CN101411878A - 一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,其步骤为:A)将生物降解性材料进行等离子体处理;B)将步骤A的生物降解性材料浸入生长因子溶液中进行生长因子锚定处理;C)将步骤B的生物降解性材料取出,冷冻干燥。本发明既能保持生长因子原有的生物活性,又能持续地从生物降解性材料上释放。本发明通过有效地选择等离子体处理的气体种类、等离子体处理的参数和锚定条件可调节生长因子在生物材料上的固定效率以及控制释放行为,从而使生长因子有效地结合到生物材料制备的器件上,保持生物活性并在体内持续发挥作用。本发明还可同时达到改善生物降解性材料细胞亲和性的作用,从而推动聚内酯等合成类生物降解高分子在组织工程中的应用。

Description

一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法
技术领域
本发明涉及一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,具体地说,涉及一种使生长因子在经过等离子体处理的生物降解性材料上有效固定、保持生物活性,又能逐渐从该生物降解性材料上脱落、缓慢释放的方法。
背景技术
生长因子是具有传递生物信号、调节细胞行为功能的多肽,能够刺激或阻止细胞的粘附、增殖、分化、迁移和基因表达,也能够影响其它生长因子的分泌和行为。至今已被识别和表征的生长因子有成纤维生长因子(FGF)、硷性成纤维细胞生长因子(b-FGF)、皮肤生长因子(EGF)、β转移生长因子(TGF-β)、α转移生长因子(TGF-α)、骨形态蛋白(BMP)、血小板衍生生长因子(PDGF)和胰岛素类生长因子(IGF-I)等。由于生长因子已经在组织再生、伤口治愈和血管形成等方面显示出良好的治疗效果,使对它们新功能的认识和新应用的开发研究也不断地被深入。
生长因子一般在有水存在及室温环境下是很容易失去生物活性的,因此直接使用生长因子时就会由于体内生理环境的影响而使生长因子失活。例如,将生长因子以溶液形式注入体内时就会导致活性下降而难以达到预期的效果。由于生长因子的作用强弱及其使用效果同生长因子的有效浓度间呈很强的依赖关系,因此,如何能在体内环境下仍然保持生长因子的生物活性、并且使其具有较长的使用有效期,成为生长因子能否真正在临床得以应用和发挥作用的关键所在。
根据药物控制释放的原理,利用大多数高分子材料都呈疏水性的特点,用生物条件下可降解的高分子来包埋或微包囊生长因子,就既可达到防止生长因子直接与水接触、防止失活的保护作用,又可利用高分子包埋或包囊层屏障所起的限制和控制作用实现生长因子的缓慢释放,使生长因子的寿命和有效作用时间得到延长。而生物降解高分子包埋层或包囊层又可在体内降解、最终自行消失、不会产生任何残留,在植入体内并生长因子释放完后也不需通过手术从体内取出。因此关键是采用何种生物降解材料,以及采用何种生长因子的保护和控制技术,达到既对生长因子具有物理保护作用、又对生长因子的溶解和扩散起调节控制作用,从而实现生长因子缓慢释放的目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,以期达到既能使生长因子在生物降解性材料上有效地固定,其生物活性得到保护,尔后又能逐渐从该生物降解性材料上脱落、缓慢释放的目的。
为实现上述目的,本发明提供的在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,其步骤如下:
A)将生物降解性材料进行等离子体处理;
B)将步骤A处理后的生物降解性材料浸入生长因子的溶液中,进行生长因子锚定处理;
C)将步骤B处理后的生物降解性材料取出,冷冻干燥。
所述的方法,其中,所述的生物降解性材料是合成类生物降解高分子或天然生物降解高分子,且具有几何形状和尺寸的致密或多孔结构的膜、管、微球或支架。
所述的方法,其中,所述生物降解性材料选自:聚L-乳酸(PLLA)、聚DL-乳酸(PDLLA)、共聚(L-乳酸/DL-乳酸)(PL-DL-LA)、共聚(乙交酯/丙交酯)(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物(PGLC)、聚己内酯/聚乙二醇嵌段共聚物(PCE)、聚己内酯/聚乙二醇/聚丙交酯三元共聚物(PCEL)、聚羟丁酯(PHB)、聚羟戊酯(PHV)、胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸其中一种,或它们间的共混物。
所述的方法,其中,所述的等离子体处理条件是:气压:0.1—100Pa;等离子体处理功率:10—100W;处理时间:3—120分钟。
所述的方法,其中,步骤A所述的等离子体处理是在氧气、空气、氨气、氮气、二氧化碳、氩气、氦气或它们的混合气体气氛中进行的。
所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子溶液其浓度是50ng/ml-200μg/ml。
所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子是:成纤维细胞生长因子(FGF)、硷性成纤维细胞生长因子(b-FGF)、皮肤细胞生长因子(EGF)、内皮细胞生长因子(ECGF)、神经细胞生长因子(NGF)、转移生长因子(TGF)、骨衍生性生长因子(BDGF)、骨形态蛋白(BMP)、血小板衍生生长因子(PDGF)或胰岛素类生长因子(IGF-I)。
所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子溶液中的溶剂是:水、磷酸缓冲液、Tris(三羟甲基氨基甲烷,Trishydroxymethylaminomethane)缓冲液、MES(2-(N-吗啡啉)乙磺酸,2-(N-Morphilino)ethanesulfonic acid)缓冲液、PIPES(哌嗪-N,N-双(2-乙磺酸),piperazine-N,N-bis(2-ethanesulfonic acid))缓冲液、MOPS(3-(N-吗啡啉)丙磺酸,3-(N-Morpholino)propane sulfonic Acid)缓冲液、Bicine(N,N—二羟乙基甘氨酸,N,N-Bis(2-hydroxyethyl)glycine)缓冲液、Glycylglycine(双甘氨二肽)缓冲液或Tricine(N-三(羟甲基)甲基甘氨酸,N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]glycine)缓冲液。
所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子锚定处理时间为3—300分钟。
本发明提供的在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,其生长因子可有效地保持生物活性,并持续释放一周以上。可作为传输生长因子的载体推动外源性生长因子发挥临床治疗的作用,也可用于生物降解性材料支架的表面改性而应用于组织工程。
具体实施方式
本发明提供的在生物降解性材料上锚定生长因子的方法中,操作步骤是:
1)将生物降解性材料在是在氧气、空气、氨气、氮气、二氧化碳、氩气、氦气或它们间混合气体的气氛下进行等离子体处理,并将经过等离子体处理过的生物降解性材料在该等离子体处理的气氛下继续保持一定时间。
进行等离子体处理的条件是:气压是0.1-100Pa,功率为10-100瓦,等离子体处理时间是3-120分钟。
本发明采用生物降解性材料是合成类生物降解高分子,也可为天然生物降解高分子。合成类生物降解高分子为聚L-乳酸(PLLA)、聚DL-乳酸(PDLLA)、共聚(L-乳酸/DL-乳酸)(PL-DL-LA)、共聚(乙交酯/丙交酯)(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物(PGLC)、聚己内酯/聚乙二醇嵌段共聚物(PCE)、聚己内酯/聚乙二醇/聚丙交酯三元共聚物(PCEL),以及聚羟丁酯(PHB)、聚羟戊酯(PHV)和二者的共聚物等脂肪族聚酯类高分子或其共混物。天然生物降解高分子为胶原、明胶、壳聚糖和/或透明质酸。
本发明发明采用的生物降解性材料是各种几何形状和尺寸的致密或多孔结构的膜、管、微球和支架。
2)同时,将生长因子溶于溶剂中,配成生长因子溶液,生长因子溶液浓度是50ng/ml-200μg/ml。
本发明采用的生长因子是成纤维细胞生长因子(FGF)、硷性成纤维细胞生长因子(b-FGF)、皮肤细胞生长因子(EGF)、内皮细胞生长因子(ECGF)、神经细胞生长因子(NGF)、转移生长因子(TGF)、骨衍生性生长因子(BDGF)、骨形态蛋白(BMP)、血小板衍生生长因子(PDGF)和胰岛素类生长因子(IGF-I)。
本发明配制生长因子溶液的溶剂是水、磷酸缓冲液、Tris缓冲液、MES缓冲液、PIPES缓冲液、MOPS缓冲液、Bicine缓冲液、Glycylglycine缓冲液和Tricine缓冲液。
3)将生物降解性材料立即浸入生长因子溶液,进行生长因子锚定处理,浸泡时间为3-300分钟。
4)将经过锚定处理的生物降解高分子从生长因子溶液中取出,进行冷冻干燥;
5)得到经过等离子体处理-生长因子锚定的生物降解高分子,备用。
通过上述方法固定在聚内酯支架上的生长因子,经酶联免疫吸附测定法(Enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)体外模拟体内温度和剪切力环境进行固定效率和稳定性评估,在相同的生长因子溶液中,经等离子处理固定的生长因子的数量和稳定性大大增加。
下列实施例旨在进一步描述本发明方法的各个方面,不只局限于所提到的生长因子和生物降解性材料。通过改变等离子体处理的条件,还可在任何几何形状和尺寸的生物降解性材料表面固定多肽或蛋白类的生长因子。
实施例1
共聚(乙交酯/丙交酯)(PLGA)(分子量8万)溶解在三氯甲烷中后,注入聚四氟乙烯模具,待三氯甲烷完全挥发后,再在室温真空条件下脱溶剂48小时,得到厚度为0.1毫米的无孔致密结构PLGA膜,然后进行以下条件的等离子体处理:
气氛:二氧化碳
气压:50Pa
等离子体功率:20W
等离子体处理时间:20分钟
在二氧化碳气氛下继续保持时间:10分钟。
将等离子体处理过的PLGA膜迅速浸入浓度为500ng/ml的碱性成纤维生长因子(bFGF)的磷酸缓冲液溶液(pH7.4)中120分钟后进行冷冻干燥。将锚定有bFGF的PLGA膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续7天。在锚定有bFGF的PLGA膜上进行成纤维细胞的培养,结果显示成纤维细胞的生长状态及增殖都比没有锚定bFGF的PLGA膜有很大的提高。
实施例2
同实施例1的方法,但生物降解性材料是聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物(PGLC)(分子量5万),溶剂是二氧六环,在将该高分子溶液注入聚四氟乙烯模具后,先在-40℃下冷冻,然后再在真空和-40℃以下脱溶剂48小时,得到厚度为2毫米的多孔结构支架。然后进行以下条件的等离子体处理:
气氛:二氧化碳
气压:30Pa
等离子体功率:50W
等离子体处理时间:15分钟
在二氧化碳气氛下继续保持时间:20分钟。
将等离子体处理过的PGLC多孔结构支架迅速浸入浓度为200μg/ml的重组骨形态蛋白(BMP—2)水溶液中120分钟后进行冷冻干燥。将锚定有BMP—2的PGLC膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续28天。在锚定有BMP—2的PGLC多孔结构支架上进行成骨细胞的培养,结果显示成骨细胞的生长状态及成骨能力都比没有锚定BMP—2的PGLC多孔结构支架有很大的提高。
实施例3
同实施例1的制膜方法,但生物降解性材料是聚DL-乳酸(PDLLA)(分子量8万),用的溶剂是四氢呋喃,得到厚度为0.2毫米的无孔致密结构PDLLA膜,然后进行以下条件的等离子体处理:
气氛:氧气
气压:40Pa
等离子体功率:40W
等离子体处理时间:20分钟
在氧气氛下继续保持时间:30分钟。
将等离子体处理过的PDLLA膜迅速浸入浓度为50ng/ml的神经细胞生长因子(NGF)的Tris缓冲液(pH7.4)中150分钟后进行冷冻干燥。将锚定有NGF的PDLLA膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续8天。在锚定有NGF的PDLLA膜上进行神经细胞的培养,结果显示神经细胞的生长状态及增殖都比没有锚定NGF的PDLLA膜有很大的提高。
实施例4
同实施例2的方法,但是用的生物降解性材料是聚L-乳酸(PLLA)共聚物(分子量12万),在将该高分子溶液与80—100目的氯化钠颗粒注入聚四氟乙烯模具并且混合均匀后,先在0℃下保持24小时,然后再在真空和-40℃以下脱溶剂48小时,再用蒸馏水洗去氯化钠后得到厚度为3毫米的PLLA多孔结构支架。然后进行以下条件的等离子处理:
气氛:氮气
气压:0.1Pa
等离子体功率:60W
等离子体处理时间:30分钟
在氮气氛下继续保持时间:20分钟。
将等离子体处理过的PLLA多孔结构支架迅速浸入浓度为120μg/ml的内皮细胞生长因子(ECGF)MES缓冲液中(pH6.9)3小时后进行冷冻干燥。将锚定有ECGF的PLLA多孔支架在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续30天。在锚定有ECGF的PLLA多孔结构支架上进行内皮细胞的培养,结果显示内皮细胞的生长状态及增殖都比没有锚定ECGF的PLLA多孔结构支架有很大的提高。
实施例5
同实施例4的方法,但是生物降解性材料是共聚(L-乳酸/DL-乳酸)(PLDLLA)(分子量15万),溶剂是三氯甲烷,在将该高分子溶液与60—80目的氯化钠颗粒注入聚四氟乙烯模具并且混合均匀后,先在室温下保持24小时,然后用蒸馏水洗去氯化钠,再在真空和-40℃以下脱溶剂48小时后得到厚度为3毫米的PLDLLA多孔结构支架。然后进行以下条件的等离子处理:
气氛:氨气和氧气混合气
气压:20Pa
等离子体功率:100W
等离子体处理时间:5分钟
在混合气氛下继续保持时间:10分钟
将等离子体处理过的膜迅速浸入20μg/ml骨衍生性生长因子(BDGF)磷酸缓冲液溶液((pH7.0)中90分钟后进行冷冻干燥。将锚定有BDGF的PLDLLA多孔支架在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续30天。在锚定有PLDLLA的多孔结构支架上进行成骨细胞的培养,结果显示成骨细胞的生长状态及增殖都比没有锚定BDGF的PLDLLA多孔结构支架有很大的提高。
实施例6
同实施例1的制膜方法,但是生物降解性材料是聚羟丁酯(PHB)(分子量为20万),然后将PHB致密膜进行以下条件的等离子处理:
气氛:氦气
气压:30Pa
等离子体功率:15W
等离子体处理时间:100分钟
在氦气氛下继续保持时间:15分钟
将等子体处理过的膜迅速浸入5μg/ml骨形态蛋白(BMP—7)MOPS缓冲液溶液(pH7.2)中120分钟后进行冷冻干燥。将锚定有BMP—7的PHB膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续10天。在锚定有BMP—7的PHB膜上进行成骨细胞的培养,结果显示成骨细胞的生长状态及成骨能力比没有锚定BMP—7的PHB膜有很大的提高。
实施例7
同实施例3的制膜方法,但是生物降解性材料是明胶,溶剂是去离子水,得到厚度为0.5毫米的无孔致密结构明胶膜,然后进行以下条件的等离子体处理:
气氛:空气
处理功率:120W
处理时间:3分钟
在空气气氛下继续保持时间:5分钟
将等离子体处理过的膜迅速浸入2μg/ml血小板衍生生长因子(PDGF)Tricine缓冲液溶液(pH6.6)中30分钟后进行冷冻干燥。将锚定有PDGF的明胶膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续10天。在锚定有PDGF的明胶膜上进行基质干细胞的培养,结果显示持基质干细胞的生长状态及增殖比没有锚定的PDGF的明胶膜有很大的提高。
实施例8
同实施例3的制膜方法,但是生物降解性材料是聚己内酯/聚乙二醇/聚丙交酯三元共聚物(PCEL)(分子量4万),然后进行以下条件的等离子体处理:
气氛:氨气
气压:60Pa
等离子体功率:50W
等离子体处理时间:20分钟
在氨气气氛下继续保持时间:15分钟
然后将等离子体处理过的膜迅速浸入120μg/ml人重组皮肤生长因子(EGF)Tris缓冲溶液(pH7.6)中3分钟后进行冷冻干燥。将锚定有EGF的PCEL膜在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续12天。在锚定有EGF的PCEL膜上进行皮肤细胞的培养,结果显示皮肤细胞的生长状态及增殖都比没有锚定EGF的PCEL膜有很大的提高。
实施例9
同实施例4的PLLA多孔支架,然后对多孔支架进行以下条件的等离子体处理:
气氛:氩气
气压:100Pa
等离子体功率:10W
等离子处理时间:110分钟
在氩气气氛下继续保持时间:10分钟。
将等离子体处理过的PLLA多孔结构支架迅速浸入浓度为20μg/ml转移生长因子(TGF—β1)Glycylglycine缓冲溶液(pH7.5)中3小时后进行冷冻干燥。将锚定有的TGF—β1的PLLA多孔支架在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续30天。在锚定有TGF—β1的PLLA多孔结构支架上进行似成骨细胞的培养,结果显示似成骨细胞的生长状态及成骨能力都比没有锚定TGF—β1的PLLA多孔结构支架有很大的提高。
实施例10
同实施例4的(PLGA(分子量8万)+胶原粉)(重量比100:1)混合材料多孔支架,然后对多孔支架进行以下条件的等离子体处理:
气氛:二氧化硫
气压:100Pa
等离子体功率:15W
等离子处理时间:90分钟
在二氧化硫气氛下继续保持时间:30分钟。
将等离子体处理过的(PLGA+胶原粉)多孔结构支架迅速浸入浓度为20μg/ml的硷性成纤维细胞生长因子(b-FGF)磷酸缓冲液(pH7.4)中2小时后进行冷冻干燥。将锚定有的b-FGF的(PLGA+胶原粉)多孔支架在37℃磷酸缓冲液溶液中进行体外释放,释放时间可以持续10天。在锚定有b-FGF的(PLGA+胶原粉)多孔结构支架上进行似成软骨细胞的培养,结果显示似成软骨细胞的生长状态及生成能力都比没有锚定b-FGF的(PLGA+胶原粉)多孔结构支架有很大的提高。
对照例
将按实施例1—10方法制得的无孔致密结构膜和多孔结构支架不进行等离子处理及生长因子锚定而直接进行细胞培养,结果显示各种细胞的生长状态及细胞数量与经过等离子处理及生长因子锚定的实施例1—10的相应结果比较,不仅细胞的生长情况大大变差、而且细胞数量大大减少、死细胞数量大大增加。

Claims (9)

1、一种在生物降解性材料上锚定生长因子的方法,其步骤如下:
A)将生物降解性材料进行等离子体处理;
B)将步骤A处理后的生物降解性材料浸入生长因子溶液中进行生长因子锚定处理;
C)将步骤B处理后的生物降解性材料取出,冷冻干燥。
2、如权利要求1所述的方法,其中,所述的生物降解性材料是合成类生物降解高分子或天然生物降解高分子,且具有几何形状和尺寸的致密或多孔结构的膜、管、微球或支架。
3、如权利要求1或2所述的方法,其中,所述生物降解性材料选自:
聚L-乳酸、聚DL-乳酸、共聚(L-乳酸/DL-乳酸)、共聚(乙交酯/丙交酯)、聚己内酯、聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物、聚己内酯/聚乙二醇嵌段共聚物、聚己内酯/聚乙二醇/聚丙交酯三元共聚物、聚羟丁酯、聚羟戊酯、胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸其中一种或它们间的共混物。
4、如权利要求1所述的方法,其中,所述的等离子体处理条件是:
压力:0.1—100Pa;等离子体处理功率:10—100W;处理时间:3—100分钟。
5、如权利要求1所述的方法,其中,步骤A所述的等离子体处理是在氧气、空气、氨气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、氩气、氦气或它们的混合气体气氛中进行的。
6、如权利要求1所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子溶液浓度是50ng/ml-200μg/ml。
7、如权利要求1或6所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子是:
成纤维细胞生长因子、硷性成纤维细胞生长因子、皮肤细胞生长因子、内皮细胞生长因子、神经细胞生长因子、转移生长因子、骨衍生性生长因子、骨形态蛋白、血小板衍生生长因子或胰岛素类生长因子。
8、如权利要求1或6所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子溶液中的溶剂是:水、磷酸缓冲液、Tris缓冲液、MES缓冲液、PIPES缓冲液、MOPS缓冲液、Bicine缓冲液、Glycylglycine缓冲液或Tricine缓冲液。
9、如权利要求1所述的方法,其中,步骤B所述的生长因子锚定处理时间为3—300分钟。
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