三维空间内的疏密分布，制得的仿生组织工程支架具有良好的力学性能、生物相容性、低内毒素以及良好的细胞吸附与促进增殖能力。

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种基于纳米纤维空间结构可控的仿生组织工程支架及其制备方法。

背景技术

组织工程是应用生命科学与工程学的原理与方法，研究和开发能够维持、改善甚至修复人体组织(器官)功能的临床替代物，用于代替组织(器官)的部分或全部功能。对于在组织构建中起到关键作用的生物支架材料，如何设计、制备理想的组织工程支架材料仍然是组织工程研究的主题之一。组织支架材料为细胞、组织的重建提供了必要的三维空间和力学支持，起到模拟细胞体内生长微环境的作用。在细胞/亚细胞水平上，支架可以调节局部生物化学，生物力学和质量输运微环境以促进细胞活力和功能。在更大的尺度上(例如几百微米到几毫米)，支架的空间特性使得细胞的几何装配不仅能够符合天然组织结构，而且允许细胞/支架复合物以最优的组织形式进行移植。因此，对于支架材料的空间特征层次设计，多尺度(宏观、微米级、纳米级)结构构筑，是促进组织工程发展的关键环节。

组织支架的设计初衷就是模拟细胞体内微环境，细胞所在的体内三维环境的物理结构和化学组成能够影响细胞的生长。研究表明，天然组织经脱细胞处理得到的细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)可以提供最佳的细胞生长微环境，是理想的组织工程支架，但这类材料来源有限，对宿主的毒性、免疫原性等原因限制了其应用。从结构仿生的角度出发，研究这类天然脱细胞基质的特有空间结构，为组织工程支架的结构设计与构筑指明了方向。天然的细胞外基质是由相互交错的纳米纤维构成的兼具微米级多孔与纳米级纤维的网络结构，这一结构能够支持细胞并且影响细胞行为，能够持续影响细胞形成组织及器官。因此，从模拟细胞外基质多尺度结构出发，构建兼具宏观形貌、微米级多孔和纳米级纤维可控的结构仿生组织支架材料是新型组织工程支架未来发展的趋势之一。

细菌纤维素(Baterial Cellulose BC)是由微生物在温和条件下通过代谢糖源，并分泌于体外的一种胞外多糖，是自然界纤维素的一种存在形式。BC与植物来源的纤维素化学组成相似，都是由吡喃型葡萄糖单体(β-D-葡萄糖)通过β-1,4-糖苷键链接而形成的一种大分子直链聚合物，直链与直链之间彼此平行。在微生物生物合成BC过程中，菌株细胞内部作为“反应器”将葡萄糖单体转化为线性β-1,4-葡聚糖，并进一步在范德华力与氢键作用下形成原纤微(Fibril)，纤维束带(Ribbon)，最终形成层状重叠且相互交织的三维纳米纤维网络。区别于植物来源的纤维素，这种独特的超微纤维网络结构具有更大的比表面积、更高的持水性能以及优越的机械特性。由于BC特有的三维纳米网络形貌能够完美模拟天然ECM结构，其作为一种新型的纳米纤维支架，在组织修复中的应用已经受到非常广泛的关注。尤其是BC所具有的高力学性能、良好的可塑性与生物相容性，以及独特的纳米结构。现今，以BC作为组织修复材料的研究已经从最初的敷料、血管拓展到骨、软骨，甚至心脏瓣膜、鼓膜以及尿道等重要组织的修复与再生。然而，BC单一的纤维素成分、致密的纳米网络结构难以满足细胞组织的长入；同时，其纳米纤维结构调控方法有限，限制了BC基支架材料对细胞行为以及生物学功能的调节。