[发明专利]一种控制干细胞分化的纳米纤维材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种控制干细胞分化的纳米纤维材料及其制备方法和用途。所述改性纳米纤维材料可以在不改变纳米纤维本体聚合物性质前提下固载可控释放的纳米胶囊，并诱导干细胞分化。具体的，根据诱导干细胞分化的需求，在亲水侧链的末端偶联包裹细胞信号因子的可控释放纳米胶囊，确保特异性固载细胞信号因子。以固载细胞信号因子的改性纳米纤维作为支架，制备三维培养基质，调节基质微环境的pH值(7.0‑8.5)，可控释放细胞信号因子(如BMP‑2)，诱导干细胞分化。

技术领域

本发明属于纳米纤维材料技术领域，具体涉及一种用于控制干细胞分化的纳米纤维材料及其制备方法和用途。

背景技术

再生医学需要可靠地大批量培养干细胞和人工组织，用于修复和替换组织和器官。促进细胞和干细胞粘附生长的生物医学材料已被广泛用于干细胞培养。干细胞培养环境必须满足其对营养成分、生长因子、渗透压等诸多方面的苛刻要求，具体体现在：(1)培养基质必须为水溶胶体系；(2)基质中需要按照一定比例含有多种信号通路调控因子，包括转化生长因子等信号蛋白质；(3)培养基质需要具有与组织类似的硬度。

目前，具有确定成分的全人工干细胞培养基逐渐取代生物制品，代表性的人工水溶胶有聚丙烯酰胺-聚乙二醇衍生物以及自组装多肽等。用于再生医学的生物医学材料需要能保持生物分子的活性和具有低的细胞毒性，亦即，具有良好的生物相容性。界面改性可以在不改动材料本身力学性质的前提下，通过表面修饰而获得生物相容性优良的基材，用于各种功能性组织工程支架。对用于再生医学的人工材料而言，除了能够促进干细胞在生物医学材料上粘附生长，还需要控制干细胞分化的空间分布使之向类器官转化。因此，本领域需要一种控制干细胞分化空间分布的界面处理材料。干细胞分化可通过检测分化标志物测定。对于成骨分化，对碱性磷酸酶(ALP)染色是一种可靠的检测方法。

大量生物医学材料具有表面疏水性，包括生物降解材料(例如常用的聚乳酸、聚己内酯和聚乳酸-聚己内酯)和非降解材料(如聚偏四氟乙烯)等。这些材料表面具备微米/纳米结构，如常用于支撑干细胞培养基质的电纺丝纳米纤维和不规则多孔材料等。对这些具有微米/纳米结构的基材进行生物相容性处理，通过溶液浸染覆盖具有良好的效果。对于疏水性的基底材料，常用人工高分子和天然生物大分子如牛血清白蛋白对表面进行覆盖的方式进行生物相容性改造。使用双亲性嵌段聚合物对疏水性基材进行生物功能化也是常用的方法。然而，常用的聚环氧丙烷的疏水性较弱，不能满足需要强疏水相互作用的情况。而且嵌段部分的种类固定，难以根据基材的性质进行灵活更改。嵌段共聚物中任何共聚比例的调整都需要重新合成主链。

在生物医学材料应用中，对影响干细胞分化的活性有效成分在时间和空间上实现可控释放具有重要的意义。控制细胞外基质中的信号因子时空分布，有利于理解信号因子对干细胞分化的调控的具体机制和它们之间协同作用机制，进而控制干细胞在生物医学材料上的命运，促使其分化为目标组织。骨形态发生蛋白(BMP)是一组具有类似结构的高度保守的功能蛋白，属于TGF-beta家族。BMP作为转化生长因子，不仅限于干细胞的成骨化定向分化，还与中枢神经组织发育和其他干细胞的分化密切相关，包括胚胎干细胞，生殖系干细胞，造血干细胞和肠干细胞。

自然存在的控制干细胞分化和干性维持的细胞信号因子(cytokine)通常表现为具有明显的限域效应，从而确保干细胞的干性维持和分化在可控的时间和空间范围内发生。这些细胞信号因子易于发生非特异性吸附、聚集而失去活性。使用高分子纳米胶囊包裹的细胞信号因子，如BMP2，可以保护细胞信号因子使其难于相互接触而聚集。高分子纳米胶囊包裹还能避免细胞信号因子在干细胞培养基质中的非特异性吸附流失，大幅降低需要的用量。但是由于纳米胶囊包裹的细胞信号因子在培养体系中可以自由扩散，失去了在干细胞分化控制中所必须的限域效应。在再生医学应用中，为了使人工基质完全复现细胞信号因子的限域作用，需要将纳米胶囊包裹的细胞信号因子可控地分布于人工基质中。

发明内容